冻结壁位移对冻结管断裂的影响.pdf

1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 卷第期 年月 淮 南矿业学 院学报腿 冻结壁位移对冻结管断裂的影响 郭瑞平 ’ 李广信 清华大学 摘要采用现场实测与数值模拟相结合的综合研究方法 , 对深部厚粘土层冻结 凿井时 冻结壁 的位移和底鼓在时间上和空间上进行了全域性的研究 , 从而找出了冻结管断裂的 主要原因 。 主题词 冻结法凿井冻结管断裂冻结壁位移 分类号 前言 随着冻结法凿井在深井中的使用 , 出现了许多困难 。 其中 , 冻结管断裂便是最严重的 问题之一 。 淮南潘谢矿区已施工的个深冻结井中就有个井筒发生 了冻结管断裂 , 共 断管根 , 占个井筒全部冻结管总数根的写 。 尤其是谢桥研石井 , 仅一个 井筒就断管根 , 占该井筒冻结管总数根的 。 更为严重的是谢桥主井 , 因为冻 结管断裂造成透水淹井重大事故 。 使井筒被迫重新处理 , 工期延长两年 , 多耗资余 万元 。 国内外实践证明 , 冻结管断裂绝大多数发生在深部厚粘土层 中 。 而且是由于粘土层 中冻结壁位移过大造成的 。 因此从冻结壁位移的角度研究冻结管断裂的原因实有必要 。 研究方法 在冻结壁位移研究方面 , 过去多限于一个开挖的段高范围内进行 , 而没有对厚粘土层 中多个连续段高及其上下不同土层交界面附近的冻结壁和冻结管位移问题进行过系统的 分析 。 这就不可能在时间上及空间上揭示冻结壁的位移规律及断管的机理与位置 。 现场实测只能测到冻结壁暴露段的已布测 点之后的位移 , 对未开挖的超前位移及支 护后 的位移就难以测 出 。 有限元法能到各个时刻 的冻结壁表面及内部各点的冻结管处的 位移分布规律 , 因此本研究采用现场实测与数值模拟相结合的方法 。 ‘ 郭瑞平 ,男, 岁 , 副教授 , 年毕业于中国矿业大学建筑系获硕士学位 。 现在清华大学水利水电系从事岩土 工程专业的教学与科研 。 曾发表论文近篇 , 参加编写著作一本 。 北京 来稿日期一一 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 郭瑞平等冻结壁位移对冻结管断裂的影响 冻结壁位移的现场实测方法 实测地点 本次实测是在采取强化冻结后的谢桥主井深厚粘土层中进行的 , 第一厚粘土层掘进 时 , 井中心温度低达一 一℃ 。 井帮温度达一 ℃ 。 根据实测资料进行分析 , 在垂深 的第一厚粘土层中的粘土冻结壁的平均温度达一 ℃ 。 有效厚度达 。 实测方法 量测冻结壁或外层井壁砌块的位移分两步 。 首先用收敛计量测井壁的相对位移 , 并通 过三角运算得出井壁上各个测点的绝对位移 。 再用吊线垂球钢尺法量测冻结壁或砌块相 对井壁的位移 。 冻结壁或砌块的绝对位移为冻结壁或砌块对井壁的相对位移与井壁绝对 位移之和 。 冻结壁位移的有限元分析模型 冻结壁位移问题是一个非 均质近似轴对称的粘塑性且随时间其形状也在不断变化 不断掘进的问题 。 用线弹性有限元方法无法求解 。 因此采用 了可以模拟蠕变和模拟施 工过程 的动态增量程序进行计算 。 为了能与现场数据进行对比分析 , 所以模拟取以本次量测相对应的谢桥主井第一厚 粘土层的具体施工过程为条件进行 。 谢桥主井第一厚粘土层厚 , 本次计算模型沿深度方向取 。 上部为的 砂层 , 下部为的砂层 , 中间为的粘土 , 井心冻实 , 向外扩展到粘土 一 , 砂 层 一 。 冻结 管处土 层温度取一 ℃ 两圈冻 结管 , 第 一圈 圈径 , 第二圈 ” 。 其它部分冻结壁的温度按线性插值 。 蠕变函数取 。一丫了 式中 ￡ 为应变 、 月 、 均为试验常数 , 一 , 夕 , 一 为岩性系数 , 对冻结粘土取 一 。 , 对冻砂土 取 一 为冻土受荷时间为冻土温度 ℃ 。 为应力 。 假设上部砂层已经掘进并进行了混凝土外层进 壁的支护 , 支护厚度取 一 。 在粘土层及其上 、下 交界处共掘进了个段高和个段高 。 模型 的上部受均布荷载 , 模型的外侧按似重液公式进行计算 , 在井心处沿径向位移为零 , 据施工经验认为模型底部的 纵向位移为零 。 荷载及约束见图 。 本计算均采用 了矩形单元 , 多数单元沿方向的尺 工 , 曰曰 仁仁仁仁仁 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 于 图冻结壁模型计算示意图 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 淮 南矿业 学院学 报年卷第期 寸是 , 沿井深方向是 , 共划分了个节点 , 个单元 。 线性单元一组 , 即混凝 土井壁单元 。 非线性单元有组 。 现场施工的掘进速度是每个班掘 , 有限元计 算步长取 , 因此每个时间步长正好掘进一层单元 。 也即每一时间长处于开挖井径范围 内的一层单元的刚度矩阵置零状态 。 冻结壁位移量测结果及计算结果的分析 井壁位移 对第段的井壁用收敛计进行了观测 , 在井壁浇筑后开始量测 , 井径收敛 , 可见井壁位移是很小的相对冻结壁的位移而言 。 因此在分析冻结壁实测位移 时 , 可假设井壁为不动点从图的数值模拟结果也说明这一点 。 砌块与冻结壁的位移 实测得到的冻结壁最大位移是 , 最大位移速度 为 。 实测得到的砌块最 大位移为 , 最大位移速度为 。 图 、 图分别为冻结壁位移与砌块位移随时间的变化规律 。 由图可知 , 刚刚暴露时 冻结井壁位移发展较快 , 随后逐渐稳定 , 这是因为采取了加强冻结的措施 , 使得冻土温度 降低 , 冻土强度提高 , 冻结壁有效厚度加大 , 致使在相对应特定深度 荷载下产生衰减变 形 , 充分体现了强化冻结的效果 。 、 才多 ‘ 已 飞 图冻结壁位移随时间的变化规律一东帮一南帮一西帮一北帮 图砌块位移随时间的变化规律 所测 出的砌块位移的总平均速度是 , 与其相对应段高的冻结壁平均位移 速度为 。 可见砌块对冻结壁位移约束作用仅有 。 这说明用小型砌块做 通过深厚粘土层的外井壁来防止冻结管断裂是不太合理的 。 图为可以量测 出的冻结壁位移沿段高的分布 。 图中的实线为随工作面掘进开始点 实测 出的位移 。 虚线为数值模拟出的该段高内在相同时间的位移分布结果与布点前超前 位移的差值 。 由图可见 , 数值模拟结果在数值的规律上同实测值基本上是一致的 。 图为冻结壁掘完第一段高暴露后的位移分布 。 由图可知 , 由于井壁约束比井筒 工作面约束强 , 所以冻结壁位移最大值发生在井壁暴露段下合位置处 。 由图 、 图可知 , 模拟结果在数值上和规律上均与实测 出的结果吻合较好 。 因此认 为模拟出的超前位移 、底鼓、 及冻结壁内部位移规律也反映了谢桥主井的实际位移特性 。 冻结壁内表面的径向位移 , 是冻结壁蠕变特性的体现 。 故把它作为评价冻结壁稳定性 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 郭瑞平等冻结壁位移对冻结管断裂的影响 的重要依据 。 图为第一粘土掘进段掘完后冻结壁内表面径向位移及工作面底鼓分 布图 。 由图可见 , 在上部支护段井壁位移很 小 , 而冻结壁面的位移很大 。 在工作面 以下 同一粘土层 内冻结壁位移 随深度渐渐减 小 , 但在不 同土层交界处 , 粘土的位移远远 大于砂土的位移 。 图为进人粘土层后第一粘土掘进段 内井帮位移随掘进时间沿 深度的分布规 律 。 由图可见 , 随着时间的延长即掘进暴露 段的增大 , 冻结壁的位移增大很快 。 特别是 即停止掘进后随暴露 时 间的延 长其位移增大更明显 。 这说明减小段高 , 缩 川 实测值 图可测量的冻结壁 总位移沿段高的分布 一北帮 图冻结壁在相同时间 内位移测段高分布 短暴露时间可以有效地抑制变形 , 防止冻结管的断裂 。 现场观测表明 , 冻结管的断裂往往是伴随着严重的 底鼓 。 因此研究底鼓及冻结壁内部沿井筒纵向的位移对 分析断管具有重要的意义 。 图为掘进完第一粘土掘进 段时暴露段附近冻结壁纵向位移分布图 。 由图可知 , 工作 面的鼓起量在井 中心一定范围内是很大的 , 而在靠边井 帮位置的向上位移却是很小的 , 约 为井中心部位的 。 冻结壁范围内向上位移均很小 。 而且在冻结壁 外缘一定范围内线以夕沁还有向下位移 。 这说明工作 面因强度不够而底鼓造成冻结壁外缘土体下沉导致未开 挖段冻结壁向井 内的位移 。 因此底鼓无疑也是引起冻结 壁超前位移的主要原因 。 冻结壁的超前位移正是目前冻 结管在工作面以下发生断管的原因 。 冻结壁稳定性的好与坏不仅与一个段高掘进过程中 的位移状态有关 , 而且与冻结壁在深厚粘土内连续几个 段高开挖过程 中的总位移有关 。 图为个粘土掘讲段 掘完后冻结壁总 的径向位移分布图 。 由图中曲线 ①与图 比较可知 , 冻结壁井帮某点的总位移不仅与其所在段 团团团 粉砂冻结壁壁 枯枯土冻结壁壁 一一一 一一一一一 一一一一一 一一一一一 一一一一一 ,砂。。 图第一粘王掘进段掘完后 冻结壁内表面径向位移及 工作面底鼓分布图 高的暴露时间和高度有关 , 而且与整个粘土层的总厚度和其掘进的总 时间有关 。 该图还说 明冻结壁的长向位移在冻结管部位附近分布最均匀 。 在深厚粘土层的 中部偏下 的部位 , 冻 结管位移达最大值 。 因此使其受到最大的弯矩 , 在上 、 下不同土层交界处冻结管除受到因 不同土层的位移差引起的剪力外 , 还受到一定大小的弯矩 。 因此冻结管容易在深厚粘土的 中偏下部发生弯曲破坏 在深后粘土层的上 、 下不 同土层交界处易弯剪综合破坏 , 尤其当 接头落在这些部位时 , 断管的可能性更大 。 从图还可 以看出 , 冻结壁井帮位移比冻结管所处位置的径向位移大 , 因此冻结管向 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 淮南 矿业 学院学报年卷第期 内偏斜极易引起断管事故 。 同样由于冻结壁外缘不同土层交界处位移特大 , 使得冻结管向 外偏斜时在土层交界处附近也容易发生断管 。 这与现场观测到的向内 、 向外偏斜的冻结管 多数发生断裂的现象是一致的 。 砂层混凝土井壁 劝锄礴 匆 吻硒吻 可 站盛一心︸ 砂一 ﹄︸︸一粉一① 、一一 ︸︸ 土 一 鹰遥 一一一枯 枯土层 」 , , 产 图第一粘土掘进段掘进过程中的 井帮位移图 图第一粘土掘进段掘完后 暴露段附近位移图 结论 整个粘土层最大径向位移为 , 相应冻结管处的最大径 向位移为 。 冻 结管的相对挠度 , 小于苏联规 定的允许值「 一一 。 本研究所得数据有力 地证明和谢桥主井通过深部厚粘土层时所采取的加强 冻结 、 减小段高 、 加快掘进速度 、 监控位移等技术措施 对防止冻结管断裂 、 确保施工安全是有效的 。 为其它深 冻结井的施工提供了宝贵的经验 。 本次研究采用 现场实测与数值模拟相结合的 方法 , 不仅得出了一个段高内冻结壁井帮位移分布 , 而 且还研究了深厚粘土层全域 、 深厚粘土层上 、 下不同土 层交界处及冻结管处的径 向位移及其随时间变化规 律 , 体现了现场实测与有限元法相结合的优越性 。 研究表明 , 冻结管断裂不仅与一个掘进段高掘 进过程中的位移状态有关 , 而且与深厚粘土层中几个 掘进过程中的叫位移有关 。 粘土层越厚 , 总位移越大 , 图 断管的可能性也越大 。 在深厚粘土层的遇 、 下不同土层 交界处易发生弯剪综合破坏 。 公③④ 口口一 一一 一一 ‘ 月月 佃卜 卜 工工作叙 叙叙叙 嘴嘴嘴嘴嘴 一一 内内内内内内内 圈圈圈圈圈圈圈 冻冻冻冻冻冻冻 结结结结结结结 管管管管管管管 位位位位位位位 工工工工工工工 〕〕〕 砂砂砂砂砂砂砂砂砂 至第掘进段掘完时个段高 掘进过程中径向位移图 向内 、 向外偏斜的冻结管均比不偏斜冻结管容易断管 。 工作面的底鼓常导致冻结壁向内超前位移从而引起冻结管的断裂 。 因此在深厚粘 土层施工时将井心冻实以减少实鼓 。 下转第页 、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 范肖南复合双曲正切分配曲线模型参数与分选密度变化关系研究 张家骏 , 霍旭红物理选矿 北京煤炭工业出版社 , 一 一 叫 一 上接第页 参考文献 马英明冻结管断裂原因及防止措施的探讨皖煤科技 ,, 中国矿业学院特殊凿井北京煤炭工业出版社 , ,’ 一 ,