冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析.pdf

第38卷 第3期 中国矿业大学学报 Vol. 38No. 3 2009年5月 Journal of China University of Mining 中国矿业大学青年科研基金项目2005A006 作者简介王衍森19732 , 男,山东省邹城市人,副教授,工学博士,从事岩土特殊施工方面的研究. E2mail yswang cumt. Tel 0516283883170 冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析 王衍森1 ,2,程建平3,薛利兵3,任彦龙2,杨志江2,李金华2 1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221008 ; 2.中国矿业大学 建筑工程学院,江苏 徐州 221116 ; 3.山东省郓城煤矿,山东 郓城 274700 摘要在郭屯矿、 郓城矿冻结法凿井过程中,开展了冻结壁内、 外部水平地压的现场实测研究.结 果表明地层冻结过程中,冻结壁内、 外部产生了极其显著的水平冻胀力;最大冻胀力达到初始水 平地压的018～1123倍,普遍介于019～111倍之间;导致冻结壁外载最大达到甚至超过初始水 平地压的2倍.井筒掘进过程中,冻胀力发生了不同程度的释放,冻结壁外部残余冻胀力约为最 大冻胀力的0145～0160倍,使冻结壁外载约为初始水平地压的115倍.冻胀力的积聚与释放,加 剧了井筒掘砌过程中冻结管与冻结壁的受力与变形,并使冻结压力接近甚至超过初始水平地压, 是威胁冻结凿井安全的关键因素. 关键词冻结法凿井;冻结壁;冻胀力;现场实测 中图分类号 TD 265. 3文献标识码 A文章编号10002196420090320303206 In2Situ Measurements and Analysis of Frost2Heave Pressure Inside and Outside the Ice Wall During Freeze Sinking WAN G Yan2sen1 ,2, CHENGJian2ping3, XUE Li2bing3, REN Yan2long2, YANG Zhi2jiang2, LI Jin2hua2 1. Sate Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering , China University of Mining 2. School of Architecture and Civil Engineering , China University of Mining 3. Shandong Yuncheng Coal Mine , Yuncheng , Shandong 274700 , China Abstract In2situ measurements of horizontal ground pressure were made both inside and out2 side the ice wall during freeze sinking in the Guotun and the Yuncheng coal mines. The results show that significant frost2heave pressures arose inside and outside the ice wall during ground freezing. The maximum horizontal frost2heave pressure reached 0. 8 - 1. 23 times more fre2 quently 0. 9 - 1. 1 times the initial horizontal ground pressure. As a result , the maximum hor2 izontal load on the ice wall reached , or even exceeded , twice the initial horizontal ground pres2 sure. The frost2heave pressure was reduced to 0. 45 - 0. 60 times the maximum value during shaft sinking. The horizontal load on the ice wall still remained 1. 5 times the initial horizontal ground pressure. Accumulation and discharge of frost2heave pressure will markedly increase the stress and deation of the ice wall and the freezing pipes. The pressure induced in the ice wall may approach , or even exceed , the initial horizontal ground pressure , which is an key factor that threatens safety during freeze sinking. Key words freeze sinking ; ice wall ; frost2heave pressure ; in2situ measurement 中国矿业大学学报 第38卷 深厚冲积层中冻结法凿井普遍采用多圈孔冻 结.尽管相同盐水温度、 时间及地层条件下,所形成 的冻结壁厚度、 强度远超过单圈孔或单圈加防片 帮孔 , 然而,近年来仍有约40 的井筒发生了断 管事故,部分矿井内圈冻结管断裂殆尽,甚至中圈 管也发生了断裂. 冻结壁在水平外载通常视为 “初始水平地 压”作用下,施加给外层井壁的力称为 “冻结压 力”.鉴于冻结壁必然具有一定的水平承载力,因 此,冻结压力一般不可能超过初始水平地压.然而, 大量工程实测发现冻结压力超过初始水平地压的 现象相当普遍[123].目前,人们将该现象多归咎于融 土回冻冻胀力的叠加效应. 由此可见,对于冻结管与冻结壁的受力与变形 规律,目前的研究仍不够深入. 受冻胀影响,冻结壁形成过程中内、 外部必然 产生冻胀力,进而影响其内部应力状态及外载[426]; 而井筒开挖过程中,冻胀力将不同程度地释放.冻 胀力的积聚与释放无疑将影响冻结壁与冻结管的 受力与变形.然而,截至目前,除了浅部人工冻结工 程中曾较广泛地开展了冻胀力工程实测研究 外[729],冻结凿井中深部冻结壁内外的冻胀力的实 测研究目前尚极为鲜见. 鉴于此,在郭屯煤矿、 郓城煤矿冻结法凿井过 程中,开展了冻结壁内、 外部冻胀力的现场实测研 究,以深入研究冻胀力的大小及其变化规律,并分 析其对冻结凿井工程的影响. 1工程实测方案 工程实测在郭屯矿风井、 郓城矿主、 副井冻结 凿井工程中开展.上述矿井均采用内、 中、 外三圈冻 结孔,辅以内侧防片帮孔的冻结方案. 冻结壁内部冻胀力测量在郭屯风井内圈冻结 孔 N2 孔、 郓城主井科研孔 KY孔、 郓城副井测 温孔 C4 孔中进行;冻结壁外部冻胀力测量分别 在郓城主、 副井测温孔分别为C1 ,C2中进行见 表1 .图1为郓城矿主井冻结孔及测试孔的平面 布置图. 每个测试孔中,选定若干厚度不小于5 m的 黏土或砂层开展测量. 传感器采用向金土木工程仪器有限公司专门 定制的小尺寸、 大量程12 MPa、 耐低温 - 30 ℃的TYJ228型钢弦式压力盒,其分辨力 ≤ 0105 FS ,综合误差 ≤115 FS.按照深部测点到 地面监测室的距离,确定压力盒引线的长度,直接 将测试信号传输至底面,孔中无电缆接头,以保证 防水性. 表1测试孔的编号及位置 Table 1Number and location of measurement bores 工程名称 冲积层 深度/ m 内部冻胀力测孔 孔号位置 外部冻胀力测孔 孔号位置 郭屯风井57717N2内圈-- 郓城主井53412KY 内～中圈 孔之间 C1 外圈孔外 侧215 m 郓城风井53616C4 内～中圈 孔之间 C2 外圈孔外 侧115 m 图1郓城主井冻结孔及测试孔的平面布置图 Fig. 1Horizontal plane of freeze bores and measurement bores of Yuncheng main shaft 压力盒固定在钢管外表面,随钢管下放,同步 完成电缆敷设绑扎固定在钢管表面 , 最终将压力 盒安装至预定深度,如图2所示. 图2安设之中的压力盒 Fig. 2Earth pressure cell being installed 在忽略钻孔偏斜的条件下,压力盒安设到位 后,感应面法线均呈水平状态. 冻结壁内部压力盒的感应面法线指向其中一 部分沿径向指向井心,以测量径向压力;另一部分 沿冻结壁切向即压力盒法线方向垂直于 “测孔～ 井心连线” , 以测量切向压力. 冻结壁外部压力盒的感应面法线均沿径向指 向井心,以测量径向压力.在钢管的逐根连接、 下放 安装过程中,通过设置并上引方位标志,控制管体 的扭转,以保证传感器定向的准确.压力盒安设到 位后,首先测定初值,而后采用自动数据采集仪开 展了长期定时监测. 403 第3期 王衍森等冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析 2现场实测数据分析 深孔原位测试中,受孔径小、 钻孔偏斜等因素 影响,传感器安装时易损坏,电缆易拉断.此外,高 水压、 低温条件下传感器的长时防水防渗技术难度 大,导致安装后成活率低,仅40 ～50 .尽管如 此,测试仍获得了大量宝贵的数据.以下将对部分 测试数据进行分析. 211冻结壁内部水平地压实测曲线及变化规律 图3是郭屯风井、 郓城主副井冻结壁内部水平 地压实测曲线,图3中时间坐标轴的起点即开机冻 结时间. 图3冻结壁内部水平地压实测曲线 Fig. 3Curves of horizontal earth pressure measured inside ice wall 由图3所示的水平地压测试曲线,结合冻结壁 的发展规律,以及井筒掘砌进度,分析可见,冻结壁 内部的水平地压变化先后经历以下5个阶段 1 冻结初期的初始地压阶段 开机冻结至各圈孔环向交圈前为第1阶段.该 阶段,测得的水平地压即孔中泥浆柱压力,尚未受 冻结影响.如图3中测试曲线的初始水平段.需说 明的是,郓城副井因仪器故障,未获得冻结开机后 前2个月内测试数据,致图3d中曲线有缺失. 2 冻结交圈期的急剧增长阶段 各圈冻结孔环向交圈形成冻土环后,直至相邻 的冻土环径向交圈、 冻结壁内部全面冻实前,为第 2阶段. 该阶段,随着冻土环间冻结锋面的相对扩展, 内部未冻水冻胀变形受阻将诱发冻胀力,导致冻结 壁内水平地压急剧增长,如图3所示. 水平地压冻胀力增长的剧烈程度,与土性、 冻结方案有关.砂层一般含水量大,且主要是自由 水;而黏土中含水量相对较低,且以结合水为主,其 冻结具有渐进的特征.因此,与黏土相比,砂层中更 易积聚内部冻胀力,且冻胀力增长更迅速.如图3c 中,353 m处黏土中水平地压增长明显较缓慢,而 525 m处的砂层中的地压增长则极为迅速. 3 冻结壁内部冻实后的缓慢变化或基本趋稳 阶段 冻结壁内部全面冻实后继续降温,直至井筒掘 砌对其产生影响前为第3阶段.该阶段,砂层内部 已无可冻水,因此,内部冻胀力不再增长,趋于稳 定;随着继续降温,在内部冻土发生 “冷缩” 的条件 下,水平地压甚至缓慢下降.如图3a ,3b ,3d中的砂 层.而黏土中弱结合水冻结的渐进性,导致冻结壁 冻实后,内部水平地压仍缓慢增长,如图3c. 4 井筒掘砌工作面逼近过程中的急剧变化阶 段 随着井筒掘砌工作面逼近测试地层,井内土体 竖向卸载,冻结壁向井内发生超前变形.该过程中, 冻结壁内的径向水平地压急剧下降,并当井筒开挖 至测试层位处时,径向水平地压达到最小值,如图 3a ,3c.需要说明的是,郭屯风井冻胀力测试在井筒 掘砌至540 m附近提前停止,因而550 m处压力 测值的后续变化未能采集到. 冻结壁内的切向水平地压,在井筒掘砌工作面 距测试层位尚有井筒开挖直径的1～115倍前,以 冻胀力释放为主,表现为切向水平地压急剧下降; 此后,随着工作面继续接近测试地层,由于井筒开 挖诱发的冻结壁切向应力集中效应开始占优势,因 503 中国矿业大学学报 第38卷 此,切向水平地压转为急剧增长,并在工作面刚好 达到测试层位时,切向水平地压达到极值. 图3b ,3d中的切向水平地压曲线均具有上述 特征.图3b中46115 m、 图3d中290 m处,开挖诱 发的切向地压峰值甚至超过了地层冻结过程中开 挖前的最大值.图3b中463 m处、 图3d中365 m 处,开挖导致的切向应力集中幅度较小,估计与传 感器感应面法向偏离冻结壁切向稍大有关注传 感器安装时,通过参照方位标识,人工控制钢管扭 转保证方位精度,方位出现一定偏差难以避免 . 5 井筒掘砌工作面超过测试层位后的回复及 趋稳阶段 井筒掘砌超过测试深度后,外壁逐渐发挥支护 作用,冻结壁内径向水平地压将略有增长,而后趋 于稳定.而因应力集中而增大的切向应力,随着冻 土的流变,在先下降后再趋于稳定. 212冻结壁外部水平地压实测曲线及变化规律 图4是郓城主、 副井冻结壁外部水平地压实测 曲线.其中,图4a是郓城矿主井同一地层内,冻结 壁外侧土压力、 孔隙水压力的实测曲线. 图4冻结壁外部水平地压实测曲线 Fig. 4Curves of horizontal earth pressure measured outside ice wall 由图4a可见,郓城主井冻结壁外侧C1孔中 353 m深度处的土压力盒、 孔隙水压力传感器的实 测曲线在大部分时间段内极为相似,压力值也基本 一致. 出现上述现象的原因在于C1孔位于外圈冻 结孔外侧215 m ,冻结壁外锋面向外发展相对缓 慢,直至2007年2月21日,C1孔350 m深度的地 层方才进入负温见图5 .而此前,孔内压力盒、 孔 隙水压计的测值实质上均为孔内未冻结的泥浆柱 的压力,二者相等是合理的;此后,C1孔353 m深 度处的孔内泥浆开始冻结,孔隙水压测值逐渐偏离 土压力盒测值也是必然的.事实上,由于孔隙水的 冻结,此后孔隙水压计的测值不再有意义. C1孔中土压力、 孔隙水压测值曲线在冻结前 的高度相似性,及其与地层降温过程的良好对应关 系,也反过来验证了测试仪器工作状态的可靠性. 对比图4a与图3c可见,郓城主井353 m深度 的地层中,冻结壁内、 外水平地压变化曲线也极为 相似.不同之处在于井筒掘砌过程中,冻结壁外部 水平地压的降幅远小于内部地压降幅,导致掘进工 作面远离后,冻结壁外侧承受的水平地压仍高于初 始水平地压. 图5郓城主井C1孔实测降温曲线 Fig. 5Curve of temperature measured in C1 bore of Yuncheng main shaft 图4b是郓城副井365 m深度黏土质砂层中, 冻结壁外侧的水平地压实测曲线. 由图4b曲线可见,2007年1月4日～5月 18 ,冻结壁外侧水平地压由4113 MPa缓慢增长至 4188 MPa ,仅略大于初始水平地压 4 104 MPa . 此后,水平地压急剧增长,于2007年6月30日达 到最大值,而后转为下降. 图4b对应的C2测温孔位于外圈冻结孔外侧 115 m.对照孔中相应深度的测温曲线图 6 可见, 冻结锋面2007年5月12日～6月2日发展到此 处.分析认为水平地压的急剧增长,应与冻结锋面 发展到测孔位置后,冻胀加剧有关. 图6郓城副井C2孔实测降温曲线 Fig. 6Curves of temperature measured in C2 bore of Yuncheng auxiliary shaft 对照井筒施工进度,2007年6月30日,郓城 副井掘进至325 m ,距该测试层位的不足井筒开挖 直径的4倍.结合冻结壁内部水平地压的变化规 律,分析认为365 m深度冻结壁外侧地压测值的 下降,也应是冻胀力超前释放所致;但由于压力盒 距井帮较远,冻胀力不能全部释放,导致掘进工作 面超过并远离测试层位后,径向水平地压仍高于初 603 第3期 王衍森等冻结法凿井冻结壁内外部冻胀力的工程实测及分析 始水平地压. 213冻结壁内外部的水平冻胀力 初始水平地压记做P0;开挖至测试地层前,实 测最大水平地压记做Pmax,;最大冻胀力记做Pfmax, 则Pfmax Pmax-P0. 井筒掘砌至测试地层的过程中,因冻胀力释 放,水平地压达到的极小值记做P1;此时的残余冻 胀力记做Pfr,则Pfr P1- P0.当P1- P0≤0时, 令Pfr0,表明此部位冻胀力已全部释放. 由实测数据,可得冻结壁内、 外部最大冻胀力 Pfmax、 残余冻胀力Pfr,计算得最大冻胀力与初始 水平地压之比Pfmax/ P0,残余冻胀力与最大冻胀力 之比Pfr/ Pfmax,见表2. 表2冻结壁内部水平冻胀压力 Table 2Horizontal frost2heave pressure inside outside ice wall 工程深度/ m土性感测方向P0/ MPaPmax/ MPaPfmax/ MPaPfmax/ P0P1/ MPaPfr/ MPaPfr/ Pfmax 46115粉砂切向5110916641560189711321030145 463. 0粉砂切向51221116561431123814831260151 郭屯风井 内部 47615粉砂径向5140918541450182515101110102 550. 0砂质黏土径向61411216861270198--- 551. 0砂质黏土径向61131116451510190--- 郓城主井363. 0黏土径向4122816841461106210700 内部525. 0砂径向61261310761811109116600 郓城副井290. 0黏土切向3162716031981110217600 内部365. 0黏土质砂切向4164615611920141418911270166 郓城主井363. 0黏土径向4123816041371103618621640160 外部363. 0黏土水压4127818241551107618021530156 郓城副井365. 0黏土质砂径向4104713031260181515011460145 外部525. 0砂径向6. 2613. 076. 811. 091. 6600 根据水平地压的实测曲线与表2中的数据,分 析得出以下重要结论 1 地层冻结过程中,冻结壁内、 外部都将产生 极为显著的冻胀力.冻胀力的数值,除个别地层如 郓城副井365 m深度外,最大可达到初始水平地 压的018～1123倍,且普遍在019～111倍之间. 2 井筒掘砌过程中,冻胀力将发生超前释放. 径向冻胀力在井筒掘进至测试地层时,释放量达到 最大;切向冻胀力,则在掘进工作面距测试层位为 井筒开挖直径的1～115倍时,释放量达到最大. 3 冻结壁内外部的残余冻胀力与最大冻胀力 之比冻结壁内部径向为0～0102 ,切向为0145～ 01 66 除郓城副井290 m处为0 ;而冻结壁外部径 向为0145～016. 由上述结论可见,冻结凿井过程中,冻结壁的 水平外载并非初始水平地压,而是初始水平地压与 径向水平冻胀力之和.基于本文的实测数据来看, 冻结壁最大外载约为初始水平地压的2倍;随着井 筒掘砌,冻胀力发生释放后,仍为初始水平地压的 115倍. 3冻胀力对冻结凿井安全的影响 1 地层冻结过程中冻胀变形受阻产生的冻胀 力,大幅提高了冻结壁的内、 外部应力水平,使之成 为时间、 空间、 温度等参数的函数;而得以发生的冻 胀变形,使冻结管产生变形应力. 2 井筒开挖过程中,冻结壁内外部冻胀力的 释放,将加剧冻结壁与冻结管的受力与变形.尤其 是土性分层面处,冻土力学性质的差异将在冻结管 内诱发不利的变形应力,加剧对冻结管安全的影 响. 3 冻胀力的存在,导致冻结压力接近甚至超 过初始水平地压,加剧了外层井壁的受力. 冻结壁是用于抵挡外部水土压力的临时支护 结构.如不考虑冻土流变过程中的剪胀,在外部水 平地压作用下,冻结壁只起到外部荷载的传递作 用.如果冻土的长时强度为0 ,冻结壁处于非稳定 蠕变状态,则冻结壁传递给外壁的冻结压力,最终 将趋于和冻结壁自身的外载相等.考虑到冻结壁的 长时强度未必为0 ,即往往具有一定的长时水平承 载能力,则冻结壁将自身承担部分外载,传递给外 壁的冻结压力,不应超过其自身的外载通常视为 “初始水平地压” , 如图7所示. 图7冻结壁与外壁的受力示意 Fig. 7Mechanical sketch map of ice wall and outside shaft lining 为此,人们普遍将冻结压力超过初始水平地压 的原因归咎于 “融土回冻”,即认为壁后融土外壁 703 中国矿业大学学报 第38卷 水化热所致回冻诱发的冻胀压力,是冻结压力超 过初始水平地压的主要原因. 然而,深厚冲积层中,冻结井井帮温度一般较 低400 m以下,普遍低于- 12～- 15℃ , 冻结壁 的融化范围相当有限;且壁后融土已经经历过冻胀 过程,因此,在无新的水分补给的条件下,融土回冻 冻胀压力必然相当有限. 由上述冻胀力实测数据可见冻结壁内、 外部 冻胀压力的存在,导致其内、 外部初始水平应力远 超过了初始水平地压,应是 “冻结压力接近甚至超 过初始水平地压” 的主要原因. 4结论 1 地层冻结过程中,冻结壁内、 外部将积聚显 著的水平冻胀力,使其内、 外部水平地压最大达到 甚至超过初始水平地压的2倍. 2 井筒掘砌过程中,冻结壁内、 外部冻胀力将 发生不同程度的释放.然而,掘砌完成后,冻结壁水 平外载仍约为初始水平地压的115倍. 3 冻结壁内、 外部冻胀力的积聚与释放,是导 致冻结压力接近甚至超过初始水平地压,进而威胁 冻结壁、 冻结管安全的关键因素. 冻胀力深部原位测试难度大,成本高,实测数 据还相当有限.但鉴于冻结壁内外部冻胀力的研 究,对于进一步深入揭示冻结管断裂机理,开发冻 结管断裂防治技术具有重要意义,因此,还需采取 多种手段,开展广泛、 深入地研究. 参考文献 [1]苏立凡.冻结井壁外力的实测研究[J ].煤炭学报, 1981 ,61 30238. 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