深厚表土层冻结法凿井井壁冻结压力特征分析.pdf

收稿日期 2006 - 03 - 28 作者简介李运来1971 - ,男,硕士,主要从事冻结壁和软岩巷道支护的教学与研究工作。 深厚表土层冻结法凿井井壁冻结压力特征分析 李运来,汪仁和,姚兆明 安徽理工大学 土木工程系,安徽 淮南 232001 摘 要文章通过对涡北煤矿风井五个水平、副井三个水平的冻结壁冻结压力和钢筋混凝土 外壁内纵向以及环向钢筋拉力的测试,分析了涡北煤矿冻结压力的发展趋势;探讨了深厚表土 层冻结法凿井冻结压力与深度的关系;分析了各方向冻结压力的均匀性等深厚表土层冻结压力的 特征。在深厚表土层冻结法凿井井筒掘进施工过程中,对井筒的施工进度、安全、经济效益都有 着重要的指导意义。 关键词冻结壁;冻结压力;冻胀力;蠕变 中图分类号TD26513 4 文献标识码 B 文章编号 1671 - 0959 2006 1020035203 1 概 述 涡北煤矿位于涡阳矿区东部,工业广场地势平坦,地 面标高3018m,主井、副井、风井三个井筒位于同一工业 广场内,采用冻结法施工。井田南北长6km,东西宽 312km,面积约19km2,矿井设计生产能力120万t/a。主、 风井井筒2004年2月1日开工,副井2004年5月10日开 工。煤矿井田内第三、第四纪冲积层,冻结深度达484m, 是目前淮北地区表土层最厚的矿井,也是涡阳矿区第一个 建设的 矿井。井 筒 粘 土 层主 井18层,占 总 厚 度 的 5714;副井27层,占总厚度的5413;风井32层,占 总厚度的60。粘土单层最厚达4519m。地质条件十分 复杂。 为了保证涡北矿冻结凿井的安全、经济、快速、优质, 在冻结凿井过程中,分别在风井的五个水平四层外壁、一 层内壁、副井的三个水平外壁埋设了钢弦式压力盒和 钢筋计,分别测读了冻结壁的冻结压力和钢筋混凝土井壁 内环向钢筋压力和竖向钢筋拉力。埋设情况如表1、表2。 表1 风井测试水平传感元件及数量 风井测试 水平 埋设深 度/m 压力盒 /只 钢筋计/只 环向竖向 第一水平外壁2068 3MPa8 d 20 8 d 20 第二水平外壁3308 4MPa8 d 20 8 d 20 第三水平外壁3788 4MPa8 d 22 8 d 22 第四水平外壁4008 5MPa8 d 22 8 d 22 第五水平内壁4008 5MPa8 d 22 8 d 22 小计404040 表2 副井测试水平传感元件及数量 副井测试 水平 埋设深 度/m 压力盒 /只 钢筋计/只 环向竖向 第一水平外壁2008 3MPa8 d 22 8 d 22 第二水平外壁2758 4MPa8 d 22 8 d 22 第三水平外壁3758 4MPa8 d 22 8 d 22 小计242424 2 冻结压力测试结果分析 211 风井冻结压力分析 21111 风井206m处的冻结压力分析 风井开挖到206m处井帮温度为311℃～- 012℃,冻土 强度低,塑性变形大。冻结壁对外井壁的压力随时间变化 见图1中的曲线1。砌外壁后,冻结压力随时间变化增长 趋势总的来说较平缓,达到相对稳定值所需时间较长,约 为90d左右。曲线特征可以分成以下3个阶段 图1 风井各水平冻结压力发展趋势 53 2006年第10期 煤 炭 工 程 施工技术 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1 0～18d为冻结压力加速期,由于井帮温度较高, 井帮的蠕变变形量大,此时,外井壁承受的压力主要由一 部分未冻土蠕变产生的压力引起,由于未冻土蠕变速率快, 所以导致冻结压力迅速增长,达到1120MPa,变化率为 0107MPa/d,达到最大值的38左右,此阶段虽然冻结压 力增长速率大,但由于未冻土的范围不大,引起的压力较 小。由于外井壁的强度相对较小,应注意井壁的安全问题。 2 18～110d为冻结压力缓增期,曲线有两个明显的台 阶,此阶段压 力从112MPa增 加 到213MPa,变化率 为 01011MPa/d。粘土的冰点温度相对较低,大约在- 1℃～- 3℃ 之间,一般粘土温度在冰点附近时降温较慢,再加上浇 注井壁时,产生大量水化热,融化了一部分井壁,也导致 了井壁降温较慢,所以这段时间内冻结压力较稳定。 3 110d以后,冻结压力进入稳定期,最大值为216 MPa。 21112 风井330m处的冻结压力分析 开挖到330m水平时,井帮温度为- 319℃～- 417℃, 冻土强度相对较高,产生的冻胀力较大。冻土壁对外井壁 的压力随时间变化见图1,曲线2可以分成以下几个阶段 1 0～22d为冻胀力增长加速期,前10d冻胀力即达到 最大值的50左右,后10d冻胀力增长趋势虽稍减小,但 很快接近最大值,为310MPa,达到最大值的90左右,冻 胀压力平均变化率为0114MPa/d。 2 22～58d冻结压力进入缓增期,冻结压力由310MPa 增加到315MPa,变化率为0102MPa/d。 3 58d以后,冻结压力进入相对稳定期,最大值为 317MPa。 21113 风井380m处的冻结压力分析 开挖到380m水平时,井帮温度为- 918℃～- 1015℃, 开挖到400m水平时,井帮温度为- 13℃～- 14℃。由于两 水平相距较近,冻结力发展趋势比较相似,冻结力发展较 快,很快达到最大值; 380m水平冻结力发展随时间变化见 图1,曲线3基本可以分成二个阶段 1 0～6d为冻结压力迅速增加期,冻结压力达到 215MPa,为稳定值的59 ,变化率为0142 MPa/d; 2 6～45d为冻结压力缓增期,这一时期,由于冻结 管的断裂等因素的影响,冻结压力相对波动,冻结压力由 215MPa增加到413MPa,变化率为0104MPa/d。 21114 风井400m处的冻结压力分析 400m水平冻结力发展随时间变化见图1,曲线4基本 可以分成二个阶段 1 0～11d为冻结压力加速期,冻结压力达到318MPa, 变化率为0135MPa/d,为最大值的84。 2 11～45d为冻结压力缓增期,冻结压力由318MPa 增加到415MPa,变化率为0102MPa/d。 212 副井冻结压力分析 由于副井监测深度及土层性质与风井基本相近,从图2 中可见,浅部与深部冻结压力的发展趋势阶段、各阶段的 对应时间、冻结压力相对稳定值、稳定时间基本相近。 21211 副井206m处的冻结压力分析 副井开挖到206m处,井帮温度为3℃～315℃,冻结 力发展随时间变化见图2的曲线1,曲线特征可以分成以下 三个部分 图2 副井各水平冻结压力发展趋势 1 0～20d为加速期,冻结压力迅速 增长,达 到 115MPa,变化率为01075MPa/d,约达到最大值的6215。 2 20～60d为冻结压力缓增期,压力从115MPa增加 到210MPa,变化率为01012MPa/d。 3 60d后,冻结压力进入稳定期,最大值为214MPa。 21212 副井275m处的冻结压力分析 挖到275m处,井帮温度为- 016℃～- 113℃,冻结力 发展随时间变化见图2的曲线2,曲线可以分成以下阶段 1 0～5d为 加 速 期,冻 结 压 力 迅 速 增 长,达 到 215MPa,变化率为015MPa/d,达到最大值的71左右。 2 5～30d为冻结压力缓增期,压力从215MPa增加到 311MPa,变化率为01024MPa/d。 3 30d后,冻结压力进入稳定期,最大值为315MPa。 21213 副井375m处的冻结压力分析 挖到375m处,井帮温度为- 7℃～- 719℃,冻结力发 展随时间变化见图2的曲线3,曲线基本可以分成二部分 1 0～6d为 加 速 期,冻 结 压 力 迅 速 增 长,达 到 310MPa,变化率为015MPa/d,达到最大值的71左右。 2 5～35d为冻结压力缓增期,压力从310MPa增加到 412MPa,变化率为0104MPa/d。 213 风井内壁应力的特征 风井400m内壁初期压力发展趋势见图3 ,由图可见, 在初期内壁基本不受力,最大压力在012～013MPa。内壁 压力的发展还需进一步检测。 3 冻结压力特征 311 冻结压力的计算公式 冻结压力的经验公式 H≤m时, Pa11741- e 0102H H≥m时, Pa01005H 1 1 63 施工技术 煤 炭 工 程 2006年第10期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 风井第五水平内井壁压力发展趋势 Pa11265H /1002 式中 H 计算深度, m; Pa 冻结压力, MPa。 根据式1、2得到涡北矿的冻结压力如图4。 由图4可见,涡北矿冻结压力监测值介于经验公式1 与经验公式2计算值之间。 当H≤275m,冻结压力监测直接近经验公式2计 算值; 当H≥275m,监测值偏离公式1计算值。由此可见, 涡北矿冻结压力随深度变化与经验公式既有相同之处,又 图4 不同公式计算的冻结压力值与监测值 有不同之处。由此得出涡北矿冻结压力随深度变化的规 律为 当H≤275m, Pd11265H /100 H≥275m, Pd713505-0102943H 0100005599H2 312 井筒各方向冻结压力的均匀性分析 表3给出了各方向冻结压力的分布及平均值。由于冻 结管偏斜、挖掘荒径不整齐等原因,造成冻结壁的温度、 厚度、强度等不均匀,导致冻结压力沿井筒四周的分布也 不均匀。一般前期不均匀程度较严重,后期由于冻土的流 变性,均匀度较好。 表3 各方向冻结压力的分布及平均值 深度/m 各方向冻结压力最大值/MPa 东南东南南西西北西北北东 平均值/MPa 206212216218214218217216216 风井330412314315412312316410318317 380413412411318414413512411413 400410412412411418414419415415 200210218216211212214217211214 副井275316318310318319311314313315 375312315417412415412418413412 4 结 论 1 施工过程中的各种原因引起的冻结压力前期不均匀 程度较严重,后期均匀度较好。 2 冻结压力与深度的关系从图 4 不同计算公式和 现场实测冻结压力的比较来看,实测值与经验公式1的最 大差值为317 - 2165 1105MPa,其相对误差 α1 1105/317 28;实测值与公式经验2的最大差值为5106 - 412 0186MPa,其相对误差α20186/412 2015。故从误差分 析来看,用经验公式2来计算的冻结压力与深度的关系更 加接近实际。 3 冻结压力的发展一般经历三个阶段,即,快速发展 阶段一般在5～30d之内,在此期间,冻结压力快速增 长,冻结压力与时间的关系曲线接近抛物线,此时,冻结 压力一般可达到稳定值的50左右;缓增阶段在稳定期 冻结压力增长缓慢,冻结压力与时间的关系曲线接近直线, 整个过程一般需要60～90d左右,冻结压力接近稳定值; 稳定期冻结压力与时间的关系曲线几乎为一直线。 参考文献 [1] 杨平,等.冻结壁形成及解冻规律实测研究[ J ].冰川冻 土, 19986. 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