凍結施工內層井壁混凝土溫度徑向及時間維度的影響研究

李 林 梁云海 高 偉

（1.天地科技股份有限公司建井研究院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，014316）

隨著內蒙西部地區(qū)煤炭資源開發(fā)，在該區(qū)域富水地層人工凍結法豎、斜井鑿井工程應用日漸廣泛。與凍結法施工相配合的內外雙層井壁結構中，外層井壁分段掘砌，主要用于掘進過程中的臨時支護和抵抗地壓，內層井壁連續(xù)澆筑，其主要功能為封水和分擔地壓。而使用凍結法的井筒多處于地下水富存地層，所以內層井壁質量好壞直接關系到井筒的淋水和后期強度。內層井壁為鋼筋混凝土結構，相對于地面建構筑物，其質量主要受養(yǎng)護溫度及溫差影響。目前研究分析認為，凍結法施工中影響內層井壁溫度的主要因素包括空間因素 （層位、方位、位置、混凝土厚度）和其他因素 （混凝土標號、外層井壁溫度、地層溫度、地熱、巖性、時間）。本文僅就空間因素中徑向位置及時間對凍結法施工中內層井壁質量的影響進行分析。通過對紅慶梁煤礦風井內層井壁澆筑過程中不同位置處混凝土溫度的監(jiān)測數據，分析徑向位置及時間對內層井壁質量的影響。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

紅慶梁井田位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達拉特旗境內，井田在達拉特旗政府所在地西南方約65 km。礦井設計生產能力為6.0 Mt／a，主井為斜井，副、風井為凍結法施工的雙層井壁豎井。在紅慶梁煤礦風井外層井壁掘砌到底開始內層井壁施工時，選定4個層位對各層位內層井壁與外層井壁界面處、內層井壁內不同深度處、內層井壁與空氣界面處在混凝土澆筑后的溫度數據進行監(jiān)測，各層位測點距離模板及外壁的距離、測點位置布置見圖1，前72h每小時測量1次。4層位內壁澆筑體厚度分別為：-381m 處為1250mm，-292m 處為575mm，-187m 處為550mm，-91m 處為490mm。

圖1 測點位置布置

以井口地面為±0.00m ，監(jiān)測層位的相對高程、混凝土標號、空氣溫度、入模溫度及澆筑時間見表1。

表1 監(jiān)測層位相對高程及混凝土澆筑有關參數

2 數據分析

2.1 -381m 層位處測點溫度分析

2.1.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-381m 測點溫度與時間和位置的關系見圖2。圖2 （a）顯示，由徑向中點 （即距模板625mm 處）至模板和外壁 （即兩界面處的點1、點5），各測點溫升速率逐漸減緩，最大值依次降低。徑向中點兩側各325mm 范圍內的點2、點3、點4溫升速率、最大值、溫降速率、72h溫度相近；兩界面處的點1、點5溫度規(guī)律相近。圖2 （b）顯示，沿徑向方向，在24h、48h、72h時，溫度由徑向中點至兩界面對稱分布，兩界面在前72h內相差不足3℃。

圖2 -381m 測點溫度與時間和位置的關系

2.1.2 時間對溫度的影響

時間對溫度的影響。圖2 （a）顯示，各測點溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h 達到峰值，徑向中點兩側各325mm 范圍內最高溫度為70～80 ℃，溫度達到峰值后平緩回落；而兩界面處點1、點5溫度規(guī)律相近，最高溫度在50 ℃附近，溫度達到峰值后僅小幅回落。圖2 （b）顯示，徑向中點兩側各325 mm 范圍內與最大值相比，72h時溫降17℃。兩界面處與最大值相比，72h時溫降3～5 ℃。各點里表溫差和入模溫升見表2。里表溫差最大27.19 ℃，入模溫升最大58.30 ℃。

表2 -381m 層位各點里表溫差和入模溫升 ℃

2.2 -292m 層位處測點溫度分析

2.2.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-292m 測點溫度與時間和位置的關系見圖3。圖3 （a）顯示，由徑向中點 （即距模板287 mm 處）至兩界面 （即點1、點3），各測點溫升速率逐漸減緩，最大值降低。圖3 （b）顯示，沿徑向方向在24h時，溫度由徑向中點至兩界面對稱分布，48h、72h時，核部溫度回落較快，外壁處溫度次之。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h 時各點溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關系：

式中：T——測點溫度，℃；

x——測點距模板距離，mm；

R2——相關系數。

2.2.2 時間對溫度的影響

時間對溫度的影響。圖3 （a）顯示，各測點溫度均在入模3h后開始急劇上升，至20h達到峰值，核部點2最高溫度為54 ℃，溫度達到峰值后平緩回落；而兩界面處點1、點3溫度達到峰值前規(guī)律相近，最高溫度在45 ℃附近，溫度達到峰值后外壁處點3平緩回落，模板處點1下降后有小幅回升，但整體趨勢為下降。圖3 （b）顯示，徑向中點與最大值相比，72h 時溫降17℃。模板處與最大值相比，72h 時溫降10℃。外壁處與最大值相比，72h時溫降15℃。即中部溫降最大，外壁處溫降次之，模板處溫降最小。各點里表溫差和入模溫升見表3。里表溫差最大12.00 ℃，入模溫升最大37.78 ℃。

圖3 -292m 測點溫度與時間和位置的關系

表3 -292m 層位各點里表溫差和入模溫升 ℃

2.3 -187m 層位處測點溫度分析

2.3.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-187m 測點溫度與時間和位置的關系見圖4。圖4 （a）顯示，靠近中部的點1～點4溫升速率、最大值、溫降速率、72 h溫度相近，4點同一時刻溫差小于3 ℃。點2 距模板200mm，點3 距外壁200 mm，但點2 溫度始終比點3 高3 ℃，可見距離相同，靠近冷界面（即外壁，因為是凍結井筒外壁外側緊貼凍結壁，故外壁溫度較低，為冷界面）一側溫度偏低。點5緊貼外壁，其溫度較點1～點4低7～10 ℃。圖4（b）顯示，沿徑向方向，在24h時，溫度由徑向中點 （即距模板275 mm 處）至兩界面 （即點1、點5）近似對稱分布，48h、72h時，核部溫度回落較快。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h時各點溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關系：

2.3.2 時間對溫度的影響

時間對溫度的影響。圖4 （a）顯示，各測點溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h達到峰值，核部點3最高溫度為46 ℃，外壁處點5最高溫度為35℃。各測點溫度達到峰值后平緩回落。圖4 （b）顯示，徑向中點與最大值相比，72h時溫降10 ℃。兩界面處與最大值相比，72h時溫降5℃。即中部溫降最大，外壁處和模板處溫降次之。各點里表溫差和入模溫升見表4。里表溫差最大32.16 ℃，入模溫升最大32.50 ℃。

圖4 -187m 測點溫度與時間和位置的關系

表4 -187m 層位各點里表溫差和入模溫升 ℃

2.4 -91m 層位處測點溫度分析

2.4.1 徑向位置對溫度的影響

徑向位置對溫度的影響。-91 m 測點溫度與時間和位置的關系見圖5。圖5 （a）顯示，靠近中部的點1～點3溫度變化規(guī)律相近，同一時刻溫差小于3 ℃。點5緊貼外壁，其溫度較點1～點3低5～7 ℃。點4溫度介于點1～點3與點5之間。圖5 （b）顯示，沿徑向方向，在24h、48h、72h時，各點溫度變化較小。澆筑體溫度沿徑向從模板至外壁逐漸降低，72h 時各點溫度與徑向距模板距離為成反比的近似線性關系：

2.4.2 時間對溫度的影響

時間對溫度的影響。圖5 （a）顯示，各測點溫度均在入模7h后開始緩慢上升，至30h 達到峰值，核部點2最高溫度為27 ℃，外壁處點5最高溫度為22℃。各測點溫度達到峰值后保持不變。圖5 （b）顯示，各測點與最大值相比，72h 時溫降3℃。入模后溫度上升緩慢，達到最大值用時明顯多于其他層位，且達到峰值后溫度不回落，基本保持不變。各點里表溫差和入模溫升見表5。里表溫差最大9.38 ℃，入模溫升最大13.49 ℃。

表5 -91m 層位各點里表溫差和入模溫升 ℃

3 結論

凍結法施工中內層井壁主要起到封水作用，但其一側緊貼低溫凍結外層井壁，一側為模板，凝結時溫度環(huán)境較差。一方面低溫外壁要求其具備一定的早強性，更多釋放水化熱以提高外壁處澆筑體溫度，另一方面厚度較大要求前期降低水化熱，嚴格控制其里表溫差和入模溫升，防止溫度應力造成溫度裂縫影響封水效果。通過對凍結法施工中內層井壁在4種不同澆筑體厚度下24個測點前72h的溫度數據的分析，得出徑向位置和時間對于澆筑體溫度影響的規(guī)律。

（1）徑向位置對溫度的影響為中部溫升速率快，最大值大，向界面逐漸減小。前72h溫度由中心至兩界面為近似拋物線的對稱分布。達到最大值后，中部澆筑體溫度回落較快。對于厚度490～575mm 的C60鋼筋混凝土內層井壁，72h時，各點溫度與徑向距模板距離有如下函數關系：

（2）時間對溫度的影響。厚度在550 ～1250mm兩種標號的混凝土澆筑體中，各測點溫度均在入模3h后開始急劇上升，至24h達到峰值，C60厚490mm 澆筑體，其溫度入模后30h才達到最大值，達到最大值后至72h溫度回落很小 （不足5 ℃）。而其他較厚澆筑體則在24h 達到最大值。至72h 時有較大回落 （10～17 ℃）。表明厚度對澆筑體溫度也存在一定影響。澆筑體溫度在24h和30h 時達到最大值，與劉為國得出的20～35h達到最大值相一致。

4 建議

依據 《大體積混凝土施工規(guī)范》 （GB50496-2009）關于溫控指標的規(guī)定：混凝土澆筑塊體的里表溫差 （不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25 ℃；混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50 ℃。

依據表2～表5，可得-381 m 處的里表溫差為27.19℃，入模溫升值為58.30℃，均高于規(guī)范要求。造成這一結果的原因主要有兩方面：

（1）-381m 位于壁座處，混凝土澆筑體徑向厚度遠大于其他層位，造成了核部混凝土與外壁混凝土內側低溫表面、核部混凝土與內壁混凝土內壁空氣表面距離增加近一倍，造成核部混凝土導熱路徑增長，降低了核部混凝土的散熱效率。

（2）該層位采用的混凝土標號為C70，直接導致水泥水化熱增加，進而使得入模后溫度升高較大，這一點在混凝土澆筑體最高溫度值上也有所反映，其最高溫度為77 ℃，遠大于其他層位的最高溫度。

除-381m 處入模溫升值大于規(guī)范要求外，其余4個層位的兩項監(jiān)測結果均滿足規(guī)范要求，表明紅慶梁煤礦風井內層井壁澆筑施工過程整體符合規(guī)范要求。對于壁座等體型較大，標號較高的混凝土施工，應適當減少早強劑摻量，以便有效控制混凝土溫度升高。

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