袁大灘主斜井底板粉碎性破壞段凍結修復

任志剛 權曉甜

(1.中煤邯鄲特殊鑿井有限公司，河北 邯鄲 056003； 2.中國礦業大學力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116)

1 概述

凍結法是在松散的含水土層或破碎的含水巖層中,用人工制冷的方法,將地下工程周圍的含水巖層、土層凍結成封閉的凍土結構物——凍結壁,用以抵抗巖土壓力,隔絕凍結壁內、外地下水的聯系,然后在凍結壁的保護下進行工程建設的施工方法[1,2]，目前,凍結法施工已廣泛應用于國內各類立井、斜井、地鐵、隧道、橋梁基礎及建筑物基坑工程中,具有許多成功的經驗和較成熟的冷凍技術[3]。凍結法鑿井施工是一種井巷工程利用人工制冷技術暫時凍結地下水以加固不穩定沖積層、松軟含水層、富水砂層的特殊施工方法特殊的井筒施工方法，具有適應性強和安全可靠的特點，在復雜水文地質條件下礦井建設和其他地下工程中逐漸占據首選位置[4-6]。但目前對于破損井壁特別是井壁底板破損進行凍結局部修復尚未有相應案例可供參考。

2 工程概況

袁大灘礦井位于陜北侏羅紀煤田榆橫礦區東北部，礦井采用斜井開拓方式，設計生產能力8.0 Mt/年。礦井主、副斜井位于井田中部、首采區東部邊緣地帶[7]。井壁結構圖如圖1所示。

在袁大灘主斜井的原凍結段的掘進施工過程當中，2015年5月10日因建好的井壁解凍出水，工作面停止掘進，為了解決袁大灘主斜井井壁出水的問題，在對其進行堵水加固的過程中，地面注漿水泥漿液進入井筒造成底板隆起現象嚴重，混凝土底板無法承受底部的水土壓力。軌道嚴重抬起，隆起物為水泥漿液及沙的混合物，底板隆起里程245 m～325 m，266 m處底板隆起高度達到1.8 m。

修復開挖發現自里程185 m起，斜井底板出現裂縫。185 m～220 m裂縫寬度很小，220 m～320 m裂縫寬度20 mm～30 mm。

在進行凍結修復的過程當中，頂部和兩側均布置了凍結孔，且目前井筒兩幫外的凍結管形成的凍土范圍已經進入結構內部1.1 m，左右兩側的凍結壁邊緣距離2.8 m。

鑒于底板粉碎性破壞的情況，本工程的重難點主要是底部凍結帷幕的形成與維護。

為了有效地形成與維護凍結帷幕，計劃采取的措施如下：

1)底板修復時進行割除凍結管內溫度監測，必要時恢復凍結。2)采取倒退式修復方案，減少凍結管停凍時間。3)保證鉆孔施工質量。

3 凍結設計

3.1 凍結壁設計

凍結壁設計理論是凍結法形成凍結帷幕技術的核心之一[9]。根據目前施工暴露的情況，考慮采用凍結法，在混凝土底板下布置凍結孔，通過凍結形成一定厚度的凍結帷幕，來抵抗下部的水土壓力的凍結方案。具體地，對于253 m以下的施工范圍，采取在底板下布置傾斜凍結孔，形成凍結帷幕，提供底板下的水土壓力維護作用，對于253 m以上的施工范圍，采用近豎直的凍結孔，形成凍結帷幕，以降低鉆孔施工難度。

根據現場底板的破碎情況，對在此范圍的井壁外部采用封幫、封頂孔加強凍結的方法，兩幫凍結孔下部深入井壁底板下5 m，來進行凍結壁的設計。

3.2 凍結壁厚度計算

凍結壁各參數的合理確定直接決定凍結法施工的成功與否[10]，關于凍結壁厚度的確定，根據兩側垂直測溫孔和探孔對凍結壁厚度進行計算，底部厚度取4 m，建立實體有限元模型如圖2所示，其中井筒結構的斷面尺寸參見圖1。

為了分析結構內部的應力分布情況，本次模擬分析了結構內部的剪應力，以及第一和第三主應力，模擬的結果如圖3～圖5及表1所示。

表1 結構應力計算表

計算考慮到248 m～260 m范圍的底板清理及混凝土澆筑時，會切斷凍結管，為了減小施工過程中凍結壁解凍造成強度降低的影響，在該范圍內形成厚度4 m的凍結帷幕。

3.3 凍結孔的布置圖

為了形成需要厚度的凍結帷幕，需對凍結孔的位置進行布置，圖6是設計的凍結孔布置某一斷面圖。

其中布置在現有混凝土底板上部的A排凍結孔，其主要目的是將施工范圍內的底板全部凍實，其長度延長至290 m位置，以封閉整個清理范圍內的空間，保證井筒內迎頭的穩定性。

4 井筒修復施工

里程248 m～280 m井筒清理位于封頂、封幫孔和底板凍結加固區范圍內，待凍結壁達到設計要求后進行井筒和底板的修復工作。

具體施工順序為：

1)凍結壁達到設計要求。2)將井筒內部水在加固段范圍外截止，不允許流入凍結加固段，防止流水融化凍結壁。3)凍結管停止凍結并將除井筒中心一排凍結孔外其他凍結孔內鹽水吹出，沿原有底板設計標高進行開挖。4)開挖期間將井筒中心一排凍結孔割除至原底板設計標高之下并恢復凍結或者先保留凍結孔并進行孔內溫度監測，當孔內溫度高于-5 ℃時，恢復凍結。割除過程中注意多余鹽水的收集,清理至里程277 m。5)根據底板破損實際情況進行反向修復，破損井壁必須恢復至原有設計標準，期間將井筒中心一排暴露的凍結管內鹽水吹出，所有凍結管割除后充填微膨混凝土。

4.1 井筒內清理

具體的施工過程按照原施工組織設計的要求進行，要預計凍結管存在對清理施工的影響，提前將凍結管停凍，并將鹽水排出，防止鹽水灑落融化凍結壁。

4.2 原有井壁的破除及修復

根據井壁破壞情況和設計的要求，從里程277 m反向破除需要修復的混凝土底板(側幫或頂部)，恢復至原有設計標準，期間暴露的沿井筒中心一排凍結管的鹽水吹出、割除后充填。施工中應注意觀察凍土進入清理范圍的情況及檢測凍結壁的變形，保證施工的安全。

井壁的破除應根據破損情況確定破除的深度并應分段進行，分段的長度根據現場的施工情況決定，一般不超過5 m。

5 結語

本文通過對袁大灘主斜井基本的施工情況以及主斜井里程248 m以下底板粉碎性破壞情況提出了具體的對該破壞段進行凍結加固，開挖及砌筑的施工設計方案：1)提出了斜長孔的凍結方案，結合破壞段的井壁外部已有封幫、封頂孔加強凍結的情況，進行底部凍結帷幕設計。2)對于井筒清理采取反向破除修復施工，減少凍結帷幕停凍影響。設計的施工凍結方案成功解決了主斜井里程248 m以下底板粉碎性破壞修復問題。