凍結法施工對副井井架沉降影響的實測研究

宋 杰

(淮滬煤電有限公司丁集煤礦企管科，安徽 淮南 232001)

在井筒施工方法中，凍結法施工速度快，且能較強的適應各種環境[1-3]。我國煤礦開采深度逐年增加，深井開采成為常態，凍結法井筒施工日趨重要。但不可避免的是在施工過程中會對周邊建筑造成沉降影響。凍結會對井筒周邊地下水產生直接固液轉變的物理變化，在工程施工過程中會宏觀表現為土體的凍脹和融沉作用。這些變化會對周邊井架等建筑產生不利影響[4-6]。

1 工程概況

丁集煤礦副井井架整體重量為706.6 t，單罐最大提升荷載為2.5 t，雙罐最大提升荷載為10.8 t。單罐罐籠提升時重量為88.3 t，雙罐罐籠提升時重量為102.2 t，井架基礎承受最大靜止壓力為966.8 t。丁集煤礦副井井架的基礎為四個獨立基礎，副井井架的四個基礎編號如圖1所示。一號基礎JC1和四號基礎JC4埋深為6 m，基底面積為8.5×9.5 m2。2號基礎JC2和三號基礎JC3埋深為4 m，基底面積為5×6 m2，正常運行時井架基礎承受將近1000 t的重量[2]。

圖1 副井井架基礎編號及位置圖

2 凍脹監測

本次現場實測的副井利用永久井架進行鑿井，于2004年2月19日開機送冷開始凍結，2004年6月28日井筒正式施工開挖，2005年1月24日凍結段外壁施工完成，2005年3月27日內層井壁套壁施工完成，停止供冷。井筒凍結造成土層凍脹，致使井筒周邊的井架4個基礎發生不均勻的凍脹抬升。在2004年9月22日中午，一號基礎JC1井架基座發生了瞬間位移，位移量達142 mm，2號基礎JC2與四號基礎JC4相對位移量達175 mm。從2004年8月至2005年3月副井井架的四個基礎均勻上升60 mm，東西方向井架偏南60 mm、南北方向井架偏東63 mm。抬升變形量監測分析示意圖如圖2所示。

圖2 副井井架基礎抬升分析圖

從圖2中可以看出，丁集煤礦副井的四個井架基礎凍脹抬升可以分為三個階段：第一階段為前120 d，這個階段內井架基礎的抬升速度較快，具體體現為圖中的曲線相對較陡，總的抬升量在40 mm至50 mm；第二階段為120～390 d之間，井架基礎呈現先緩慢抬升，之后又緩慢下沉的波動變形趨勢；第三階段為390天至480天之間，井架基礎呈現明顯的下沉趨勢，尤其是四號基礎JC4，下沉量最高達40 mm。

3 融沉監測

井筒凍結施工結束并停止供冷以后，凍結壁處于解凍狀態，隨著溫度漸漸回升產生融沉現象,井架基礎開始由上升轉化為下沉[7],由現場監測結果表明，累計下沉達110 mm，下沉速度每月為1～2 mm。副井井架的四個基礎的累計沉降量如表1所示，其下沉曲線見圖3。

表1 井架四個基礎累計沉降量

圖3 副井井架基礎下沉曲線

4 影響范圍

后續對丁集煤礦副井井架進行了偏移測量，結果表明副井井架東西方向偏南60 mm，南北方向井架偏東63 mm。提升方向四層天輪都偏東，由上層到下層偏移量分別為100 mm、68 mm、35 mm和35 mm。在2011年10月，對副井井口沉降范圍進行了觀測，沿副井井口向南160°方位實測下沉斷面如圖4所示，最大下沉值為400 mm，下沉范圍為井壁向外20 m，最大下沉300～400 mm區間為井壁向外2 m至8 m段。同時，副井井口房基礎因位于凍結壁范圍，受凍土融沉影響，導致井口房出入井口處沉降，井口房的測點位置如圖5所示，實測井口房的最大下沉值為400 mm，平均下沉速度為每月3 mm。

5 結論

利用凍結法進行井壁施工時，將會對井筒周邊的建筑物產生長遠的影響，這種影響主要表現為凍脹抬升和融沉下降兩個過程;現場實測副井井架基礎凍脹變形可達到60 mm，融沉變形可達120 mm，同時四個井架基礎變形不均勻，造成井架容易產生傾斜;井筒凍結施工凍脹和融沉影響的最大范圍在井口外向20 m處，最大下沉區間為距離井口處2～8 m,最大下沉值400 mm。

圖4 副井井口下沉范圍示意圖

圖5 井口房測點位置