深厚沖積層凍結法鑿井凍脹應力模型試驗研究

彭 飛，王植陽

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；3.河南國龍礦業建設有限公司，河南 鄭州 450000)

井筒穿過深厚沖積層多采用多圈孔凍結法施工，該施工法對凍結壓力和凍結管安全的影響是深厚沖積層凍結法鑿井研究的熱點[1-3]。工程實踐表明，深厚沖積層凍結法鑿井經常發生凍結管斷裂與外層井壁破裂事故[4，5]。這些事故不僅延誤工期，影響工程質量，危害施工安全，造成透水淹井等重大隱患。其主要原因是深厚沖積層凍結壁隨時間推移會發生較大的蠕變變形[6]，凍結管在地壓和凍脹應力作用下發生大變形彎曲，變形過大會導致凍結管斷裂；多圈孔凍結凍脹引起的壓力成為凍結壓力的重要組成部分，外層井壁在較大凍結壓力的作用下容易產生裂縫，發生破壞[7，8]。

針對凍結法鑿井凍結過程中凍脹效應對工程的危害，國內外學者圍繞工程實測與模型試驗研究做了大量研究，汪仁和[9]認為凍結壓力最大值可達到初始地壓的2.4倍，開挖時凍脹力的釋放會導致凍結管斷裂。王衍森[10]認為凍結壁內部凍脹力的積聚和釋放是威脅凍結壁和凍結管安全的關鍵因素。王建平[11]通過理論分析和試驗，發現距離冷源相對遠的點也會因為水分遷移產生較大的凍脹力，因此毛細現象明顯的土體易產生更大的凍脹應力，同時冷源溫度越低，土體溫度下降越快，產生的凍脹力越小。王瀚[12]、崔廣心[13]分別進行了多圈管凍結壁內部凍脹應力的形成特性研究，分析了凍結壁不同位置的溫度和凍脹應力的發展過程。

但是上述學者的研究，側重在分析不同位置凍脹應力的分布特征，本文以趙固二礦西回風立井多圈孔凍結為原型進行凍結壁內部凍脹應力模型試驗研究，分析凍脹力的形成特性和分布特征，對凍結壁內部凍脹應力的形成特性和分布特征進行研究，了解其產生、發展和持續的全過程及原因，提出降低凍結壁內部凍脹應力措施，防止凍結管斷裂及外層井壁破裂等工程風險。

1 模型試驗方案

趙固二礦西回風立井井筒穿過沖積層704.6m，擬凍結深度783m，屬國內外凍結井筒穿過沖積層最厚的井筒之一[14]。沖積層土體含水量大，凍脹效應明顯。試驗對不同布孔方式，即主凍結孔(也稱主孔)、輔助凍結孔(也稱輔助孔)不同布孔圈徑、不同孔間距情況下和不同巖性(砂土、砂質黏土)的凍脹應力場、溫度場進行對比分析。

1.1 模型縮比

綜合考慮工程實際凍結壁尺寸與凍結壁模型試驗臺尺寸，確定幾何縮比為Cl=1/20Cl=1/20。根據幾何縮比采用?300mm的無縫鋼管作為模擬井壁，安裝在試驗桶中央。

1.2 試驗土體的選擇和取用

應用工程現場土樣(趙固二礦西回風立井井下取土)，取用現場的砂土和砂質黏土。

試驗室進行常規土工試驗，測定其含水率、密度等參數。實測砂土密度2.15g/cm3、含水率16.3%，砂質黏土密度2.08g/cm3、含水率23.2%。

1.3 填土和布孔方式

本次模型試驗考慮選擇兩種土層：砂土、砂質黏土，按下部砂土、上部砂質黏土順序填埋、夯實。

采用三種不同布孔方案進行模型試驗，對比不同布孔方案下凍結壁溫度分布及凍脹力分布。布孔方案參數見表1，模型試驗布孔方案如圖1所示。

圖1 模型試驗布孔方案示意圖

1.4 傳感器的布置與測量

試驗凍脹力測量采用微型土壓力盒，配合靜態應變分析系統進行監測凍脹力實時變化情況。將試驗桶按巖性和布孔方式分為6個測區，每個測區布置12個壓力盒，總計72個。壓力盒分別布置于模擬井壁外側(兩個)、內排輔助孔內側界面、內排輔助孔內側主面、內外輔助孔之間界面、內外輔助孔之間主面、外輔助孔和主孔之間主面(兩個)、外輔助孔和主孔之間界面(兩個)、主孔外側主面壓力、主孔外側界面，傳感器布置如圖2所示，各測點的空間位置關系見表2。砂土層的三種布孔方式分別采用S101—S112，S201—S212，S301—S312編號，砂質黏土層的三種布孔方式分別采用N101—N112，N201—N212，N301—N312編號。

圖2 傳感器布置示意圖

表2 各測點的空間位置關系

溫度測量采用數字溫度傳感器，配合測溫模塊進行溫度監測。每組試驗布置78個測溫點。鹽水進水、回水三個扇區各一個測點，計6個。其余72個測點與壓力盒配合布置。

壓力和溫度數據均間隔2h采集一次，試驗共采集58h。

1.5 鹽水溫度和流量的控制

模型試驗中控制模擬凍結管內鹽水流速維持在35～40L/h，試驗期間鹽水溫度控制在-23～-24℃。

2 試驗結果與分析

模擬的第一種布孔方式即趙固二礦西風井實際采用的布孔方式，本文選取第一種布孔方式砂土層作為研究對象，分析隨凍結時間的變化不同位置凍脹應力和溫度變化特征。按照距離試驗桶中心的遠近選取6個不同位置的測點數據，其溫度、凍脹應力隨凍結時間的關系如圖3所示。

圖3 第一種布孔方式砂土層溫度和凍脹應力隨時間變化關系

2.1 井壁側溫度和凍脹應力變化情況

根據S102測點實測結果分析，隨著凍結時間的延長井壁側溫度呈初期緩慢降溫、快速降溫、緩慢降溫、快速降溫四個階段，前兩個降溫階段凍脹應力一直呈較緩慢增長、降溫第三階段凍脹應力小幅快速增長后趨于較緩慢增長。

在凍結開始后的前6h內，由于井壁距凍結管較遠，井壁受到的降溫影響小于凍結孔附近的土體，因此冷凍初期井壁附近的溫度梯度相對較小。井壁位置處的土體受到的凍脹應力呈緩速增長狀態，但增長幅度很小。

凍結8h后，井壁溫度快速下降。該階段主凍結孔圈附近凍土初步開始形成，但是凍結壁尚未交圈，井壁位置處土體受到土體凍脹擠壓作用也不明顯。因此該階段凍脹應力增幅仍然較小。

凍結22h后，此時溫度先是下降速度趨緩，到凍結后24h溫度又快速下降。該階段為凍結壁發展至交圈的關鍵階段，凍結管釋放的冷量大多被用于土體中水分形成冰晶。因此土體溫度和井壁溫度下降速度先趨于平緩，凍結壁交圈后井壁溫度又持續下降。該階段凍脹應力增速顯著提高，原因是凍結壁交圈后土體的凍脹對井壁位置處的土體有一定的擠壓作用。

凍結26h后，井壁溫度以0.3～0.4℃/h的速度勻速下降，凍結58h下降至-8.2℃。該階段井壁受到的凍脹應力持續增長，凍結壁在該階段不斷發展，土體凍脹對井壁位置處的土體的擠壓作用持續增加，但井壁位置處的土體受到的凍脹應力總體不大。

2.2 內排輔助孔內側

根據S104測點實測結果分析，隨著凍結時間的延長內排輔助孔內側溫度呈快速降溫、緩慢持續降溫兩大階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值、至峰值后平穩回落三個階段，最終呈現較大的凍脹應力。

在溫度快速下降階段，即凍結開始后前6h，土體溫度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點，除緊貼凍結管壁的位置外，其余地方無冰晶產生，凍結管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力略有增長，持續至溫度下降至4℃附近，主要是孔隙水體積膨脹造成的。

凍結8h后，溫度下降開始趨緩，原因是近凍結管土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，該過程需要消耗較大的冷量，影響土體的整體溫度下降速度。此階段土體中冰晶正在形成，凍結壁尚未交圈，凍脹應力也表現為緩慢增加。

冷凍后24h，溫度下降，下降速率達0.3～0.4℃/h。該階段凍脹應力增速很快，2h增幅達到22kPa。此時測點溫度并未下降至冰點以下，但受主凍結孔圈凍結壁交圈影響，該點在封閉的凍結壁內，壓力突增明顯。凍結壁交圈后，凍結壁圈內側的點可測量到明顯的凍脹應力，如果該點距離凍結管較遠，則會在該點溫度尚未下降至冰點線、孔隙水尚未形成冰晶時，也能測出較明顯凍脹應力。

凍結44h后，測點溫度持續下降。凍脹應力在達到峰值89.6kPa后小幅回落，此時凍結壁的擴展基本完成，因凍結壁擴展產生的凍脹應力增量顯著降低。土體長時間受到凍脹應力作用，發生蠕變，使得實測凍脹應力出現小幅下降。

2.3 內外排輔助孔之間

根據S106測點實測結果分析，隨著凍結時間的延長內外排輔助孔之間溫度呈快速降溫、緩慢持續降溫、較快速降溫三個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值后、至峰值后平穩回落三個階段，最終呈現較大的凍脹應力。

凍結開始后前8h，土體溫度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結管壁的位置外，其余地方無冰晶產生，凍結管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力持續緩慢增長。

凍結10h后，土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，凍結壁初步形成的過程中，土體消耗巨大的冷量，土體溫度保持-0.3℃不變。該階段凍結壁正在形成，凍脹應力以1kPa/h左右的速度緩慢增長。

凍結22h后，測點溫度再度開始下降，24h下降速率達0.2℃/h。凍結后22h該處溫度已突破冰點，但凍脹應力并未在22h突增，24h后凍脹應力開始突增，兩小時增幅達24.4kPa。分析該點溫度在凍結后22h已下降至冰點以下，但主凍結孔圈附近的凍結壁尚未交圈，凍脹應力仍按原速率增長，至24h后主凍結孔圈凍結壁交圈后該點凍脹應力增速才有突破性增加。凍結壁交圈前，主凍結孔圈內側的點可測量到緩慢的凍脹應力，如果該點距離輔助凍結管較近，則該點溫度可能早于主凍結孔圈下降至冰點線以下，土體中水分形成冰晶，但凍脹應力無突破性增長。

凍結44h后，測點溫度持續下降。凍脹應力在達到峰值102.9kPa后小幅回落，此時凍結壁的擴展基本完成，但凍結壁擴展產生的凍脹應力增量有所降低。土體長時間受到凍脹應力作用，發生蠕變，使得實測凍脹應力出現小幅下降。

2.4 外排輔助孔與主孔之間

根據S107、S108測點實測結果分析，隨著凍結時間的延長外排輔助孔與主孔之間主面、界面溫度均呈快速降溫、較緩慢降溫、較快速降溫三個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢微量增長、快速增長、持續低速增長三個階段，主面測點呈現最大的凍脹應力。

2.4.1 主面S107測點

凍結開始后前6h，土體溫度以1.2～1.3℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結管壁的位置外，其余地方無冰晶產生，凍結管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段凍脹應力略有增長，主要是溫度下降至近4℃附近，孔隙水體積膨脹造成的，但凍脹應力增長不大。

凍結8h后，土體的溫度就下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，凍結壁初步形成的過程中，土體消耗巨大的冷量，土體溫度保持-0.1℃不變。該階段凍結壁正在形成，凍脹應力以0.15kPa/h左右的速度緩慢增長。

凍結24h后，溫度再度開始明顯下降，28h后下降速率達0.3℃/h。凍結后24h測點溫度突破冰點，因主凍結孔圈界面位置(界面位置受底部管路影響，溫度下降快于主面)早已突破冰點，因此該點突破冰點后，主凍結孔圈凍結壁交圈。主凍結孔圈凍結壁交圈后，凍脹應力突增，兩小時增幅達到21.7kPa。該點凍脹應力在凍結壁交圈后，增長時間長，增長速率長時間保持10kPa/h以上，累計增長幅度達到145.7kPa，為累計增長幅度各監測點中最大值。在凍脹應力檢測控制中，主凍結孔圈與輔助孔之間的主面位置應當作為檢測控制的重點。

2.4.2 界面S108測點

凍結開始后前4h，土體溫度以0.8～0.9℃/h的速度快速下降，此時土體溫度尚未下降至冰點附近，除緊貼凍結管壁的位置外，其余地方無冰晶產生，凍結管釋放的冷量使得土體溫度快速下降。該階段近凍結管土體有小冰晶形成，凍脹應力略有增長。布置鹽水管路時，在試驗桶底部焊接了管路，該處管路中鹽水對界面位置土體有明顯影響，因此界面溫度下降較主面位置快。

凍結8h后，溫度下降開始趨緩，原因是主凍結孔圈附近土體的溫度下降到冰點附近，土體中的水開始形成冰晶，該過程需要消耗巨大的冷量，因此土體的整體溫度下降速度很慢。該階段凍脹應力呈緩速增長狀態，土體中冰晶正在形成，凍結壁尚未交圈，因此凍脹應力增速緩慢。

凍結22h后，測點溫度再度開始明顯下降，至24h下降速率達1.0℃/h。凍結至6h該測點溫度已突破冰點，但凍脹應力并未在22h突增，24h后凍脹應力開始突增，兩小時增幅達到13.4kPa。該點溫度在凍結后6h已下降至冰點以下，但因主面附近凍結壁尚未形成，凍脹應力仍按原速率增長，24h后主面附近凍結壁形成，凍結壁交圈，該點凍脹應力快速增加。凍結壁交圈后，該處凍脹應力持續增長，增長時間很長，累計增幅達到86.1kPa。因此，主凍結孔圈界面凍脹力也應當重點監控。

2.5 主凍結孔圈外側

根據S111測點實測結果分析，隨著凍結時間的延長主凍結孔圈外側溫度均呈緩慢降溫、快速降溫、較緩慢降溫、快速降溫四個階段，在降溫過程中凍脹應力呈緩慢增長、快速增長至峰值后、至峰值后回落至較低值三個階段。

在凍結開始后的前6h內，主凍結孔圈外側的位置單位面積內受到的冷凍作用要遠小于主凍結孔圈內側，主凍結孔圈外側溫度下降速度要遠小于主凍結孔圈內側。凍脹應力以0.6kPa/h的速度勻速增長。

凍結8h后，主凍結孔圈內側土體的溫度下降至4℃以下，與主凍結孔圈外側土體形成溫差，主凍結孔圈內側土體也會向主凍結孔圈外側土體傳遞冷量，外側土體溫度開始快速下降。凍脹應力以0.6kPa/h的速度勻速增長，該階段凍結壁還未向外發展至測點位置，凍脹應力增幅仍然較小。

凍結22h后，測點溫度先是下降速度趨緩，在凍結26h后溫度快速下降。該階段為凍結壁發展至交圈的關鍵階段，凍結管釋放的冷量大多被用于土體中水分形成冰晶。因此土體溫度下降速度先趨于平緩，凍結壁交圈后主凍結孔圈內側土體溫度下降速度加快，隨后主凍結孔圈外側土體溫度下降。待凍結壁鋒面發展至測點位置時，即該測點溫度突破冰點后，凍脹應力增速顯著提高，每兩小時達到30.8kPa。凍結36h后，凍脹應力達到峰值86kPa。該階段土體溫度持續下降，外側未凍土體在凍脹力的擠壓下產生位移，而試驗桶內總覆土僅0.5m，形成的地壓很小，無法約束凍脹后的土體產生位移，所以凍結壁外側凍脹應力快速消退了。

3 結 論

1)凍結過程中，凍脹應力增長速度及變化規律和最大凍脹應力值與凍結時間和所處在凍結壁的相對位置緊密相關。

2)凍結壁交圈前，凍結范圍內的點即可測量到緩慢增長的凍脹應力，如果該點距離輔助凍結管較近，則該點溫度可能早于主凍結孔圈下降至冰點線以下，土體中水分形成冰晶，但凍脹應力無突破性增長。

3)凍結壁交圈后，土體的凍脹對井壁位置處土體有顯著的擠壓作用。凍結壁交圈后，凍結范圍內的點即可測量到明顯的凍脹應力，即使距離凍結管較遠處，在溫度尚未下降至冰點前，孔隙水尚未形成冰晶時，亦會有較明顯凍脹應力。

4)主凍結孔圈和輔助孔之間主面和界面凍結壁都充分發展至交圈后，凍脹應力有突破性增長，同時該處主面和界面凍脹應力增加持續時間長，累計增幅大，應為檢測控制凍脹應力的重點位置。

5)凍結壁外側凍脹應力待凍結壁鋒面發展至該位置時，即該處溫度突破冰點后，凍脹應力增速顯著提高，如果原始地壓較小，位于淺層位置，則該處壓力可能引起上部土體產生位移而卸壓。