近海豎井凍結(jié)天窗成因與治理措施

張成濤 徐興保

摘要：瑞海礦業(yè)公司主豎井距海邊僅35 m，屬于富水軟弱地層，表土段采用凍結(jié)法施工。受潮汐及周邊海水養(yǎng)殖場抽取地下水影響，導致凍結(jié)壁容易形成“天窗”。采用凍結(jié)器縱向測溫技術(shù)預(yù)測凍結(jié)壁開窗部位，采取補打加強凍結(jié)孔的措施，加快了凍結(jié)壁交圈，效果較好，值得推廣。

關(guān)鍵詞：近海豎井;凍結(jié)法;凍結(jié)壁;天窗;縱向測溫技術(shù)

中圖分類號：TD265.3文獻標志碼：A開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2021）07-0037-04doi：10.11792/hj20210707

凍結(jié)法作為一種井筒特殊施工方法，在中國得到了廣泛應(yīng)用，凍結(jié)法施工技術(shù)至今已有60多年的歷史。凍結(jié)法施工的關(guān)鍵是在井筒周圍形成一定強度和厚度的凍結(jié)壁，而地下水活動對凍結(jié)壁形成和發(fā)展的影響非常顯著，過大的地下水流速有時會影響凍結(jié)壁的正常交圈，造成井筒掘進時出現(xiàn)凍結(jié)壁出水，進而影響井筒施工工期及投資，甚至可能發(fā)生淹井事故。本文對萊州市瑞海礦業(yè)有限公司（下稱“瑞海礦業(yè)公司”）主井第四系地層凍結(jié)法施工中，井筒開挖過程中的出水情況進行介紹，對出水原因進行了分析研究，提出了相應(yīng)的處理措施，保證了井筒的施工安全，對相鄰地區(qū)及相似地層新井建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1 工程背景

瑞海礦業(yè)公司地處渤海海灣，位于三山島北部海域，西南部毗鄰三山島金礦，與新建的萊州港為鄰，主井位于礦區(qū)東側(cè)海岸邊上，距海邊僅35 m，屬于富水軟弱地層。主井凈直徑6.3 m，井深1 417 m，井頸段85 m，雙層鋼筋混凝土井壁，壁厚1.05 m。

根據(jù)主井工程勘查鉆孔，將巖性自上而下分為松散堆積物0～58.1 m、基巖風化帶58.1～65.6 m、變輝長巖 65.6～722.5 m、二長花崗巖 722.5～1 070.3 m、構(gòu)造蝕變巖1 070.3～1 185.6 m等。第四系松散巖類孔隙含水層與海水廣泛接觸，含水層均位于海水之下，二者直接接觸，含水層透水性極強，因此，二者發(fā)生密切的水力聯(lián)系。基巖風化裂隙含水層位于第四系之下，由于上部直接與粉質(zhì)黏土接觸，粉質(zhì)黏土起了很好的隔水作用，在自然狀態(tài)下，二者之間的水力聯(lián)系不密切。根據(jù)地質(zhì)情況，表土段地下水流速大、含鹽量高、結(jié)冰點低，采用凍結(jié)法施工。

2 凍結(jié)方案設(shè)計

2.1 凍結(jié)孔布置

因該地層地下水流速大、含鹽量高、結(jié)冰點低，采用雙圈孔凍結(jié)方案，凍結(jié)參數(shù)確定如下：

1）凍結(jié)壁厚度的確定[1]。該井沖積層厚度小于120 m，將含水砂層的凍結(jié)壁作為彈性體，按凍土強度條件，采用無限長厚壁圓筒拉麥（由法國工程師G.Lame于1852年提出）計算公式確定。

δ=r wσ t′σ t′-ψp-1（1）

式中：δ為設(shè)計凍結(jié)壁有效厚度（m）;r w為凍結(jié)壁設(shè)計控制層處的井筒掘進半徑（m）;σ t′為凍土單軸抗壓強度（MPa）;ψ為系數(shù)，按第三強度理論，ψ為2時，適用于粉砂、細砂和砂性土;按第四強度理論，ψ為1.732時，適用于中砂、粗砂和砂礫層;p為凍結(jié)壁徑向外荷載（MPa），p=0.013h，h為控制層地板埋深（m）。

經(jīng)計算：δ=1.95 m，參考臨近豎井施工經(jīng)驗，井筒凍結(jié)壁厚度取2.3 m，凍結(jié)壁平均溫度取-8 ℃，積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28 ℃～-26 ℃，維護凍結(jié)期鹽水溫度為-22 ℃～-20 ℃。

2）凍結(jié)深度的確定。凍結(jié)深度應(yīng)穿過沖積層、風化帶深至穩(wěn)定基巖10 m以上[1]，長孔深度選取93 m。短孔按穿過沖積層進入基巖考慮，選取短孔深度60 m。

3）凍結(jié)孔布孔圈直徑的確定。①主凍結(jié)孔布孔圈直徑計算，按基巖段中采用鉆爆法施工：

D 0=D l′+2（1.2+Q f′h 0）（2）

式中：D 0為主凍結(jié)孔布孔圈直徑（m）;D l′為基巖段中井筒最大掘進直徑（m）;Q f′為基巖段凍結(jié)孔允許偏斜率，取3 ‰;h 0為井筒凍結(jié)深度（m）。

經(jīng)計算：D 0=11.36 m，為了縮小主凍結(jié)孔布孔圈直徑，取值為11.00 m。

2021年第7期/第42卷? 采礦工程采礦工程? 黃 金

②輔助凍結(jié)孔布孔圈直徑計算，計算公式如下：

D f=D l+2（0.3E n+Q fh f）（3）

式中：D f為輔助凍結(jié)孔布孔圈直徑（m）;D l為沖積層中井筒最大掘進直徑（m）;E n為主凍結(jié)孔至井幫距離（m）;Q f為沖積層凍結(jié)孔允許偏斜率，取3 ‰;h f為輔助凍結(jié)孔深度（m）。

經(jīng)計算：D f=9.54 m，防止凍結(jié)壁進入荒徑過大，擴大輔助孔布孔圈直徑，取值為10.20 m。

4）凍結(jié)孔孔數(shù)的確定。凍結(jié)孔孔數(shù)按照如下公式確定：

N=πD 0l s（4）

式中：N為凍結(jié)孔孔數(shù);l s為凍結(jié)孔開孔間距，當凍結(jié)深度小于300 m時，采用1.00～1.30 m（依據(jù)施工經(jīng)驗，采用1.10～1.20 m）。

根據(jù)計算結(jié)果，主凍結(jié)孔孔數(shù)取29個，凍結(jié)孔開孔間距為1.19 m;輔助凍結(jié)孔孔數(shù)取29個，凍結(jié)孔開孔間距為1.10 m。主凍結(jié)孔偏斜率控制不大于3 ‰，向內(nèi)偏斜不大于200 mm。

5）觀測孔的確定。①水文孔設(shè)置在井筒內(nèi)，深入沖積層最下部的主要含水層，孔深60 m。②測溫孔的設(shè)計：沖積層厚度小于300 m時，不應(yīng)少于2個測溫孔，一般布置在地下水流上方凍結(jié)孔主面外側(cè)和2個凍結(jié)孔孔間距最大位置外側(cè)凍結(jié)壁界面處。根據(jù)進風井施工經(jīng)驗，近海地區(qū)地下水流速對凍結(jié)影響較為嚴重，故在地下水流上方、下方凍結(jié)孔主孔外側(cè)各布置1個測溫孔，孔深均為85 m。

主井凍結(jié)孔布置見圖1，測溫孔、水文孔布置見圖2。

2.2 凍結(jié)孔參數(shù)

根據(jù)計算，凍結(jié)孔參數(shù)見表1。

3 凍結(jié)壁“天窗”原因分析及治理措施

3.1 溫度檢測

為了掌握凍結(jié)效果，在每個測溫孔內(nèi)沿縱向10 m左右及土層交界處布置測點（測溫孔1布置11個測點，測溫孔2布置10個測點），具體布置見圖2。

主井凍結(jié)站于2019年8月5日正式開機運轉(zhuǎn)，測溫孔內(nèi)測點溫度變化趨勢（部分）見圖3。在開機運轉(zhuǎn)第53 d（9月26日）后，測溫孔1和測溫孔2 10 m處土體溫度在-10 ℃以下;第68 d，測溫孔2 20 m處土體溫度降至-5 ℃左右時，由于土體中的水結(jié)冰發(fā)生相變，釋放出大量的潛熱[2]，測溫孔溫度下降變緩，說明地層結(jié)冰溫度在-5 ℃左右;第73 d，測溫孔1 20 m處溫度出現(xiàn)異常，一直在10 ℃左右。

3.2 縱向測溫

為了弄清楚測溫孔1 20 m處溫度異常情況，對凍結(jié)器進行了第一次縱向測溫。凍結(jié)器縱向測溫技術(shù)依據(jù)傳統(tǒng)導熱學理論結(jié)合地層地質(zhì)條件對凍結(jié)壁的凍結(jié)狀態(tài)進行判定，將凍結(jié)壁作為整體結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，取代之前溫度觀測孔以點代面來判斷凍結(jié)壁是否交圈的結(jié)論[3-9]。深度為13～26 m時，每1 m布置1個測點，每個孔布置14個測點，完成了主孔奇數(shù)號孔共計15個孔的凍結(jié)器縱向測溫工作，部分凍結(jié)器測溫結(jié)果見圖4。

主孔凍結(jié)器縱向測溫結(jié)果顯示：凍結(jié)器停凍后部分孔位在垂深20 m層位的溫度均較上下層位高，主1孔和主29孔13 m層位與20 m層位溫差分別為3.5 ℃和4.6 ℃，高差僅7 m的相同地層凍結(jié)器停凍后溫差達到4.6 ℃。其他層位各凍結(jié)器縱向溫度沒有明顯異常跳躍。根據(jù)凍結(jié)器縱向測溫結(jié)果分析，主29孔～主1孔處的凍結(jié)壁在井筒垂深20 m層位處存在未閉合凍結(jié)壁，形成了“天窗”，井筒其他部位凍結(jié)壁沒有問題。

3.3 原因分析

1）從地質(zhì)報告上看，垂深20 m層位為含水層，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)井筒南邊水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)采用該層位地下水進行水產(chǎn)養(yǎng)殖，每晝夜抽取地下水約1萬m3，達到417 m3/h，使近岸處地下水位均低于海平面。該層位地下水與海水有明顯的水力聯(lián)系，地下水主要接受海水補給，海水滲入加大了地下水流速，據(jù)測算，地下水流速達13.38 m/d。

2）水質(zhì)類似于海水，結(jié)冰溫度約為-5 ℃，加大了凍結(jié)難度。

3.4 治理措施

為了加快凍結(jié)壁交圈，2019年10月24日在井筒內(nèi)（當時井筒已開挖12.5 m）增補鉆孔7個。其中，6個凍結(jié)孔（孔間距2.77 m），1個測溫孔，孔深20 m，具體布置見圖5。10月30日開始凍結(jié)，經(jīng)過11 d的強化凍結(jié)后，測溫孔垂深7.5 m（井筒垂深20 m）處溫度降至-4.5 ℃，再次對北側(cè)凍結(jié)器進行縱向測溫，測溫結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，凍結(jié)壁未交圈處已全部交圈。11月11日增補的凍結(jié)器拆除，井筒繼續(xù)向下開挖，11月18日順利通過該層位。

4 結(jié) 語

通過瑞海礦業(yè)公司主井第四系地層凍結(jié)法施工過程中的凍結(jié)實例可以得出：近海鹽水結(jié)冰溫度在-5 ℃左右，地下水抽取引起水流速過大，導致凍結(jié)壁開“天窗”。使用凍結(jié)器縱向測溫這一監(jiān)測手段，可及時準確找出凍結(jié)壁開窗位置。在地下水流速較大，凍結(jié)壁難以交圈時，采取補打凍結(jié)孔，加強凍結(jié)的方法是可行的。

[參 考 文 獻]

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.礦山立井凍結(jié)法施工及質(zhì)量驗收標準：GB/T 51277—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[2] 楊超，孫猛，陸路.神木輸水工程豎井凍結(jié)監(jiān)測分析[J].煤炭技術(shù)，2009，28（4）：130-132.

[3] 王恒.凍結(jié)器縱向測溫技術(shù)在西部某礦井的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2017，36（9）：67-69.

[4] 徐景閣.倉上金礦新立礦區(qū)主豎井凍結(jié)實踐[J].黃金，2002，23（9）：17-18.

[5] 葉玉西，李寧.深厚卵礫石層凍結(jié)壁出水原因分析及治理[J].煤炭工程，2014，46（8）：48-50.

[6] 趙志福，梁洪振，陳有鈞.新立礦區(qū)主井凍結(jié)壁難以形成的原因及處理[J].河北煤炭，2002（2）：42-43.

[7] 周曉敏，李雪萍，郭永富，等.縱向測溫監(jiān)控關(guān)聯(lián)分析在高壓“噴泉”地層立井凍結(jié)工程中的應(yīng)用[J].建井技術(shù)，2014，35（5）：37-41.

[8] 佟強，楊廣詳，孫德林，等.凍結(jié)立井壁后出水分析及處理[J].建井技術(shù)，2014，35（5）：8-11.

[9] 葉玉西.凍結(jié)器內(nèi)縱向測溫判定凍結(jié)壁出水位置技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù)，2015，43（3）：13-16.

Causes and management of frozen skylight in offshore shaft

Zhang Chengtao，Xu Xingbao

（Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：The main shaft of Ruihai mining company is only 35 m offshore.The strata are water-rich and weak.The topsoil section is constructed by freezing method.Due to the influence of tide and groundwater extraction from the surrounding sea water farms，"skylight" is easily formed on the frozen wall.The window opening position of the frozen wall is predicted by adopting the longitudinal temperature measurement technology of the freezer，and the measures of supplementing strengthened freezing holes are adopted，speeding up the crossing circle of the frozen wall.The effect is good and the process is worth promotion.

Keywords：offshore shaft;freezing method;frozen wall;skylight;longitudinal temperature measurement technology