臨海地區(qū)松散巖層斜坡道凍結加固技術研究

孫佳SUN Jia；徐興保XU Xing-bao

（①北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013；②萊州市瑞海礦業(yè)有限公司，萊州 261442）

1 工程概況

萊州市瑞海礦業(yè)有限公司礦區(qū)位于萊州市北部，西南毗鄰三山島金礦，行政區(qū)隸屬萊州市管轄，與新建的萊州港為鄰，從萊州港可直達龍口、煙臺、天津、大連港水陸交通極為方便。斜坡道（-7～-820m）建設工程凈斷面為4.5m×3.8m，總長度約6.5km，表土段總長約265m。斜坡道頂部為第四系土層，淺部為基巖風化帶，上、中部為變輝長巖，針對地層頂部的第四系松散堆積物巖段，宜采用冷凍法加固地層。表土段凍結段主要為U 型鋼支架支護和鋼筋混凝土支護，正常段主要為噴砼支護和錨網(wǎng)噴砼支護兩種。

2 地質特征

2.1 地層條件

礦區(qū)巖性比較單一，除上部均分布有第四系松散巖層外，礦床及周圍主要分布有二長花崗巖和構造蝕變巖，綜合考慮各巖層的儲水方式，水力特征、富水性、所處位置以及對礦床開采的影響等因素，將礦區(qū)的各巖層（體）劃分為第四系松散巖類孔隙含水層、基巖風化裂隙含水層、構造裂隙含水層三類。

①第四系松散巖類孔隙含水層：在礦區(qū)廣泛分布，主要由中細砂組成，局部地段出現(xiàn)粗砂及礫石，厚度20～45m不等，水位與海平面一致。滲透系數(shù)1.91～117.46m/d，富水性差異大，該含水層主要接受海水補給。

②基巖風化裂隙含水層：主要分布在三山島斷裂的上盤，巖性為變輝長巖和二長花崗巖，含弱承壓水。風化層厚度一般為3～15m，最厚52.18m。根據(jù)鉆孔抽水試驗資料，單位涌水量0.001～0.0021L/s·m，礦化度22.9～23.19g/L，該含水層頂板為第四系粉質粘土層，底板主要為二長花崗巖和變輝長巖，頂板與底板皆具良好的隔水作用。

③構造裂隙含水層：主要沿三山島斷裂帶及影響帶分布，主要由構造蝕變巖組成，垂直厚度100～200m，斜深大于1700m。巖石中裂隙較發(fā)育，裂隙頻率3～7 條/m，多為閉合裂隙，富水性、透水性差，滲透系數(shù)0.0007～0.0049m/d，屬弱富水含水層。具明顯的承壓水特征，水位埋深一般小于10m，淺部隔水頂板為第四系底部粉質粘土層，深部主斷面附近隔水頂板為完整二長花崗巖，含水層與非含水層間沒有明顯的界線，呈過渡關系。

2.2 工程特點

根據(jù)井檢孔柱狀圖及相關資料，該項目實施具有以下特點：

①根據(jù)試驗結果，斜坡道土體結冰溫度在-5℃左右，結冰溫度較常規(guī)地層低，因此凍結設計時需采取針對性措施；

②第四系孔隙水與海水有直接的水力聯(lián)系，受到潮汐、海浪和海流的影響，且頂部的松散堆積物含水層組，以砂土為主，部分粘性土，滲透性較強，該含水層組處于地下水位浮動帶，水位及水量變化大，對凍結壁交圈影響較大；

③斜坡道位于岸邊水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，地下水抽吸量大，造成沿岸地下水位比海平面低，受養(yǎng)殖抽吸影響明顯，地下水位變化較大。由于周邊抽水井不間斷的進行抽水，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反映，第四系兩個主要含水砂層的地下水流速較大，遠超過5m/d，對凍結壁交圈影響較大；

④傳統(tǒng)凍結法施工的斜坡道工程由于保溫措施不到位，容易將開挖范圍凍實，同時為防止凍結壁融化，割除的凍結管需要恢復凍結，對掘進速度影響較大。

3 凍結加固設計

3.1 凍結加固設計原則

為實現(xiàn)凍結壁快速交圈，斜坡道盡早開挖，凍結加固設計遵循以下原則：

①凍結深度、凍結壁厚度、安全掘進段高、凍結制冷工藝設計以及工期分析都必須將“凍結與掘砌”有機地結合起來，統(tǒng)籌兼顧；

②在合理工期內必須形成有效的凍結壁，掘砌至任意水平時凍結壁厚度及強度均能達到設計要求；

③凍結壁厚度與強度設計中，以砂層滿足強度極限狀態(tài)為條件，控制凍結壁變形；

④凍結孔布置在滿足凍結壁厚度及強度要求下，還要實現(xiàn)凍土不進開挖范圍內，同時凍結管割除后不需要再進行恢復凍結的要求；

⑤采用降低鹽水溫度、加大鹽水流量、降低井幫溫度等措施，以加快凍結壁交圈速度，降低凍結壁平均溫度；

⑥采用新工藝、新設備及自動化、信息化施工技術，為施工提供可靠的技術保障；

⑦通過合理安排不同排凍結孔開停時間等措施，降低工程成本，實現(xiàn)經(jīng)濟性。

3.2 凍結壁設計參數(shù)

根據(jù)斜坡道傾向穿入地層特點，控制層底板深度取為42.92m。垂直于井筒頂板最大壓力按“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論公式”計算得出頂板壓力為0.977MPa；兩幫側壓力按重液公式進行計算得出為0.60MPa，底板壓力按承受水壓進行計算得出為0.49MPa。凍結壁平均溫度取值為-15℃，凍土允許抗壓強度為2.5MPa。

基于以上參數(shù)，各凍結段均采用無限長厚壁筒彈性理論拉麥公式進行凍結壁厚度計算：

式中：E 為凍結壁厚度，m；P 為地壓，MPa；R 為井筒掘進半徑，m；K 為凍土允許抗壓強度，MPa。

計算得出頂板厚度為1m，側幫厚度為1.3m，底板厚度為0.9m。通過以上計算結果，結合數(shù)值仿真計算分析，并綜合斜井井筒凍結施工經(jīng)驗，考慮頂板及底板凍結孔割除后，凍結壁能保證支護安全，最終確定凍結壁頂板厚度為6.0m，側幫厚度為2.4m，底板厚度為6.0m。

3.3 凍結孔施工

①根據(jù)相關地層資料及凍結壁厚度計算情況，采用在地面打豎直孔方案，鉆孔深度由淺入深，最淺孔為13.30m，最深孔為48.92m（所有鉆孔深度均以地表+0.00m計算），凍結孔的深度應比所在斜坡道下部開挖范圍向下延伸6m。

②孔位標定孔間距允許誤差±2mm；開孔孔位允許偏差不大于±20mm，每個鉆孔施工前，必須實測孔口標高，而后與井口標高進行校核計算，最終確定鉆孔深度。

③凍結孔最大孔間距：外排孔≤1.6m，中排孔≤2.2m，測溫孔、水文孔偏斜率≤3‰。

3.4 凍結需冷量計算和設備選型

3.4.1 需冷量計算

設計凍結管鹽水單孔流量為6～8m3/h，由于采用加大凍結管鹽水流量等技術措施，使凍結期內凍結管散熱能力大大提高，所以本設計凍結管散熱系數(shù)取為250kcal/m2·h，同時考慮20%的冷量損失。根據(jù)公式Q=1.2πdHn，計算得出第一段最大需冷量為64.3×104kcal/h，第二段最大需冷量為78.4×104kcal/h，第三段最大需冷量為87.6×104kcal/h，不考慮錯峰施工的最大需冷量為230.3×104kcal/h。

3.4.2 凍結制冷設備選型

基于設備制冷能力及最大需冷量計算結果，可選取5臺型號LG25L20M 的冷凍機，在低溫工況下，凍結站總裝機容量為340×104kcal/h，配套選用QEF240/800 型蒸發(fā)器5 臺，相應配備SWL-1620 型冷凝器6 臺。冷凍站選用12SH-9B 型鹽水泵2 臺，10SH-6A 型鹽水泵2 臺。

3.4.3 其他管路及設備選擇

斜坡道凍結孔管材：上部非凍結段選用φ108×4.5mm低碳鋼無縫鋼管，下部凍結段選用φ127×5mm 低碳鋼無縫鋼管，保溫段外管選用φ159 鋼管。凍結管每3 根串聯(lián)為一組，具體串聯(lián)按照間隔插花布置形式。

測溫孔、水文孔、保溫管管材均選φ108×4.5mm 低碳鋼無縫鋼管；供液管均選用φ62×6mm 聚乙烯塑料軟管；鹽水干管選用Ф426×10mm 無縫鋼管。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型

第四系砂土層內環(huán)境較為復雜，影響凍結溫度場因素較多，為簡化模擬過程，在溫度場模擬中做如下假設：

①凍土及未凍土為均質、各向同性材料；②凍結管與測溫管在保溫層段無偏斜；③凍結孔開孔位置按設計布置，未發(fā)生偏移；④凍結管壁溫度等于鹽水溫度。

利用有限元軟件ANSYS 建立計算模型。為提高計算精度，靠近凍結管區(qū)域以及凍土發(fā)展范圍內的土體進行網(wǎng)格加密，提高計算精度，遠離凍結管的區(qū)域，減小網(wǎng)格密度，有限元模型如圖1、圖2 所示。

圖1 整體有限元模型

圖2 凍結管與隧道空間位置圖

鹽水降溫計劃：7d 內溫度降至-18℃，15d 內溫度降到-24℃，開挖構筑前溫度降至-28℃，凍土和原狀土的熱物理參數(shù)見表1。

表1 原狀土/凍土熱物理參數(shù)表

4.2 數(shù)值模擬結果

為直觀了解出斜井凍結溫度場的發(fā)展情況，選取20d、30d、40d、55d 時的凍結溫度場云圖，如圖3。圖3 可以看出凍結前期，凍結管與周圍土體熱交換明顯，在凍結管周圍形成凍土圓柱；隨時間增長，凍土圓柱逐漸擴大并交圈，直到形成連續(xù)的凍結壁；凍結后期，熱交換區(qū)域平衡，凍結壁發(fā)展緩慢。凍結55d 時，凍結壁厚度達到設計的預期效果。

圖3 數(shù)值仿真計算模擬凍結凍結壁形成情況

5 結語

斜坡道凍結工程，地質條件復雜、工程量大，地層沉降控制要求較高。本工程針對項目特點，提出凍結壁設計原則，確保在凍結壁保護下，掘進施工過程中地層變形符合設計要求。

該凍結壁設計方法具有通用性，對相鄰地區(qū)及相似地層工程凍結設計有一定的借鑒和參考意義。