沿海高滲流砂層斜井凍結參數選擇及應用

張富興，張成濤，王 恒

(1.招金礦業股份有限公司； 2.礦山深井建設技術國家工程研究中心； 3.天地科技股份有限公司)

引 言

凍結法是針對井筒穿過含水砂層時，通過人為向地下輸送冷量，在井筒周邊形成凍土帷幕，有效隔絕地下水并提供承載力，以便井筒掘砌安全順利通過不穩定地層的工法[1-2]。凍土帷幕的形成受凍土物理力學參數、地下水流速等客觀因素和凍結造孔、鹽水溫度、鹽水流量及凍結時間等主觀因素的影響[3-4]。因此，在凍結方案設計時要綜合考慮主、客觀因素的影響[5]，在施工中嚴格控制鉆孔偏斜及凍結參數，保證如期交圈，并形成具有一定厚度和平均溫度的凍結壁[6-8]。井筒積極凍結期間，地下水流動會帶走凍結管傳導的部分冷量，超過一定限度時，地層蓄存的冷量不滿足交圈需求，凍結壁會出現“開窗”現象[9-11]。數值模擬和解析手段一般可預測凍結壁交圈情況[12-13]，測溫孔溫度監測和凍結壁超聲波檢測手段可在凍結期間進行初步判斷[14-15]，縱向測溫手段一般可在確定凍結壁未交圈時進行“開窗”位置精確定位[16-17]。

國內沿海地區應用人工地層凍結法施工井筒的礦山企業包括萊州市倉上金礦和萊州市瑞海礦業有限公司(下稱“瑞海金礦”)[18-19]等，萊州市倉上金礦4條立井設計采用凍結法施工，瑞海金礦前期設計3條立井采用凍結法施工，凍結壁均出現不同程度的漏水情況。本文以瑞海金礦斜井為例，研究凍結設計參數對凍結影響程度，以期為斜井施工提供技術支撐。

1 工程背景

1.1 工程地質簡介

瑞海金礦地處渤海灣，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，該礦區前期設計主立井、副立井、進風井共3條立井，后期設計2條立井和1條斜井，6條井井筒均采用凍結法施工穿過第四系和風化帶地層。井檢孔地層分布情況見表1。

表1 井檢孔地層分布情況

從表1可以看出：第四系主要為砂性地層，中間分布有相對隔水層(粉質黏土)。礦區邊緣存在超過30口養殖戶抽水井，每晝夜抽取地下水約1萬m3，達到416.67 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系，接受海水補給。根據進風井井檢孔測算結果，地下水流速達13.38 m/d(另地勘資料顯示流速30 m/d，某科研單位測試流速超過9 m/d)。同時，由于地層與海水存在水力聯系，地下水含鹽量高，試驗顯示結冰溫度低于-3.5 ℃。

1.2 凍結設計

斜井采用“步進式”分區分段凍結方式，由于斜井掘進斷面近似圓形，考慮掘進斷面形狀壓力的不均勻性，各凍結段均采用無限長厚壁筒彈性理論拉麥公式(見式(1))進行凍結壁厚度計算，選用成冰公式(見式(2))進行凍結壁平均溫度計算，斜井凍結參數見表2。

(1)

tc=t0c+0.275tn

(2)

(3)

式中：δ為凍結壁厚度(m)；R為井筒掘進半徑(m)；σc為凍土允許抗壓強度(MPa)；p為地壓(MPa)；tc為按凍結壁有效厚度計算的平均溫度(℃)；t0c為按凍結壁0 ℃邊界計算的平均溫度(℃)；tn為計算水平的井幫凍土溫度(℃)，未凍結時取0 ℃；tb為凍結鹽水溫度(℃)；l為計算水平的凍結孔最大間距(m)。

表2 斜井凍結設計基本參數

2 ANSYS數值模擬

2.1 基本假定

第四系砂土層內環境較為復雜，影響凍結溫度變化的因素較多，包括砂土成分及含量、凍結時長、凍結管直徑與凍結孔間距等。為簡化模擬過程，在溫度場模擬中進行如下假設：

1)土體在凍融過程中均質且連續。

2)土體凍結時，潛熱集中在凍結界面連續釋放。

3)假設土中水分全部凍結，未凍水含量為零。

4)模型中在凍結孔上施加隨溫度變化的荷載，模擬凍結過程中凍結管外表面溫度，不考慮凍結管內外復雜的熱交換過程。

5)不考慮地面溫度波動對凍結溫度場的影響。

2.2 模型建立

以斜井井筒凍結工程為背景建立有限元模型，劃分網格時，為了提高計算的精度和減少計算的時間，在靠近凍結管區域及凍土發展方向區域加大網格密度，在遠離凍結管區域，由于溫度梯度小，減小網格的密度。模型計算采用Solid 70六面體單元。認為凍結范圍20 m外即為原始地層，保持原始地溫。有限元模型見圖1。

圖1 斜井凍結數值模擬有限元模型

2.3 典型參數分析

根據室內試驗得到該土層在凍融狀態下的熱物理參數，見表3；綜合工程中采取的凍結設計方案，典型凍結參數見表4。

表3 原狀土、凍土熱物理參數

表4 典型凍結參數

為直觀了解凍結壁的發展情況，選取5 d、15 d、25 d、35 d、45 d、55 d凍結溫度場云圖(見圖2)，凍結壁平均溫度變化曲線見圖3。按照擬定的典型參數進行計算，對計算結果分析如下：

圖2 典型參數凍結溫度場云圖

圖3 凍結壁平均溫度變化曲線

1)凍結管壁上加載鹽水溫度荷載后，冷量由管壁傳遞到土層中，與外界土體發生復雜的熱交換，距離凍結管越近，土體溫度下降越快，管壁周圍形成環狀凍土體，隨著積極凍結時間增加，環狀凍土不斷向外擴展。凍結25 d后，凍結壁厚度向外發展速度變緩，主要原因是此時凍結管周邊未凍土溫度已降至-3.5 ℃左右，未凍土轉變為凍土時將釋放熱量，因此土體降溫速度減緩。直至凍結55 d，凍結壁側壁厚度已達到2.6 m，底板厚度已大于6.3 m。

2)若55 d后繼續凍結將導致凍結孔內側的凍結壁不斷擴大，且凍結壁的強度也會隨之提高，對后續的通道開挖造成一定的困難，影響工程施工效率。凍結55 d時，從溫度場云圖中可以明顯看到，凍結管下側凍土帷幕明顯厚于上方，這是地表周期性溫度荷載和對流換熱同時作用的結果。

3)整個凍結期的溫度場發展均是距離凍結管近的位置溫度較低，距離凍結管較遠的位置溫度較高。凍結管傳遞的冷量使井筒凍結管內側土體開始降溫，當凍結至55 d時，凍結管內側的低溫區域面積明顯大于凍結管外側的低溫區域面積。

從圖3可以看出：凍結55 d時，凍結壁平均溫度由20.00 ℃下降到-8.56 ℃。凍結初期凍結壁平均溫度下降較快，凍結前20 d，幾乎呈直線下降；凍結10 d時，凍結壁平均溫度由20.00 ℃下降到0.79 ℃；凍結20 d時，凍結壁平均溫度由0.79 ℃下降到-5.03 ℃；凍結前20 d平均降溫速率為1.25 ℃/d;這是因為土體與鹽水溫差大，土體熱狀況變化劇烈；凍結30 d時，凍結壁平均溫度下降到-6.85 ℃；凍結20～30 d時，平均降溫速率為0.18 ℃/d；凍結55 d時，凍結壁平均溫度下降到-8.56 ℃；凍結30～55 d時，平均降溫速率為0.068 ℃/d。

從圖2和圖3可以看出，斜井凍結壁的厚度已滿足設計要求，但凍結壁平均溫度偏高，因此在實際施工時，可以采取增加凍結段凍結管直徑(由108 mm增加為127 mm)、降低鹽水溫度(由-27 ℃降低至不高于-28 ℃)和縮小凍結孔間距(外排孔孔間距1.4 m,中排孔孔間距2.0 m)的措施，以保證凍結壁滿足施工要求。

3 斜井凍結情況

根據斜井凍結初步設計和數值計算進行優化，采取優化后的參數進行施工，以第2段為例，凍結鹽水溫度不高于-28 ℃，測溫孔的變化曲線見圖4(以外排孔外側T11測溫孔為例)。從圖4可以看出，凍結壁縱深方向溫度分布均勻，在55 d積極凍結期結束時，5個測點溫度均不高于-8 ℃。凍結壁厚度計算結果見表5。

圖4 斜井第2段T11測溫孔溫度變化曲線

表5 凍結壁厚度計算結果

根據現場實測，選擇凍結壁厚度2.4 m、鹽水溫度-28.56 ℃、A/E排凍結孔最大孔間距1.95 m的參數，采用式(2)計算，得到側幫凍結壁的平均溫度為-11.6 ℃，滿足設計要求；因頂、底板凍結壁為群孔凍結，按照溫度差值計算，凍結壁平均溫度低于-12.6 ℃，亦滿足凍結設計參數要求，證明設計合理，施工的精度和控制滿足設計要求。

4 結 論

根據瑞海金礦內的3條凍結井筒情況，結合斜井凍結設計參數校核，可得出以下幾點結論：

1)高滲流砂層條件下凍結設計應充分研究地質報告及水文報告，設計中可考慮增大安全系數。

2)斜井外排凍結孔與開挖荒徑距離要滿足側幫凍結壁厚度要求，土層結冰溫度低時，凍結壁平均溫度應相應降低；斜井設計參數總體合理，保證了斜井的凍結和掘砌安全。

3)本文未涉及地下水流速影響，實際在高滲流砂層條件下的凍結施工，在鉆孔初期、中期、尾期3個階段均可考慮進行沖積層段地層帶壓灌漿措施，盡量降低地下水流速，提高凍結施工的可靠性。