厚600 m以上冲积层冻结壁厚度设计方法研究

冻结法凿井的难度随冲积层厚度增大而急剧增大，冻结壁厚度设计计算是深厚冲积层冻结法凿井必须要攻克的难题之一。德国学者多姆克[1]把冻结壁看成弹塑性体，提出无限长厚壁筒弹塑性冻结壁厚度计算公式(简称“多姆克计算公式”)；前苏联学者维亚洛夫—扎列茨基[1]提出了按照变形条件计算的有限段高的冻结壁厚度计算公式，并提出有限段高塑性厚壁筒冻结壁厚度计算公式(简称“维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式”)；陈湘生[2-3]提出了以冻结壁(冻结管)变形极限为准则的各变量分离的深冻结壁时空设计理论及公式；胡向东[4]采用卸载状态下——周围土体共同作用的力学模型，提出考虑冻结壁的卸载过程及其与周围土体共同作用的黏弹性冻结壁计算模型；荣传新等[5]提出冻结壁稳定性分析的黏弹塑性模型；钟桂荣等[6]基于黏弹性理论和Newton-Cotes 数值积分法，推导了非均质冻结壁应力场和位移半解析表达式；杨维好等[7-8]分别假设冻结壁为均质理想弹塑性材料和塑性材料且遵从摩尔-库仑屈服准则，考虑其与周围土间的相互作用和初始地应力场，基于平面应变轴对称卸载模型，推导出解析解，并据此建立深厚冲积层冻结壁厚度计算公式，当冻土和未冻土的物理力学参数准确时，从理论上分析可以提高超深冲积层冻结壁厚度计算准确性；王彬等[9]提出基于抛物线形温度场的冻结壁黏弹性分析，论述了卸载条件下冻结壁外载荷、应力场、位移随空帮时间变化规律。还有许多学者[10-17]基于物理模型试验、数值模拟分析提出冻结壁厚度设计方法。

上述研究均为深厚冲积层冻结壁设计提供了非常有益的帮助，但目前研究仍然以无限长厚壁筒模型为主，而实践表明，深厚冲积层黏性土层冻结壁的安全稳定受掘进段高影响很大，即有限段高模型揭示的冻结壁厚度计算对深厚冲积层冻结壁设计更为重要。目前冻土抗压强度试验研究和应用较系统，但缺少对上述计算方法中涉及的冻结壁内摩擦系数φj、黏聚力cj、弹性模量Ef、泊松比μf，未冻土的弹性模量Eu和泊松比μu，蠕变特性参数的系统研究和应用。李功洲等[18]基于冻土抗压强度试验研究与应用技术体系、多圈孔冻结壁温度场理论，提出厚400～600 m冲积层冻结壁厚度设计计算体系，已在数十个厚近600 m冲积层冻结井筒中成功设计应用。近年来，又有一批冻结井筒穿过厚600、700 m冲积层，将来冻结井筒还要穿过厚800～1 000 m冲积层，为此进一步研究冻土影响参数少的多姆克计算公式及维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式等在厚600 m以上冲积层冻结工程的实际应用技术具有重要的理论和现实意义。

1 冻结壁关键参数取值和计算方法

1.1 爆破掘进段高对冻结壁厚度设计的影响

在人工或机械挖掘冻结井筒时，有限段高塑性冻结壁公式计算冻结壁厚度中，一般将支护模板高度作为掘砌段高。现有冻结工艺，厚600 m以上冲积层冻结凿井深部形成的冻结壁井帮温度会更低，冻结段深部掘砌过程中，冻土扩入井筒工作面较多，需要采用爆破掘进提高掘进速度。受到爆破施工工艺的影响，正常的爆破掘进需要在浇筑外壁之前先放座底炮，座底炮爆破深度一般为2.3 ～2.7 m，特别控制的座底炮深度可为2.0 m左右，造成爆破掘进段高比支护模板高度大很多，如果仍用支护模板高度作为掘砌段高代入有限段高塑性冻结壁公式，得出的冻结壁厚度明显偏薄。

根据深厚冲积层掘砌的爆破工艺，设支护模板高度hm，爆破掘进段高hb，较多的施工情况下hb=(1.6～1.9)hm，应该将爆破掘进段高hb作为计算段高代入维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式，从而计算得到正确的黏性土层冻结壁厚度。

赵固二矿西风井黏性土层控制层位冻结壁厚度计算见表1，表1列举了用爆破掘进段高hb分析的冻结壁厚度结果，同时也列出了用模板高度hm分析的冻结壁厚度错误结果，爆破掘进段高和模板高度分析的结果相差38%～47%，可见冻结壁设计中爆破掘进段高问题必须加以重视和改正。

注：岩性均为黏土；两列参数表示冻土强度均值和低值计算结果。

1.2 黏性土层控制层位冻土计算强度取值和确定冻结壁设计厚度的方法

目前冻土试验主要依靠井检孔黏性土层取样后的重塑土试样，黏性土层冻土计算强度采用ø61.8 mm×150 mm圆柱体试件按0.01/min恒应变速率轴向加载获得的冻土无侧限瞬时抗压强度σc除以安全系数m0求得，根据《煤矿井巷工程施工规范》(GB 50511—2010)规定一般黏性土层m0取1.4。鉴于检查孔取样、同步试验等局限性，在深厚冲积层黏性土层冻土试验中面临以下3个问题：①当土层结构变化较大时，重塑土冻土试验会掩盖原状土的土层结构特性，使重塑土冻土试验结果产生较大偏差。②冻土试验与非冻土黏性土层物理力学性能试验的取样层位并不完全相同，仅从冻土试验结果有时很难判断非冻土试验层位的黏性土层冻结效果。③深厚冲积层普遍存在黏性土层冻土抗压强度试验值较为离散问题。

例如，赵固二矿西风井井筒检查孔试验资料(表2、表3)反映出：冻土单轴抗压强度试验值较离散，而非冻土的单轴抗压强度试验值更为离散，深度变化不大的同土性的非冻土单轴抗压强度值甚至相差数倍，这给合理选取冻土计算强度带来难度。

考虑到冻土及非冻土抗压强度试验值均具有很大的离散性，简单使用冻土试验回归曲线的安全性令人担心，但如果全部按冻结壁控制层位附近的冻土抗压强度最低值选取冻土计算强度，一方面可能使冻结壁设计厚度偏大，造成较大的浪费；同时会将冻结段某些层位的掘进段高或支护模板高度限制成过小，影响掘砌速度；另外，即使选取冻土强度试验最低值，仍可能无法满足未被冻土试验取样层位的冻结壁稳定性要求。冻结壁设计要从安全性、先进性、经济合理性的角度综合考量，分析冻土、非冻土抗压强度试验特点和深厚冲积层冻结段爆破掘进工艺特点，合理发挥掘砌段高调控对冻结壁稳定性的影响作用，因此笔者提出深厚冲积层黏性土层控制层位冻土计算强度取值和确定冻结壁设计厚度的方法：

1)控制层位选取：综合分析冲积层中深部黏性土层性质、单层厚度、未冻土抗压强度、冻土抗压强度和蠕变参数试验结果，选取3～5层控制层位。

2)确定冻土计算强度：冻土计算强度选取应区分均值与低值，均值用来计算各层位一般状态下的冻结壁厚度，低值用来核算某层位最不利情况下的冻结壁厚度。均值应根据控制层位选择相似土性、相近深度的冻土抗压强度试验数据，并剔除离散较大的数据，通过曲线回归选取得出各层位不同平均温度下的冻土计算强度均值；低值应选取某控制层位附近深度、相似土性的冻土抗压强度最小的试验数据，并根据均值回归曲线斜率修正得出该层位某平均温度下的冻土计算强度低值。

3)选取模板高度，计算控制层位冻结壁厚度预选值：根据控制层位深度及井帮温度控制目标值、冻土计算强度的均值，选取支护模板高度，并确定相应的爆破掘进段高。根据选用的有限段高塑性冻结壁厚度公式和段高上下端固定程度系数，计算控制层位冻土计算强度均值对应的冻结壁厚度预选值。

4)设计模板调控高度，确定黏性土层冻结壁设计厚度：以冻土强度均值和低值计算结果统一调整模板高度的变化，一般情况下，均值计算的冻结壁厚度小于砂性土层冻结壁厚度计算值，低值核算的冻结壁厚度不超过砂性土层冻结壁厚度计算值10%。在施工中为保障冻结壁稳定性，可在未冻土抗压强度偏低值层位、冻土试验强度值较低层位开展冻结壁稳定性实测，结合实测结果调整座底炮的深度，缩小爆破掘进段高，以达到降低冻结壁厚度需求、提高冻结壁稳定性的目的，保障施工安全。调整模板高度后，冻土强度均值对应的冻结壁厚度作为底线，冻土强度低值对应的冻结壁厚度作为参考值，合理确定冻结壁设计厚度。

例如，赵固二矿西风井冻结设计的分析结果：冻土抗压强度试验值选取范围见表2，冻土计算强度均值回归曲线和控制层位附近低值按平均温度修正曲线如图1所示。

控制层位冻土计算强度均值、低值和冻结壁厚度计算值(预选值)见表1；支护模板高度调控计划：井深510 m以上为3.8 m，510～650 m为3.0 m，650～704.6 m为2.5 m；黏性土层控制层位冻结壁设计厚度取值9.9 m；严格控制座底炮的主要层位：井深490～500 m，525～545 m，650～680 m。

1.3 合理确定冻结壁设计厚度

冻结壁分析模型分弹性、黏弹性、弹塑性、塑性和黏弹塑性等，分加载模型和卸载模型，分均质和非均质模型，分无限长掘砌段高和有限长掘砌段高模型，分平面应变模型和三维模型；实践表明，如此之多的分析模型都无法全面描述深厚冲积层复杂的地质条件、冻结工艺、掘砌工艺，所有的分析、计算公式都存在片面性和实用性问题，许多无限长模型的公式和诸多的不确定性影响参数对提高黏性土层冻结壁稳定性分析只能起到定性的帮助，无法提高实际工程分析的精度和准确性。只能根据冻结壁所表现的主要问题，有针对性地选择分析模型，利用主要的、可控的影响参数改进冻结法凿井施工工艺和冻结壁分析的合理性；因此，笔者认为冻结壁分析还是要根据不同土性区别对待较为合理。

虽然深厚冲积层冻结壁安全问题较突出地表现在蠕变特性显著的黏性土层中，但冻结法应用于凿井工程的初衷和本质是为井筒掘砌工程构筑隔水的冻结帷幕，因此深厚冲积层中的含水层还需要进行冻结壁设计计算。由于多圈孔冻结时砂性土层冻结壁基本处于弹塑性状态，蠕变特性明显小于黏性土层，目前最适宜于砂性土层冻结壁工程分析的公式还是多姆克计算公式，见式(1)，所需的砂性土层冻土计算强度主要参考我国砂性冻土计算强度与冻结壁平均温度的拟合曲线[19-20]进行选取。

式中：E为冻结壁厚度，m；Ra为井筒掘进半径，m；P为计算层位水平地压，MPa；K为冻土计算强度，MPa。

深厚冲积层冻结法凿井工程中，深厚黏性土层稳定性和断管问题比较突出，冻结壁的稳定受掘进段高影响很大，在众多冻结壁分析方法和公式中，应选影响参数稳定可控的有限段高冻结壁公式计算黏性土层控制层位的冻结壁厚度，因此可优先选用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式：

式中：h为掘砌段高，m；σc为冻土极限抗压强度，MPa；m0为安全系数，圆柱形试件试验结果m0取1.4；η为掘进段井帮上下两端的固定程度系数，当上端固定好(井壁发挥作用)而下端(掘进工作面)基本不冻结时取

若上下两端均固定好时取

应用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式时，冻土单轴抗压强度σc的选取要结合非冻土抗压强度等土层特点，合理利用冻土抗压强度试验的均值和低值，设计合理的支护模板调控高度，结合爆破掘进段高与支护模板高之间的关系，确定安全合理的黏性土层冻结壁厚度。

笔者根据泉店、城郊、顺和、安里、赵固一矿、赵固二矿等20多个深厚冲积层冻结井筒的冻结设计经验，分别用式(1)计算砂性土层控制层位的冻结壁厚度，用式(2)计算黏性土层控制层位的冻结壁厚度，制定合理的模板高度控制计划，相互借鉴，综合平衡，最终确定的冻结壁设计厚度相对安全、经济合理。其中，赵固二矿西风井穿过厚704.6 m冲积层的砂性土层冻结壁厚度计算结果为10.3 m，黏性土层冻结壁厚度计算结果为9.9 m，两类土层分析结果基本统一，冻结壁设计厚度确定为10.3 m；反映出分别计算砂性土层和黏性土层冻结壁厚度，综合确定冻结壁厚度对矿井冻结设计的重要性。

2 冻结壁设计参数实施情况

赵固二矿西风井井筒净直径6.0 m，穿过冲积层厚度704.6 m，冻结深度783 m，冻结段井壁厚度900～1 950 mm，井壁混凝土设计最高强度等级为C100。根据上述研究结论进行砂性土层和黏性土层的冻结壁厚度、冻结壁平均温度、井帮温度目标控制值设计，工程实施过程中，通过对冻结壁形成特性综合分析和制冷过程调控，精准地实施和验证了相关设计参数(表4)。工程实际控制冲积层深部黏性土层井帮温度基本在-11 ℃以上，砂性土层井帮温度在-13 ℃以上。结合井帮稳定性实测分析，控制爆破掘进的座底炮深度一般为2.5～2.8 m，在深部松散土层中限制座底炮深度在2 m以内，井深540 m以下模板改为高度3 m，井深-660 m以下模板改为高度2.5 m。经过冻结壁厚度、平均温度及井帮温度的精准设计与实施，特别是深厚黏性土层冻结壁厚度计算、薄弱层位分析预判、冻结壁稳定性实测及座底炮深度限制，为安全快速施工创造了良好的条件。取得冲积层深部外壁掘砌速度维持在75～80 m/月，冲积层段外壁掘砌平均速度为87.1 m/月，冻结段外壁掘砌平均速度为82.1 m/月。

注：*表示698～704.6 m段受基岩段冻结影响井帮温度和冻结壁平均温度急速下降。

3 结论

1)厚600～1 000 m冲积层冻结壁设计可分别用多姆克计算公式计算砂性土层控制层位的冻结壁厚度，用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性计算公式计算黏性土层控制层位的冻结壁厚度，并综合分析确定深厚冲积层冻结壁设计厚度。这在冻结工程非常重要的，也是现实可行的。

2)应合理地确定掘进段高，深厚冲积层黏性土层采用维亚洛夫—扎列茨基有限段高塑性公式时，掘进段高参数应是模板高度与模板底部留设的座底炮高度之和(即爆破掘进段高)。黏性土层冻土计算强度宜以控制层位附近相似土性土层冻土计算强度均值用来计算各层位的冻结壁厚度；低值用来核算相应层位最不利情况下的冻结壁厚度，工程中开展冻结壁稳定性实测，结合实测结果调整座底炮的深度，缩小爆破掘进段高，达到冻结壁厚度符合要求、提高冻结壁稳定性的目的，保障施工安全。

3)工程实践精准地验证了提出的冻结壁厚度计算方法设计的冻结壁厚度、平均温度及井帮温度等参数，能控制冲积层深部黏性土层井帮温度在-11 ℃以上，砂性土层井帮温度在-13 ℃以上，为深厚冲积层实现安全快速施工提供有利条件，工程应用取得安全优质、经济合理、快速施工效果，科学指导了施工。

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厚600 m以上冲积层冻结壁厚度设计方法研究

0 引言

1 冻结壁关键参数取值和计算方法

1.1 爆破掘进段高对冻结壁厚度设计的影响

1.2 黏性土层控制层位冻土计算强度取值和确定冻结壁设计厚度的方法

1.3 合理确定冻结壁设计厚度

2 冻结壁设计参数实施情况

3 结论

Research on design method for thickness of freezing wall in thick alluvium over 600 m

厚600 m以上冲积层冻结壁厚度设计方法研究

0 引 言

1 冻结壁关键参数取值和计算方法

1.1 爆破掘进段高对冻结壁厚度设计的影响

1.2 黏性土层控制层位冻土计算强度取值和确定冻结壁设计厚度的方法

1.3 合理确定冻结壁设计厚度

2 冻结壁设计参数实施情况

3 结 论

Research on design method for thickness of freezing wall in thick alluvium over 600 m

0 引言

3 结论