井壁冻结压力及外井壁钢筋应力实测

李晋华

(山西汾西正佳煤业有限责任公司，山西　临汾　041300)

1　工程概况

风立井的井口标高为1 121.6 m，设计深度为966.6 m，整个井筒净直径为7.5 m，净断面面积44.2 m2. 井壁采用双层钢筋混凝土复合井壁结构，外层井壁厚度最大为 550 mm，最小为500 mm，内层井壁厚度最大为1 350 mm，最小为600 mm，混凝土强度等级从C50到C80不等，采用II级钢筋，d22～d28 mm. 回风立井井筒特征参数见表1.

表1　风立井井筒特征参数表

风立井井筒采用普通法凿井到井口以下垂深90 m后，通过现场抽水试验估算井筒涌水量，含水层厚度总计达411 m，其中白垩系洛河组涌水量比较大，涌水造成施工无法继续进行，因而转为冻结法施工，主要针对白垩系和侏罗系含水地层封水，冻结深度为910 m.

风立井依次穿过的冲积层厚度为210.61 m，为第四系黏土层或砂砾层，白垩系地层653.88 m，是井筒冻结的主要地层。其次是侏罗系岩层109.1 m. 风检孔揭露的地层自下而上厚度见表2.

表2　井检孔揭露地层厚度表

结合现场勘测结果可知，风井地层以白垩系地层为主，其占总厚度比例约为70%，因此重点研究白垩系岩层冻结压力具有重要意义[1-2].

2　冻结压力监测

1) 测点布置与传感器埋设。

通过对风井冻结段施工特点以及现场井检孔的勘察结果分析，分别选择距离井口632 m和841 m的位置布置温度监测装置、竖向钢筋计、环向钢筋计和压力计(布置图见图1).

图1　测点布置总汇图

在距离井口632 m和841 m两个层位分别布置4个荷载压力计，每个层位的4个荷载压力计分别安置在东、南、西、北4个方向上。为了确保荷载压力计能够与井帮紧密接触，将荷载压力计制作成水泥块埋设在井壁混凝土当中，埋设时将荷载压力计的受力膜面轴线与井筒中心线保持在同一条直线上，保证测试结果的准确。

2) 监测方法。

当荷载压力计埋设之后，冻结压力的监测刚开始7天，加密监测频率，保证每天监测一次，以后每周监测一次，到套筑内层井壁时期之前再测一次数据。监测数据通过电缆连接CUB-1 M数据存储器实时对压力进行记录，然后将存储的数据拷贝到计算机中，对数据进行归类，实现对数据的采集记录。每次监测完后，对荷载压力计伸出的电缆做好保护，方便下次监测工作。

3) 冻结压力监测结果分析。

监测的冻结压力变化曲线分别见图2，3.

图2　第一层位(-632 m)冻结压力随时间变化曲线图

图3　第二层位(-841 m)冻结压力随时间变化曲线图

比较分析图2、3，大致可以把作用在外井壁上的冻结压力分为以下3个阶段[3-4]：

a) 压力急剧增长阶段。初期随着井筒的掘进开挖，冻结土体由于开挖后应力得以重新分布，冻结壁向内变形，浇筑外层混凝土井壁时，由于外层井壁阻止冻结壁向内变形，早期冻结壁变形产生的冻结压力直接作用在井壁压力荷载计上而出现急剧增长现象；另一个原因是当浇筑外层井壁混凝土时，混凝土释放出大量的水化热，使得冻结壁融化，冻结壁由于外部水平地压应力的作用挤压融化段岩层，当冻结管继续供冷时，融化岩体又重新发生冻胀而产生冻结压力[5].

b) 压力缓慢增长阶段。随着工作面的开挖，监测层位距离开挖面越来越远，并且下部井壁的浇筑影响范围对监测层位越来越小，同时监测层位的外层井壁混凝土水化基本完成，此时冻结壁温度在逐步下降，冻结壁岩层慢慢的发生回冻，因此回冻过程中冻胀压力会发生缓慢增长现象。

c) 压力稳定阶段。随着冻结壁在第二阶段的温度继续下降，当冻结壁温度已经趋于稳定，钢筋混凝土井壁强度也已基本不再增长，此时温度没有大幅度变化而影响冻结壁的变形，冻结壁只发生很小的蠕变现象，从而使冻结压力最终在一个固定值上下浮动。

通过对比白垩系地层实测冻结压力数值与西部地层目前广泛采用的冻结压力经验计算公式计算的结果(P=0.005H+1)，对二者冻结压力数值进行对比，结果见表3.

表3　冻结压力对比表

通过表3可以看出，实测的冻结压力远小于经验公式计算的冻结压力值，也小于规范中按表土层计算的冻结压力值。

通过对图2和图3数据进行回归分析，分别得出中粒砂岩和粗粒砂岩冻结施工时冻结压力随时间的函数表达式：

中粒砂岩平均冻结压力：

P冻=0.576 2lnt+0.117 7

(1)

中粒砂岩最大冻结压力：

P冻max=0.678 2lnt+0.138 5

(2)

粗粒砂岩平均冻结压力：

P冻=0.581 3lnt+0.819 0

(3)

粗粒砂岩最大冻结压力：

P冻max=0.704 2lnt+0.992 2

(4)

通过对图2，3分析可知：

对于中粒砂岩而言，前10天冻结压力呈线性增长态势，冻结压力达到最大值的81.3%，20天达到最大冻结压力的93.5%，20天后冻结压力大致呈稳定状态，最终冻结压力在最大值左右浮动。也就是说中粒砂岩冻结施工期间，需要关注前20天的混凝土养护状况，特别需要注重前10天的混凝土养护，施工期间可在井帮与冻结壁之间放一定厚度的塑料夹层，达到延缓冻结压力增长对外井壁作用的时间，从而使混凝土达到一定的强度来抵抗前期快速增长的冻结压力。

对于粗粒砂岩来说，前9天冻结压力呈线性增长态势，冻结压力达到最大值的95%，再往后冻结压力增幅不大，大致在冻结压力最大值左右变动。冻结压力变化说明：在粗粒砂岩冻结施工期间，特别需要关注前9天的混凝土养护状况，这样就可以减少外层井壁施工期间的混凝土压坏现象。

从表3可以看到，白垩系地层冻结压力实测值远小于目前西部地区广泛采用的经验公式计算的值。其中，中、粗粒砂岩的冻结压力回归公式可为以后西部同种地质的岩层提供参考数据，并能为西部地区井壁的设计提供依据。

3　外层井壁钢筋应力监测

1) 外井壁竖向钢筋受力监测结果分析。

竖向钢筋测试结果见图4，5.

图4　-632 m竖向钢筋计受力随时间变化曲线图

图5　-841 m竖向钢筋计受力随时间变化曲线图

a) 快速上升段。

外层井壁浇筑初期，竖直方向上由于钢筋混凝土水泥水化热影响，冻结壁融化，进而冻结壁对外层井壁的围抱摩擦力减小，钢筋混凝土井壁由于自重作用，产生竖直方向的吊挂力，因此竖向钢筋出现快速增长的拉应力；另一方面，由于外层井壁浇筑后的一周内，对外层井壁拆除模板，随着钢筋混凝土井壁结构开始脱模，竖向方向上由原来的上下两端用模板固定转变为下端为自由端，因此钢筋应力由拆模前的受压状态转为拆模后的受拉状态，此阶段拉应力急剧增长，增长速率很快，最大达到0.4 MPa/h.该时期要特别防范混凝土发生拉裂现象，因为外层井壁混凝土还没有达到设计强度值，外层井壁竖直方向上由于应力过大很容易发生环向裂缝。

b) 缓慢上升段。

随着第一阶段的发生，当外井壁浇筑一周以后，在第一阶段产生融化的冻结壁随着冻结管冷量的供给，岩层温度不断下降，冻结壁产生回冻。此时外井壁由第一阶段井壁接触的是融化的冻结壁，逐渐发展为回冻的冻结壁，冻结壁回冻后增大了外层井壁与冻结壁的围抱摩擦力，减小了外层井壁所受的吊挂力，因此，该阶段拉应力较第一阶段缓慢。

井筒内外层井壁钢筋采用的是HRB335钢筋，在整个竖向钢筋应力监测当中，由图4，5可知，外层井壁两个层位竖向钢筋最大应力都不超过70 MPa，远远小于HRB335钢筋屈服强度。内层井壁竖向钢筋应力比外层井壁竖向钢筋应力小，究其原因主要是内层井壁接触的是外层井壁内壁面，其摩擦力不会因为混凝土水化热作用而减小，因此其实测结果小于外层井壁钢筋实测值，总体来说井壁处于安全工作状态。

同时通过监测结果可知，钢筋的竖向应力远远小于钢筋设计标准值，钢筋的材料性能没有很好的发挥。

2) 外壁环向钢筋受力监测结果分析。

外井壁环向钢筋监测结果见图6和图7.

图6　-632 m外井壁环向钢筋受力随时间变化曲线图

图7　-841 m外井壁环向钢筋受力随时间变化曲线图

由图6和图7可以看出，环向钢筋应力随时间变化与竖向钢筋应力随时间变化的趋势和规律大致相同，分为以下3个阶段：

a) 快速增长段。

外层井壁混凝土浇筑2～12天时，外层井壁的环向钢筋的应力呈快速增长态势，应力主要为压应力，最高增长速度能达到-0.5 MPa/h，平均增长速率值为-0.4 MPa/h.由于外层井壁的浇筑，冻结压力作用在外层井壁上，从而使外层井壁环向钢筋产生环向压应力，由前面冻结压力在外井壁浇筑初期呈快速增长态势，因此导致外井壁环向钢筋应力也呈快速增长态势；另一方面，由于混凝土水化热作用导致钢筋发生热膨胀，而由于冻结壁的约束效果，进一步使得环向钢筋的应力快速增长。

b) 缓慢增长段。

外层井壁混凝土浇筑12～24天时，环向钢筋应力处于缓慢增长阶段，最大达到-37 MPa.由图6、7可知，外层井壁环向钢筋应力在20天之后出现略微增长，主要是此时第一阶段的外层井壁混凝土水化热温度达到一个峰值的现象结束，此时温度应力对环向钢筋的压应力作用会减小，而由前面冻结压力的变化规律可知20天之后冻结压力也呈一个缓慢增长态势，因此，此时环向钢筋应力随着冻结压力的缓慢增长而慢慢增加。

c) 趋于稳定段。

外层井壁混凝土浇筑24天之后，-632 m外层井壁环向钢筋最大应力达到-50 MPa，-841 m外层井壁环向钢筋最大应力达到-52 MPa，两个层位环向钢筋达到最大值后趋于稳定。主要是前期的混凝土水泥水化热现象结束，混凝土温度也渐渐趋于稳定，而由前可知冻结压力24天之后其值基本稳定，因此作用于外井壁冻结压力波动很小，所以外层井壁环向钢筋在此阶段基本趋于稳定阶段。

环向钢筋的受力变化情况和监测的冻结压力变化趋势大致一样，也是前10天左右呈快速增长态势，后期逐步稳定，进一步说明了监测方案的正确性。同时通过监测结果可知，钢筋的环向应力远小于钢筋设计标准值，钢筋的材料性能没有很好的发挥。

4　冻结壁位移监测

井壁与冻结壁具有相互作用的特性，冻结壁产生位移必须满足冻结管作用要求，否则可能造成冻结管断裂，影响井筒冻结施工。同时外井壁抵抗冻结壁位移，预防冻结壁过大位移，当冻结壁位移和外井壁位移之和小于冻结壁要求的最大位移，施工方可安全。因此，对冻结壁位移进行监测具有重要意义，现场对风立井白垩系岩层冻结壁最大位移进行实测的数据，见表4.

表4　冻结壁最大位移实测结果表

5　结　论

冻结压力、外层井壁钢筋应力监测数据表明，冻结压力的变化过程可以大致分为3个阶段：压力急剧增长阶段、压力缓慢增长阶段、压力稳定阶段。外层井壁钢筋应力与冻结压力有关，钢筋应力随时间的变化规律与冻结压力随时间的变化规律相似，其压应力最大值均小于钢筋的屈服强度。

通过监测-632 m、-841 m两个水平层位的冻结压力，分别得出中、粗粒砂岩富水岩层冻结施工时其最大冻结压力随时间变化的函数关系表达式，并且实测的冻结压力远小于经验公式计算的冻结压力值，也小于规范中按表土层计算的冻结压力值，能够为后续西部相同地层冻结压力计算提供参考。

通过监测冻结压力数据分析可知，对于中粒砂岩前10天冻结压力呈线性增长态势，冻结压力达到最大值的81.3%，20天达到最大冻结压力的93.5%，20天往后冻结压力大致呈稳定状态，最终冻结压力在最大值左右浮动。对于粗粒砂岩来说，前9天冻结压力呈线性增长态势，冻结压力达到最大值的95%，再往后冻结压力增幅不大，大致在冻结压力最大值左右变动。因此对西部富水中、粗粒砂岩地层冻结压力增长情况进行监测，得出冻结压力随时间变化规律，可以指导冻结施工期间混凝土养护，对于预防混凝土提前受压而破坏具有重要意义。

[1]杨俊杰.考虑地层抗力时外层井壁的内力计算[J].煤炭工程,2002,49(2):113-116.

[2]杨俊杰.深厚粘土层冻结井外壁设计的一种新方法[J].煤矿设计,1997,44(3):47-49.

[3]杨更社,奚家米,屈永龙.西部白垩系富水基岩立井冻结压力实测研究[J].采矿与安全工程学报,2014,31(6):982-986.

[4]王衍森.特厚冲积层中冻结井外壁强度增长及受力与变形规律研究[D].徐州:中国矿业学报,2005.

[5]张弛,杨维好.深厚冻结基岩中新型单层井壁施工技术与混凝土应变实测[J].煤炭学报,2012,10(2):322-326.