深厚冲积层冻结法凿井冻胀应力模型试验研究

彭 飞，王植阳

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；3.河南国龙矿业建设有限公司，河南 郑州 450000)

井筒穿过深厚冲积层多采用多圈孔冻结法施工，该施工法对冻结压力和冻结管安全的影响是深厚冲积层冻结法凿井研究的热点[1-3]。工程实践表明，深厚冲积层冻结法凿井经常发生冻结管断裂与外层井壁破裂事故[4，5]。这些事故不仅延误工期，影响工程质量，危害施工安全，造成透水淹井等重大隐患。其主要原因是深厚冲积层冻结壁随时间推移会发生较大的蠕变变形[6]，冻结管在地压和冻胀应力作用下发生大变形弯曲，变形过大会导致冻结管断裂；多圈孔冻结冻胀引起的压力成为冻结压力的重要组成部分，外层井壁在较大冻结压力的作用下容易产生裂缝，发生破坏[7，8]。

针对冻结法凿井冻结过程中冻胀效应对工程的危害，国内外学者围绕工程实测与模型试验研究做了大量研究，汪仁和[9]认为冻结压力最大值可达到初始地压的2.4倍，开挖时冻胀力的释放会导致冻结管断裂。王衍森[10]认为冻结壁内部冻胀力的积聚和释放是威胁冻结壁和冻结管安全的关键因素。王建平[11]通过理论分析和试验，发现距离冷源相对远的点也会因为水分迁移产生较大的冻胀力，因此毛细现象明显的土体易产生更大的冻胀应力，同时冷源温度越低，土体温度下降越快，产生的冻胀力越小。王瀚[12]、崔广心[13]分别进行了多圈管冻结壁内部冻胀应力的形成特性研究，分析了冻结壁不同位置的温度和冻胀应力的发展过程。

但是上述学者的研究，侧重在分析不同位置冻胀应力的分布特征，本文以赵固二矿西回风立井多圈孔冻结为原型进行冻结壁内部冻胀应力模型试验研究，分析冻胀力的形成特性和分布特征，对冻结壁内部冻胀应力的形成特性和分布特征进行研究，了解其产生、发展和持续的全过程及原因，提出降低冻结壁内部冻胀应力措施，防止冻结管断裂及外层井壁破裂等工程风险。

1 模型试验方案

赵固二矿西回风立井井筒穿过冲积层704.6m，拟冻结深度783m，属国内外冻结井筒穿过冲积层最厚的井筒之一[14]。冲积层土体含水量大，冻胀效应明显。试验对不同布孔方式，即主冻结孔(也称主孔)、辅助冻结孔(也称辅助孔)不同布孔圈径、不同孔间距情况下和不同岩性(砂土、砂质黏土)的冻胀应力场、温度场进行对比分析。

1.1 模型缩比

综合考虑工程实际冻结壁尺寸与冻结壁模型试验台尺寸，确定几何缩比为Cl=1/20Cl=1/20。根据几何缩比采用∅300mm的无缝钢管作为模拟井壁，安装在试验桶中央。

1.2 试验土体的选择和取用

应用工程现场土样(赵固二矿西回风立井井下取土)，取用现场的砂土和砂质黏土。

试验室进行常规土工试验，测定其含水率、密度等参数。实测砂土密度2.15g/cm3、含水率16.3%，砂质黏土密度2.08g/cm3、含水率23.2%。

1.3 填土和布孔方式

本次模型试验考虑选择两种土层：砂土、砂质黏土，按下部砂土、上部砂质黏土顺序填埋、夯实。

采用三种不同布孔方案进行模型试验，对比不同布孔方案下冻结壁温度分布及冻胀力分布。布孔方案参数见表1，模型试验布孔方案如图1所示。

图1 模型试验布孔方案示意图

1.4 传感器的布置与测量

试验冻胀力测量采用微型土压力盒，配合静态应变分析系统进行监测冻胀力实时变化情况。将试验桶按岩性和布孔方式分为6个测区，每个测区布置12个压力盒，总计72个。压力盒分别布置于模拟井壁外侧(两个)、内排辅助孔内侧界面、内排辅助孔内侧主面、内外辅助孔之间界面、内外辅助孔之间主面、外辅助孔和主孔之间主面(两个)、外辅助孔和主孔之间界面(两个)、主孔外侧主面压力、主孔外侧界面，传感器布置如图2所示，各测点的空间位置关系见表2。砂土层的三种布孔方式分别采用S101—S112，S201—S212，S301—S312编号，砂质黏土层的三种布孔方式分别采用N101—N112，N201—N212，N301—N312编号。

图2 传感器布置示意图

表2 各测点的空间位置关系

温度测量采用数字温度传感器，配合测温模块进行温度监测。每组试验布置78个测温点。盐水进水、回水三个扇区各一个测点，计6个。其余72个测点与压力盒配合布置。

压力和温度数据均间隔2h采集一次，试验共采集58h。

1.5 盐水温度和流量的控制

模型试验中控制模拟冻结管内盐水流速维持在35～40L/h，试验期间盐水温度控制在-23～-24℃。

2 试验结果与分析

模拟的第一种布孔方式即赵固二矿西风井实际采用的布孔方式，本文选取第一种布孔方式砂土层作为研究对象，分析随冻结时间的变化不同位置冻胀应力和温度变化特征。按照距离试验桶中心的远近选取6个不同位置的测点数据，其温度、冻胀应力随冻结时间的关系如图3所示。

图3 第一种布孔方式砂土层温度和冻胀应力随时间变化关系

2.1 井壁侧温度和冻胀应力变化情况

根据S102测点实测结果分析，随着冻结时间的延长井壁侧温度呈初期缓慢降温、快速降温、缓慢降温、快速降温四个阶段，前两个降温阶段冻胀应力一直呈较缓慢增长、降温第三阶段冻胀应力小幅快速增长后趋于较缓慢增长。

在冻结开始后的前6h内，由于井壁距冻结管较远，井壁受到的降温影响小于冻结孔附近的土体，因此冷冻初期井壁附近的温度梯度相对较小。井壁位置处的土体受到的冻胀应力呈缓速增长状态，但增长幅度很小。

冻结8h后，井壁温度快速下降。该阶段主冻结孔圈附近冻土初步开始形成，但是冻结壁尚未交圈，井壁位置处土体受到土体冻胀挤压作用也不明显。因此该阶段冻胀应力增幅仍然较小。

冻结22h后，此时温度先是下降速度趋缓，到冻结后24h温度又快速下降。该阶段为冻结壁发展至交圈的关键阶段，冻结管释放的冷量大多被用于土体中水分形成冰晶。因此土体温度和井壁温度下降速度先趋于平缓，冻结壁交圈后井壁温度又持续下降。该阶段冻胀应力增速显著提高，原因是冻结壁交圈后土体的冻胀对井壁位置处的土体有一定的挤压作用。

冻结26h后，井壁温度以0.3～0.4℃/h的速度匀速下降，冻结58h下降至-8.2℃。该阶段井壁受到的冻胀应力持续增长，冻结壁在该阶段不断发展，土体冻胀对井壁位置处的土体的挤压作用持续增加，但井壁位置处的土体受到的冻胀应力总体不大。

2.2 内排辅助孔内侧

根据S104测点实测结果分析，随着冻结时间的延长内排辅助孔内侧温度呈快速降温、缓慢持续降温两大阶段，在降温过程中冻胀应力呈缓慢增长、快速增长至峰值、至峰值后平稳回落三个阶段，最终呈现较大的冻胀应力。

在温度快速下降阶段，即冻结开始后前6h，土体温度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此时土体温度尚未下降至冰点，除紧贴冻结管壁的位置外，其余地方无冰晶产生，冻结管释放的冷量使得土体温度快速下降。该阶段冻胀应力略有增长，持续至温度下降至4℃附近，主要是孔隙水体积膨胀造成的。

冻结8h后，温度下降开始趋缓，原因是近冻结管土体的温度下降到冰点附近，土体中的水开始形成冰晶，该过程需要消耗较大的冷量，影响土体的整体温度下降速度。此阶段土体中冰晶正在形成，冻结壁尚未交圈，冻胀应力也表现为缓慢增加。

冷冻后24h，温度下降，下降速率达0.3～0.4℃/h。该阶段冻胀应力增速很快，2h增幅达到22kPa。此时测点温度并未下降至冰点以下，但受主冻结孔圈冻结壁交圈影响，该点在封闭的冻结壁内，压力突增明显。冻结壁交圈后，冻结壁圈内侧的点可测量到明显的冻胀应力，如果该点距离冻结管较远，则会在该点温度尚未下降至冰点线、孔隙水尚未形成冰晶时，也能测出较明显冻胀应力。

冻结44h后，测点温度持续下降。冻胀应力在达到峰值89.6kPa后小幅回落，此时冻结壁的扩展基本完成，因冻结壁扩展产生的冻胀应力增量显著降低。土体长时间受到冻胀应力作用，发生蠕变，使得实测冻胀应力出现小幅下降。

2.3 内外排辅助孔之间

根据S106测点实测结果分析，随着冻结时间的延长内外排辅助孔之间温度呈快速降温、缓慢持续降温、较快速降温三个阶段，在降温过程中冻胀应力呈缓慢增长、快速增长至峰值后、至峰值后平稳回落三个阶段，最终呈现较大的冻胀应力。

冻结开始后前8h，土体温度以1.1～1.3℃/h的速度快速下降，此时土体温度尚未下降至冰点附近，除紧贴冻结管壁的位置外，其余地方无冰晶产生，冻结管释放的冷量使得土体温度快速下降。该阶段冻胀应力持续缓慢增长。

冻结10h后，土体的温度下降到冰点附近，土体中的水开始形成冰晶，冻结壁初步形成的过程中，土体消耗巨大的冷量，土体温度保持-0.3℃不变。该阶段冻结壁正在形成，冻胀应力以1kPa/h左右的速度缓慢增长。

冻结22h后，测点温度再度开始下降，24h下降速率达0.2℃/h。冻结后22h该处温度已突破冰点，但冻胀应力并未在22h突增，24h后冻胀应力开始突增，两小时增幅达24.4kPa。分析该点温度在冻结后22h已下降至冰点以下，但主冻结孔圈附近的冻结壁尚未交圈，冻胀应力仍按原速率增长，至24h后主冻结孔圈冻结壁交圈后该点冻胀应力增速才有突破性增加。冻结壁交圈前，主冻结孔圈内侧的点可测量到缓慢的冻胀应力，如果该点距离辅助冻结管较近，则该点温度可能早于主冻结孔圈下降至冰点线以下，土体中水分形成冰晶，但冻胀应力无突破性增长。

冻结44h后，测点温度持续下降。冻胀应力在达到峰值102.9kPa后小幅回落，此时冻结壁的扩展基本完成，但冻结壁扩展产生的冻胀应力增量有所降低。土体长时间受到冻胀应力作用，发生蠕变，使得实测冻胀应力出现小幅下降。

2.4 外排辅助孔与主孔之间

根据S107、S108测点实测结果分析，随着冻结时间的延长外排辅助孔与主孔之间主面、界面温度均呈快速降温、较缓慢降温、较快速降温三个阶段，在降温过程中冻胀应力呈缓慢微量增长、快速增长、持续低速增长三个阶段，主面测点呈现最大的冻胀应力。

2.4.1 主面S107测点

冻结开始后前6h，土体温度以1.2～1.3℃/h的速度快速下降，此时土体温度尚未下降至冰点附近，除紧贴冻结管壁的位置外，其余地方无冰晶产生，冻结管释放的冷量使得土体温度快速下降。该阶段冻胀应力略有增长，主要是温度下降至近4℃附近，孔隙水体积膨胀造成的，但冻胀应力增长不大。

冻结8h后，土体的温度就下降到冰点附近，土体中的水开始形成冰晶，冻结壁初步形成的过程中，土体消耗巨大的冷量，土体温度保持-0.1℃不变。该阶段冻结壁正在形成，冻胀应力以0.15kPa/h左右的速度缓慢增长。

冻结24h后，温度再度开始明显下降，28h后下降速率达0.3℃/h。冻结后24h测点温度突破冰点，因主冻结孔圈界面位置(界面位置受底部管路影响，温度下降快于主面)早已突破冰点，因此该点突破冰点后，主冻结孔圈冻结壁交圈。主冻结孔圈冻结壁交圈后，冻胀应力突增，两小时增幅达到21.7kPa。该点冻胀应力在冻结壁交圈后，增长时间长，增长速率长时间保持10kPa/h以上，累计增长幅度达到145.7kPa，为累计增长幅度各监测点中最大值。在冻胀应力检测控制中，主冻结孔圈与辅助孔之间的主面位置应当作为检测控制的重点。

2.4.2 界面S108测点

冻结开始后前4h，土体温度以0.8～0.9℃/h的速度快速下降，此时土体温度尚未下降至冰点附近，除紧贴冻结管壁的位置外，其余地方无冰晶产生，冻结管释放的冷量使得土体温度快速下降。该阶段近冻结管土体有小冰晶形成，冻胀应力略有增长。布置盐水管路时，在试验桶底部焊接了管路，该处管路中盐水对界面位置土体有明显影响，因此界面温度下降较主面位置快。

冻结8h后，温度下降开始趋缓，原因是主冻结孔圈附近土体的温度下降到冰点附近，土体中的水开始形成冰晶，该过程需要消耗巨大的冷量，因此土体的整体温度下降速度很慢。该阶段冻胀应力呈缓速增长状态，土体中冰晶正在形成，冻结壁尚未交圈，因此冻胀应力增速缓慢。

冻结22h后，测点温度再度开始明显下降，至24h下降速率达1.0℃/h。冻结至6h该测点温度已突破冰点，但冻胀应力并未在22h突增，24h后冻胀应力开始突增，两小时增幅达到13.4kPa。该点温度在冻结后6h已下降至冰点以下，但因主面附近冻结壁尚未形成，冻胀应力仍按原速率增长，24h后主面附近冻结壁形成，冻结壁交圈，该点冻胀应力快速增加。冻结壁交圈后，该处冻胀应力持续增长，增长时间很长，累计增幅达到86.1kPa。因此，主冻结孔圈界面冻胀力也应当重点监控。

2.5 主冻结孔圈外侧

根据S111测点实测结果分析，随着冻结时间的延长主冻结孔圈外侧温度均呈缓慢降温、快速降温、较缓慢降温、快速降温四个阶段，在降温过程中冻胀应力呈缓慢增长、快速增长至峰值后、至峰值后回落至较低值三个阶段。

在冻结开始后的前6h内，主冻结孔圈外侧的位置单位面积内受到的冷冻作用要远小于主冻结孔圈内侧，主冻结孔圈外侧温度下降速度要远小于主冻结孔圈内侧。冻胀应力以0.6kPa/h的速度匀速增长。

冻结8h后，主冻结孔圈内侧土体的温度下降至4℃以下，与主冻结孔圈外侧土体形成温差，主冻结孔圈内侧土体也会向主冻结孔圈外侧土体传递冷量，外侧土体温度开始快速下降。冻胀应力以0.6kPa/h的速度匀速增长，该阶段冻结壁还未向外发展至测点位置，冻胀应力增幅仍然较小。

冻结22h后，测点温度先是下降速度趋缓，在冻结26h后温度快速下降。该阶段为冻结壁发展至交圈的关键阶段，冻结管释放的冷量大多被用于土体中水分形成冰晶。因此土体温度下降速度先趋于平缓，冻结壁交圈后主冻结孔圈内侧土体温度下降速度加快，随后主冻结孔圈外侧土体温度下降。待冻结壁锋面发展至测点位置时，即该测点温度突破冰点后，冻胀应力增速显著提高，每两小时达到30.8kPa。冻结36h后，冻胀应力达到峰值86kPa。该阶段土体温度持续下降，外侧未冻土体在冻胀力的挤压下产生位移，而试验桶内总覆土仅0.5m，形成的地压很小，无法约束冻胀后的土体产生位移，所以冻结壁外侧冻胀应力快速消退了。

3 结 论

1)冻结过程中，冻胀应力增长速度及变化规律和最大冻胀应力值与冻结时间和所处在冻结壁的相对位置紧密相关。

2)冻结壁交圈前，冻结范围内的点即可测量到缓慢增长的冻胀应力，如果该点距离辅助冻结管较近，则该点温度可能早于主冻结孔圈下降至冰点线以下，土体中水分形成冰晶，但冻胀应力无突破性增长。

3)冻结壁交圈后，土体的冻胀对井壁位置处土体有显著的挤压作用。冻结壁交圈后，冻结范围内的点即可测量到明显的冻胀应力，即使距离冻结管较远处，在温度尚未下降至冰点前，孔隙水尚未形成冰晶时，亦会有较明显冻胀应力。

4)主冻结孔圈和辅助孔之间主面和界面冻结壁都充分发展至交圈后，冻胀应力有突破性增长，同时该处主面和界面冻胀应力增加持续时间长，累计增幅大，应为检测控制冻胀应力的重点位置。

5)冻结壁外侧冻胀应力待冻结壁锋面发展至该位置时，即该处温度突破冰点后，冻胀应力增速显著提高，如果原始地压较小，位于浅层位置，则该处压力可能引起上部土体产生位移而卸压。