沿海高渗流砂层斜井冻结参数选择及应用

张富兴，张成涛，王 恒

(1.招金矿业股份有限公司； 2.矿山深井建设技术国家工程研究中心； 3.天地科技股份有限公司)

引 言

冻结法是针对井筒穿过含水砂层时，通过人为向地下输送冷量，在井筒周边形成冻土帷幕，有效隔绝地下水并提供承载力，以便井筒掘砌安全顺利通过不稳定地层的工法[1-2]。冻土帷幕的形成受冻土物理力学参数、地下水流速等客观因素和冻结造孔、盐水温度、盐水流量及冻结时间等主观因素的影响[3-4]。因此，在冻结方案设计时要综合考虑主、客观因素的影响[5]，在施工中严格控制钻孔偏斜及冻结参数，保证如期交圈，并形成具有一定厚度和平均温度的冻结壁[6-8]。井筒积极冻结期间，地下水流动会带走冻结管传导的部分冷量，超过一定限度时，地层蓄存的冷量不满足交圈需求，冻结壁会出现“开窗”现象[9-11]。数值模拟和解析手段一般可预测冻结壁交圈情况[12-13]，测温孔温度监测和冻结壁超声波检测手段可在冻结期间进行初步判断[14-15]，纵向测温手段一般可在确定冻结壁未交圈时进行“开窗”位置精确定位[16-17]。

国内沿海地区应用人工地层冻结法施工井筒的矿山企业包括莱州市仓上金矿和莱州市瑞海矿业有限公司(下称“瑞海金矿”)[18-19]等，莱州市仓上金矿4条立井设计采用冻结法施工，瑞海金矿前期设计3条立井采用冻结法施工，冻结壁均出现不同程度的漏水情况。本文以瑞海金矿斜井为例，研究冻结设计参数对冻结影响程度，以期为斜井施工提供技术支撑。

1 工程背景

1.1 工程地质简介

瑞海金矿地处渤海湾，位于三山岛北部海域，西南部毗邻三山岛金矿，与新建的莱州港为邻，该矿区前期设计主立井、副立井、进风井共3条立井，后期设计2条立井和1条斜井，6条井井筒均采用冻结法施工穿过第四系和风化带地层。井检孔地层分布情况见表1。

表1 井检孔地层分布情况

从表1可以看出：第四系主要为砂性地层，中间分布有相对隔水层(粉质黏土)。矿区边缘存在超过30口养殖户抽水井，每昼夜抽取地下水约1万m3，达到416.67 m3/h，使近岸处地下水位均低于海平面。该层位地下水与海水有明显的水力联系，接受海水补给。根据进风井井检孔测算结果，地下水流速达13.38 m/d(另地勘资料显示流速30 m/d，某科研单位测试流速超过9 m/d)。同时，由于地层与海水存在水力联系，地下水含盐量高，试验显示结冰温度低于-3.5 ℃。

1.2 冻结设计

斜井采用“步进式”分区分段冻结方式，由于斜井掘进断面近似圆形，考虑掘进断面形状压力的不均匀性，各冻结段均采用无限长厚壁筒弹性理论拉麦公式(见式(1))进行冻结壁厚度计算，选用成冰公式(见式(2))进行冻结壁平均温度计算，斜井冻结参数见表2。

(1)

tc=t0c+0.275tn

(2)

(3)

式中：δ为冻结壁厚度(m)；R为井筒掘进半径(m)；σc为冻土允许抗压强度(MPa)；p为地压(MPa)；tc为按冻结壁有效厚度计算的平均温度(℃)；t0c为按冻结壁0 ℃边界计算的平均温度(℃)；tn为计算水平的井帮冻土温度(℃)，未冻结时取0 ℃；tb为冻结盐水温度(℃)；l为计算水平的冻结孔最大间距(m)。

表2 斜井冻结设计基本参数

2 ANSYS数值模拟

2.1 基本假定

第四系砂土层内环境较为复杂，影响冻结温度变化的因素较多，包括砂土成分及含量、冻结时长、冻结管直径与冻结孔间距等。为简化模拟过程，在温度场模拟中进行如下假设：

1)土体在冻融过程中均质且连续。

2)土体冻结时，潜热集中在冻结界面连续释放。

3)假设土中水分全部冻结，未冻水含量为零。

4)模型中在冻结孔上施加随温度变化的荷载，模拟冻结过程中冻结管外表面温度，不考虑冻结管内外复杂的热交换过程。

5)不考虑地面温度波动对冻结温度场的影响。

2.2 模型建立

以斜井井筒冻结工程为背景建立有限元模型，划分网格时，为了提高计算的精度和减少计算的时间，在靠近冻结管区域及冻土发展方向区域加大网格密度，在远离冻结管区域，由于温度梯度小，减小网格的密度。模型计算采用Solid 70六面体单元。认为冻结范围20 m外即为原始地层，保持原始地温。有限元模型见图1。

图1 斜井冻结数值模拟有限元模型

2.3 典型参数分析

根据室内试验得到该土层在冻融状态下的热物理参数，见表3；综合工程中采取的冻结设计方案，典型冻结参数见表4。

表3 原状土、冻土热物理参数

表4 典型冻结参数

为直观了解冻结壁的发展情况，选取5 d、15 d、25 d、35 d、45 d、55 d冻结温度场云图(见图2)，冻结壁平均温度变化曲线见图3。按照拟定的典型参数进行计算，对计算结果分析如下：

图2 典型参数冻结温度场云图

图3 冻结壁平均温度变化曲线

1)冻结管壁上加载盐水温度荷载后，冷量由管壁传递到土层中，与外界土体发生复杂的热交换，距离冻结管越近，土体温度下降越快，管壁周围形成环状冻土体，随着积极冻结时间增加，环状冻土不断向外扩展。冻结25 d后，冻结壁厚度向外发展速度变缓，主要原因是此时冻结管周边未冻土温度已降至-3.5 ℃左右，未冻土转变为冻土时将释放热量，因此土体降温速度减缓。直至冻结55 d，冻结壁侧壁厚度已达到2.6 m，底板厚度已大于6.3 m。

2)若55 d后继续冻结将导致冻结孔内侧的冻结壁不断扩大，且冻结壁的强度也会随之提高，对后续的通道开挖造成一定的困难，影响工程施工效率。冻结55 d时，从温度场云图中可以明显看到，冻结管下侧冻土帷幕明显厚于上方，这是地表周期性温度荷载和对流换热同时作用的结果。

3)整个冻结期的温度场发展均是距离冻结管近的位置温度较低，距离冻结管较远的位置温度较高。冻结管传递的冷量使井筒冻结管内侧土体开始降温，当冻结至55 d时，冻结管内侧的低温区域面积明显大于冻结管外侧的低温区域面积。

从图3可以看出：冻结55 d时，冻结壁平均温度由20.00 ℃下降到-8.56 ℃。冻结初期冻结壁平均温度下降较快，冻结前20 d，几乎呈直线下降；冻结10 d时，冻结壁平均温度由20.00 ℃下降到0.79 ℃；冻结20 d时，冻结壁平均温度由0.79 ℃下降到-5.03 ℃；冻结前20 d平均降温速率为1.25 ℃/d;这是因为土体与盐水温差大，土体热状况变化剧烈；冻结30 d时，冻结壁平均温度下降到-6.85 ℃；冻结20～30 d时，平均降温速率为0.18 ℃/d；冻结55 d时，冻结壁平均温度下降到-8.56 ℃；冻结30～55 d时，平均降温速率为0.068 ℃/d。

从图2和图3可以看出，斜井冻结壁的厚度已满足设计要求，但冻结壁平均温度偏高，因此在实际施工时，可以采取增加冻结段冻结管直径(由108 mm增加为127 mm)、降低盐水温度(由-27 ℃降低至不高于-28 ℃)和缩小冻结孔间距(外排孔孔间距1.4 m,中排孔孔间距2.0 m)的措施，以保证冻结壁满足施工要求。

3 斜井冻结情况

根据斜井冻结初步设计和数值计算进行优化，采取优化后的参数进行施工，以第2段为例，冻结盐水温度不高于-28 ℃，测温孔的变化曲线见图4(以外排孔外侧T11测温孔为例)。从图4可以看出，冻结壁纵深方向温度分布均匀，在55 d积极冻结期结束时，5个测点温度均不高于-8 ℃。冻结壁厚度计算结果见表5。

图4 斜井第2段T11测温孔温度变化曲线

表5 冻结壁厚度计算结果

根据现场实测，选择冻结壁厚度2.4 m、盐水温度-28.56 ℃、A/E排冻结孔最大孔间距1.95 m的参数，采用式(2)计算，得到侧帮冻结壁的平均温度为-11.6 ℃，满足设计要求；因顶、底板冻结壁为群孔冻结，按照温度差值计算，冻结壁平均温度低于-12.6 ℃，亦满足冻结设计参数要求，证明设计合理，施工的精度和控制满足设计要求。

4 结 论

根据瑞海金矿内的3条冻结井筒情况，结合斜井冻结设计参数校核，可得出以下几点结论：

1)高渗流砂层条件下冻结设计应充分研究地质报告及水文报告，设计中可考虑增大安全系数。

2)斜井外排冻结孔与开挖荒径距离要满足侧帮冻结壁厚度要求，土层结冰温度低时，冻结壁平均温度应相应降低；斜井设计参数总体合理，保证了斜井的冻结和掘砌安全。

3)本文未涉及地下水流速影响，实际在高渗流砂层条件下的冻结施工，在钻孔初期、中期、尾期3个阶段均可考虑进行冲积层段地层带压灌浆措施，尽量降低地下水流速，提高冻结施工的可靠性。