冻结法井壁修复施工过程对井塔结构的影响

蔡为益

（上海市市政公路工程检测有限公司，上海 201100）

冻结法是通过人工干预将天然岩土变为冻土来达到提高其强度及稳定性的一种特殊施工方法。自1862 年诞生至今，以其可靠、施工灵活、适应性强等特点广泛应用于地铁隧道、矿山井筒中。冻结法施工过程中，对井壁结构以及混凝土性能有一定影响，许多学者也对冻结施工中的井壁进行过相关研究，例如，李方政等通过实例研究了不同时间节点下深部冻结井壁早期温度应力变化规律；吴瑞东等通过实验模拟了冻结法施工环境对混凝土性能的影响。在冻结施工期间，由于井壁温差过高会产生温度裂缝，对混凝土内部造成不可逆的损伤，影响井壁承载力，必然会对井塔结构造成影响。为保证井塔的结构安全，施工前需对井塔结构进行必要的检测和监测。

1 工程概况

该煤矿井塔建成于1997 年，建筑面积约2310 ㎡，采用钢筋混凝土箱型基础，基底以下采用CFG 桩复合地基。井塔高71.000m，平面外缘尺寸16.5m×17.5m，塔身为钢筋混凝土箱型断面，标高19.0m 以下采用C30 混凝土，塔壁厚度为350mm；标高19.0m 以上采用C25 混凝土，塔壁厚度为250mm。井塔内设8 根600mm×1300mm 钢筋混凝土壁柱，平面布置图见图1。本井塔所有楼面及位于各主要楼层上的局部房屋楼面均为现浇钢筋混凝土梁板结构，屋面为现浇混凝土土井格梁板结构。

图1 井塔平面布置图

2 井塔现场外观检查

2.1 构件布置复核与尺寸检测

依据《建筑结构检测技术标准》对井塔内部钢筋混凝土构件的外观质量与尺寸等进行检查，发现建筑物结构构件总体质量良莠不齐。井塔的实际布局基本符合原设计图纸要求。井塔平面布置图如图1。

2.2 表观质量检查

井塔部分构件在裂缝显微镜下观测每层的表层存在明显开裂，大部分裂缝为表层混凝土开裂，部分裂缝沿钢筋分布方向。部分构件由于潮湿环境造成钢筋锈蚀严重，导致保护层混凝土破碎剥离。

3 混凝土强度检测

采用回弹法和超声—回弹综合法检测各类构件混凝土的抗压强度。

3.1 回弹法检测

根据相关规定，采用回弹法抽样检测。检测结果取其平均值结果见表1。

表1 钢筋混凝土构件混凝土抗压强度分析推定值

结果显示，一层到七层绝大多数墙、柱、梁的混凝土强度未达到原设计要求，墙、柱、梁的强度推定值相对原设计要求而言，降低一般在5MPa 左右。

3.2 超声-回弹综合法检测

依据《超声法检测混凝土缺陷技术规程》与《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》，采用超声仪和回弹仪对该工程混凝土进行抽样检测和校核，检测数据汇总见表2。

表2 超声-回弹综合法检测混凝土强度结果

由所得混凝土强度结果可知，绝大部分柱混凝土强度满足混凝土强度原设计值，小部分柱混凝土强度略低于原设计值。

4 混凝土碳化分析

采用浓度为1%的酚酞酒精溶液测试该建筑结构混凝土构件的碳化深度，检测结果见表3。检测结果表明，该井塔的混凝土的平均碳化深度均达到15mm 以上，基本接近混凝土的保护层厚度，混凝土保护层基本上失去了对钢筋的保护作用，增大了内部钢筋锈蚀的风险。

表3 构件混凝土平均碳化深度

5 钢筋复核检测

采用PS200 型系统钢筋探测仪，抽取部分框架梁和框架柱进行了钢筋分布情况的检测。根据检测结果可以得到，混凝土柱、梁及墙内的钢筋数量、直径基本上与原设计图纸一致。

6 井塔主体受力监测

应采用天宝S8 的免棱镜全站仪。在井塔底部四角布设建筑物沉降监测点，在建筑物外立面的顶、底布设与全站仪配套的反射片分别进行沉降观测与倾斜观测。井塔基础下沉情况如图2。

图2 井塔基础下沉情况（2020 年10 月26 日）

根据当时测量数据，经综合分析得出：

（1）整个在施工过程中及结束后，井塔存在整体下沉；结合井塔冻结施工时间情况，在冻结钻孔施工到冻结阶段、融冻开始阶段出现下沉转折情况，在冻结钻孔施工阶段、冻结阶段期间井塔基本处于稳定阶段，下沉变化不大，整体下沉基本稳定，融冻阶段井塔较前面两个阶段出现明显下沉。井塔在冻结融冻后，还将继续下沉，需长期进行观测。

（2）南北方向整体向北倾斜，基本上保持在0.2mm/m 以下；东西方向整体向东倾斜，即向东北方向倾斜，基本上保持在0.3mm/m 以下，东西方向倾斜略大于南北方向；其基础整体倾斜在冻结、融冻阶段，倾斜变化不大，基本保持稳定；在冻结施工阶段，随着施工进行，其基础整体倾斜波动较大；融冻后基础南北方向倾斜平均为0.1mm/m、东西方向倾斜平均为0.17mm/m。

7 井塔沉降监测

采用混凝土电阻应变片粘贴于监测部位，选用DH3816N 静态数据采集仪进行数据采集，24 小时全天候不间断监测，以确保数据监测的连续性，待施工结束完全稳定后进行最后的应变对比，看是否结构柱有较大变形。监测点位布置图如图3。

图3 监测点位布置图

从监测结果看：一层应变趋势大致分为3 种变化类型，施工初期应变随时间呈现明显锯齿形变化、应变逐渐递增而后趋于平缓；施工后期应变降低且逐渐趋于稳定、应变波动很小且趋于稳定。七层应变趋势大致分为2 种变化类型：在施工前期，应变随时间变化呈小幅波浪状在不断递增，与一层数据应变变化趋势基本一致，均受冻结施工区域性影响，施工完毕后，应变均趋于稳定。

对主体结构应力变化结果看：一层监测结果与七层监测结果大体变化趋势一致。对于一层监测结果来说，施工初期应力在不断增大，柱子受压，随着时间推移应力变化逐渐趋于稳定，而后续应力变化幅度较小，基本处于一个静力平衡的状态。而对于七层结果来说，其应力也经历过上升到稳定再到下降这样交替变化最后处于一个静力平衡的状态，期间也有受施工影响出现转折性波动以及锯齿形变化，不过，变化幅度较小，总体还是处于一个稳定的变化趋势。各监测位置应力变化峰值见表4。

表4 各检测位置应力变化峰值

8 结语

（1）该煤矿主井塔结构构件总体质量良莠不齐，井塔部分构件表层存在较为明显的开裂现象。混凝土密实度较差。一层到七层部分构件的混凝土强度未达到原设计要求，构件的强度推定值相对原设计要求而言，降低一般在5MPa 左右。（2）井塔的混凝土保护层基本上失去了对钢筋的保护作用；混凝土柱、梁及墙内的钢筋数量、直径基本上与原设计图纸一致，但存在一定程度锈蚀问题，应及时处理，避免进一步发展。（3）根据当时观测情况，井塔在冻结融冻后，还将继续下沉，需长期进行观测。（4）在整个施工过程中及施工结束后，壁柱受力变化较小，应力增加最大值为3.35MPa，增加值在构件安全受力范围内；同时整个施工期间结构总体受力保持均衡，井壁冻结施工造成的主体结构应力变化较小，对结构安全影响较小。