对深冻结井几个关键问题的探讨

(1)

式中　R、r——冻结壁的外、内半径，m；
　　　ξ——工作面约束参数，0～0.5；
　　　P——水平地压，P=0.013 H，MPa；
　　　H——设计深度，m；
　　　U_R——冻结壁内侧最大允许径向变形，m；
　　　h——空帮高度，m；
　　　t——掘砌时间。
(1)式中其余参数基于冻土蠕变数学模型：

(2)

式中　γ_c——冻土蠕变应变强度；
　　　T——冻结壁平均温度的绝对值，℃；
　　　τ_c——冻土蠕变剪切应力强度；
　　　A₀、K、B、C——试验参数。
　　由（1）式可见，要满足深冻结壁稳定性的要求，可通过降低段高h，缩短掘砌时间t，降低负温T或组合改变来实现。这里有一个优化问题，不能仅考虑冻实或强化冻结或要挖“糖心”，降低段高h往往比冻实或强化冻结要节省费用。
　　需要指出的是，虽然上述公式已在工程中应用成功，但（2）式的数学模型是在加载状态下获得的，而冻结井开挖过程是个卸载（应力重新分布）过程，因此，今后应开展适合于施工过程的冻土力学，或称冻土工程力学的研究，以便使（1）式更贴近冻结壁工况。
　　随着深表土厚度增加，有必要进行高围压下冻土力学特性的试验研究。为此，作者于1991年获煤炭基金资助（91建20117），分别从地质检查孔中取样和在冻结壁上取样（同一层位含水量和容重多数误差在2%以内），进行了试验。结果表明，对于无构造面的膨胀性粘土，二者主要指标相近（先固结后冻结）^〔4〕，但在高围压下模拟井筒开挖卸载过程中冻土力学性质的试验研究急需开展。
　　另外，冻结壁在工作面以下的超前变形，即对冻结壁约束程度、冻结管在冻结壁未支护段高内的变形等需要进一步探讨。
2.2　井　壁
　　冻结井井壁结构经历了由单层到双层，由简单到复杂（夹塑料层、钢板沥青和泡沫等）的过程。设计计算采取内外壁分算且不考虑冻结壁的作用。设计依据是外壁承受所谓“冻结压力”和土压，内壁分担水压。对第四纪地层中的井壁基本按一种形式和方法进行设计。
　　首先，冻结壁是一种临时承载结构，在设计永久井壁时不能将其承载能力考虑进去，但在设计外层井壁时，应该考虑其与外壁相互作用，共同承载。在这种设计中，除应考虑冻结壁与外壁位移协调条件，将冻结壁视为粘弹性体来考虑其位移变化外，还需考虑两壁相互作用时，冻结壁的变形导致的外壁变形量不能超过外壁现浇混凝土龄期强度所对应的允许变形，否则外壁就会产生裂隙或破坏。这里需要说明的是，在设计外壁时要考虑所谓“冻结压力”。在考虑两壁相互作用、位移协调时，首先应正确认识一个所谓“冻结压力”。“冻结压力”主要包括：①现浇混凝土时冻土融化再冻结产生的冻胀压力。因无外给水源，这种冻胀力只是由于冻土融化的水和现浇混凝土所产生的水分再冻结成冰而致。故这种冻胀力是有限的，且可以通过在现浇混凝土外壁与冻结壁之间适当加一层泡沫层就可消除。②冻结壁是一流变体，其变形随时间变化而变化。这种位移被现浇混凝土外壁所约束，故外壁对冻结壁产生反力。由于冻结壁随时间的变形可以计算，外壁龄期强度及对应的允许变形也可以计算，因而就可以根据变形协调条件来找到两壁最佳结合时间来充分利用冻结壁承载能力。在两壁之间加所需厚度的泡沫层就可以将2.1节所述必须考虑的冻结壁的变形限制在允许范围内。
　　过去对这种压力做了大量的测量，获得了大量数据。但应该指出的是，这种利用压力盒量测的上述压力，还有一些技术问题尚待商榷：①压力盒标定时的受载与埋设在外层井壁内受力条件不一致，后者侧面与反面均置于井壁混凝土内，在外载作用下变形条件也与标定不一致。外载越大，这种误差越大；②表面抛光的压力盒承载面与冻结壁（无论冻或融）相接触，由于在接触面上水分迁移，积聚了大量的水，从而形成比其他地方要大的压力；③这种压力还与外壁现浇混凝土龄期强度、外壁变形有关。基于上述理由可以认为，过去所测“冻结压力”没能完全反映出真实的压力，只能作为设计的定性参考，而不能作为定量参考。这是应该高度重视并予以再认识的。
　　其次，由于第四纪地层，尤其是深的第四纪地层，各层位工程地质、水文地质条件不一，永久井壁的作用不外乎承担地压和封水。不同的地层若按一种结构形式设计，势必造成浪费。因而应对井筒周围地层的工程及水文地质情况有详细了解，按照不同厚度地层设计不同的井壁结构。如果可能，可考虑采用内外壁共同承载的原理进行设计。不同地层采用不同井壁形式也是国际上深冻结井永久井壁设计的基本原理。
　　另外，深冻结井井壁材料是非常关键的问题，在大深度的第四纪地层和不稳定的第三纪地层更为突出。若采用目前的井壁材料，像巨野矿区的主井井壁厚度在深部将会超过3 m。若井筒净径7 m，则掘进荒径达13 m。不但掘进量大，而且井壁材料用量也大，这是非常不经济、不合理、且难以承受的。根据国内外井壁结构及材料的现状，可采用的有铸铁（钢）丘宾块、高强度钢筋混凝土预制块（大弧板）、钢板复合井壁等。这些结构与材料各有优缺点，这里不作详细论述。作者认为，深冻结井井壁还需以现浇混凝土为主，但其材料强度及结构强度必须在现有基础上提高。其途径有水泥等胶结材料改性，如超细水泥、高性能水泥、聚合物与水泥复合胶结材料等；另一途径是增加混凝土钢筋量或改成型钢，从而使井壁结构强度有较大提高。在提高材料及结构强度、减薄井壁厚度同减少掘进量之间有一优化组合问题，也即有最佳经济效益问题。另外混凝土的外加剂、抗渗混凝土等也需进行研究，以满足深冻结井井壁稳定性之需要。
2.3　冻结孔
　　深的第四纪地层冻结孔的高质量成孔是深冻结凿井成功的关键之一。目前冻结孔施工采用DJZ500～1000型钻机，配合JDT-5陀螺测斜仪及地下动力钻具，平均台月效率在1 200 m/月左右，可满足450 m以浅冻结孔施工的需要。但对深表土，冻深在500～700 m时，这些钻进设备很难满足工程的需要。而且这方面的装备及技术同国外相比有较大的差距。应该走引进关键技术与自主开发相结合的道路，如光纤陀螺测斜仪的开发、地下动力钻具及纠偏技术的引进等都应尽快开展，以期达到冻结孔深700 m时钻机成孔平均台月效率为2 000 m/月，平均偏斜率小于0.1%。
2.4　掘　进
　　深冻结井的掘进是影响施工进度的主要因素之一。目前主要是人工开挖方式较多，极少数也有采用爆破的。国外在深冻结井中掘进以爆破为主或机械挖掘。爆破施工中的难题包括：钻孔技术问题，即冻土钻机问题；防尘问题；爆破对冻结管的影响问题。前西德采用冻土带式切割锯，先在工作面沿冻结壁帮四周切割出一条环形槽，深度略大于一次起爆深度。这样可大大提高爆破效果而不至于震坏冻结管。这种冻土切割锯的齿可参照现有的割煤机刀头做。对于深冻结井来说，在深部以爆破为主的掘进技术将在提高掘砌速度方面起主要作用。
　　
3　结　　语
　　对于深表土中的深冻结井成井方面，应加强井壁材料、结构及理论（方法）、地下动力钻具及测斜纠偏技术、冻土爆破技术、高围压下冻土卸载力学性能（模拟开挖过程）及相应冻结壁、井壁结构模拟等方面的试验研究，以满足下世纪初深表土冻结凿井的需要。
　　

作者简介　陈湘生　1956年生，1982年毕业于淮南矿业学院。研究员，博士生导师，现任煤炭科学研究总院北京建井研究所所长兼北京中煤矿山工程公司总经理，中国煤炭学会理事、中国力学学会岩土力学专业委员会副主任、上海地铁技术委员会委员。发表论文50余篇。地址：北京市和平里，邮码：100013。
作者单位：煤炭科学研究总院北京建井研究所

参　考　文　献

1　 山东兖州矿务局.兖州矿区建设施工技术.北京：煤炭工业出版社，1992
2　陈湘生.圆形冻土墙动态设计方法.岩土力学，1997
3　 陈湘生.深冻结壁时空设计理论.岩土工程学报， 1998（5）
4　陈湘生，汪崇鲜，吴成义.典型冻结粘土三轴剪切强度准则的试验研究.建井技术，1998（4）