深厚鈣質(zhì)黏土層凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

張愛(ài)勇

（煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230041）

深厚沖積層礦井建設(shè)是近年來(lái)呈現(xiàn)在礦山建設(shè)工作者面前的新課題?？v觀當(dāng)前凍結(jié)鑿井的歷程和工程技術(shù)發(fā)展，其設(shè)計(jì)理論與現(xiàn)場(chǎng)施工不相協(xié)調(diào)，且較難跟上工程建設(shè)需求[1-4]。特別對(duì)于兩淮礦區(qū)所穿過(guò)的表土越來(lái)越深，深部黏土層或鈣質(zhì)黏土層又特別厚的大直徑井筒[5-11]，目前國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及成果總結(jié)相對(duì)偏少[12-15]。國(guó)外雖然有一些工程實(shí)踐成果，但地質(zhì)條件的差異，不能照搬硬套。所以，相關(guān)的設(shè)計(jì)研究急需深入開(kāi)展，從而推進(jìn)鑿井設(shè)計(jì)的進(jìn)步，減少乃至杜絕深厚鈣質(zhì)黏土層凍結(jié)法鑿井施工及運(yùn)營(yíng)中的安全事故。

1 工程概況及凍土試驗(yàn)分析

安徽淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦地處潘謝礦區(qū)，東距鳳臺(tái)縣城約20 km。本區(qū)地勢(shì)平整，自然地坪通常在+21.00～+24.00 m左右，井田新生界松散層厚224.10～573.03 m。礦井目前實(shí)施的安全改建及二水平延深工程，其維持核定生產(chǎn)能力9.0 Mt/a。該礦井安全改建深部區(qū)延深工程，將增設(shè)東進(jìn)風(fēng)井與東回風(fēng)井，2個(gè)井筒井位處表土層厚度在405.0 m左右，基巖風(fēng)化帶厚度在40.8.0~47.2 m左右，其設(shè)計(jì)深度均超過(guò)1 000 m。本礦東進(jìn)風(fēng)井井筒凈直徑7.5 m，表土及基巖風(fēng)化帶均擬采用凍結(jié)法施工。

1.1 工程水文地質(zhì)分析

通過(guò)地質(zhì)資料可知，其地層由老至新依次為：太原組石炭系地層、二疊系地層和新生界地層。顧橋東進(jìn)風(fēng)井井位處新生界松散層厚404.4 m，基巖風(fēng)化帶起止深度為404.40～451.60 m，總厚47.20 m。其表土松散層主要為：鈣質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土、含鈣砂質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉砂、中砂及礫石。東進(jìn)風(fēng)井井筒在中部隔水層垂深284.0~390.0 m存在厚度達(dá)106.0 m左右的深厚含鈣砂質(zhì)黏土和黏土互層。另外其在上含中隔、上含下段、中含也均出現(xiàn)含鈣土層，含鈣地層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。含鈣黏土多集中在中部隔水層的下段及下含的固結(jié)黏土中，鈣質(zhì)含量較大的黏性凍土具有變形大，強(qiáng)度偏低的特點(diǎn)，其彈性模量相對(duì)較小。下含與中隔黏土中鈣質(zhì)分布極其不均，且以多種形式存在，對(duì)施工凍結(jié)極其不利。

表1 含鈣地層結(jié)構(gòu)表

該井位處自上而下共涵蓋上、中、下3個(gè)隔水層組和3個(gè)含水層組。在二疊系地層之上直接覆蓋下部含水層，其為礦頂板充水層組，且以儲(chǔ)存量為主，水平緩慢運(yùn)動(dòng)，與水源基本無(wú)溝通，接近封閉態(tài)?；鶐r段有6個(gè)含水層組，其風(fēng)化帶底部含水層涌水量為Q1d=6.791 m3/h（1 d時(shí)涌水量）；Q5d=5.074 3 m3/h（5 d時(shí)涌水量），下部各含水層最大涌水量為49.34 m3/h。

1.2 凍土試驗(yàn)分析

根據(jù)要求取凍土土樣若干組（部分圖示實(shí)驗(yàn)以垂深351.21～391.07 m的深部鈣質(zhì)黏土層為例），試驗(yàn)凍土為原狀負(fù)溫土層。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知顧橋深部整體的砂巖與土層凍脹力在0.15~0.51 MPa范圍，凍脹率測(cè)試在1.5%~4.5%左右，整體顧橋深部屬于中等凍脹土，但底部厚鈣質(zhì)黏土層段凍脹較大，其時(shí)間凍脹力關(guān)系和時(shí)間凍脹率關(guān)系曲線如圖1和圖2。

圖1 凍脹力與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 凍脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖可知凍脹率、凍脹力都在最初的2 h內(nèi)變化最快，隨后變化緩慢，逐漸趨于1個(gè)常量。試驗(yàn)表明凍土彈性模量，基本上由溫度的降低而變大；凍土單軸抗壓強(qiáng)度整體根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度的降低而增大，其與凍土試件的含水率成正比關(guān)系。砂層的單軸抗壓強(qiáng)度比較高，而黏土層特別是鈣質(zhì)黏土層則相對(duì)偏低，對(duì)井筒掘砌支護(hù)不利。土、砂巖層破壞變形較大，一般在20%~30%左右，在凍結(jié)壁設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，應(yīng)注意應(yīng)變破壞。凍土的單軸應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系主要表現(xiàn)為硬化至軟化狀態(tài)。凍土泊松比，總體為隨溫度上升而減小。

試驗(yàn)在3個(gè)應(yīng)力水平分別為0.3、0.5、0.7倍的凍土單軸抗壓強(qiáng)度蠕變曲線（-10℃和-15℃）如圖3和圖4。由圖可知，凍土蠕變?cè)趹?yīng)力水平較低條件下，屬于穩(wěn)定性蠕變。對(duì)于凍結(jié)巖層，其比熱變化很大，且其受含水率影響較大，測(cè)試值在1.24~1.85 J/（g·K）范圍，導(dǎo)熱性能較弱。凍土的三軸抗剪強(qiáng)度主要受黏聚力與內(nèi)摩擦角影響，凍結(jié)土層內(nèi)摩擦角和黏聚力，當(dāng)溫度降低時(shí)，其前者降低，后者變大。凍土在-10℃和-15℃的包絡(luò)線如圖5和圖6。相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，凍結(jié)土層的三軸剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，總體上受溫度影響較大，當(dāng)溫度降低時(shí)，前者明顯增大，后者隨圍壓變大而增大迅速。本試驗(yàn)凍土結(jié)冰溫度較低，其土層凍結(jié)溫度一般在-1.9~-5.0℃左右，各土層間凍結(jié)溫度變化極大，特別是底部106 m厚的鈣質(zhì)黏土層，該段黏土中鈣質(zhì)含量極不均一，在短距離內(nèi)可能有較大變化且其凍結(jié)溫度僅為-5℃，凍結(jié)時(shí)可能出現(xiàn)大量強(qiáng)結(jié)合水在低溫下很難凍結(jié)，力學(xué)強(qiáng)度較低，凍土發(fā)生蠕變，向井筒臨空面緩慢變形情況，因此，對(duì)于中隔和下含中的含鈣黏土應(yīng)注意盡量縮短凍結(jié)壁的暴露時(shí)間，控制凍結(jié)壁的變形量，防止凍結(jié)管斷裂和凍結(jié)壓力對(duì)井壁的破壞，且設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意研究取用何種溫度作為計(jì)算凍結(jié)壁有效厚度的起始邊界線。

圖3 -10℃時(shí)蠕變曲線

圖4 -15℃時(shí)蠕變曲線

圖5 凍土的包絡(luò)線（T=-10℃）

圖6 凍土的包絡(luò)線（T=-15℃）

2 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 井筒基本情況及主要技術(shù)參數(shù)

東進(jìn)風(fēng)井井筒表土層和基巖風(fēng)化帶（總厚度451.6 m）均采用凍結(jié)法施工，擬采用雙層井壁內(nèi)夾塑料板結(jié)構(gòu)形式，且在凍結(jié)壁與外壁間，根據(jù)凍脹力情況鋪設(shè)25 mm或50 mm泡沫塑料層。該井筒壁座底放在風(fēng)化帶以下穩(wěn)定的石英砂巖中。東進(jìn)風(fēng)井井筒相關(guān)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 東進(jìn)風(fēng)井井筒凍結(jié)法井壁設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)

2.2 深厚鈣質(zhì)黏土層凍結(jié)壓力取值

國(guó)內(nèi)深井表土在400 m以內(nèi)時(shí)凍結(jié)壓力取值，部分已建井筒深度較實(shí)際值相對(duì)偏大一點(diǎn)。而表土層厚度在400 m以上時(shí)，特別是深厚鈣質(zhì)黏土凍結(jié)壓力國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較少，規(guī)范也僅給出1個(gè)參考范圍，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)各井位地層的實(shí)際水文條件、實(shí)施工藝、凍結(jié)情況和相應(yīng)地區(qū)實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合凍土試驗(yàn)結(jié)論來(lái)參考取值，兩淮地區(qū)部分礦井凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)值見(jiàn)表3。表中各凍結(jié)壓力最大值主要是由于巖土體自身各向異性，同時(shí)受凍結(jié)管偏斜，造成凍結(jié)壁沿環(huán)向強(qiáng)度不均勻等引起，設(shè)計(jì)中應(yīng)參考選取，避免取值過(guò)大。

表3 兩淮地區(qū)凍結(jié)壓力實(shí)測(cè)值

根據(jù)GB 50384—2016《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》及兩淮地區(qū)相鄰礦井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合凍土物理力學(xué)性能相關(guān)參數(shù)，確定該井筒外壁表土層控制土層底部最大凍結(jié)壓力pd按pd=1.05ps~1.1ps（MPa）計(jì)算，ps為靜水壓力，井筒上段凍結(jié)壓力按分層分段計(jì)算的方法，其凍結(jié)壓力取值見(jiàn)表4。

2.3 井壁結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)本著安全、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便且易于施工的原則，利用高強(qiáng)砌筑材料作為提升結(jié)構(gòu)水平承載的主要技術(shù)手段，結(jié)合顧橋煤礦東進(jìn)風(fēng)井筒凍結(jié)段水文地質(zhì)條件與井筒力學(xué)特點(diǎn)，提出在凍結(jié)段中、下部控制層位內(nèi)、外壁結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表5。

表4 顧橋東進(jìn)風(fēng)井筒凍結(jié)壓力取值表

根據(jù)對(duì)比情況，設(shè)計(jì)確定顧橋煤礦東進(jìn)風(fēng)井凍結(jié)段井壁深部采用高強(qiáng)高性能雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)形式（方案A），且內(nèi)、外壁之間設(shè)雙層1.5 mm塑料板，外壁與凍結(jié)壁之間設(shè)置25 mm或50 mm厚泡沫板。

表5 表土層下部控制層位井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

采用《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》（2003年出版）和GB 50384—2007《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，其最深處內(nèi)外層混凝土強(qiáng)度等級(jí)均按C65時(shí)，凍結(jié)壓力按pd=390×0.11=4.29 MPa（厚鈣質(zhì)黏土層底）和 pd=405×0.105=4.25 MPa（表土層底）中較大值選取，取pd=4.29 MPa時(shí)，計(jì)算得顧橋東進(jìn)風(fēng)井凍結(jié)段深部井筒控制總厚度（內(nèi)、外壁）為：1 300+1 150=2 450 mm。

2.4 混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)的應(yīng)用

根據(jù)安徽理工大學(xué)地下結(jié)構(gòu)研究所姚直書教授等相關(guān)研究理論，井壁結(jié)構(gòu)混凝土的抗壓強(qiáng)度在多軸條件下能提升至1.7~2.68倍左右，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范沒(méi)有綜合這方面的研究成果，因此，井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)壁設(shè)計(jì)有提升優(yōu)化的條件。結(jié)合相關(guān)規(guī)范及井筒內(nèi)壁的承壓現(xiàn)狀，采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中附錄C說(shuō)明，能夠知道井筒中混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)應(yīng)該在1.2～3.0范圍之間，另結(jié)合井下實(shí)際應(yīng)用的條件限制，考慮到安全度的需要，其井壁結(jié)構(gòu)內(nèi)層井壁混凝土抗壓強(qiáng)度提高系數(shù)取較小值，可按1.2計(jì)算。而對(duì)于外層井壁，因考慮其短段掘砌吊掛受力機(jī)理及施工環(huán)境的影響，暫不考慮相關(guān)應(yīng)用。

2.5 井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土多軸受力本構(gòu)關(guān)系的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)優(yōu)化認(rèn)為：井壁結(jié)構(gòu)中的混凝土，通常相應(yīng)的受力情況相對(duì)多元，其混凝土強(qiáng)度特性在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該適當(dāng)考慮多軸應(yīng)力狀態(tài)的混凝土強(qiáng)度特征，可將混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)按1.2代入優(yōu)化計(jì)算。對(duì)于鋼筋混凝土井壁，提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)是減薄井壁厚度的最有效的途徑，但針對(duì)本礦井，考慮到現(xiàn)場(chǎng)混凝土配比及選材的要求，另采用強(qiáng)度等級(jí)C70以上的混凝土后，相關(guān)硅粉等配比材料的增加，相應(yīng)的對(duì)施工條件及速度都帶來(lái)了一定影響（如黏膜問(wèn)題等）。另外，針對(duì)本礦井，在表土段垂深280 m以下至基巖面，存在著厚度達(dá)到106 m左右厚度的鈣質(zhì)黏土和含鈣砂質(zhì)黏土互層，且結(jié)合凍土物理力學(xué)性能分析結(jié)果，擬采取在280 m以下，外層井壁段采用雙排高強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（配筋率6.4%）。該優(yōu)化措施，一方面能降低井壁厚度，另一方面在增加配筋率的條件下，可有效抵抗不均勻凍結(jié)壓力的承載力要求，以及降低外層井壁早期強(qiáng)度不高情況下的井壁破裂影響。井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，確定擬用結(jié)構(gòu)為雙層現(xiàn)澆鋼筋混凝土井壁，內(nèi)壁最大控制厚度1.05 m，雙層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外壁在內(nèi)壁減薄的優(yōu)化下最大控制厚度0.95 m，深部雙層配筋（上部單排配筋）。東進(jìn)風(fēng)井井壁結(jié)構(gòu)支護(hù)控制參數(shù)見(jiàn)表6。

2.6 相關(guān)混凝土技術(shù)要求

針對(duì)優(yōu)化方案，井筒施工對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土有著特殊的技術(shù)要求，特別在深立井凍結(jié)條件下混凝土的相關(guān)參數(shù)控制，如外壁混凝土應(yīng)具有早強(qiáng)、抗凍性、流動(dòng)和易性好、低水化熱等；內(nèi)壁抗?jié)B性能好、低水化熱、密實(shí)度高、流動(dòng)性和易性好等特點(diǎn)，均是技術(shù)把握的關(guān)鍵所在。因此，應(yīng)選擇合理的混凝土配合比與添加劑，保證相關(guān)井壁混凝土的早強(qiáng)防凍性，和易性，坍落度，水化熱，防裂、抗?jié)B、耐久性等參數(shù)要求。

表6 東進(jìn)風(fēng)井井筒支護(hù)控制參數(shù)

根據(jù)凍土試驗(yàn)凍脹率與時(shí)間曲線，可知，在8~10 d內(nèi)凍結(jié)變形就可達(dá)到最大值的80%~90%；另結(jié)合溫度場(chǎng)及相鄰礦井，井壁進(jìn)入負(fù)溫相對(duì)周邊礦井要長(zhǎng)，后期則明顯降低，這對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)不利。因此，可通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)中早期強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，或通過(guò)對(duì)施工后混凝土的早強(qiáng)增長(zhǎng)條件提出明確的要求，來(lái)確保筑壁材料盡早的滿足承載力設(shè)計(jì)。

為滿足承載力設(shè)計(jì)要求，對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土的性能要求如下：①混凝土坍落度不應(yīng)小于15~18 cm，且經(jīng)30 min坍落度不低于12~15 cm；②混凝土強(qiáng)度早期增長(zhǎng)條件：1、3、7 d的早強(qiáng)要求必須能夠達(dá)到設(shè)計(jì)支護(hù)要求的35%、75%、90%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中可以看出，當(dāng)采用規(guī)范計(jì)算，顧橋東進(jìn)風(fēng)井深部控制厚度（采用混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C65），計(jì)算內(nèi)壁厚度達(dá)到1 300 mm，該設(shè)計(jì)井筒內(nèi)壁較厚，施工難度大。當(dāng)設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮多軸受壓下混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)時(shí)，其計(jì)算出的內(nèi)壁厚度則為1 050 mm，其既能滿足深厚沖積層井壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還減薄內(nèi)壁厚達(dá)20%左右，另外在深部鈣質(zhì)黏土段外壁，通過(guò)提高配筋率及雙排配筋優(yōu)化措施，可在降低外壁厚度的同時(shí)，適當(dāng)提高外壁抵抗不均勻凍結(jié)壓力及降低外壁早強(qiáng)不高情況下的井壁破裂風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)計(jì)根據(jù)凍土實(shí)驗(yàn)的特殊要求，給出了分層分段凍結(jié)壓力取值，且還對(duì)該井筒的混凝土性能等技術(shù)參數(shù)提出了相應(yīng)要求。顧橋東進(jìn)風(fēng)井井筒現(xiàn)已順利施工完成，該井壁結(jié)構(gòu)施工完成至今，結(jié)構(gòu)整體完好，其設(shè)計(jì)支護(hù)效果顯著。