凍結(jié)法施工對(duì)副井井架沉降影響的實(shí)測(cè)研究

宋 杰

(淮滬煤電有限公司丁集煤礦企管科，安徽 淮南 232001)

在井筒施工方法中，凍結(jié)法施工速度快，且能較強(qiáng)的適應(yīng)各種環(huán)境[1-3]。我國煤礦開采深度逐年增加，深井開采成為常態(tài)，凍結(jié)法井筒施工日趨重要。但不可避免的是在施工過程中會(huì)對(duì)周邊建筑造成沉降影響。凍結(jié)會(huì)對(duì)井筒周邊地下水產(chǎn)生直接固液轉(zhuǎn)變的物理變化，在工程施工過程中會(huì)宏觀表現(xiàn)為土體的凍脹和融沉作用。這些變化會(huì)對(duì)周邊井架等建筑產(chǎn)生不利影響[4-6]。

1 工程概況

丁集煤礦副井井架整體重量為706.6 t，單罐最大提升荷載為2.5 t，雙罐最大提升荷載為10.8 t。單罐罐籠提升時(shí)重量為88.3 t，雙罐罐籠提升時(shí)重量為102.2 t，井架基礎(chǔ)承受最大靜止壓力為966.8 t。丁集煤礦副井井架的基礎(chǔ)為四個(gè)獨(dú)立基礎(chǔ)，副井井架的四個(gè)基礎(chǔ)編號(hào)如圖1所示。一號(hào)基礎(chǔ)JC1和四號(hào)基礎(chǔ)JC4埋深為6 m，基底面積為8.5×9.5 m2。2號(hào)基礎(chǔ)JC2和三號(hào)基礎(chǔ)JC3埋深為4 m，基底面積為5×6 m2，正常運(yùn)行時(shí)井架基礎(chǔ)承受將近1000 t的重量[2]。

圖1 副井井架基礎(chǔ)編號(hào)及位置圖

2 凍脹監(jiān)測(cè)

本次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的副井利用永久井架進(jìn)行鑿井，于2004年2月19日開機(jī)送冷開始凍結(jié)，2004年6月28日井筒正式施工開挖，2005年1月24日凍結(jié)段外壁施工完成，2005年3月27日內(nèi)層井壁套壁施工完成，停止供冷。井筒凍結(jié)造成土層凍脹，致使井筒周邊的井架4個(gè)基礎(chǔ)發(fā)生不均勻的凍脹抬升。在2004年9月22日中午，一號(hào)基礎(chǔ)JC1井架基座發(fā)生了瞬間位移，位移量達(dá)142 mm，2號(hào)基礎(chǔ)JC2與四號(hào)基礎(chǔ)JC4相對(duì)位移量達(dá)175 mm。從2004年8月至2005年3月副井井架的四個(gè)基礎(chǔ)均勻上升60 mm，東西方向井架偏南60 mm、南北方向井架偏東63 mm。抬升變形量監(jiān)測(cè)分析示意圖如圖2所示。

圖2 副井井架基礎(chǔ)抬升分析圖

從圖2中可以看出，丁集煤礦副井的四個(gè)井架基礎(chǔ)凍脹抬升可以分為三個(gè)階段：第一階段為前120 d，這個(gè)階段內(nèi)井架基礎(chǔ)的抬升速度較快，具體體現(xiàn)為圖中的曲線相對(duì)較陡，總的抬升量在40 mm至50 mm；第二階段為120～390 d之間，井架基礎(chǔ)呈現(xiàn)先緩慢抬升，之后又緩慢下沉的波動(dòng)變形趨勢(shì)；第三階段為390天至480天之間，井架基礎(chǔ)呈現(xiàn)明顯的下沉趨勢(shì)，尤其是四號(hào)基礎(chǔ)JC4，下沉量最高達(dá)40 mm。

3 融沉監(jiān)測(cè)

井筒凍結(jié)施工結(jié)束并停止供冷以后，凍結(jié)壁處于解凍狀態(tài)，隨著溫度漸漸回升產(chǎn)生融沉現(xiàn)象,井架基礎(chǔ)開始由上升轉(zhuǎn)化為下沉[7],由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，累計(jì)下沉達(dá)110 mm，下沉速度每月為1～2 mm。副井井架的四個(gè)基礎(chǔ)的累計(jì)沉降量如表1所示，其下沉曲線見圖3。

表1 井架四個(gè)基礎(chǔ)累計(jì)沉降量

圖3 副井井架基礎(chǔ)下沉曲線

4 影響范圍

后續(xù)對(duì)丁集煤礦副井井架進(jìn)行了偏移測(cè)量，結(jié)果表明副井井架東西方向偏南60 mm，南北方向井架偏東63 mm。提升方向四層天輪都偏東，由上層到下層偏移量分別為100 mm、68 mm、35 mm和35 mm。在2011年10月，對(duì)副井井口沉降范圍進(jìn)行了觀測(cè)，沿副井井口向南160°方位實(shí)測(cè)下沉斷面如圖4所示，最大下沉值為400 mm，下沉范圍為井壁向外20 m，最大下沉300～400 mm區(qū)間為井壁向外2 m至8 m段。同時(shí)，副井井口房基礎(chǔ)因位于凍結(jié)壁范圍，受凍土融沉影響，導(dǎo)致井口房出入井口處沉降，井口房的測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示，實(shí)測(cè)井口房的最大下沉值為400 mm，平均下沉速度為每月3 mm。

5 結(jié)論

利用凍結(jié)法進(jìn)行井壁施工時(shí)，將會(huì)對(duì)井筒周邊的建筑物產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響，這種影響主要表現(xiàn)為凍脹抬升和融沉下降兩個(gè)過程;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)副井井架基礎(chǔ)凍脹變形可達(dá)到60 mm，融沉變形可達(dá)120 mm，同時(shí)四個(gè)井架基礎(chǔ)變形不均勻，造成井架容易產(chǎn)生傾斜;井筒凍結(jié)施工凍脹和融沉影響的最大范圍在井口外向20 m處，最大下沉區(qū)間為距離井口處2～8 m,最大下沉值400 mm。

圖4 副井井口下沉范圍示意圖

圖5 井口房測(cè)點(diǎn)位置