近海豎井凍結(jié)天窗成因與治理措施

張成濤 徐興保

摘要：瑞海礦業(yè)公司主豎井距海邊僅35 m，屬于富水軟弱地層，表土段采用凍結(jié)法施工。受潮汐及周邊海水養(yǎng)殖場(chǎng)抽取地下水影響，導(dǎo)致凍結(jié)壁容易形成“天窗”。采用凍結(jié)器縱向測(cè)溫技術(shù)預(yù)測(cè)凍結(jié)壁開(kāi)窗部位，采取補(bǔ)打加強(qiáng)凍結(jié)孔的措施，加快了凍結(jié)壁交圈，效果較好，值得推廣。

關(guān)鍵詞：近海豎井;凍結(jié)法;凍結(jié)壁;天窗;縱向測(cè)溫技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD265.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

文章編號(hào)：1001-1277（2021）07-0037-04doi：10.11792/hj20210707

凍結(jié)法作為一種井筒特殊施工方法，在中國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，凍結(jié)法施工技術(shù)至今已有60多年的歷史。凍結(jié)法施工的關(guān)鍵是在井筒周圍形成一定強(qiáng)度和厚度的凍結(jié)壁，而地下水活動(dòng)對(duì)凍結(jié)壁形成和發(fā)展的影響非常顯著，過(guò)大的地下水流速有時(shí)會(huì)影響凍結(jié)壁的正常交圈，造成井筒掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)凍結(jié)壁出水，進(jìn)而影響井筒施工工期及投資，甚至可能發(fā)生淹井事故。本文對(duì)萊州市瑞海礦業(yè)有限公司（下稱“瑞海礦業(yè)公司”）主井第四系地層凍結(jié)法施工中，井筒開(kāi)挖過(guò)程中的出水情況進(jìn)行介紹，對(duì)出水原因進(jìn)行了分析研究，提出了相應(yīng)的處理措施，保證了井筒的施工安全，對(duì)相鄰地區(qū)及相似地層新井建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1 工程背景

瑞海礦業(yè)公司地處渤海海灣，位于三山島北部海域，西南部毗鄰三山島金礦，與新建的萊州港為鄰，主井位于礦區(qū)東側(cè)海岸邊上，距海邊僅35 m，屬于富水軟弱地層。主井凈直徑6.3 m，井深1 417 m，井頸段85 m，雙層鋼筋混凝土井壁，壁厚1.05 m。

根據(jù)主井工程勘查鉆孔，將巖性自上而下分為松散堆積物0～58.1 m、基巖風(fēng)化帶58.1～65.6 m、變輝長(zhǎng)巖 65.6～722.5 m、二長(zhǎng)花崗巖 722.5～1 070.3 m、構(gòu)造蝕變巖1 070.3～1 185.6 m等。第四系松散巖類孔隙含水層與海水廣泛接觸，含水層均位于海水之下，二者直接接觸，含水層透水性極強(qiáng)，因此，二者發(fā)生密切的水力聯(lián)系?；鶐r風(fēng)化裂隙含水層位于第四系之下，由于上部直接與粉質(zhì)黏土接觸，粉質(zhì)黏土起了很好的隔水作用，在自然狀態(tài)下，二者之間的水力聯(lián)系不密切。根據(jù)地質(zhì)情況，表土段地下水流速大、含鹽量高、結(jié)冰點(diǎn)低，采用凍結(jié)法施工。

2 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

2.1 凍結(jié)孔布置

因該地層地下水流速大、含鹽量高、結(jié)冰點(diǎn)低，采用雙圈孔凍結(jié)方案，凍結(jié)參數(shù)確定如下：

1）凍結(jié)壁厚度的確定[1]。該井沖積層厚度小于120 m，將含水砂層的凍結(jié)壁作為彈性體，按凍土強(qiáng)度條件，采用無(wú)限長(zhǎng)厚壁圓筒拉麥（由法國(guó)工程師G.Lame于1852年提出）計(jì)算公式確定。

δ=r wσ t′σ t′-ψp-1（1）

式中：δ為設(shè)計(jì)凍結(jié)壁有效厚度（m）;r w為凍結(jié)壁設(shè)計(jì)控制層處的井筒掘進(jìn)半徑（m）;σ t′為凍土單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）;ψ為系數(shù)，按第三強(qiáng)度理論，ψ為2時(shí)，適用于粉砂、細(xì)砂和砂性土;按第四強(qiáng)度理論，ψ為1.732時(shí)，適用于中砂、粗砂和砂礫層;p為凍結(jié)壁徑向外荷載（MPa），p=0.013h，h為控制層地板埋深（m）。

經(jīng)計(jì)算：δ=1.95 m，參考臨近豎井施工經(jīng)驗(yàn)，井筒凍結(jié)壁厚度取2.3 m，凍結(jié)壁平均溫度取-8 ℃，積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28 ℃～-26 ℃，維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為-22 ℃～-20 ℃。

2）凍結(jié)深度的確定。凍結(jié)深度應(yīng)穿過(guò)沖積層、風(fēng)化帶深至穩(wěn)定基巖10 m以上[1]，長(zhǎng)孔深度選取93 m。短孔按穿過(guò)沖積層進(jìn)入基巖考慮，選取短孔深度60 m。

3）凍結(jié)孔布孔圈直徑的確定。①主凍結(jié)孔布孔圈直徑計(jì)算，按基巖段中采用鉆爆法施工：

D 0=D l′+2（1.2+Q f′h 0）（2）

式中：D 0為主凍結(jié)孔布孔圈直徑（m）;D l′為基巖段中井筒最大掘進(jìn)直徑（m）;Q f′為基巖段凍結(jié)孔允許偏斜率，取3 ‰;h 0為井筒凍結(jié)深度（m）。

經(jīng)計(jì)算：D 0=11.36 m，為了縮小主凍結(jié)孔布孔圈直徑，取值為11.00 m。

2021年第7期/第42卷? 采礦工程采礦工程? 黃 金

②輔助凍結(jié)孔布孔圈直徑計(jì)算，計(jì)算公式如下：

D f=D l+2（0.3E n+Q fh f）（3）

式中：D f為輔助凍結(jié)孔布孔圈直徑（m）;D l為沖積層中井筒最大掘進(jìn)直徑（m）;E n為主凍結(jié)孔至井幫距離（m）;Q f為沖積層凍結(jié)孔允許偏斜率，取3 ‰;h f為輔助凍結(jié)孔深度（m）。

經(jīng)計(jì)算：D f=9.54 m，防止凍結(jié)壁進(jìn)入荒徑過(guò)大，擴(kuò)大輔助孔布孔圈直徑，取值為10.20 m。

4）凍結(jié)孔孔數(shù)的確定。凍結(jié)孔孔數(shù)按照如下公式確定：

N=πD 0l s（4）

式中：N為凍結(jié)孔孔數(shù);l s為凍結(jié)孔開(kāi)孔間距，當(dāng)凍結(jié)深度小于300 m時(shí)，采用1.00～1.30 m（依據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，采用1.10～1.20 m）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主凍結(jié)孔孔數(shù)取29個(gè)，凍結(jié)孔開(kāi)孔間距為1.19 m;輔助凍結(jié)孔孔數(shù)取29個(gè)，凍結(jié)孔開(kāi)孔間距為1.10 m。主凍結(jié)孔偏斜率控制不大于3 ‰，向內(nèi)偏斜不大于200 mm。

5）觀測(cè)孔的確定。①水文孔設(shè)置在井筒內(nèi)，深入沖積層最下部的主要含水層，孔深60 m。②測(cè)溫孔的設(shè)計(jì)：沖積層厚度小于300 m時(shí)，不應(yīng)少于2個(gè)測(cè)溫孔，一般布置在地下水流上方凍結(jié)孔主面外側(cè)和2個(gè)凍結(jié)孔孔間距最大位置外側(cè)凍結(jié)壁界面處。根據(jù)進(jìn)風(fēng)井施工經(jīng)驗(yàn)，近海地區(qū)地下水流速對(duì)凍結(jié)影響較為嚴(yán)重，故在地下水流上方、下方凍結(jié)孔主孔外側(cè)各布置1個(gè)測(cè)溫孔，孔深均為85 m。

主井凍結(jié)孔布置見(jiàn)圖1，測(cè)溫孔、水文孔布置見(jiàn)圖2。

2.2 凍結(jié)孔參數(shù)

根據(jù)計(jì)算，凍結(jié)孔參數(shù)見(jiàn)表1。

3 凍結(jié)壁“天窗”原因分析及治理措施

3.1 溫度檢測(cè)

為了掌握凍結(jié)效果，在每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)沿縱向10 m左右及土層交界處布置測(cè)點(diǎn)（測(cè)溫孔1布置11個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)溫孔2布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)），具體布置見(jiàn)圖2。

主井凍結(jié)站于2019年8月5日正式開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，測(cè)溫孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)（部分）見(jiàn)圖3。在開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)第53 d（9月26日）后，測(cè)溫孔1和測(cè)溫孔2 10 m處土體溫度在-10 ℃以下;第68 d，測(cè)溫孔2 20 m處土體溫度降至-5 ℃左右時(shí)，由于土體中的水結(jié)冰發(fā)生相變，釋放出大量的潛熱[2]，測(cè)溫孔溫度下降變緩，說(shuō)明地層結(jié)冰溫度在-5 ℃左右;第73 d，測(cè)溫孔1 20 m處溫度出現(xiàn)異常，一直在10 ℃左右。

3.2 縱向測(cè)溫

為了弄清楚測(cè)溫孔1 20 m處溫度異常情況，對(duì)凍結(jié)器進(jìn)行了第一次縱向測(cè)溫。凍結(jié)器縱向測(cè)溫技術(shù)依據(jù)傳統(tǒng)導(dǎo)熱學(xué)理論結(jié)合地層地質(zhì)條件對(duì)凍結(jié)壁的凍結(jié)狀態(tài)進(jìn)行判定，將凍結(jié)壁作為整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取代之前溫度觀測(cè)孔以點(diǎn)代面來(lái)判斷凍結(jié)壁是否交圈的結(jié)論[3-9]。深度為13～26 m時(shí)，每1 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)孔布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，完成了主孔奇數(shù)號(hào)孔共計(jì)15個(gè)孔的凍結(jié)器縱向測(cè)溫工作，部分凍結(jié)器測(cè)溫結(jié)果見(jiàn)圖4。

主孔凍結(jié)器縱向測(cè)溫結(jié)果顯示：凍結(jié)器停凍后部分孔位在垂深20 m層位的溫度均較上下層位高，主1孔和主29孔13 m層位與20 m層位溫差分別為3.5 ℃和4.6 ℃，高差僅7 m的相同地層凍結(jié)器停凍后溫差達(dá)到4.6 ℃。其他層位各凍結(jié)器縱向溫度沒(méi)有明顯異常跳躍。根據(jù)凍結(jié)器縱向測(cè)溫結(jié)果分析，主29孔～主1孔處的凍結(jié)壁在井筒垂深20 m層位處存在未閉合凍結(jié)壁，形成了“天窗”，井筒其他部位凍結(jié)壁沒(méi)有問(wèn)題。

3.3 原因分析

1）從地質(zhì)報(bào)告上看，垂深20 m層位為含水層，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)井筒南邊水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)采用該層位地下水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖，每晝夜抽取地下水約1萬(wàn)m3，達(dá)到417 m3/h，使近岸處地下水位均低于海平面。該層位地下水與海水有明顯的水力聯(lián)系，地下水主要接受海水補(bǔ)給，海水滲入加大了地下水流速，據(jù)測(cè)算，地下水流速達(dá)13.38 m/d。

2）水質(zhì)類似于海水，結(jié)冰溫度約為-5 ℃，加大了凍結(jié)難度。

3.4 治理措施

為了加快凍結(jié)壁交圈，2019年10月24日在井筒內(nèi)（當(dāng)時(shí)井筒已開(kāi)挖12.5 m）增補(bǔ)鉆孔7個(gè)。其中，6個(gè)凍結(jié)孔（孔間距2.77 m），1個(gè)測(cè)溫孔，孔深20 m，具體布置見(jiàn)圖5。10月30日開(kāi)始凍結(jié)，經(jīng)過(guò)11 d的強(qiáng)化凍結(jié)后，測(cè)溫孔垂深7.5 m（井筒垂深20 m）處溫度降至-4.5 ℃，再次對(duì)北側(cè)凍結(jié)器進(jìn)行縱向測(cè)溫，測(cè)溫結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，凍結(jié)壁未交圈處已全部交圈。11月11日增補(bǔ)的凍結(jié)器拆除，井筒繼續(xù)向下開(kāi)挖，11月18日順利通過(guò)該層位。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)瑞海礦業(yè)公司主井第四系地層凍結(jié)法施工過(guò)程中的凍結(jié)實(shí)例可以得出：近海鹽水結(jié)冰溫度在-5 ℃左右，地下水抽取引起水流速過(guò)大，導(dǎo)致凍結(jié)壁開(kāi)“天窗”。使用凍結(jié)器縱向測(cè)溫這一監(jiān)測(cè)手段，可及時(shí)準(zhǔn)確找出凍結(jié)壁開(kāi)窗位置。在地下水流速較大，凍結(jié)壁難以交圈時(shí)，采取補(bǔ)打凍結(jié)孔，加強(qiáng)凍結(jié)的方法是可行的。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.礦山立井凍結(jié)法施工及質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51277—2018[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

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Causes and management of frozen skylight in offshore shaft

Zhang Chengtao，Xu Xingbao

（Zhaojin Mining Industry Co.，Ltd.）

Abstract：The main shaft of Ruihai mining company is only 35 m offshore.The strata are water-rich and weak.The topsoil section is constructed by freezing method.Due to the influence of tide and groundwater extraction from the surrounding sea water farms，"skylight" is easily formed on the frozen wall.The window opening position of the frozen wall is predicted by adopting the longitudinal temperature measurement technology of the freezer，and the measures of supplementing strengthened freezing holes are adopted，speeding up the crossing circle of the frozen wall.The effect is good and the process is worth promotion.

Keywords：offshore shaft;freezing method;frozen wall;skylight;longitudinal temperature measurement technology