富水砂层斜井冻结壁变形特性分析

李晋华

(山西汾西正佳煤业责任有限公司，山西 临汾 041300)

在富水地层起临时支撑作用的冻结壁，对冻结凿井工程的经济效益和安全施工有着重要意义[1-2]。然而，采用理论进行其与井壁相互作用研究时，通常作一定的假设和简化，导致不能准确地进行相关力学特性分析，造成冻结壁及井壁设计的不确定性和盲目性[3]。通过FLAC 3D数值计算方法进行卸载状态下冻结壁变形特性研究，对研究富水砂层冻结斜井冻结壁与井壁相互作用规律具有极大的指导意义[4]。

1 模型建立

1.1 工程概况

主斜井井筒长度1 303.3 m，穿过的表土厚度97.325 m，倾角14°，净断面16.3 m2，净宽5 000 mm，墙高1 250 mm，拱高2 500 mm。冻结段从斜长87.5 m(水平长度84.9 m)起开始冻结，设计冻结段垂深-5.5 m～-150 m，斜长420 m。冻结段支护方式为工字钢棚+钢筋砼砌碹双层井壁加反拱，工字钢棚间距600 mm，外壁厚度为300 mm，内壁厚度为350 mm。

在主斜井迎头位置，距井口254 m处选取试验试样。由地质勘察报告可得，该矿主斜井区内地表为第四系松散沉积物，为全新统风积沙、上更新统萨拉乌苏组，井筒涌水量为1 250.00 m3/h，水源主要来自于第四系松散层及基岩风化裂隙带。主斜井处于富水砂层段，可视为饱水状态。

1.2 模型尺寸

本文主要选斜井穿越的细砂层和中砂层为控制层位进行计算模拟。由设计资料可得，井筒掘进跨度为6.40 m，掘高为5.95 m。根据圣维南定理，结合实际工程，确定计算模型尺寸为：长×宽×高=69.0 m×60.0 m×45.7 m，冻结壁尺寸为：顶板6 m，底板5 m，左右帮各3 m。在模型底部、前后、左右施加法向约束，模型顶部施加0.095 MPa的面力。

1.3 计算参数选取

根据地质勘查资料及室内试验结果，选取计算范围内的土层参数和衬砌参数，具体取值见表1。

表1 模拟土层及材料物理

1.4 计算工况设计

以凿井工程实际施工情况作基准，设计模拟材料温度为-5、-10、-15 ℃，空顶距离为15、20、25、30 m。分析冻结温度对冻结壁变形的影响，选取空顶距离为20 m，冻结温度为-5、-10、-15 ℃；分析空顶距离对冻结壁变形的影响，选取模拟温度-10 ℃，空顶距离分别为 15、20、25、30 m。

1.5 计算监测点布置

为了分析不同计算工况下冻结壁随开挖卸载过程进行的围岩变形规律，在冻结壁开挖洞室左右帮部起拱处、顶底板中部布置4个围岩变形监测点，计算得到冻结壁顶板下沉量、底板隆起量、帮部水平位移量，从而分析冻结壁随开挖卸载的变形特性。监测断面布置在(0，0，0)处，监测点布置见图1。

图1 冻结壁表面位移监测点布置图

2 模拟结果分析

2.1 空顶距离对冻结壁变形影响分析

分别取15、20、25、30 m不同空顶距离进行数值模拟。在设计冻结壁厚度下，取(0，30，0)位置处的切片而得到的竖向位移、水平位移、竖向应力云图，进行冻结壁平均温度为-10 ℃时不同空顶距离条件下的冻结壁受力变形分析。

2.1.1 竖向位移分析(见图2)

从图2可以看出，冻结壁竖向位移呈左右对称状态，冻结壁顶板发生下沉，底板出现底臌现象；空顶距离对冻结壁竖向位移及开挖影响范围较显著，冻结壁顶板沉降量随着空顶距离的增大逐渐增大，开挖影响范围也逐渐增大；空顶距离从15 m增大到30 m过程中，冻结壁最大竖向位移量由27.633 mm增大到39.718 mm，增幅为43.7%；竖向位移区也由冻结壁逐渐向未冻土区扩展，在冻结壁内形成塑性区。

2.1.2 水平位移分析(见第79页图3和图4)

从图3可以看出，冻结壁水平位移呈对称状态，空顶距离对冻结壁水平位移及开挖影响范围较显著，冻结壁水平位移量随空顶距离的增大而逐渐变大，位移影响范围也逐渐加大；空顶距离从15 m到30 m变大的过程中，冻结壁最大水平位移量由10.591 mm增加到25.088 mm，增幅达136.88%；水平位移区逐渐由圆弧形向椭圆形发展，冻结壁塑性区逐渐增大，影响范围扩大到未冻土区，随着未冻土与井帮的距离越来越大，其位移逐渐减小。

图2 不同空顶距离下冻结壁竖向位移云图(单位：m)

综上所述，冻结壁在开挖卸载过程中，在冻结壁及未冻土内形成塑性位移区，随着空顶距离的增大，塑性位移区逐渐由冻结壁向周围未冻土区扩展。根据模型上监测点所记录的位移值，可得冻结壁最大位移与空顶距离呈非线性特征，其非线性程度与空顶距离密切相关。冻结壁最大位移与空顶距离关系如第79页图3所示。不同空顶距离下，冻结壁相同位置的位移随空顶距离的增大而增大。由图3看出，“冻结壁变形-空顶距离”呈现明显的非线性特征。当空顶距离由15 m变为20 m时，冻结壁变形小幅增大，变形速率较小；当空顶距离由20 m向25、30 m增大的过程中，冻结壁变形增幅较大，最大增幅达75.77%，冻结壁变形速率也逐渐增大，不利于对冻结壁变形的控制[5]。

2.1.3 竖向应力分析(见第79页图5)

从图5可以看出，冻结壁竖向应力呈对称状态，在冻结壁帮部与未冻砂土交界处形成应力集中区，在冻结壁拱脚处至起拱段、冻结壁顶板与底板中部形成应力集中区；空顶距离对冻结壁竖向应力影响显著，随着空顶距离的增大，冻结壁与未冻砂土应力集中区的应力值逐渐增大，冻结壁拱脚处至起拱段应力集中区影响范围也逐渐扩大，集中区呈半月状分布，应力值在拱脚处达到最大值，顶板和底板中部应力值对空顶距离的变大变化较小。

图3 不同空顶距离下冻结壁水平位移云图(单位：m)

图4 冻结壁最大位移量与空顶距离关系曲线图

结合图2～图5，分析了在冻结壁开挖卸载状态下不同空顶距离(15、20、25、30 m)对冻结壁变形及受力的影响规律，冻结壁受力变形特征受空顶距离影响明显。当空顶距离为25 m和30 m时，冻结壁变形位移区及应力集中区均较大，不利于冻结壁及井壁的稳定；空顶距离为15 m和20 m时，冻结壁变形位移区及应力集中区均较小，有利于冻结壁及井壁的稳定；当空顶距离由20 m变为25 m时，冻结壁变形速率快速增大。因此，可得富水砂层冻结斜井的最佳空顶距离应控制在15 m～20 m。

图5 不同空顶距离下冻结壁竖向应力云图(单位：Pa)

2.2 冻结温度对冻结壁变形影响分析

冻结温度对冻结壁变形的影响主要是通过围岩与水在不同冻结温度下的物理力学性质不同来实现的。对不同冻结温度下的冻结砂土进行室内单轴压缩试验可得，冻土在冻胀条件下，其力学性质指标有不同程度的强化。第80页图6～图8及第81页图9所示为冻结壁在不同温度下变形数值计算分析结果。

分别取-5、-10、-15 ℃平均冻结温度来模拟计算。在设计冻结壁厚度下，取(0，30，0)位置处的切片而得到的竖向位移、水平位移、竖向应力云图，进行空顶距离为20 m时不同平均冻结温度条件下的冻结壁受力变形分析。

2.2.1 冻结壁变形分析

由图6和图7可知，冻结壁最大位移发生在直墙圆拱起拱处周围及顶底板的中部。冻结壁变形特征与平均冻结温度密切相关，温度越低，其最大位移值及变形区域越小，冻结温度从-5 ℃降为-15 ℃，冻结壁顶板最大位移值从65.576 mm降为24.594 mm，底板最大位移值由67.504 mm减为25.000 mm，帮部最大位移值由45.761 mm变为14.273 mm，塑性变形区也逐渐由未冻土区域内减小到冻结壁2 m～3 m。其中，-15 ℃时的冻结壁最大位移值大于-10 ℃时的位移对应值。这是因为，冻结温度由-10 ℃降为-15 ℃过程中，冻结砂土力学性质发生变化，温度越低，其冻胀系数越大。冻结砂土冻结温度由-10 ℃降为-15 ℃过程中，冻结壁变形主要受冻胀效应影响，冻土蠕变对其影响较小。

图6 不同冻结温度下冻结壁竖向位移云图(单位：m)

图7 不同冻结温度下冻结壁水平位移云图(单位：m)

图8 冻结壁最大位移与冻结温度的关系曲线图

分析图8可得，冻结壁最大位移量与冻结温度呈非线性特征，非线性程度与冻结温度密切相关。当冻结温度从-5 ℃降为-10 ℃时，变形位移量明显减小，降幅为37.13%～62.60%，说明冻结温度的降低改善了冻土力学特性，使冻结壁强度增大，从而提高冻结壁的稳定性；而从-10 ℃减小到-15 ℃，冻结砂土力学性质的增强对冻结壁的变形约束减小，变形降幅为7.71%～32.9%，说明随着冻结温度降低；土体中未冻水逐渐向冻结区迁移而转化为冰晶体，土体含水率降低；当冻结温度达到一定值后，土样完成大部分冻结，土的冻结速率减缓。总体上，冻结温度越低，冻结壁强度越大，其稳定性越好。因此，综合技术经济比较分析，冻结壁平均温度为-10 ℃是合理可行的。

2.2.2 竖向应力分析

由图9可得，冻结温度变化对冻结壁竖向应力影响较小。冻结温度从-5 ℃降低到-10 ℃，冻结壁帮部应力集中区减小，顶板与底板应力集中区不变，冻结壁因冻土冻胀而出现应力增大现象，说明富水砂层土体冻胀对冻结壁影响较大；冻结温度从-10 ℃降低到-15 ℃，冻结壁竖向应力集中区几乎不变，虽然温度越低冻土冻胀力越大，但其应力值却略微减小，说明冻结砂土因为强冻结效果其力学性质增强，冻结砂土强度增加值大于冻土冻胀力。由竖向应力随冻结温度变化而变化的规律可得，冻结温度控制在-10 ℃较经济合理。

综上所述，在冻结温度由-5 ℃到-10 ℃过程中，冻结壁竖向、水平位移及竖向应力因冻结砂土力学性质的增强均出现减小现象，但当冻结温度由-10 ℃到-15 ℃过程，冻结砂土冻胀现象显著，其冻胀影响大于冻结砂土力学性质增强的影响，冻结壁帮部最大位移略微增大，位移影响区基本不变，竖向应力减小效果也不明显。综合考虑施工安全和工程经济效益，冻结壁温度控制在-10 ℃较合理。

图9 不同冻结温度下冻结壁竖向应力云图(单位：Pa)

2.3 顶板沉降规律监测分析(见图10和图11)

分析图10可以得出，冻结土体开挖的初期，拱顶位移迅速增大，在刚开挖的0 m～9 m，拱顶快速下沉，随后进入平缓增长时期，趋于收敛状态；而当空顶距离为30 m时，拱顶下沉，未表现出收敛趋势，不利于顶板的稳定。拱顶下沉量随着空顶距离的增大而增大，空顶距离为15 m时，其沉降量最小，最大值为25.7 mm，20 m时为27.16 mm，25 m时为32.97 mm，30 m时为36.86 mm，各空顶距离下的沉降量分别为20 m时的94.62%、121.39%、135.71%，说明当空顶距离大于20 m后，拱顶沉降呈加速增长状态，不利于顶板稳定。所以，应选择合理的支护时机，以保证冻结壁的稳定安全。

图10 不同空顶距离下冻结壁拱顶收敛曲线

分析图11可以得出，冻结土体开挖的初期，拱顶位移迅速增大，当冻结温度为-10、-15 ℃时，顶板沉降在开挖5 m左右即进入平稳状态，趋于收敛；而在-5 ℃的冻结温度时，顶板沉降发展规律为：0 m～5 m段快速增大，5 m～60 m段缓慢增大未进入收敛状态，说明冻土力学性质较差，其强度不利于冻结壁稳定。随着冻结温度的降低，冻结土体强度越大，顶板沉降量越小，在-15 ℃冻结状态下开挖，其顶板最终沉降量为28.13 mm，在-10、-5 ℃状态下，它们的沉降峰值分别是前者的1.15倍、1.60倍。因此，选择合理的冻结温度，既能保证施工安全又能节约成本。

图11 不同冻结温度下冻结壁拱顶收敛曲线

3 结论

通过数值模拟计算对冻结壁开挖卸载过程中冻结壁受力变形特征进行了研究，分析冻结壁在不同空顶距离、冻结温度下的冻结壁变形规律，主要得出如下结论：

1) 在温度恒定状态下，冻结壁变形与空顶距离成正相关关系，空顶距离由15 m增大为30 m时，顶板最大位移量由27.633 mm增为39.718 mm，帮部由10.591 mm增为25.088 mm，位移影响区逐渐增大；冻结壁应力集中区及应力值随空顶距离增大而增大，应力集中区呈半月状分布；当空顶距离由20 m变为25 m时，冻结壁受力变形速率快速增大，不利于冻结壁稳定。

2) 在空顶距离不变的情况下，随着冻结温度的降低，冻结砂土的力学性质和冻胀效应都得到提高，冻结温度由-5 ℃降为-10 ℃，冻结富水砂土力学性质的增强对冻结壁变形特征起主导作用；冻结温度由-10 ℃降到-15 ℃，冻结砂土冻胀效应对冻结壁受力变形起主导作用。

3) 不同空顶距离和冻结温度下，冻结壁拱顶沉降量随着开挖距离的增大表现为先快速增大后趋于收敛稳定的发展趋势，但空顶距离越大，拱顶沉降量越大，合理的支护时机对控制冻结土体变形具有重要意义。冻结温度越低，冻结壁越能保持良好的稳定性。

参考文献：

[1] 赵俊峰.巴拉素煤矿中央回风立井井筒差异冻结技术分析[J].陕西煤炭，2017(5):43-45.

[2] 孙国祥,陈清敏,楚文强.井筒冻结工程应当注意的问题[J].科技信息，2009(33):91-92.

[3] 黄建忠.井筒冻结法矿建施工技术[J].科技与企业，2014(16):11-14.

[4] 赵燕青.井筒冻结法矿建施工技术[J].山东工业技术，2014(23):32-33.

[5] 孔伟杰,陈清敏,李俊华.淮南新建矿井井筒冻结工程常见问题浅析[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，2009(11):37-38.