【正文】 一厚壁長管，管內(nèi)的內(nèi)外壁始終保持不同恒溫，則管壁內(nèi)之溫度分布為圓管穩(wěn)定溫度分布。 單位時(shí)間通過管長 l 的熱流量： lrrrllrttQ ff2212112121ln2121?????? ???? 式中分母為總熱阻。凍結(jié)壁主面的平均溫度比其界面的平均溫度低 。 第三章 凍結(jié)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則 斜井凍結(jié)方法簡述 凍結(jié)法鑿井自 1883 年德國工程師波茨舒發(fā)明到目前為止 ,已經(jīng)成為建設(shè)通過含水不穩(wěn)定地層井筒的有效手段。在立井凍結(jié)法鑿井工程中 ,為縮短凍結(jié)時(shí)間和降低凍結(jié)壁的平均溫度 ,多采用的是多圈管 (兩圈管、三圈管甚至四圈管 )的凍結(jié)方案 ,凍結(jié)孔一般按等距離布置在與井筒同心的圓周上。 圖 凍結(jié)孔布置條帶立面示意圖 凍結(jié)方案選擇及設(shè)計(jì)要點(diǎn) 針對主斜井井筒穿過地層特點(diǎn)，凍結(jié)方案以“安全第一、優(yōu)質(zhì)高效、少挖凍土 ”、確保井筒施工安全為原則。 2）采用異徑凍結(jié)方式，斜井頂板凍結(jié)壁厚度以上為小管徑凍結(jié)管，可節(jié)省凍結(jié)制冷量。 5mm 的無縫鋼管作為套管，其套管內(nèi)環(huán)形空間抽真空隔溫，有效控制冷量向井筒內(nèi)擴(kuò)散，創(chuàng)造良好的掘砌施工條件。 7）為了準(zhǔn)確提供凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握第一手原始凍結(jié)資料，各段均布設(shè) 4 個(gè)測溫孔。/h，維護(hù)凍結(jié)期 6m179。 12）凍結(jié)開機(jī)前，所有影響凍結(jié)的水源井必須停止使用，確保井筒凍結(jié)施工安全。 0m 計(jì)算 )。 如圖 所示受垂直力 0P 和側(cè)向力 0P? 作用時(shí)，圓形井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)為 ? ? ? ?? ? ? ?? ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????2in3211212c o s3112111212c o s341121112144022004400220044022002200srRrRPrRPrRPrRrRPrRPrr 式中： σ r 為圓形井筒圍巖徑向應(yīng)力；σ ? 為圓形井筒圍巖切向應(yīng)力； ??r 為圓形井筒（ｒ，θ）點(diǎn)剪應(yīng)力；λ為井筒圍巖側(cè)壓力系數(shù)；Ｐ 0 為井筒圍巖頂壓力；Ｒ 0 第 34 頁 為圓形井筒半徑。一般情況下，側(cè)壁處在較大的壓應(yīng)力作用下，是造成井筒側(cè)壁剪切破壞或巖爆的主要原因之一。圖中： qh為深埋井筒壓力 拱高度；ｈ為井筒掘進(jìn)高度；ａ為井筒掘進(jìn)寬度之半； 1a 為兩幫不穩(wěn)定范圍；ｂ為壓力拱跨度之半； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖容重； bd ff, 分別為頂板、井幫圍巖普氏系數(shù)； bd??, 分別為頂板、井幫圍巖似內(nèi)摩擦角； bdqq,分別為井筒頂壓和側(cè)壓。 斜井凍結(jié)壁厚度計(jì)算 方法 淺埋井筒 從井筒周邊應(yīng)力分析可知，圓形井筒最大切向應(yīng)力為等壓力環(huán)周邊切向應(yīng)力的 倍。而井筒凍結(jié)工程的凍結(jié)壁厚度，一般是按掘砌荒徑確定。 深埋井筒 （１） 井筒凍結(jié)壁頂板厚度計(jì)算 深埋井筒形成壓力拱時(shí)，凍結(jié)壁形成的頂板，一是要將壓力拱內(nèi)可能塌落的圍巖凍結(jié)成整體，提高井筒頂部圍巖普氏系數(shù)，減小壓力拱高度；二是要將部分壓力拱圍巖凍結(jié)，使圍巖壓力拱具有封水作用；三是要讓頂板凍結(jié)圍巖本身所形 第 38 頁 成的壓力拱發(fā)揮作用。當(dāng)ｆ＜ 時(shí)，井筒圍巖以擴(kuò)大拱形塌方類型為主，井筒底部圍巖易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。為此，凍結(jié)壁形成的底板，一是要加固井筒下部圍巖，提高圍巖普氏系數(shù)，減小底鼓；二是要使凍 結(jié)壁底部外擴(kuò)，趨于一個(gè)外接圓，提高凍結(jié)壁承壓能力；三是要預(yù)留凍結(jié)壁底板解凍時(shí)間，防止在井筒鋪設(shè)底板之前，發(fā)生透水事故。井筒圍巖的擴(kuò)大拱形塌落范圍，主要取決于原有圍巖普氏系數(shù)。 兩幫凍結(jié)壁厚度應(yīng)在此基礎(chǔ)上外擴(kuò)，使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒。 凍結(jié)段垂深較大時(shí)，亦可按照深埋硐室的成拱理論計(jì)算頂板的最大壓力，但考慮到井筒頂板凍結(jié)壁厚度的增加對工程的投入和施工工期影響不大，故選用偏安全的“淺埋峒室松動壓力的巖柱理論”計(jì)算井筒頂板凍結(jié)壁的最大壓力。 ③ 底板凍結(jié)壁承受壓力計(jì)算 底部凍結(jié)壁承受壓力按承受水壓計(jì)算，其計(jì)算公式為： cpH?? 式中， cp — 底板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 水的容重， kg /m3； H — 控制截面底板凍結(jié)壁深度， m。 K為凍土允許抗壓強(qiáng)度 通過以上計(jì)算結(jié)果，并綜合斜井井筒凍結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，地層凍結(jié)壁厚度確定見表 。且井筒掘進(jìn)斷面近似為圓形，近似水平圓筒，同時(shí)考慮井筒斷面形狀壓力的不均勻性，采用無限長厚壁筒彈性理論拉麥公式進(jìn)行凍結(jié)壁厚度計(jì)算。 103 kg/m3； H — 控制層頂板深度， m，取斜井凍結(jié)壁控制截面的頂部深度； ? — 井筒傾角，176。 表 各區(qū)段控制層位一覽表 段號 控制層位深度（ m） 頂板 側(cè)幫 底板 Ⅰ段 （粉砂巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） Ⅱ段 （中粒砂巖） （ 泥巖） （泥巖） Ⅲ段 （礫巖） （礫巖） （礫巖） Ⅳ段 （砂質(zhì)泥巖） （粉砂巖） （粉砂巖） Ⅴ段 （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （砂質(zhì)泥巖） （ 1）凍結(jié)壁平均溫度 根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合大南湖主斜井的地質(zhì)資料，將凍結(jié)壁平均溫度設(shè)定為：頂、底板凍結(jié)壁平均溫度 12℃、兩幫凍結(jié)壁平均溫度 8℃。 井筒凍結(jié)壁兩幫厚度 bE ，應(yīng)同時(shí)滿足以下條件：當(dāng)ｆ ＜ 時(shí)， bE ≥ 1～ 1a ；當(dāng)ｆ＝ ～ 時(shí)， bE ＝ ～ 21a ；當(dāng)ｆ＞ 2 時(shí)， bE ≥ 21a ， bE ≥Ｌ。 與淺埋井筒同樣的道理，凍結(jié)壁底板厚度，按井筒外接圓算起有些偏大；可以適當(dāng)將起點(diǎn)抬高，例如從掘進(jìn)底板到外接圓底部的中間算起。因此，斜井凍結(jié)壁底部裸露時(shí)間較長，易產(chǎn)生蠕變變形，出現(xiàn)底鼓。 簡支梁兩端承 受最大剪應(yīng)力情形，可用于凍結(jié)壁頂板厚度驗(yàn)算。斜井底部一般為馬蹄形；在淺埋情況下，井筒周邊最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在兩側(cè)，底部可能只出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。無壓力拱的斜井凍結(jié)壁厚度可按下式計(jì)算： ???????? ??? 13 PKKRE? 式中：Ｅ為凍結(jié)壁厚度，ｍ；Ｒ為井筒外接圓半徑， m；Ｋ為凍土計(jì)算強(qiáng)度，ＭＰａ；β可通過側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算得到，最大 ，一般取 ～ ；Ｐ為淺埋井筒圍巖頂壓，Ｐ≈γＨ，ＭＰａ；γ意義同前，ＭＮ／ｍ 3 ；Ｈ意義 同前，ｍ。 淺埋井筒頂壓 dq 計(jì)算時(shí)，考慮了圍巖滑動面阻力。當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒周邊圍巖切向壓應(yīng)力最大值 0max 3P??? ，為等壓力環(huán)周邊圍巖切向應(yīng)力的 倍。 圖 圓形井筒周邊圍巖切向應(yīng)力 ?? 的分布 第 35 頁 井筒周邊圍巖切向應(yīng)力特性如下： （１） 當(dāng)λ值在０～１／３之間時(shí)，井筒拱頂或拱底范圍承受拉應(yīng)力；當(dāng)λ＝０時(shí)，井筒拱頂 出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力；當(dāng)λ＞１／３，井筒拱頂逐漸變得穩(wěn)定。斜井與水平井筒圍巖受力有類似之處。凍結(jié)起始點(diǎn)傾斜長度確定為 ，凍結(jié)起始點(diǎn)水平長度確定為 。在凍結(jié)壁保證掘砌安全的條件下，為井筒施工創(chuàng)造良好環(huán)境。 9）為了確保每段掘砌施工安全，每段終端孔作為封頭孔，穿入斜井?dāng)嗝娑蝺?nèi)的部分，不采取隔熱措施。 5）采用分段打鉆、分段凍結(jié)工藝，確保造孔、凍結(jié)、掘砌連續(xù)施工。即巷道斷面內(nèi)φ108179。斜井井筒凍結(jié)方案選擇及要點(diǎn)如下： 1）采用地面打直孔方案，鉆孔深度由淺入深 (以井口標(biāo)高為177。凍結(jié)鉆孔布置沿斜井井筒的走向 布置 (圖 、圖) 。目前我國沒有專門打斜長鉆孔的鉆機(jī)應(yīng)用 于斜井凍結(jié)孔施工中 ,因此斜井凍結(jié)方案一直采用的是垂直凍結(jié)孔凍結(jié)。厚度增大，其差值減小。 凍結(jié)壁平均溫度主要與鹽水溫度、凍結(jié)孔間距、凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)管直徑以及井幫溫度等因素 有關(guān)。 單位時(shí)間通過長度為 l 圓 管的熱流量： 1221ln22 rrttrlrlqQ ???? ?? 式中： Q—— 單位時(shí)間通過圓管壁的熱流量； L—— 管長； 12ln21 rrl?? —— 圓管總熱阻； 第 30 頁 12ln21 rr?? —— 單位管長之熱阻。主面是通過凍結(jié)管的軸心，并垂直于布置凍結(jié)管的平面 (AA 面 )；界面是指相鄰兩凍結(jié)管中心連線的中垂面 (BB 面 )，軸面是通過各鄰近凍結(jié)管中心的平面 (CC 面 )凍結(jié)溫度場常常分為三個(gè)區(qū)：凍結(jié)區(qū)、降溫區(qū)和常溫區(qū)。在凍結(jié)圓柱交圈之前，凍結(jié)擴(kuò)展速度較快，凍結(jié)圓柱很快交圈，交圈后零度等溫 第 28 頁 線的弧度逐漸變緩，凍土墻擴(kuò)展的速度也逐漸變緩。 凍結(jié)壁厚度計(jì)算是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的工作，由于壁內(nèi)溫度分布帶來強(qiáng)度的非均勻性，凍土的流變特性，實(shí)際凍結(jié)壁的非對稱性、地壓的不確定性、段高及約束條件、凍結(jié)壁整體強(qiáng)度與試塊強(qiáng)度的不一致性等給計(jì)算工作帶來許多困難。 （ 3）數(shù)理 統(tǒng)計(jì)法 近年來，我國學(xué)者總結(jié)了建國以來凍結(jié)井筒的凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，將所有井筒掘進(jìn)直徑變換成 sm 等小直徑。 (2)按變形條件計(jì)算 第 25 頁 ①前蘇聯(lián)學(xué)者維亞洛夫扎列茨基采用通過對凍土流變性的研究和模擬提出應(yīng)按變形條件計(jì)算凍結(jié)壁的厚度： ?1)()(3)1()1(1E1),(20 ???????????????? ???????mtmmltml UaRaRahApmR?? ? — 段高上、下端約束程度的參數(shù)， 0 ? ≤ ；若上端固定，下端不固定時(shí)， ? =0；若下端也基本固定時(shí)， ? =； au —— 凍結(jié)壁內(nèi)表面容 許的最大徑向位移值， m；一般取 ~； ),( tA?—— 隨時(shí)間變化的變形模量， MPa； ),( tA? 是時(shí)間和凍土溫度的函數(shù)，在溫度一定時(shí)可表示為 ),( tA? = 21 ctc? ，其中 t 為時(shí)間， min， 21 cc、 為實(shí)驗(yàn)系數(shù)； h—— 段高， m； m—— 凍土的強(qiáng)化系數(shù)，砂土一般取 ，粘土一般取 。凍結(jié)井筒一般采用短掘短砌的施工方法，因此采用有限段高模型更接近實(shí)際，有限段高模型，段高上、下端約束條件對凍結(jié)壁的變形有很大影響，必須予以考慮。 根據(jù)這些方程可通測定凍結(jié)過程中溫度梯度確定土水勢對凍土的析冰作用，研究表明，正凍土中的析冰作用與土體類型、含水量、水分分布、溫度、載荷條件有關(guān)系。由于水分遷移過程受很多因素的影響，使這一問題的研究到目前為止仍是一個(gè)人工凍土學(xué)中激烈爭論的問題。礫石土的融沉性最 低，砂類土次之，粘性土，特別是有機(jī)質(zhì)土最高。 P??? ??0 測定了這兩個(gè)系數(shù)，就可以近似地計(jì)算土在融化下沉和壓縮后的形變。一般土體在荷載作用下，這兩種作用是結(jié)合在一起的，很難予以區(qū)分。 土的凍脹率，受土的機(jī)械組成、土的密實(shí)程度、土的含水量、土的凍結(jié)速率以及土體與地下水位的距離等因素的控制。 所謂凍脹，就是土在凍結(jié)過程中，土中水分 (包括土體孔隙中原有水分以及從外部遷移到土體來 的水分 )轉(zhuǎn)化為冰，引起土顆粒間的相對位移，使士體體積產(chǎn)生膨脹、土表升高。 圖 凍土非衰減蠕變曲線 凍土的凍脹融沉特性 當(dāng)大量的水分從液相轉(zhuǎn)入固相時(shí)，土便發(fā)生凍脹，水結(jié)冰后體積膨脹約 9%。荷載越大，變形越大，破壞越快。第三階段是等速蠕變階段，亦即粘塑流階段 (BC)。對遭受脆性破壞的土，微裂縫擴(kuò)大合并成大裂縫，這時(shí)土的連續(xù)性受到破壞并形成缺口。在水分?jǐn)D出的同時(shí)，凍土中的冰發(fā)生粘滯性流動，土顆粒及其集合體發(fā)生位移。凍土之所以存在流變性質(zhì)，是由其中的冰和未凍水所決定的，冰一水在一定的溫度和壓力下處于平衡狀態(tài)。一般說來隨著含水量增大，起膠結(jié)作用的冰也越多，因而強(qiáng)度有所增大。 ④試驗(yàn)時(shí)間 試驗(yàn)研究表明，凍土在長期荷載作用下將出現(xiàn)伴隨有強(qiáng)度下降的過程。 ②凍土結(jié)構(gòu) 凍土的抗剪強(qiáng)度取決于它的構(gòu)造。國內(nèi)外凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算方法： 中國成冰公式： 3o ????????? ??????ElEltttttbcnocc И . ???????? ?????ynyyyc EEldElRltt 0, И .Д .納斯諾夫， ?????? ??? Elldtt nbc , 式中， ct — 按成冰公式計(jì)算的凍結(jié)壁有效厚度的平均溫度； ct0 — 按凍結(jié)壁零度邊界線計(jì)算的平均溫度； 第 18 頁 nt — 井幫凍土溫度，井幫未凍時(shí)取零度； bt — 凍結(jié)鹽水溫度； L— 凍結(jié)孔間距； E— 凍結(jié)壁厚度； ,ct 一按и .；