【正文】 通過各鄰近凍結(jié)管中心的平面 (CC 面 )凍結(jié)溫度場(chǎng)常常分為三個(gè)區(qū)：凍結(jié)區(qū)、降溫區(qū)和常溫區(qū)。 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(lái)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(duì)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(lái)許多困難。 (2)按變形條件計(jì)算 第 25 頁(yè) ①前蘇聯(lián)學(xué)者維亞洛夫扎列茨基采用通過對(duì)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 。 根據(jù)這些方程可通測(cè)定凍結(jié)過程中溫度梯度確定土水勢(shì)對(duì)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。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。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。 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(lái) 的水分 )轉(zhuǎn)化為冰，引起土顆粒間的相對(duì)位移，使士體體積產(chǎn)生膨脹、土表升高。荷載越大，變形越大，破壞越快。對(duì)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。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)。 ④試驗(yàn)時(shí)間 試驗(yàn)研究表明，凍土在長(zhǎng)期荷載作用下將出現(xiàn)伴隨有強(qiáng)度下降的過程。國(guó)內(nèi)外凍結(jié)壁平均溫度的計(jì)算方法： 中國(guó)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(yè) 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 .； yt — 凍結(jié)管外壁的巖層溫度； R0 — 凍結(jié)孔布置圈直徑； dy — 凍結(jié)管外直徑； En — 凍結(jié)壁的內(nèi)側(cè)厚度； Ey — 凍結(jié)壁的外側(cè)厚度； nd — 凍結(jié)管內(nèi)直徑 凍土的強(qiáng)度與變形性質(zhì) 凍土的強(qiáng)度特性 (l)抗剪強(qiáng)度 土的種類、溫度、外載大小及其作用時(shí)間都影響到凍土的抗剪強(qiáng)度。 現(xiàn)有的凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算公式可分為三類： 第一類是由純理論推導(dǎo)得出的，如特魯巴克公式是由單個(gè)凍結(jié)管傳熱條件推導(dǎo)出來(lái)的，未考慮鄰近凍結(jié)管的相互影響和井筒的實(shí)際凍結(jié)狀況，計(jì)算出來(lái)的凍結(jié)壁平均溫度偏高。一般情況下，當(dāng)含水量為液限含水量時(shí)，粘性土類的為 ～ ℃左右；砂和砂性土的為 0～ ℃。 俄羅斯學(xué)者 用量熱法研究了未凍水含量與總含水量的關(guān)系。土體中的未凍水含量多，土體凍結(jié)較慢，粘性土比砂土中含較多的未凍水，砂土就較容易凍結(jié)。描述凍土物理性質(zhì)的主要指標(biāo)有比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和熱容量。 斜井凍結(jié)法與立井凍結(jié)法因井筒開拓方式的不同，導(dǎo)致了各自凍結(jié)方案和凍結(jié)設(shè)計(jì)上的不同。 我國(guó) 1955 年首次采用凍結(jié)施工技術(shù)進(jìn)行了開灤林西風(fēng)井的施工。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 第 11 頁(yè) 凍結(jié)技術(shù)始于十九世紀(jì)， 1862 年英國(guó)工程師在南威爾士首次使用人工地層凍結(jié)技術(shù)加固地基。而對(duì)于西部的 山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆等地礦區(qū)表土層厚度加大的同時(shí)，氣溫降低，表土層的地質(zhì)和水文地質(zhì)條件更加復(fù)雜。巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，其容重 ，含水率 %，抗壓強(qiáng)度 (天然 、干燥 )，抗拉強(qiáng)度 MPa，內(nèi)摩擦角 40176。 4）細(xì)粒砂巖：厚度為 ，占本組地層厚度的 %，厚層狀，成分由長(zhǎng)石、少量石英及巖屑組成，泥質(zhì)膠結(jié)， RQD 值為 %。巖石物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果顯示，其容重 ，含水率 %，抗壓強(qiáng)度（天然 、干燥 、飽和 ），抗拉強(qiáng)度 ，內(nèi)摩擦角 40176。 （ 2）風(fēng)化巖組 新近系上新統(tǒng)葡萄溝組與下伏地層侏羅系呈超覆不整合接觸，埋深為～ ，巖性為泥巖、粉砂巖、砂巖互層，底部為灰色鈣質(zhì) 砂礫巖。 水力聯(lián)系 第 6 頁(yè) 區(qū)內(nèi)無(wú)常年性流動(dòng)的地表水流 。簡(jiǎn)易水文觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)有明顯消耗。簡(jiǎn)易水文觀測(cè)未發(fā)現(xiàn)有明顯消耗。該層處于地表，即使有微量的降水入滲，也形不成飽和的包氣帶，而耗于其后的強(qiáng)烈蒸發(fā)。多為泥質(zhì)、粉砂狀、細(xì)～中粒砂狀結(jié)構(gòu)，砂巖成份由長(zhǎng)石、少量石英及巖 屑組成，泥、鈣質(zhì)膠結(jié)，具水平紋理，含植物莖部化石，裂隙稍發(fā)育，偶見炭屑，多呈柱狀，堅(jiān)硬。自上而下穿見地層如下： (1)第四系松散層（ Q） 主要為砂質(zhì)粘土、礫石、中細(xì)砂及砂礫石層。 主斜井井筒的主要技術(shù)特征見 表 1 表 1 主斜井井筒主要技術(shù)特征表 序號(hào) 項(xiàng) 目 單位 主斜井井筒 1 井筒中心坐標(biāo) m X= Y= Z=+ 2 井檢孔坐標(biāo) 副檢 3 m X= Y= Z=+ 3 補(bǔ) 1號(hào) m X= Y= Z=+ 第 3 頁(yè) 4 補(bǔ) 4號(hào) m X= Y= Z=+ 5 副檢 1 m X= Y= Z=+ 6 井筒傾角 176。井田境界東西長(zhǎng)，南北寬 ，面積 ，含煤區(qū)東西長(zhǎng)約 ，南北寬約 km～ ，含煤面積約 km2。作為中煤集團(tuán)確定的“五大產(chǎn)業(yè)基地”之一，中煤新疆基地即將迎來(lái)開發(fā)建設(shè)的熱潮。該戰(zhàn)略合作框架協(xié)議的簽訂，拉開了中煤集團(tuán)快速、高效開發(fā)新疆煤炭資源的序幕。在哈密地區(qū)建成商品煤產(chǎn)業(yè)基地，在準(zhǔn)東、伊犁地區(qū)形成煤電、煤化工產(chǎn)業(yè)基地。 660MW電廠和煤機(jī)制造項(xiàng)目。 28′ 30″。凍結(jié)段井壁采用雙層井壁，外層厚度 80mm（鋼筋網(wǎng) +工 16 鋼骨架 +噴射砼），內(nèi)層厚度 720mm（鋼筋砼）；底部為反底拱，反底拱開挖深度 。 區(qū)內(nèi)全被第四系松散層覆蓋，經(jīng)鉆孔揭露地層有：第四系（ Q4）、新近系上新統(tǒng)葡萄溝組 (N2p)、侏羅系中統(tǒng)西山窯組（ J2x）。 (3)侏羅系中統(tǒng)西山窯組（ J2x） 巖性主要為淺黃色粉砂巖、泥巖、細(xì)～中粒砂巖和煤層。含礫徑為 ～ 7cm 的礫石，次園狀礫石不一，松散，無(wú)膠結(jié)。主檢 5 孔：揭露該層埋深范圍 ～ ，厚度 ，標(biāo)高為 ～ 。 主檢 5 孔：揭露該層埋深范圍 ～ ，厚度為 ，標(biāo)高為～ 。 構(gòu)造 該井檢孔未發(fā)現(xiàn)斷層或破碎帶。無(wú)膠結(jié)，散體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體呈顆粒碎屑狀，遇水塌陷、地基沉降，邊坡坍塌位移，屬極不穩(wěn)定型。 根據(jù)巖石物理力學(xué) 試驗(yàn)成果，副檢 3孔揭露的基巖地層工程地質(zhì)特征分別描 第 7 頁(yè) 述如下； 1）砂礫巖：厚度為 ，占本組地層厚度的 %，厚層狀，成分由石英巖、凝灰質(zhì)砂巖等組成，砂、泥、鈣質(zhì)膠結(jié)， RQD 值為 %。 18′，凝聚力系數(shù) ，普氏硬度系數(shù) 。 RQD 值為 ～ %。如東部老礦區(qū)的新井建設(shè)中，兩淮礦區(qū) 、兗州礦區(qū)等表土層厚從幾十米到 500 米左右不等，中間還含有多層流砂，涌水量大；華北的開灤礦區(qū)表土層從幾十米到 570 米左右，含有流砂和礫石層，而且基巖裂隙中涌水達(dá) 60～ 300 h/m3 ；邯邢地區(qū)表土層厚約 290 米，基巖裂隙涌水也很大；東北地區(qū)沈南煤田表土層厚在 100 米以上；華中的平頂山礦區(qū)巖石裂隙涌水經(jīng)常在 100～ 200 h/m3 。為此，只有應(yīng)用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的凍結(jié)技術(shù)，科學(xué)合理地確定高原低溫條件下過富水段表土層的凍結(jié)形式、工藝與參數(shù)，提高斜井凍結(jié)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，凍結(jié)質(zhì)量的可靠性，以及凍結(jié)施工的經(jīng)濟(jì)合理性等研究工作，才能成功解決上述難題。近 10 余年來(lái)，波蘭和前蘇聯(lián)地區(qū)也很少有通過深厚沖積層的新井開工，相應(yīng)的研究工作開展的也較少。現(xiàn)我國(guó)斜井井筒最大凍結(jié)斜長(zhǎng)為 ，垂直鉆孔最大深度為 88m。由于冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為水的四倍，而冰的熱容量約為水的二分之一，凍土中的含冰量愈大，其物理性能的 差異也愈顯著。當(dāng)負(fù)溫進(jìn)一步下降時(shí)，繼續(xù)發(fā)生水的相變，但總的強(qiáng)度減小了，而且，發(fā)生凍結(jié)的水的數(shù)量不僅將決定于負(fù)溫度值 (主要因素 )，而且決定了于礦物顆粒的比表面積、吸附陽(yáng)離子的成分、壓力等。溫度每降低 1℃，水相變成冰的數(shù)量不超過 1%。在相同初始含水量的情況下，土顆粒細(xì)的，其凍結(jié)溫度低；土顆粒粗的凍結(jié)溫度高。一般近似地按凍結(jié)孔最大間距處主界面凍結(jié)壁平均溫度之和的一半來(lái)計(jì)算。平均溫度一般是按凍結(jié)壁主面平均溫度與界面平均溫度之和的一半計(jì)算。在其他條件相同的情況下，凍土的抗剪強(qiáng)度比融土大好幾倍，隨著溫度升 高，更多的冰轉(zhuǎn)化為未凍水，凍土的抗剪強(qiáng)度便逐漸降低。 表 凍土、常規(guī)土的力學(xué)參數(shù) 第 20 頁(yè) 凍土的流變性 凍土流變性包括蠕變和松弛兩個(gè)方面，所謂蠕變，就是在不變的應(yīng)力作用下，變形隨時(shí)間而發(fā)展；所謂松馳，就是在固定的變形條件下，應(yīng)力隨時(shí)間而衰減。對(duì)遭受塑性破壞的土，缺陷發(fā)展不會(huì)破壞土的連續(xù)性，但卻以不斷增 長(zhǎng)速度促使塑性變形逐漸發(fā)展 。在荷載小于土的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，變形隨時(shí)間的推移趨于穩(wěn)定；當(dāng)荷載大于土的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生如上段所描述的典型的蠕變過程，這時(shí)，土的形變隨加載時(shí)間而 第 21 頁(yè) 增大，最后土趨于破壞，這就是非衰減蠕變。這些與溫度變化和水的相變相伴而生的體積變化，影響著土的工程性質(zhì)。凍土融化時(shí)在自重作用下發(fā)生的下沉稱為融化下沉，融化時(shí)在荷載作用下體積的壓縮，稱為融化壓縮。取決于土的機(jī)械組成、含冰 (水 )量以及土的干容重。 dfwfdbfobWWxcWxbwaW???????? ???0 式中： W0 — 土的初始含水量； f? — 含水量時(shí)凍結(jié) 溫度； wfx — 斷裂點(diǎn)的土水勢(shì)； Wf — 斷裂點(diǎn)的含水量； a、 b、 c、 d— 與土質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。 前蘇聯(lián)學(xué)者維亞洛夫、扎列茨基采用與里別爾曼完全相同的假設(shè)，采用第四強(qiáng)度理論，得出如下公式： ???ph3?E 式中：χ — 為支承條件系數(shù)，下端不固定，當(dāng)井心未凍實(shí)時(shí)，視凍結(jié)壁在段高上端固定，χ＝ 1；當(dāng)井心凍實(shí)時(shí)，視凍結(jié)壁在段高上下兩端固定，χ =。 C。 圖 凍結(jié)壁中的等溫線 在研究?jī)鐾翂囟葓?chǎng)的分布時(shí)，有三個(gè)具有特征的垂直面，如圖 ，主面、界面和軸面。 (2)降溫區(qū)溫度場(chǎng) 降溫區(qū)的溫度場(chǎng)同樣可以利用原管穩(wěn)定導(dǎo)熱來(lái)分析，根據(jù)其邊界條件的降溫區(qū)的溫度曲線為： 1222 lnrrrrtt? 式中， 1r — 凍結(jié)柱的半徑； 2t — 凍結(jié)柱表面溫度； 2r — 降溫區(qū)的半徑。在 20世紀(jì) 70年代我國(guó)開始把凍結(jié)法應(yīng)用于斜井。鑿孔、凍結(jié)、掘砌相銜接，以連續(xù)、快速、優(yōu)質(zhì)完成凍結(jié)段施工為目的。 4）主斜井分為 5個(gè)凍 結(jié)段。/h，并根據(jù)井 第 33 頁(yè) 筒凍結(jié)發(fā)展?fàn)顩r和掘砌施工速度，適時(shí)調(diào)整開機(jī)臺(tái)數(shù)和鹽水流量，以及凍結(jié)孔運(yùn)行數(shù)量。 凍結(jié)壁設(shè)計(jì) 斜井圍巖受力特點(diǎn) 圓形井筒圍巖壓力 斜井井筒掘砌斷面基本可按圓形處理，掘砌施工及永久支護(hù)后的井筒及其圍巖受力，較為接近圓筒受力狀態(tài)。 （３）當(dāng)λ＝１時(shí)，井筒圍巖應(yīng)力狀態(tài)是回轉(zhuǎn)對(duì)稱的，各點(diǎn)應(yīng)力均相同，出現(xiàn)等壓力環(huán)，即周邊圍巖切向應(yīng)力值為一常數(shù) ? ?02P??? ,這種狀態(tài)對(duì)圓形井筒的穩(wěn)定是最有利的。hHbHHqbd?? 第 37 頁(yè) 其中， ??， 分別為井筒圍巖容重和似內(nèi)摩擦角；其余符號(hào)意義同前。因此，上述計(jì)算結(jié)果需要經(jīng)分析修正后，重新確定凍結(jié)壁 各部位厚度。 斜井施工，一般是先砌筑兩側(cè)和拱頂井壁；待掘砌一段后，再返回鋪設(shè)井筒底板。因此，凍結(jié)壁兩幫厚度應(yīng)覆蓋原拱形塌落范圍，并使斜井凍結(jié)壁接近一個(gè)厚壁圓筒，以提高其承壓能力。 頂板凍結(jié)壁承受壓力的計(jì)算公式為： 第 40 頁(yè) cosapH??? 式中， ap — 頂板凍結(jié)壁承受的壓力， MPa； ? — 土層的容重， kg /m3，取 179。 第