袁大滩主斜井底板粉碎性破坏段冻结修复

任志刚 权晓甜

(1.中煤邯郸特殊凿井有限公司，河北 邯郸 056003； 2.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏 徐州 221116)

1 概述

冻结法是在松散的含水土层或破碎的含水岩层中,用人工制冷的方法,将地下工程周围的含水岩层、土层冻结成封闭的冻土结构物——冻结壁,用以抵抗岩土压力,隔绝冻结壁内、外地下水的联系,然后在冻结壁的保护下进行工程建设的施工方法[1,2]，目前,冻结法施工已广泛应用于国内各类立井、斜井、地铁、隧道、桥梁基础及建筑物基坑工程中,具有许多成功的经验和较成熟的冷冻技术[3]。冻结法凿井施工是一种井巷工程利用人工制冷技术暂时冻结地下水以加固不稳定冲积层、松软含水层、富水砂层的特殊施工方法特殊的井筒施工方法，具有适应性强和安全可靠的特点，在复杂水文地质条件下矿井建设和其他地下工程中逐渐占据首选位置[4-6]。但目前对于破损井壁特别是井壁底板破损进行冻结局部修复尚未有相应案例可供参考。

2 工程概况

袁大滩矿井位于陕北侏罗纪煤田榆横矿区东北部，矿井采用斜井开拓方式，设计生产能力8.0 Mt/年。矿井主、副斜井位于井田中部、首采区东部边缘地带[7]。井壁结构图如图1所示。

在袁大滩主斜井的原冻结段的掘进施工过程当中，2015年5月10日因建好的井壁解冻出水，工作面停止掘进，为了解决袁大滩主斜井井壁出水的问题，在对其进行堵水加固的过程中，地面注浆水泥浆液进入井筒造成底板隆起现象严重，混凝土底板无法承受底部的水土压力。轨道严重抬起，隆起物为水泥浆液及沙的混合物，底板隆起里程245 m～325 m，266 m处底板隆起高度达到1.8 m。

修复开挖发现自里程185 m起，斜井底板出现裂缝。185 m～220 m裂缝宽度很小，220 m～320 m裂缝宽度20 mm～30 mm。

在进行冻结修复的过程当中，顶部和两侧均布置了冻结孔，且目前井筒两帮外的冻结管形成的冻土范围已经进入结构内部1.1 m，左右两侧的冻结壁边缘距离2.8 m。

鉴于底板粉碎性破坏的情况，本工程的重难点主要是底部冻结帷幕的形成与维护。

为了有效地形成与维护冻结帷幕，计划采取的措施如下：

1)底板修复时进行割除冻结管内温度监测，必要时恢复冻结。2)采取倒退式修复方案，减少冻结管停冻时间。3)保证钻孔施工质量。

3 冻结设计

3.1 冻结壁设计

冻结壁设计理论是冻结法形成冻结帷幕技术的核心之一[9]。根据目前施工暴露的情况，考虑采用冻结法，在混凝土底板下布置冻结孔，通过冻结形成一定厚度的冻结帷幕，来抵抗下部的水土压力的冻结方案。具体地，对于253 m以下的施工范围，采取在底板下布置倾斜冻结孔，形成冻结帷幕，提供底板下的水土压力维护作用，对于253 m以上的施工范围，采用近竖直的冻结孔，形成冻结帷幕，以降低钻孔施工难度。

根据现场底板的破碎情况，对在此范围的井壁外部采用封帮、封顶孔加强冻结的方法，两帮冻结孔下部深入井壁底板下5 m，来进行冻结壁的设计。

3.2 冻结壁厚度计算

冻结壁各参数的合理确定直接决定冻结法施工的成功与否[10]，关于冻结壁厚度的确定，根据两侧垂直测温孔和探孔对冻结壁厚度进行计算，底部厚度取4 m，建立实体有限元模型如图2所示，其中井筒结构的断面尺寸参见图1。

为了分析结构内部的应力分布情况，本次模拟分析了结构内部的剪应力，以及第一和第三主应力，模拟的结果如图3～图5及表1所示。

表1 结构应力计算表

计算考虑到248 m～260 m范围的底板清理及混凝土浇筑时，会切断冻结管，为了减小施工过程中冻结壁解冻造成强度降低的影响，在该范围内形成厚度4 m的冻结帷幕。

3.3 冻结孔的布置图

为了形成需要厚度的冻结帷幕，需对冻结孔的位置进行布置，图6是设计的冻结孔布置某一断面图。

其中布置在现有混凝土底板上部的A排冻结孔，其主要目的是将施工范围内的底板全部冻实，其长度延长至290 m位置，以封闭整个清理范围内的空间，保证井筒内迎头的稳定性。

4 井筒修复施工

里程248 m～280 m井筒清理位于封顶、封帮孔和底板冻结加固区范围内，待冻结壁达到设计要求后进行井筒和底板的修复工作。

具体施工顺序为：

1)冻结壁达到设计要求。2)将井筒内部水在加固段范围外截止，不允许流入冻结加固段，防止流水融化冻结壁。3)冻结管停止冻结并将除井筒中心一排冻结孔外其他冻结孔内盐水吹出，沿原有底板设计标高进行开挖。4)开挖期间将井筒中心一排冻结孔割除至原底板设计标高之下并恢复冻结或者先保留冻结孔并进行孔内温度监测，当孔内温度高于-5 ℃时，恢复冻结。割除过程中注意多余盐水的收集,清理至里程277 m。5)根据底板破损实际情况进行反向修复，破损井壁必须恢复至原有设计标准，期间将井筒中心一排暴露的冻结管内盐水吹出，所有冻结管割除后充填微膨混凝土。

4.1 井筒内清理

具体的施工过程按照原施工组织设计的要求进行，要预计冻结管存在对清理施工的影响，提前将冻结管停冻，并将盐水排出，防止盐水洒落融化冻结壁。

4.2 原有井壁的破除及修复

根据井壁破坏情况和设计的要求，从里程277 m反向破除需要修复的混凝土底板(侧帮或顶部)，恢复至原有设计标准，期间暴露的沿井筒中心一排冻结管的盐水吹出、割除后充填。施工中应注意观察冻土进入清理范围的情况及检测冻结壁的变形，保证施工的安全。

井壁的破除应根据破损情况确定破除的深度并应分段进行，分段的长度根据现场的施工情况决定，一般不超过5 m。

5 结语

本文通过对袁大滩主斜井基本的施工情况以及主斜井里程248 m以下底板粉碎性破坏情况提出了具体的对该破坏段进行冻结加固，开挖及砌筑的施工设计方案：1)提出了斜长孔的冻结方案，结合破坏段的井壁外部已有封帮、封顶孔加强冻结的情况，进行底部冻结帷幕设计。2)对于井筒清理采取反向破除修复施工，减少冻结帷幕停冻影响。设计的施工冻结方案成功解决了主斜井里程248 m以下底板粉碎性破坏修复问题。