孙佳SUN Jia；徐兴保XU Xing-bao

（①北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013；②莱州市瑞海矿业有限公司，莱州 261442）

1 工程概况

莱州市瑞海矿业有限公司矿区位于莱州市北部，西南毗邻三山岛金矿，行政区隶属莱州市管辖，与新建的莱州港为邻，从莱州港可直达龙口、烟台、天津、大连港水陆交通极为方便。斜坡道（-7～-820m）建设工程净断面为4.5m×3.8m，总长度约6.5km，表土段总长约265m。斜坡道顶部为第四系土层，浅部为基岩风化带，上、中部为变辉长岩，针对地层顶部的第四系松散堆积物岩段，宜采用冷冻法加固地层。表土段冻结段主要为U 型钢支架支护和钢筋混凝土支护，正常段主要为喷砼支护和锚网喷砼支护两种。

2 地质特征

2.1 地层条件

矿区岩性比较单一，除上部均分布有第四系松散岩层外，矿床及周围主要分布有二长花岗岩和构造蚀变岩，综合考虑各岩层的储水方式，水力特征、富水性、所处位置以及对矿床开采的影响等因素，将矿区的各岩层（体）划分为第四系松散岩类孔隙含水层、基岩风化裂隙含水层、构造裂隙含水层三类。

①第四系松散岩类孔隙含水层：在矿区广泛分布，主要由中细砂组成，局部地段出现粗砂及砾石，厚度20～45m不等，水位与海平面一致。渗透系数1.91～117.46m/d，富水性差异大，该含水层主要接受海水补给。

②基岩风化裂隙含水层：主要分布在三山岛断裂的上盘，岩性为变辉长岩和二长花岗岩，含弱承压水。风化层厚度一般为3～15m，最厚52.18m。根据钻孔抽水试验资料，单位涌水量0.001～0.0021L/s·m，矿化度22.9～23.19g/L，该含水层顶板为第四系粉质粘土层，底板主要为二长花岗岩和变辉长岩，顶板与底板皆具良好的隔水作用。

③构造裂隙含水层：主要沿三山岛断裂带及影响带分布，主要由构造蚀变岩组成，垂直厚度100～200m，斜深大于1700m。岩石中裂隙较发育，裂隙频率3～7 条/m，多为闭合裂隙，富水性、透水性差，渗透系数0.0007～0.0049m/d，属弱富水含水层。具明显的承压水特征，水位埋深一般小于10m，浅部隔水顶板为第四系底部粉质粘土层，深部主断面附近隔水顶板为完整二长花岗岩，含水层与非含水层间没有明显的界线，呈过渡关系。

2.2 工程特点

根据井检孔柱状图及相关资料，该项目实施具有以下特点：

①根据试验结果，斜坡道土体结冰温度在-5℃左右，结冰温度较常规地层低，因此冻结设计时需采取针对性措施；

②第四系孔隙水与海水有直接的水力联系，受到潮汐、海浪和海流的影响，且顶部的松散堆积物含水层组，以砂土为主，部分粘性土，渗透性较强，该含水层组处于地下水位浮动带，水位及水量变化大，对冻结壁交圈影响较大；

③斜坡道位于岸边水产养殖区，地下水抽吸量大，造成沿岸地下水位比海平面低，受养殖抽吸影响明显，地下水位变化较大。由于周边抽水井不间断的进行抽水，现场实测数据反映，第四系两个主要含水砂层的地下水流速较大，远超过5m/d，对冻结壁交圈影响较大；

④传统冻结法施工的斜坡道工程由于保温措施不到位，容易将开挖范围冻实，同时为防止冻结壁融化，割除的冻结管需要恢复冻结，对掘进速度影响较大。

3 冻结加固设计

3.1 冻结加固设计原则

为实现冻结壁快速交圈，斜坡道尽早开挖，冻结加固设计遵循以下原则：

①冻结深度、冻结壁厚度、安全掘进段高、冻结制冷工艺设计以及工期分析都必须将“冻结与掘砌”有机地结合起来，统筹兼顾；

②在合理工期内必须形成有效的冻结壁，掘砌至任意水平时冻结壁厚度及强度均能达到设计要求；

③冻结壁厚度与强度设计中，以砂层满足强度极限状态为条件，控制冻结壁变形；

④冻结孔布置在满足冻结壁厚度及强度要求下，还要实现冻土不进开挖范围内，同时冻结管割除后不需要再进行恢复冻结的要求；

⑤采用降低盐水温度、加大盐水流量、降低井帮温度等措施，以加快冻结壁交圈速度，降低冻结壁平均温度；

⑥采用新工艺、新设备及自动化、信息化施工技术，为施工提供可靠的技术保障；

⑦通过合理安排不同排冻结孔开停时间等措施，降低工程成本，实现经济性。

3.2 冻结壁设计参数

根据斜坡道倾向穿入地层特点，控制层底板深度取为42.92m。垂直于井筒顶板最大压力按“浅埋峒室松动压力的岩柱理论公式”计算得出顶板压力为0.977MPa；两帮侧压力按重液公式进行计算得出为0.60MPa，底板压力按承受水压进行计算得出为0.49MPa。冻结壁平均温度取值为-15℃，冻土允许抗压强度为2.5MPa。

基于以上参数，各冻结段均采用无限长厚壁筒弹性理论拉麦公式进行冻结壁厚度计算：

式中：E 为冻结壁厚度，m；P 为地压，MPa；R 为井筒掘进半径，m；K 为冻土允许抗压强度，MPa。

计算得出顶板厚度为1m，侧帮厚度为1.3m，底板厚度为0.9m。通过以上计算结果，结合数值仿真计算分析，并综合斜井井筒冻结施工经验，考虑顶板及底板冻结孔割除后，冻结壁能保证支护安全，最终确定冻结壁顶板厚度为6.0m，侧帮厚度为2.4m，底板厚度为6.0m。

3.3 冻结孔施工

①根据相关地层资料及冻结壁厚度计算情况，采用在地面打竖直孔方案，钻孔深度由浅入深，最浅孔为13.30m，最深孔为48.92m（所有钻孔深度均以地表+0.00m计算），冻结孔的深度应比所在斜坡道下部开挖范围向下延伸6m。

②孔位标定孔间距允许误差±2mm；开孔孔位允许偏差不大于±20mm，每个钻孔施工前，必须实测孔口标高，而后与井口标高进行校核计算，最终确定钻孔深度。

③冻结孔最大孔间距：外排孔≤1.6m，中排孔≤2.2m，测温孔、水文孔偏斜率≤3‰。

3.4 冻结需冷量计算和设备选型

3.4.1 需冷量计算

设计冻结管盐水单孔流量为6～8m3/h，由于采用加大冻结管盐水流量等技术措施，使冻结期内冻结管散热能力大大提高，所以本设计冻结管散热系数取为250kcal/m2·h，同时考虑20%的冷量损失。根据公式Q=1.2πdHn，计算得出第一段最大需冷量为64.3×104kcal/h，第二段最大需冷量为78.4×104kcal/h，第三段最大需冷量为87.6×104kcal/h，不考虑错峰施工的最大需冷量为230.3×104kcal/h。

3.4.2 冻结制冷设备选型

基于设备制冷能力及最大需冷量计算结果，可选取5台型号LG25L20M 的冷冻机，在低温工况下，冻结站总装机容量为340×104kcal/h，配套选用QEF240/800 型蒸发器5 台，相应配备SWL-1620 型冷凝器6 台。冷冻站选用12SH-9B 型盐水泵2 台，10SH-6A 型盐水泵2 台。

3.4.3 其他管路及设备选择

斜坡道冻结孔管材：上部非冻结段选用φ108×4.5mm低碳钢无缝钢管，下部冻结段选用φ127×5mm 低碳钢无缝钢管，保温段外管选用φ159 钢管。冻结管每3 根串联为一组，具体串联按照间隔插花布置形式。

测温孔、水文孔、保温管管材均选φ108×4.5mm 低碳钢无缝钢管；供液管均选用φ62×6mm 聚乙烯塑料软管；盐水干管选用Ф426×10mm 无缝钢管。

4 数值模拟

4.1 数值模型

第四系砂土层内环境较为复杂，影响冻结温度场因素较多，为简化模拟过程，在温度场模拟中做如下假设：

①冻土及未冻土为均质、各向同性材料；②冻结管与测温管在保温层段无偏斜；③冻结孔开孔位置按设计布置，未发生偏移；④冻结管壁温度等于盐水温度。

利用有限元软件ANSYS 建立计算模型。为提高计算精度，靠近冻结管区域以及冻土发展范围内的土体进行网格加密，提高计算精度，远离冻结管的区域，减小网格密度，有限元模型如图1、图2 所示。

图1 整体有限元模型

图2 冻结管与隧道空间位置图

盐水降温计划：7d 内温度降至-18℃，15d 内温度降到-24℃，开挖构筑前温度降至-28℃，冻土和原状土的热物理参数见表1。

表1 原状土/冻土热物理参数表

4.2 数值模拟结果

为直观了解出斜井冻结温度场的发展情况，选取20d、30d、40d、55d 时的冻结温度场云图，如图3。图3 可以看出冻结前期，冻结管与周围土体热交换明显，在冻结管周围形成冻土圆柱；随时间增长，冻土圆柱逐渐扩大并交圈，直到形成连续的冻结壁；冻结后期，热交换区域平衡，冻结壁发展缓慢。冻结55d 时，冻结壁厚度达到设计的预期效果。

图3 数值仿真计算模拟冻结冻结壁形成情况

5 结语

斜坡道冻结工程，地质条件复杂、工程量大，地层沉降控制要求较高。本工程针对项目特点，提出冻结壁设计原则，确保在冻结壁保护下，掘进施工过程中地层变形符合设计要求。

该冻结壁设计方法具有通用性，对相邻地区及相似地层工程冻结设计有一定的借鉴和参考意义。