复杂地层中地下工程特殊施工技术发展与展望（1）.doc

复杂地层中地下工程特殊施工技术发展与展望（1） 2003-1-29 复杂地层泛指不稳定的表土层和稳定的但裂隙发育的含水层。在这些地层中用常规技术建设地下工程常发生顶板、侧帮垮塌,涌砂冒泥,或大量涌水淹设工作面等事故,因此必须采用特殊施工技术常称“特殊施工技术”或“特殊凿井”。目前采用的诸多特殊施工技术,按其实质和特点可基本分为三大类 ａ超前支护类即在工程井筒、巷道或硐室掘砌之前或掘进同时,一次或连续的采用超前于工作面的支护技术,用来防止或减少坍塌、涌砂及地下涌水,而不改变地层的物理力学性质,然后在超前支护的保护下进行掘砌工作。属于这一类的特殊施工技术有各种板桩法、各种沉井法、掩护筒法也称“盾构法”等。 ｂ改变客观条件类在地下工程施工之前采用某些科学方法,暂时或永久改变不利于施工的工程地质条件为适宜施工的条件,然后用常规技术进行掘砌工作,属于这一类的特殊施工技术有人工冻结法、注浆法、混凝土帷幕法、降低水位法等。 ｃ机械破岩类利用机械能破岩、出岩及砌筑永久支护,使全部掘砌过程基本保持围岩的稳定。属于这一类的有钻井法。 超前支护类一般用于浅表土层和水压不大的条件。例如在房屋基础工程中多用金属板桩、施喷桩。在几米至十几米深表土建井也有用木板桩或金属板桩的。引桥基础常用沉井法和钻注桩,地下铁道中多用掩护筒等。对于深表土层或地压、水压较大的地层只能用改变客观条件类和机械破岩类施工技术,即人工冻结法和钻井法,在稳定的裂隙岩层中多用注浆法和冻结法。工程实践中可知,对地下水防涌效果好,对地层扰动小的特殊施工技术就愈有效 ,可靠性也高。 考虑到煤矿复杂地层中的井巷工程多数处于深厚表土层,深风化带和深部破碎地层中,可供选择的主要施工技术为冻结法、钻井法和注浆法,故该三项技术作为论述的重点。 1 人工冻结法 在地下工程掘进之前,用人工制冷的方法将地下工程周围岩土冻结成封闭的冻土结构物冻结壁,用以承受地压和隔绝地下水或沙的涌入,然后在冻结壁的保护下进行掘进与支护的施工方法称为人工冻结法简称“冻结法”。1955年我国引进冻结法凿井技术,至2000年在煤矿建井中,用冻结法凿井的井筒超过400个。最大冻结深度435ｍ河南省永城陈四楼矿副井,通过最厚的表土层378ｍ山东省邹县金桥矿,成井最大净径8.0ｍ河北省开滦钱家营副井,安徽省淮南潘集 2号井副井等。处于开发准备期的山东省巨野矿区表土层厚度400～700ｍ。冻结法凿井的特点是用人工制冷的方法,在施工前制造了一个以冻土为材料的冻结壁作为施工中的临时支护。正是由于冻结壁的产生和存在,也带来一系列的新课题。40余年的工程经验和科技研究的进展,可分为三个阶段。 第一阶段从引进冻结法凿井至70年代,其特点是引用、学习、推广。这期间冻结法凿井多用于深200ｍ以内的较浅表土层中除河北省邢台矿外,对冻结壁的认识基本上是弹性的、小变形的、均质的圆筒状的人工冻土结构物。除施工后自然融化外,其余均与普通地层中井筒井壁施工相似。冻结壁的设计按平面轴对称厚壁筒应力公式,引用第一以后引用第三或第四强度理论推导的拉麦ＧＬａｍｅ公式求冻结壁厚度Ｅ为 （1）式 略 当表土层深度超过150ｍ时,用（1）式求出的冻结壁厚度值很大,甚至无解。故又引用德国学者多姆克ＯＤｏｍｋｅ公式。 （2）式 略 工程中科技人员为保障冻结壁安全,常用冻土许用抗压强度 [σ]取代σ。2式对可用于深表土层中300ｍ深以内的冻结壁厚度设计。但也常出现一些工程问题。例如在邢台矿主、副井冻结凿井中,已发现冻结壁径向蠕变较大,但未引发重大工程事故,可惜未引起工程界的严重关注。 第二阶段从70年代初开始,在淮南、淮北、兖州、大屯等矿区进行大规模开发。这些矿区均为深厚表土层覆盖,主要用冻结法和钻井法通过表土段施工,由于表土层深厚、复杂、地压大,按计算所得冻结壁厚度在6～12ｍ,甚至更大,而人们主观概念希望冻结壁厚度减小在4～6ｍ。为在理论上找到依据,或加大冻土强度值,或采用第四强度理论,或采用前苏联学者维亚洛夫教授和扎列茨基教授把冻结壁作为理想弹塑性体的计算方法,希望冻结壁厚度计算值与以往经验值相近。工程实践中,由于冻结壁薄造成冻结壁径向变形加大,致使外层井壁在凿井中被压坏,或引发冻结管断裂造成盐水漏失致使冻结壁局部破坏,工作面上鼓严重,这些都严重影响工程进展和安全,甚至造成重大工程事故使工程失败,工程实践中认识到简单的引用弹性或弹塑性理论,再作若干假设后求解的方法,不能反映工程客观实际,因而也不能解决工程问题。 第三阶段始于80年代初,基于上述现实使科技工作者认识到冻结壁的工况是非常复杂的,冻土和冻结壁的力学和热学特性都需要从实测、实验开始进行研究。理论研究也要从单参数进入到系统的耦合作用的研究。20年来取得初步成果由中国科学院原兰州冰川冻土研究所吴紫汪研究员、丁德文院士等和特殊凿井公司合作对两淮地区土和冻土的热物理参数、力学性能进行实测研究,发表专著冻结凿井冻土壁的工程性质一书,其中许多成果被建井工程手册和有关单位采用。由煤炭科学研究总院北京建井所陈文豹研究员、中国矿业大学建工学院马英明教授等、特殊凿井公司熊声誉高工等及淮南工业学院建工系等先后在两淮矿区、兖州矿区的20余个井筒,对冻结壁、井壁的应变、位移、应力、温度等参数进行实测研究,获得了冻结壁径向变形与掘进段高、段高暴露时间等参数之间的关系;冻结壁径向位移沿段高分布规律;冻结压力与深度、土性等参数的关系及数值范围。一些成果被设计规范所采用。中国矿业大学建工学院崔广心教授等研制大型竖井模拟试验台,以相似理论为基础对冻结壁各力学参数、热学参数和几何参数间的关系进行模拟试验研究,进行了冻结管在冻结和掘砌工作阶段受力的物理模拟试验研究,获得了冻结壁厚度与诸参数间的回归方程;指出冻结壁整体强度不够是冻结壁径向变形大、冻结压力大、冻结管断裂的主要原因。兰州冰川冻土研究所吴紫汪研究员等和淮南工业学院土建系郁楚候教授等也进行了中型的模型试验并取得一些成果。 一些研究者采用近代数值模拟技术,对冻结壁热学、力学及湿度场及其耦合作用进行研究,对冻结法凿井理论和技术进步作出了贡献。 当前我国在冻结法凿井方面具有钻800ｍ深冻结孔的技术,冻结技术和凿井技术均可达到世界先进水平,在300ｍ深以内的表土层中已属“常规”技术。 冻结法凿井增加了一个冻结壁,它对井筒掘进和砌浇井壁以及井壁结构带来很大影响。冻结壁必须在0℃以下而且常常是平均温度为-10～-8℃才能保持其强度和稳定性。而井壁材料混凝土必须在4℃以上才能水化使其强度增长,这一“冷”和“热”的矛盾引发一系列工程现象和问题。工程中浇灌混凝土的入模温度在30～50℃,随时间延长又降到0℃以下,解冻后又上升到常温18～24℃,温差大造成温度应力亦大,使井壁产生裂纹和裂缝。 对冻结法凿井中井壁的认识和研究也有一个过程。经济营运对地下工程支护的要求是有足够的强度保证安全和不渗漏,对厚表土层中井壁的要求亦同。 我国首先使用冻结法凿井的是开滦林西矿风井,选用钢砖砌筑井壁。解冻后强度未发生问题,但淋水严重。之后把井壁改用整体混凝土或钢筋混凝土结构,解冻后仍有大量漏水,不得不采用注浆等技术堵水,但长期效果不佳。开滦范各庄矿主井为解决淋水大的问题,在井壁内套砌200ｍｍ厚井壁取得较好封水效果。故在河北邢台矿主井井壁设计时就采用双层井壁结构。其主导思想是内外层井壁共同承受地压,内层井壁自下而上一次砌筑欲求密实防水。实践结果不尽人意,且随着表土层深度的增加,井壁裂缝漏水程度逐渐加大,有的被迫再套砌一层井壁减小了井径,形成三层井壁组成的复合井壁如淮北矿区临焕矿主井。这一时期井壁强度无大问题,而渗漏水问题严重。 70年代末到80年代初,对井壁防漏水的认识有一次飞跃。在井壁应变、应力实测中,发现内层井壁受有较大的温度应力。在研究国外经验的基础上,在淮北建设的新井中,在双层井壁中间夹设一层薄塑料板层,取得良好防漏水效果。究其原因主要不是塑料夹层隔水,而是夹层隔开了内、外层井壁间的约束,允许内、外层井壁间有微量滑动,从而消除了温度应力,防止了内层井壁由温度应力造成的裂缝 从而达到防渗漏的目的。这一认识上的飞跃,对解决井壁漏水问题起了关键作用。同时为提高井壁承载能力,研制了高标号混凝土和钢板混凝土,复合井壁结构取得了好效果。在400ｍ深厚表土层支护井壁的质量得到保证。 1987年夏在华东地区有20余个在厚表土层中的井筒井壁发生破裂灾害,之后每年都有新发生的井壁破裂灾害,至今已有数十个之多,大屯煤电公司和中国矿业大学建工学院经过工程实测和物理模拟试验研究发现井壁破裂机理是在原表土层中含水层直接覆盖在煤系地层上或有明显水力联系,由于采矿活动或人为抽水使含水层疏排水造成水位下降,土体有效应力增加,土层固结造成地层下沉,在土层下沉过程中对井筒外壁施加一个向下的竖直附加面力简称“竖直附加力”是造成井壁破裂的主要原因。这一发现是对表土段井壁工况和受力认识上的又一次飞跃。传统理论认为表土段井壁和岩石段井壁一样,主要承受水平地压作用,井壁自重主要由地层承担。实际上在特殊地层条件下,井壁在竖向不仅要承受全部自重,还要承受竖直附加力,该力是井壁稳定性的控制因素之一,有时是主要因素。它使井壁结构选择和设计原则由平面静力学问题转向三维动态力学问题。这是井壁设计观念和理论的突破和更新。 依据这一机理对井壁破裂的治理和预防研究,可供选用的技术路线有①“抗”,即提高井壁材料强度,加大井壁厚度,增强井壁承载力,承受这一外载;②“让”,改变井壁结构,使其竖向可缩,适应土层固结压缩和地层下沉,保障井壁安全;③“减”,即充填加固含水层,减少以至消除土层固结压缩,从而减小地层下沉及其引发的竖直附加力,达到井壁安全的目的;④以上三种技术路线的组合。之后对竖直附加力沿井深分布规律及与诸参数间关系的研究,获得深度300ｍ以内的深厚表土层中竖直附加力沿井深分布的规律及数值。在含水、砂层中为40～140ｋＰａ,粘土质砂层为20～100ｋＰａ,粘土层为5～30ｋＰａ,砂质粘土层为5～50ｋＰａ,其值随深度的增加和水位下降速率的增加而加大,获得气温对井壁造成温度变化,从而产生的温度应力可达2～8ＭＰａ,这是井壁多在每年4～9月份破坏的诱因。这些成果为井壁防治技术的开发奠定了基础。 淮北矿业集团公司、煤炭科学研究总院北京开采所、淮南工业学院的科技人员以“让”为主导思想开发了“卸压槽”技术,可卸减竖直附加力对井壁的作用。大屯煤电公司、中国矿业大学以“减”为主导思想开发了“注浆加固地层”减少地层下沉量,从而减小竖直附加力的治理技术,以及以减小竖直附加力作用的新型井壁可缩装置和井壁结构。应用这些技术修复了已破裂井壁约60个,在新建井筒采用预防技术的已有10余个。 厚表土层井壁受力十分复杂,增加了施工中的冻结壁就更加复杂。因此深入开展深部的土力学研究,以确定井壁和冻结壁外载。开展深土冻土力学和冻结壁结构力学研究,以及深土中冻结壁、井壁之间力学、热学和水渗流的耦合作用,对于开拓表土深度超过400ｍ的冻结法凿井和支护技术就更加急迫了。 2 钻井法 钻井法是用机械能破岩,利用流体静压保持岩帮稳定,借助流体循环清除岩屑,然后在流体中下放地面预制的支护的凿井法。它使地下作业地面化,凿井工程全面机械化。 1969年在淮北矿区朔里矿南风井试验钻井法凿井获得成功,之后该凿井法主要用于极硬岩中钻井和厚表土层中钻井。 为地下核试验需要研制了在极硬岩抗压强度180～240ＭＰａ中钻大直径深井的钻井机,我国科技工作者自立更生攻克极硬岩钻进关,完成工艺流程试验和钻井参数试验研究,设计制造了极硬岩钻机,使用效果良好。填补了国内在极硬岩钻井的空白,技术水平跻身世界3强之列美国、中国、前苏联。 钻井技术在民用中主要应用于厚表土层中煤矿建井。至今用钻井法钻凿井筒50余个。最大钻进直径9.3ｍ淮南矿区谢桥矿西风井,最大成井直径7ｍ淮南矿区谢桥矿西风井,潘集三矿西风井等,最大钻井深度达508.2ｍ淮南矿区潘集三矿西风井,钻进直径9ｍ。 钻井法的应用和发展与国防建设、矿山建井工程需要、机械制造工业水平的发展密切相关。我国先后设计不同性能钻机十余种。成熟的有ＳＺ9/700型、ＡＳ9/500型等。购进德国钻机Ｌ40/800型。在极硬岩钻具和表层钻具研制、洗井系统和洗井液的制备与性能调控、护壁技术以及洗井液的固化处理技术都取得突破性进展,达到或接近国际先进水平。 井壁地面预制、移运和在井口连接、下沉技术、壁后充填技术均日臻完善。近年来建井任务不多,钻井法凿井扩展应用到水电站泄水洞、桥墩工程和高架桥桥墩等市政工程中。 需要指出的是钻井法凿井井壁亦同样受到含水层疏水造成的竖直附加力的作用而破裂。因此在新井井壁设计中也应采用三维动态力学方法。井壁破裂的治理技术与冻结法井壁相同。 3 注浆堵水与加固技术 在裂隙含水层或松散的含水砂土层中注入可凝结的浆液,充塞裂隙堵水或固结砂土或碎岩,减少涌水、改善工程环境、利于地下工程施工的技术叫注浆技术俗称“注浆法”。 按注浆时间常把注浆法分为预注浆和后注浆。预注浆是在地下工程施工之前进行注浆改变工程环境,后注浆是在地下工程完成后为堵渗漏水或对支护局部加固而进行的注浆。注浆技术应用很广,煤炭工业、水工工程、土木工程、隧道与桥梁工程、河港工程等都有广泛应用。煤矿中岩层堵水、软岩支护、表土段地层加固、井壁堵水等工程都常用注浆法。50年代对涌水量大的河北峰峰矿区、河南焦作矿区采用注浆堵水技术,浆液为水泥浆和普通粘土浆为主,取得一定效果。注浆技术中主要问题是①浆液中颗粒较大,对细裂缝不能注入;②注浆泵压力有限,至使浆液扩散范围达不到预期位置;③浆液固结后结石率低、充堵效果差;④浆液凝固时间不可控,影响该技术效果的发挥。 50年,来科技工作者作了大量工作,取得丰硕成果。 ａ浆液材料由单一成分的水泥浆或粘土浆发展到多种材料配制,因而改变了浆液性能适应工程要求。特别是凝结时间可调控,结石率提高到60以上,甚至可达100。 ｂ浆液材料由细颗粒水泥、粘土进展到溶液材料俗称“化学浆液”。例如ＭＧ646,其粘度与水相同,即水可渗到之处浆液就可以注到其位,且结石率接近100。这种浆液一般用在细裂缝或表土层中。属于这类浆液的还有水泥水玻璃浆、脲醛尿素甲醛、聚氨酯 即氰凝 浆液等。 ｃ为适应注浆工艺需求研制了ＹＳＢ300/20型注浆泵,2ＭＪ3ｍ3/4ＭＰａ隔膜计量泵,专用混合器和止浆塞等专用设备。 ｄ为向指定位置注浆,研制开发了定向钻孔设备和技术。 上述成果使注浆技术的应用范围和可靠性均大大提高。 4 展望 按学科分类,地下工程属“土木工程”学科一级学科中的“岩土工程”学科二级学科。也就是说矿山建设工程是土木工程在采矿工程中的应用。因此地下工程特殊施工技术除矿山建设工程外,在土木工程中的其它二级学科中也大有用武之地。 在煤矿建设方面,华东、华中、华北和东北地区待建矿区和已开发地区大多是深厚表土层或地层裂隙、断层发育、含水量大的地层,在这些地区建设井筒都必须应用特殊施工技术。在一些大巷和硐室中,特别是破碎带和软岩中的地下工程也需用特殊施工技术。 在市政及交通的地下工程中,随着地下铁道、越江及越海隧道、地下电站、地下城市、天然气、油、水地下储存和国防工程的发展,人们越来越多地把岩土工程的重点转向地下工程。不但注意利用已有的天然洞或废弃矿井,而且按需要采用人工兴建地下工程。近年来世界上已建成的著名地下工程主要有 ａ英吉利海峡隧道工程。在海底40～50ｍ深泥灰岩中,于1991年完成三条总长156ｋｍ的铁路隧道,连通法国和英国。 ｂ挪威奥林匹克地下体育场。位于奥斯陆以北约100ｋｍ有一个世界上最大的岩洞。跨度61ｍ,高25ｍ,长91ｍ。1994年冬季奥林匹克运动会冰球比赛在这里举行。 ｃ澳大利亚悉尼歌剧院地下停车场。建在风化砂岩中共12层上覆岩层仅7～8ｍ,是世界上唯一的螺旋形地下结构。 ｄ美国堪萨斯市。利用矿山采空区建成了一座27871.2ｍ2的商业、工业中心,运行效果良好。 在建和将建的巨型地下工程主要有 ａ南非莱索托水利工程,这是个跨世纪的引水工程。其中有200多ｋｍ的引水隧道。 ｂ欧洲铁路的第二次革命,计划中的重大隧道工程有从丹麦穿越北海至波罗的海之间的大贝尔特海峡的海底隧道;从哥本哈根到马尔默连接的越海隧道;从丹麦泽兰岛到德国本土的越海峡隧道;从意大利米兰到法国里昂的穿越阿尔卑斯山脉的长约54ｋｍ的铁路隧道等。 ｃ俄罗斯提出的连接俄罗斯与日本的横穿日本海海底隧道计划鞑靼海峡约7ｋｍ,宗谷海峪约43ｋｍ,工程完成后,可以从东京直开到巴黎的火车。 ｄ美国、俄罗斯和加拿大提出的在白令海峡修建一条全长约 90ｋｍ的海底隧道,将阿拉斯加和西伯利亚连接起来。 ｅ日本拟建东京至大阪的地下飞机飞行隧道,深50～150ｍ,东京至大阪仅需运行50ｍｉｎ。 我国计划修建和正在修建的巨型地下工程有 ａ渤海海峡隧道工程,深100ｍ以下,长约57ｋｍ,把山东半岛和辽东半岛连接起来。 ｂ琼州海峡隧道,埋深80ｍ,长15～30ｋｍ正在选线中,将把雷州半岛和海南岛连接起来。 ｃ南水北调西线工程,从长江上游把水调到黄河。各种调水方案均包括许多隧洞工程,最长隧洞可达131ｋｍ,一般海拔为2000～5000ｍ。 ｄ南京、南通等市的过江隧道;各省会直辖市的地下铁道工程、地下商场等大型地下工程。 当前世界上人口爆炸性增长,土地退化,可应用的土地面积减少,环境恶化,人类赖以生存的地球不堪重负。因此地下建筑物为人们所重视。它的主要优点是①有利于节省土地;②有利于环境保护;③有利于节约能源;④有利于生态平衡;⑤抗震性能及防护性能好。缺点是造价高。土木工程界人士一种非常普遍的观点是“1 9世纪是桥的世纪,20世纪是高层建筑和高速公路的世纪。以英吉利海峡隧道工程为里程碑土木工程开始进入地下工程时代,21世纪将是人类开发利用地下空间的世纪”。让人们“往深处想”,把地下岩土体作为一种新型国土资源,并在总体上称之为“地下工业”。特殊施工技术除了为矿山服务外,将在地下工业的建设中发挥优势,作出辉煌的贡献。