高扬
江苏省公共工程建设中心有限公司，江苏 南京 210009
摘要: 随着冻结法施工应用的逐步广泛，针对传统监测方法存在的误差率较高的问题，以下开展了基于粘土层冻结法施工的施工温度及位移场监测方法设计。根据冻结法施工的流程。设计施工温度及位移场监测模型，采用建立井筒三维坐标的方式，将检测区域划分为不同面积大小的单元格。计算粘土层散热及导温系数，实现基于冻结法的粘土层施工温度的监测。采用自定义一阶函数关系式的方式，进行位移长度与相变点的分析，进行粘土层施工位移场的监测。采用设计对比实验的方式验证检测方法可有效的降低检测数值的误报率。
关键词：粘土层冻结法；施工温度；位移场；监测分析
中图分类号:TU755.9文献标识码:A
Monitoring and analysis of construction temperature and displacement field of clay layer freezing method
Abstract: With the gradual and widespread application of the freezing method construction, in view of the problem of high error rate of the traditional monitoring method, the design of the construction temperature and displacement field monitoring method based on the clay layer freezing method is developed below. Construction process according to freezing method. The construction temperature and displacement field monitoring model is designed, and the three-dimensional coordinates of the wellbore are established to divide the detection area into cells of different area sizes. Calculate the heat dissipation and temperature coefficient of the clay layer, and realize the monitoring of the construction temperature of the clay layer based on the freezing method. The method of self-defined first-order function relationship is used to analyze the displacement length and phase change point, and monitor the displacement field of clay layer construction. The method of designing and comparing experiments is used to verify that the detection method can effectively reduce the false alarm rate of the detection value.
Keywords: freezing method of clay layer; construction temperature; displacement field; monitoring analysis;
0引言
本人于2016年5月16日-2018年8月12日在安徽省阜阳市颖上县陈桥镇，参与开展项目为刘庄煤矿东回风井井筒及井筒连接处掘砌工程，工程量为552米，井筒冻结段采用钢筋混凝土双层井壁结构。本人根据施工工作经历，总结了冻结法施工温度和位移过程，为后续施工提供正确的技术指导。
粘土在土壤中主要由细微的结晶体构成，该层土壤具有粘性较高的特点，结合其具有的特点，因此在进行施工过程中该层土壤的透气性、透水性均较差，受到施工中多种外界因素的影响，该层内部的结晶结构同时又属于矿产资源的主要构成成分，进而策划能够为有关勘察部门的研究重点[1-3]。冻结法是指采用人工方式的冷冻技术，使地层中所含水分冻结成固体冰状，将纯天然的粘土通过多种方式转换成冻土，进而起到提升土层稳定性的作用。一方面可将土层与地下水进行有效的隔离，避免地下水流动对后续施工造成影响，另一方面，有利于冻结的筒壁实施一系列相关操作。该种方法早期应用于其他国家矿产资源的开采，随着人们对粘土层冻结法研究的深入，目前已经广泛应用于矿井、埋置较深的基坑、地下多种建筑的施工工程中。尽管在一定程度上为施工带来了优化的技术，但使用冷冻法施工时，瞬间水层凝结会带走区域范围中的热量，导致施工的交圈时间过长，造成施工壁受到冷冻膨胀进而破裂，已经有部分施工出现筒壁脱落的现象，不但给施工带来了一定的经济损失，同时也在一定程度上对施工人员的人身安全造成了威胁。基于此，以下将基于粘土层冻结法，开展施工温度及位移场监测方法的设计，实时的掌握施工中筒壁出现的变化。
1粘土层冻结法施工温度及位移场监测方法设计
基于粘土层冻结法施工的特点，下述将采用建立检测模式的方式，对粘土层温度及位移场变化情况开展有效的检测，为后续施工提供技术保障。
1.1施工温度及位移场监测模型建立
依照粘土层冻结法施工的流程，下述将采用建立监测模型的方式，实现施工温度及位移场的实时监测[4-6]。模型结构如下图1所示。
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如上述图1所示，为基于粘土层冻结法施工的施工温度及位移场监测模型的整体框架结构。根据图中信息可知，间整体模型的监测过程分为氨气监测、盐水循环监测和冷却水循环监测，采用分析方法对其进行建模，结合盐水冻结点较低的特点，从盐水管安装、线路安装、水泵安装3个层面为冻结法监测，提供技术方面的支持[7,8]。为了确保监测过程中监测温度的保持，在模型中采用设置隔热层的方式，对粘土层采用环形施工方法，实施基础性的施工。采用清水冲洗的方式，对管线进行运转的循环测量，提高监测环境的密封程度，提高监测数据的有效性。
考虑到冻结法基于受到外界因素的影响，采用建立井筒三维坐标的方式，将检测区域划分为不同面积大小的单元格。自定义每个单元格大小的分寸取值为0.25~0.35，单元格之间以网状结构排列。将筒壁进入口向下方向记为坐标的高，正向测量方向为长。分析筒壁传导热量的方式，确定冻结法使用过程中涉及的边界条件，为下述粘土层施工温度及位移场的检测奠定基础。
1.2粘土层施工温度监测
粘土层施工温度监测首先需进行筒壁泄压孔压力的分析，当监测到泄压孔的压力值小于0.1兆帕时，可自定义认为此时状态下的粘土层冻结已经基本处于完全冻结状态[9,10]。根据测得数据，由于冻结土层散热会对实际施工温度的监测造成影响，因此下述将进行基于冻结法的粘土层散热计算。计算公式如下所示。
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1.3粘土层施工位移场监测
根据上述测量的粘土层施工温度，下述将基于冻结法开展粘土层施工位移场监测的研究。首先，根据粘土层冻结前的平衡状态，分析热导系数对土体位移造成的影响，结合多种影响因素对土体形成的位移，进行其中相变关系的计算。采用自定义一阶函数关系式的方式，进行位移长度与相变点的分析。表达式如下。
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示为粘土层实时监测温度，表示为位移测量中瞬间转变存在的位移间隙。根据上述公式中两者存在的关系，可采用冻结法中添加模块的方式进行后期位移场的测量。其一，可添加无液体流动模块，即粘土层与地下水或底部边界之间不存在覆盖或包围关系。其二，添加检测的位移场初始数值，对比出现位移差之后两者之间的差值存在的比例。其三，添加固定约束数值，可默认为经过冻结法后的粘土层底部具有一定的稳定性。其四，添加粘土层底部轴距支撑，在确保粘土层不会发生水平位移的基础上，分析粘土底部的承重能力，进而判断其是否会发生沉降，进行产生位移场。采用上述基于冻结法施工的监测方式，可有效的提升粘土层土体位移的精准程度，实现基于粘土层冻结法施工温度及位移场监测方法的设计。
2实验论证分析
2.1实验准备
为了掌握施工过程中粘土层的实时变化情况，采用设计对比实验的方式验证本文设计的粘土层冻结法施工温度及位移场监测。随机选择某一井筒施工区域，采用传统的检测方法分析其地下350米的施工温度及发生变化的位移场，提取其检测中的数值，分析其误检率，将其设定为对照组。采用本文设计的基于粘土层冻结法的施工温度及位移场监测方法进行相同步骤的操作。收集实验数据，将其设定为实验组。
2.2实验结果及分析
根据上述设计的实验，最后收集6组实验数据。将数据进行整理。如下图2所示。
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根据图2中的实验结果和实验过程中产生的数据，得出：本文充分的利用了粘土层冻结方法，有效的提高了对配井筒施工温度及位移场监测的准确率，为施工工艺的发展带来了更广阔的发展空间。
3结束语
本文针对刘庄煤矿东回风井井筒及井筒连接处掘砌工程，提出一种基于粘土层冻结法的施工温度及位移场监测方法，并通过设计对比实验的方式，进一步证明该方法的可行性和准确性。尽管本文设计的方法已经趋近于成熟，但仍存在问题，例如在井筒施工过程中，对于筒壁冻结的修复期没有进行过多的考虑、对于解冻期的现场实测没有落实到实处以及未考虑到冻结法施工的温度场、应力场及渗流场等多个方面存在的耦合等问题。因此，在后续的设计中，还将对上述三方面的问题进行更加深入的研究及讨论，从而为粘土层冻结法施工方法在市场的可持续发展提出正确的技术指导。
参考文献
[1] 苗生栋,江开尧.深厚冲积层冻结法凿井冻结参数设计与施工技术[J].煤炭技术,2019,38(04):25-27.
[2] 连裕鑫,孙争上,方志斌,等.冻结法在地铁联络通道中的应用及温度场分析[J].中国科技信息,2019(02):90+92.
[3] 薛维培,姚直书,宋海清,等.厚黏土层冻结法施工的煤矿井筒安全监测分析[J].中国安全科学学报,2016,26(04):137-143.
[4] 杨平,陈瑾,张尚贵,万朝栋. 软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究[J]. 岩土工程学报,2017,39(12):2226-2234.
[5] 考虑与周围土体相互作用的非均质冻结壁力学特性分析[J]. 王彬,荣传新,程桦.??煤炭学报.?2017(S2)
[6] 曹雪叶,赵均海,张常光.?基于统一强度理论的冻结壁弹塑性应力分析[J]. ?岩土力学.?2017(03)
[7] 曹雪叶.人工冻土粘弹塑性蠕变本构理论及冻结壁力学特性研究[D]. 长安大学?2017
[8] 辛林,程卫民,谢军,刘震,胡相明.?岩石单向加热热固耦合数值模拟研究[J]. ?煤炭科学技术.?2018(07)
[9] 杨更社,荣腾龙,奚家米,申艳军,李博融.?煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析[J]. ?地下空间与工程学报.?2016(02)
[10] 甘甜,仵杰,邢德键.??基于COMSOL带腐蚀凹陷套管井的声场数值模拟[J]. 电声技术.?2017(Z1)