冻结管断裂原因及防破裂措施

1、冻结管断裂原因及防破裂措施    摘 要：随着冻结法在矿井建设中的不断应用，以及矿井深度的不断加大，冻结管的断裂问题显著。在冻结法凿井中，因局部冻结管断裂，造成盐水泄漏，会引起连锁断管反应，降低冻结壁强度，威胁冻结凿井安全，如何防止冻结管断裂或在局部断管后如何采取有效的补救措施避免事故的进一步扩大，是冻结法凿井施工中的技术难题。通过对冻结管受力分析，得出冻结管的应力分布及应力计算公式，同时通过对冻结管在钻进安装和冻结施工期间可能发生的断裂现象分析，得出冻结管断裂的原因，进而通过归纳总结得到防止各种原因导致冻结管断裂的措施，对工程设计及现场施工具有较大的指

2、导意义。关键词：断裂；冻结管；冻结法；冻结施工0 前言冻结法是井筒穿过表土层较厚、流砂多、含水层较多的地层或在城市地铁建设中盾构出入洞口的土体加固和联络通道建设等情况，而采用的一种比较理想的岩土体特殊处理方法。在国内外都得到了广泛的应用。但在安徽、河南、山东、河北等省的矿区中1，第四纪地层和不稳定第三纪地层表土层厚度大，冻结深度超过了700m，并且有逐步加深的趋势，这就对冻结壁厚度提出更高的要求。近年来施工的深冻结井仍发生有不同程度的冻结断管事故，不仅给工程带来安全隐患，影响了井筒的正常施工，而且造成了很大的经济损失。如何避免冻结管断裂事故，以及在局部断裂后采取有效补救措施，防止事故的进一步扩

3、大，仍是目前深井冻结施工的技术难题。1 断管现象概述冻结断管事故多发生在强化冻结积极期，一般分三个阶段1：首先发生断管的是内圈孔，在井筒表土段掘砌施工过程中，靠近井帮的冻结管发生断裂，并伴随冻结壁发生位移。这是由于冻结孔距离井筒较近，加之井筒的掘砌施工，井帮出现片帮现象，造成冻结壁位移、底鼓，使冻结管受力不均匀，产生拉、弯、扭等变形，进而产生裂缝、断裂，泄漏盐水。这一时期泄漏盐水量虽不大，但侵蚀了冻结壁，造成冻结壁结构不平衡。其次是中圈孔断裂，这主要是由于内圈孔断裂没得到重视，或掘进过快，冻结壁还没有发展到位，温度高，造成位移等。盐水侵蚀冻结壁后，原有平衡被破坏，从防片孔至井帮间的冻土要重新建

4、立平衡，引起冻结管位移；另外，混凝土放热造成井帮温度上升，靠近井壁的冻结壁温度回升，产生温度应力造成冻结管上的一些薄弱的环节发生断裂。这一时期，盐水泄漏量较大，但盐水排出量很少，大部分盐水留在了冻结壁内，形成“盐水空洞”，很难在进行冻结施工。最后是外圈孔断裂，这种现象较为少见，但危害极大。一旦断管，发生盐水泄漏，会造成冻结壁直接受盐水侵蚀溶化，而且强度降低，原来的受力平衡状态被进一步破坏，造成粘土膨胀量大，表现为井帮位移大，井壁裂纹、裂缝增多，裂缝增大等现象。这一时期，冻结管受力很不均匀，且在持续低温、盐水流动及盐水氯化物侵蚀作用下，发生接二连三的断管事故。-1-2 冻结管受力分析由于在地铁的

5、冻结施工中冻结关的长度一般较矿井冻结浅好多，因而我们就针对矿井冻结时的问题进行分析。在冻结立井施工过程中，冻结管受力通常主要来自于以下三方面2：(1)冻结管冷缩过程中，冻土对其外壁的摩擦力；(2)冻结管的侧向弯曲变形；(3)冻土的外压力、盐水的内压力。其中摩擦力影响最大，在冻结管的断裂中起主要作用。弯曲应力虽较前者为小，但为导致冻结管断裂的直接作用。内、外压力的影响远小于前面两方面的因素，但由于它的作用使得管内各点成为三向应力状态，因此具有理论分析的必要性。2.1 摩擦力作用下竖向应力的分布规律冻结法施工中，随着冻结系统的运转，冻土对冻结管的径向压力及两者之间的摩擦系数会显著增加。因此，冻结管

6、在冷缩过程中会受到较大摩擦力的作用。当这种冷缩达到一定程度，管中就会产生一特殊层面，称为中性层。该层上方摩擦力向上，该层下方摩擦力向下，该层处摩擦力为零。冻结管在此层面上将产生最大拉应力3。2.2 冻结管弯曲应力的确定新开挖的冻结壁在地压作用下，必然会产生一定的径向位移，因而置身其中的冻结管就一定会发生侧向弯曲，产生弯曲应力。如图2-14所示,刚开挖出来的部分实际上是一个处于弹塑性状态的冻结圆筒，而长度为h 的冻结管(h 为刚开挖部分的段高)则可视为下端固定的半无限长梁。其最大弯曲应力发生在固定端部位，数值可根据公式2-14求得：图2-1 冻结管受力状态Fig. 1 The force sta

7、te of frozen pipes' '2 ' 2 ' 2 ' 2' '' 0max ' ' ' 2 ' 2 0 ' 2 ' 201 1 ( ) ( ) ( )(1 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 4DEk D d p q r qd pD kE r D d D d EI + = + （2-1）式中： E' -冻土弹性模量，MN / m2 ； ' -冻土泊松比；D' -冻土壁外径，m ；d' -冻土壁弹性区内径，m ；-2-q

8、-冻土壁中弹性区与塑性区界面处的相互作用力， Pa ；0 k -地基系数；D -冻结管外径，m ；I -管横断面对其对称轴的惯性矩，m4 ；E -冻结管弹性模量，MN / m2 。通过上式代入数据计算就可以得出冻结管达到最大弯矩值。2.3 管在内外压作用下的应力分析由于施工的过程中使用的绝大部分式圆形钢管，对于在内外压作用下的应力分布，我们完全可以采用弹性力学中的近似按照长厚壁圆筒的弹性力学结果进行计算，在这里我就不详细的介绍了。通过以上对冻结管的受力情况的分析，特别是对其所受最大弯矩的计算，很清楚的可以得知什么位置是冻结管的最危险面以及最危险面上的受力情况、受力组合等。通过材料力学、弹性力学

9、的分析，评价冻结管十分安全，如不安全将如何采取措施。3 冻结管断裂原因及防治措施3.1 断裂原因分析（1）地质条件的影响随着深度的增加，地应力的增加对冻结管的安全是一个很大的威胁；岩土层的组成与分布情况、地下水的赋存情况、是否有高膨胀型粘土的存在都会影响冻结管的安全。由于地质情况复杂，同一层位土质表现出不均质性，致使在同样条件下冻土扩展速度不一致，平均温度、冻结壁强度不均衡，产生局部应力集中。特别是粘土层位与其他层位交接处，极易出现断管。（2）冻结深度的影响表土层的地压大小与埋深成正比，愈深地压愈大。由于在深部地层地压较大，冻结壁变形很大，因而容易导致冻结管发生断裂。（3）粘土层的自身膨胀性实

10、验和工程实际表明，作用在外壁上的冻结压力与土层的冻胀性能密切相，冻胀性越强，冻结压力越大。同样负温条件下，砂土的冻胀性比粘土层小得多5。也就是说，同样负温、地压条件下，粘土的变形要比砂土大得多。第三、四系地层是具有膨胀机制和胶体机制的粘土层和疏松散层，主要矿物是伊利石、蒙托石、高岭石等，加之含水量较高，膨胀性和软化性更显著。当膨胀力超过了外壁的抗压强度时，势必要造成变形破坏。煤科院北京建井研究所进一步研究认为：含水量25%，液限55%，塑性指数18%，粘粒 (粒径0. 005 mm)含量60%，“三高一大”性质的粘土层蠕变变形量大，是危险粘土层，易发生断管事故。（4）冻结造孔质量不合格冻结孔钻

11、取孔径过大6，部分冻结钻孔偏斜超标，冻结管在冻结孔内不能有效固定，有的甚至还能左右前后的晃动，这使得在冻结造孔过程中的泥浆大量堆积在冻结孔下部，也就是堆积在基岩段和表土层最下部的深厚粘土层段，造成冻结管周围很大范围内的冻结属于泥浆冻结。而泥浆冻结的特点是：不容易冻结；即使是冻结了，其冻结强度也很低，这样在地-3-压大的情况下很容易造成冻结管位移。另一方面，对偏斜超标的冻结孔采用导斜塞纠偏后出现拐点较多，造成应力集中，除了向井心方向偏斜易产生断管外，沿圈径切线方向偏斜及因剧烈纠偏形成折点的冻结孔也易产生断管。同时，冻结孔在下钢管过程中，如果焊接质量不高，钢管管口连接处形成薄弱带，也易最先遭到破坏

12、。（5）冻结壁的不均匀性因冻结孔偏斜造成冻结壁形成厚度、强度不均匀的厚壁圆筒，地压、冻结压力等应力将向冻结壁强度大的地方集中，局部井帮温度较低，冻土强度最大，应力易在此处集中，冻结管易弯曲变形，此处冻结管易遭到破坏。（6）冻结站运行不力在冻结法施工过程中，冻结站不能很好的配合施工，出现了冻结系统盐水进缸、蒸发器不能正常工作，甚至还有无故停机，使得冻结站运行不稳定，造成盐水温度起伏波动，使冻结管因热胀冷缩产生温度应力，沿管壁形成纵向拉应力，使焊接质量存在一定问题的冻结管在焊接头薄弱处拉裂，导致冻结管泄漏盐水。（7）掘砌速度和速度的影响掘砌施工速度过快，冻结壁强化冻结时间不够，导致冻结壁厚度及强度

13、都未能达到设计值。同时由于空帮高度过大，冻结壁变形过大，导致冻结管变形过大发生断裂。（8）冻结管焊接质量在地压、盐水压力及冻结壁变形的共同作用下7，冻结管焊接质量不好很容易发生断裂。3.2 断管防治措施（1）根据地质条件设计冻结方案熟悉工程地质与水文地质资料，合理选择冻结方案和冻结孔的布置，选择强度大、质量好、表面光滑的冻结管。（2）及时发现断管现象根据现场的监测技术，检测去回路盐水的流量有较大变化，冻结站盐水箱内盐水水位下降明显,报警器报警；冻结沟槽内，盐水流动的声音明显，有咚咚的响声；断裂的冻结管头部塑料管受大气压作用而发生变形。（3）严格控制冻结管质量和钻孔质量  &

14、#160;     确保冻结管的强度、脆性转化强度、冲击韧性以及拉伸、收缩等各项性能指标能全面满足深井冻结施工需要8。控制钻孔的偏斜率，保证冻结管顺利安全的安装。（4）确保冻结壁的厚度和强度冻结壁的强度和厚度主要取决于冻结孔的布置圈直径、钻孔偏斜率、冻结时间、盐水温度、段高和段高暴露时间、井径等参数。控制盐水温度和循环方式，并且控制下部冻结速度，随着掘进深度的加深，盐水温度也应该随着降，当掘进至最大地压时确保冻结墙的厚度和强度，为施工制造条件。（5）加强冻结，尽可能降低冻结温度在外壁和冻结壁共同作用的承压结构中，加强冻结能够使冻结壁厚度和强度远

15、远超过一般的设计规定，使冻结壁几乎可以成为一个弹性结构，从而减小变形，缓解作用在外壁上的压力。这虽然可能要增大冻结成本，但相对于破坏后返修所造成的人力、物力和财力的损失是值得的。-4-（6）严格控制井壁的施工质量井壁起着冻结井筒临时支护和抵抗冻结压力的作用，施工质量如果不好，井壁就有可能发生压坏现象，冻结壁位移就会得不到控制从而引起冻结管断裂，因此要严格控制外层井壁的施工质量。（7）掘砌施工与冻结施工要密切配合井筒掘砌施工过程中，要坚持以“冻结”为主，“掘砌”服从于“冻结”的原则9。采取合理的段高及井帮暴露时间，最好是短段掘砌，以防井帮变形位移造成冻结管断裂事故。这种方法能够提高掘进速度、缩短

16、空帮高度与时间，是防止井帮破坏的有效手段。因为，段高大或施工速度慢,都会延长空帮时间，从而使冻结壁变形加大，对井壁不利，可能会造成冻结管的断裂。4 结语断管是冻结法凿井中很大的难题，特别是深厚粘土层的井筒，往往损失不可估量，应竭力避免。但随着近年来深井、特大井筒冻结施工任务的增加，冻结管断裂事故时有发生，有必要进一步完善和贯彻防断管措施及断管应急处理措施，加强冻结钻孔质量的监督，冻结孔的偏斜及下管质量一定要符合技术规范及设计要求。冻结施工与井筒掘砌施工要密切配合，通过信息化施工技术，及时了解冻结状况，合理确定井筒开挖时间，科学预测冻结圈、冻结壁发展状况，合理组织井筒掘砌施工，保证冻结工程的顺利

17、施工。参考文献1 冯香全. 井筒冻结管断管原因及防治措施. 煤炭科技，2008 年4 月2 经来旺. 经来盛. 冻结管断裂应力分析J.中国矿业，2000 ，(2)3 顾孟寒, 周更廷. 冻结管断裂的实验研究，实验室研究与探索，2000 年2 月4 刘 瑾 谢绍颖. 冻结管断裂因素分析及防破裂措施，煤矿安全，2003 年6 月5 刘相寿，刘念全. 井筒冻结管断管的处理，能源技术与管理，2006 年，（1）6 刘相寿. 井筒冻结管断管的处理 J. 能源技术与管理, 2006 ，(1)7 沈华军. 济西矿副井内排冻结管断裂原因分析，山东煤炭科技，2004 年，（3）8 王栋晨，甘德清，耿有明. 深层

18、冻结中断管问题的分析，西部探矿工程，2008 年9 王长生. 地层冻结工程技术和应用M. 北京: 煤炭工业出版社，1995Frozen pipe burst fracture causes and prevention measuresWang Xingtongchina university of mining and technology the school of civil engineering, Jiangsu Xuzhou(221008)AbstractWith the consistent application of freezing method in mine const

19、ruction and the depth of mineincreasing continuously , the fracture problem of frozen pipe is becoming significant. In shaft sinkingwith freezing method, Saline leaking caused by the breaking of the partial frozen pipe ,which cancause chain reaction of breaking , decrease the strength of the frozen wall and threat the safety ofshaft sinking , how to prevent frozen pipe from fracturing or how to take effective remedial measuresto avoid a further widening of the accident after the breaking