凍結(jié)法施工立井井筒井壁結(jié)構(gòu)設計研究

李 磊

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

凍結(jié)法施工立井井筒井壁結(jié)構(gòu)設計研究

李 磊

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

簡述了凍結(jié)法施工的井筒井壁結(jié)構(gòu)形式，研究了鋼筋混凝土雙層井壁厚度的計算方法，并以內(nèi)蒙古某礦井為工程背景，對考慮混凝土強度提高系數(shù)前、后的計算結(jié)果進行了對比分析，以減薄井壁厚度，從而減少礦井投資。

立井井筒，井壁結(jié)構(gòu)，凍結(jié)法，混凝土強度

0 引言

目前，我國立井穿過不穩(wěn)定沖積地層一般采用特殊鑿井法施工，主要方法為凍結(jié)法、鉆井法、帷幕法、沉井法等。其中，凍結(jié)法和鉆井法是目前我國煤礦立井井筒采用較多、更為成熟有效的兩種特殊鑿井施工方法。鑒于凍結(jié)法施工的優(yōu)點，目前沖擊地層采用凍結(jié)法施工的井筒占大部分。

井筒含水基巖的治理方法一般采用注漿法和地層凍結(jié)法。凍結(jié)法治水效果可靠；井筒施工對環(huán)境無污染，噪聲小。一般情況，基巖段采用注漿法施工較多。但是近期，內(nèi)蒙等地的含水基巖段均采用了凍結(jié)法施工，主要鑒于內(nèi)蒙等地的基巖地層與其他地區(qū)地層的不同及特殊性。隨著煤炭淺部資源逐漸枯竭，準備建設的新礦井大多開采深部資源，井筒深度也逐漸加大。

根據(jù)目前井壁的計算方法，隨著井筒深度的加深井壁厚度將越來越大，形成了“大體積混凝土”，而大體積混凝土在固化過程中釋放的水化熱使井壁本身產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，收縮應力可能導致混凝土出現(xiàn)裂縫，對井壁本身造成致命的影響。因此對于凍結(jié)深度較深的井筒，怎么減薄井壁厚度往往成為設計人員頭疼的問題。

1 凍結(jié)法施工井筒井壁結(jié)構(gòu)形式

目前我國采用凍結(jié)法施工的井筒井壁結(jié)構(gòu)形式主要包括鋼筋混凝土雙層井壁與鋼筋混凝土單層井壁；其中雙層井壁根據(jù)溫度應力的大小，結(jié)構(gòu)形式可分為含塑料夾層的鋼筋混凝土復合井壁與不含塑料夾層的鋼筋混凝土雙層井壁。因凍結(jié)井筒單層井壁應用較少，本次主要研究鋼筋混凝土雙層井壁計算方法。

2 凍結(jié)法施工井筒雙層井壁厚度的確定

1)鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)計算主要參考的規(guī)范、規(guī)程。

主要參考的規(guī)范、規(guī)程有：《××礦井井筒檢查鉆孔地質(zhì)報告》，GB 50384—2007煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范，GB 50511—2010煤礦井巷工程施工規(guī)范，GB 50213—2010煤礦井巷工程質(zhì)量驗收規(guī)范，GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范，《采礦工程設計手冊》，MT/T 1124—2011煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術規(guī)范等。

2)內(nèi)、外層井壁整體所受徑向荷載標準值計算。

a.均勻荷載標準值應按GB 50384—2007煤礦立井井筒及硐室設計規(guī)范6.1.3-1式計算。

b.不均勻荷載標準值。

PA,k=Pk。

PB,k=PA,k(1+βt)。

其中，βt為沖積地層不均勻荷載系數(shù)。凍結(jié)法鑿井時，βt=0.2～0.3。

3)內(nèi)、外層井壁分別承受的徑向荷載標準值計算。

a.內(nèi)層井壁荷載標準值。

Pn,k=0.01kzH。

其中，Pn,k為內(nèi)層井壁所承受的荷載標準值，MPa；kz為荷載折減系數(shù)，一般取0.81～1.00；0.01為水的似重力密度，MN/m3。

b.外層井壁荷載。

外層井壁承受的凍結(jié)壓力Pd,k可按表1選取。

表1 不同深度粘土層的凍結(jié)壓力標準值

4)凍結(jié)法鑿井井筒的井壁厚度應按下列公式計算初步擬定。

a.薄壁圓筒(t

b.厚壁圓筒(t≥rw/10)井壁：

式中：t——井壁厚度，m；

rn——計算處井壁內(nèi)半徑，m；

fs——井壁材料強度設計值，MN/m2；

fc——混凝土軸心抗壓強度設計值，MN/m2；

fy′——普通鋼筋抗壓強度設計值，MN/m2；

P——計算處作用在井壁上的設計荷載計算值，MPa。根據(jù)不同受力狀況，采用凍土壓力、均勻水土壓力、靜水壓力等相應的荷載計算值；

ρmin——井壁圓環(huán)截面的最小配筋率，取ρmin=0.4%；

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

3 以內(nèi)蒙地區(qū)某井筒為例，考慮混凝土強度提高系數(shù)前、后計算結(jié)果

以內(nèi)蒙地區(qū)某礦井副井為例，該井筒凈直徑為10.5 m，混凝土強度等級為C75，凍結(jié)計算控制深度為724.0 m，分別按照考慮混凝土強度系數(shù)與不考慮強度系數(shù)情況下計算井筒控制截面處的井壁厚度。

1)不考慮混凝土提高系數(shù)，控制截面處為-724.0 m處，凍結(jié)段內(nèi)層井壁厚度。

內(nèi)壁水壓：Pn,k=0.01×0.81×724=5.864 MPa。內(nèi)層井壁厚度計算：選用C75混凝土，抗壓強度設計值33.8 MPa。

fs=0.9×(33.8+0.6%×300)=32.04 MPa。

同時，根據(jù)工程類比法取內(nèi)壁厚度t內(nèi)=2 200 mm。

2)按照混凝土強度提高系數(shù)1.3計算控制截面處凍結(jié)段內(nèi)層井壁厚度。內(nèi)壁水壓：Pn,k=0.01×0.95×724=6.878 MPa，內(nèi)層井壁厚度計算：選用C75混凝土，抗壓強度設計值33.8 MPa。

fs′=0.9×(1.35×33.8+0.6%×300)=42.687 MPa。

取內(nèi)壁厚度t內(nèi)=1 750 mm。

計算結(jié)果對比如表2所示。

表2 井筒全深凍結(jié)優(yōu)化前后對比表

4 結(jié)語

由以上計算可以看出當考慮了混凝土提高系數(shù)后井壁厚度明顯減薄了，這樣不但可以減少礦井投資，還可以有效的減小“大體積混凝土”在固化過程中釋放的水化熱使井壁本身產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用；建議繼續(xù)開展對高強高性能混凝土以及多向受力狀態(tài)下混凝土強度性能的研究。

Research on structural design for shaft wall structure with freezing method

Li Lei

(NanjingDesignResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,Nanjing210031,China)

The paper indicates the shaft wall structure of the freezing method, researches the calculation methods for the double-layer shaft wall thickness of the reinforced concrete, taking a mine of Inner Mongolia as an example, and undertakes the comparison and analysis of the calculation results before and after the improvement of coefficients of the concrete strength, so as to reduce the shaft thickness and coal mine investment.

shaft wall, shaft structure, freezing method, concrete strength

2014-12-19

李 磊(1986- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)06-0102-02

TU745.7

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