西部地區(qū)基巖含水層凍結(jié)井筒井壁設(shè)計(jì)研究

齊寶健

摘 要：隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，本文針對(duì)西部地區(qū)基巖含水地層凍結(jié)井筒遇到井筒深、直徑大、計(jì)算井壁結(jié)構(gòu)厚度較大等問(wèn)題，根據(jù)井壁實(shí)際受力狀態(tài)，提出了在現(xiàn)行規(guī)范下合理的計(jì)算方法，并以紅慶河礦井為工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算結(jié)果比較。

關(guān)鍵詞：立井井筒；凍結(jié)法井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；混凝土強(qiáng)度提高系數(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.235

1 引言

隨著西部地區(qū)煤炭開發(fā)的進(jìn)行，其立井井筒與中東部地區(qū)立井井筒無(wú)論在井型方面還是穿過(guò)地層方面有很大的異同，該地區(qū)的煤礦生產(chǎn)能力較大，立井開拓方式的井筒設(shè)計(jì)凈直徑大，穿過(guò)的地層以白堊系、侏羅系等巖層為主，該地層成巖較晚，強(qiáng)度低，含水，遇水容易產(chǎn)生泥化[1]，含水層中的水以孔隙水為主，注漿時(shí)漿液難以擴(kuò)散，注漿效果差，因此，當(dāng)含水量大時(shí)不得不采用凍結(jié)法施工。目前，在該地區(qū)內(nèi)立井井筒多采用凍結(jié)法施工，設(shè)計(jì)方法均沿用中東部地區(qū)傳統(tǒng)的計(jì)算方法，井壁結(jié)構(gòu)多采用雙層鋼筋混凝土井壁，由于該地區(qū)的井筒直徑較大，凍結(jié)深度深，通過(guò)規(guī)范現(xiàn)有的計(jì)算方法，得到的井壁厚度達(dá)到2m多，厚度非常大，難以施工，而且存在“大體積混凝土”的問(wèn)題。因此，在傳統(tǒng)的計(jì)算方法基礎(chǔ)上，結(jié)合該地區(qū)巖層的特點(diǎn)研究含水基巖凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)計(jì)算是非常必要的。考慮該地區(qū)目前凍結(jié)立井井筒主要采用雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)形式，新型的單層凍結(jié)井壁是一種專利產(chǎn)品，本文僅討論雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)形式的計(jì)算。

2 以往凍結(jié)表土段井壁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

（1）表土段內(nèi)、外層井壁整體所受徑向荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列公式計(jì)算：

1）均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》公式6.1.3.1計(jì)算；

2）不均勻荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列公式計(jì)算：

（2）內(nèi)、外層井壁分別承受的徑向荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下列方法計(jì)算：

1）內(nèi)層井壁荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算：

2）外層井壁承受的凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值宜按凍土（巖）試驗(yàn)、實(shí)測(cè)等資料選取，也可按《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》表6.3.3選取。

（3）按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中公式進(jìn)行強(qiáng)度校核和配筋計(jì)算。

3 凍結(jié)基巖與凍結(jié)表土井壁受力狀態(tài)差異

（1） 外層井壁。

表土段井壁承受的永久壓力為土壓和水壓，表土段外層井壁除了承受施工階段的凍結(jié)壓力之外，在凍結(jié)解凍后還需和內(nèi)層井壁共同承受永久壓力，因此外層井壁既是施工階段臨時(shí)支護(hù)，又是永久支護(hù)。

基巖段井壁承受的永久壓力為靜水壓力，井筒解凍后，因外層井壁采用短段掘砌，接茬處封水差，地層中的靜水壓力，均有內(nèi)層井壁承受。因此，外層井壁僅承受施工階段的凍結(jié)壓力，作為一種臨時(shí)支護(hù)。其與表土段受力狀態(tài)有很大的差異。

（2）內(nèi)層井壁。

在表土段，內(nèi)層井壁除了承受靜水壓力之外還承受地層壓力，因地層的壓力存在不均勻性，需要對(duì)井壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行不均勻壓力下的強(qiáng)度計(jì)算。

在基巖段，內(nèi)層井壁承受的是靜水壓力，因水壓是均勻的，因此不需要進(jìn)行不均勻壓力下的強(qiáng)度校核。

由以上分析可知，凍結(jié)基巖段井壁的受力狀態(tài)比表土段要有利，井壁結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和功能也不近相同。

4 基巖凍結(jié)井壁設(shè)計(jì)

（1）外層井壁計(jì)算。

外層井壁主要承受的是凍結(jié)壓力，是一種臨時(shí)支護(hù)。通過(guò)近年來(lái)的室內(nèi)凍結(jié)實(shí)驗(yàn)研究表明，凍結(jié)壓力的大小在一定程度上取決于巖土層的凍脹量。當(dāng)凍脹量大，外壁承受的凍結(jié)壓力就大；反之凍脹量小，凍結(jié)壓力就小。在基巖凍結(jié)實(shí)驗(yàn)中，很多巖石出現(xiàn)凍縮現(xiàn)象。因此，基巖凍結(jié)外層井壁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)凍漲實(shí)驗(yàn)確定凍結(jié)壓力，不能按照中東部地區(qū)土層凍結(jié)壓力經(jīng)驗(yàn)值選取。然后按照規(guī)范中公式6.2.9計(jì)算，并保證滿足厚壁圓筒理論公式條件，取二者較大者。

（2）內(nèi)層井壁計(jì)算。

1）內(nèi)層井壁按照承受靜水壓力計(jì)算，并進(jìn)行均勻靜水壓力下的強(qiáng)度校核。

2）從理論分析來(lái)看，凍結(jié)井筒內(nèi)層井壁是一個(gè)深埋于地下的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)物，在水壓力作用下，內(nèi)壁中的混凝土由外緣的三軸受壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)緣的二向受壓，井壁結(jié)構(gòu)中的混凝土處于多軸受壓應(yīng)力狀態(tài)下，不同于一般地面結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土梁、柱受力狀態(tài)，因此，在井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮混凝土的多軸受壓強(qiáng)度。對(duì)于內(nèi)層井壁，從內(nèi)緣開始向外，徑向應(yīng)力逐漸增大，達(dá)到外緣時(shí)，等于水壓，且皆為壓應(yīng)力，即從內(nèi)緣向外，井壁結(jié)構(gòu)中混凝土皆處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)[2]。根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，當(dāng)混凝土處于二軸或三軸受壓應(yīng)力狀態(tài)，混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)考慮提高系數(shù)，且在三軸受壓下提高系數(shù)更大。

5 工程實(shí)例

以內(nèi)蒙紅慶河礦井主、副井為例，控制截面深度分別為垂深645.39m、649.31m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)最高為C70，優(yōu)化前后內(nèi)壁計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表1

6 結(jié)束語(yǔ)

基巖凍結(jié)井壁與表土凍結(jié)井壁，其井壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有較大差異，因此選用傳統(tǒng)計(jì)算方法是不合理的。根據(jù)凍土（巖）實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合井壁實(shí)際受力狀態(tài)，通過(guò)混凝土提高系數(shù)的方法，能夠有效減薄井壁厚度，減少礦井投資。建議進(jìn)一步結(jié)合西部地層基巖成巖晚，強(qiáng)度低，遇水容易泥化等特點(diǎn)，開展有關(guān)新的井壁結(jié)構(gòu)形式，井壁結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

參考文獻(xiàn) ：

[1]姚直書等.西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（01）：760-764.

[2]紅慶河礦井井壁受力機(jī)理力學(xué)特性與設(shè)計(jì)優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[R]. 中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院，2012.

作者簡(jiǎn)介：齊寶建（1983-），男，山東臨邑人，碩士研究生，工程師，主要從事立井井筒井壁結(jié)構(gòu)及井筒裝備、市政地鐵凍結(jié)加固等方面設(shè)計(jì)研究。