深冻结井井壁设计与施工的经验和教训.pdf

深冻结井井壁设计与施工 的经验和教训 张集矿筹备处 柏方检 摘 要 潘一矿同一广场的两个回风井都采用冻结法施工, 前后相隔 14a。第 1 个井筒发生过淹井事故, 二次冻结恢复; 第 2 个井吸取教训后顺利通过了冻结段。通 过对两井对比分析, 总结出井壁设计、 施工中的主要经验和教训。 关键词 冻结井 井壁 施工 淮南潘谢矿区 1973 年开始建井, 迄今共 兴建了 4 座矿井、 19 个井筒, 其中除 4 个井 筒采用钻井法施工外, 其余 15 个井筒全部采 用冻结法施工。 潘一矿东风井是潘谢矿区冻结深度超过 300m 的第 1 个井筒, 井筒到底后, 曾发生涌 砂冒水, 造成了淹井事故, 后又进行二次冻结 予以恢复。而该矿东回风井井筒位于东风井 东南侧 130m 处, 和前 14 个冻结法施工的井 筒相比, 不仅施工速度快, 而且被评定为优良 品工程。现将东风井和东回风井施工与设计 情况进行对比分析, 以便从中吸取经验和教 训。 1 工程概况 1. 1 水文地质情况 东风井和东回风井均位于潘一井田东部 背斜轴边缘鞍部南侧, 两井相距 130m, 岩性 基本相同, 仅柱状层位相差 1. 5m 左右。 表土 层厚度分别为 292. 5m, 291. 7m, 由砂、 砂砾、 粘土等组成, 其中砂层总厚分别为 67. 8m 和 68. 6m, 粘土层总厚 158. 7m 左右, 尤其是钙 质粘土、 固结粘土不但单层厚度大, 而且具有 极大的膨胀性, 是冻结凿井中的关键层位。 1. 2 设计情况 东风井井筒深度 383m, 净直径6. 5m。 冻 结段 320m, 井壁设计为双层钢筋混凝土。外 层井壁厚 0. 4～0. 7m, 内壁厚 0. 5m, 混凝土 标号为 C25, C30 和 C40。 东回风井深 385m, 净直径7. 0m。 冻结段 323m, 井壁设计为双层钢筋混凝土。内壁厚 0. 5～0. 9m, 混凝土标号为 C30～C45; 外壁 厚 0. 6～0. 8m, 混凝土标号为 C30～C40。内 外壁间设有厚 1. 5mm 的塑料板, 外壁外侧 从 95～311m 分别铺设 25～50mm 厚的聚苯 乙烯泡沫塑料板 图 1 。 1. 3 施工情况 东风井冻结段外壁采用自上而下短段掘 砌, 溜灰管下料, 预制混凝土薄壳模板的施工 方法。 320m 冻结段共施工82 个段高, 平均段 高 3. 9m, 最小段高 1. 25m, 最大段高 9. 6m。 外壁施工中, 由于冻土未进入荒径, 曾有 18 个段高发生片帮。 外壁施工过程中, 曾多次发现井壁底刃 角混凝土被挤碎, 井壁破坏严重。当掘至深 132. 7m 时, 在 126. 5～131. 5m 处井壁纵向 27 建井技术 1996 12淮南矿务局专辑 破裂, 钢筋严重变形, 内壁向井内位移 350～ 540mm, 并继续向上下扩展。 内壁施工是采用滑模自下而上一次套 壁。 东风井于 1975-12-16 开工, 1977 年 4 月 竣工, 历时 16 个月, 平均月进 23. 94m。 东风井经 1a 时间解冻后, 发现井壁漏水 严重, 于 1978 年 4 月在垂深 235m 处穿孔淹 井, 后又采用二次冻结恢复。 图 1 东回风井井壁结构 1- 注浆管; 2- 预留风道口; 3- 防水塑料板; 4- 聚苯乙烯泡沫塑料板; 5- 软聚氯乙烯塑料板; 6- 马头门; 7- 18 330; 8- 18 250; 9- 20 250; 10- 22250; 11- 25 250; 12- 28 160; 13- 25 200; 14- 20 200; 15- 2 22 250; 16- 混凝土标号; a- 内壁; b- 外壁 东回风井冻结段外壁亦采用自上而下短 段掘砌、 吊桶下料、 金属块状模板筑壁的施工 方法。共施工了 124 个段高, 平均段高为 2. 6m, 其中 1. 3m 小段高 49 个, 占段高总数 的 39. 5 , 最大段高 5. 3m, 仅有 5 个。外壁 施工中, 由于在井深 95m 以下铺设了泡沫塑 料板, 未出现外壁破坏现象。 内壁施工亦采用液压滑升模板自下而上 套壁。 东回风井于 1990-09-15 开工, 于 1991- 11-14 竣工, 工期为 14 个月, 平均月进度为 27. 5m。 2 对井壁结构设计的探讨 2. 1 将内、 外层井壁视为整体共同承载设计 是不合理的 东风井是潘谢矿区设计、 施工冻结深度 超过 300m 的第 1 个井筒, 其井壁设计是把 内、 外 层 井 壁 视 为 一 个 整 体, 按 1. 3H H 计算处深度 计算出井壁厚度, 然后 再根据冻结压力的大小来确定外壁厚度, 剩 余部分作为内壁厚度。 这种假定计算, 不仅较 为粗糙, 且当冻结压力大于 20MPa 时, 矛盾 则非常突出, 势必造成外壁设计太厚而内壁 较薄。按上述假定设计的东风井内壁从上至 下均为 0. 5m, 显然满足不了 1. 0H 要求。 实践证明, 双层井壁不可能作为整体共 同承载。 施工中双层井壁是分层分期施工的, 外壁自上而下短段掘砌, 而内壁则是由下而 上进行浇筑。 施工中即使采取凿毛等措施, 两 层井壁之间也不可避免地存在施工间隙, 因 而内、 外层井壁不是一个连续整体, 也不可能 整体传递和共同承载。 因此将内、 外层井壁视 为整体计算显然是不合理的。 2. 2 外壁的作用 外壁应满足在施工过程中能承受冻结压 力的要求, 起临时支护作用, 解冻后承受永久 地压中的土体压力。 以往外壁设计多为现浇钢筋混凝土, 设 计时冻结压力取如下经验值 粘土质砂为 1. 0MPa; 砂质粘土为 1. 4～1. 6MPa; 粘土为 1. 6～1. 8MPa; 钙质粘土为 1. 8～2. 2MPa。 这种现浇混凝土井壁在冻结壁塑性变形 较小、 冻结压力小于以上数值地层中应用是 28 淮南矿务局专辑建井技术 1996 12 可行的, 但在冻结压力大于以上经验数值的 地层则不能适应。 潘一东风井与潘二南风井实测冻结压力 值见表 1, 2。 表 1 潘一东风井冻结压力实测值 土层名称层厚/m 测点 深度/m 观测 时间/d 最大冻结 压力/MPa 粗中砂7. 8403070. 27 粗中砂10. 7702870. 52 砂质粘土8. 81102581. 49 粘土15. 31372582. 29 砂质粘土37. 01701952. 55 粗中砂0. 52201602. 48 砂砾层9. 32781143. 27 粉砂与砂20. 1292953. 03 表 2 潘二南风井冻结压力实测值 土层名称层厚/ m 测点 深/ m 最大冻结 压力/ MPa 达最大压力 值时间/ d 固结砂土1. 71101. 8- 固结粘土21. 151302. 913 固结粘土3. 051853. 58 固结粘土质砂2. 02223. 410 砂砾层9. 852652. 6116 实测表明, 潘集矿区冻结压力大于设计 所取经验数值。 冻结压力与土层性质、 冻结壁 强度有关, 一般初期压力增长较快, 3d 压力 值可达最大压力值的 50, 因而施工时外壁 应有较高的早期强度, 才能抗住冻结压力。 东风井外壁设计厚 450～700mm, 混凝 土强度 25. 0～40. 0MPa, 满足不了冻结压力 的要求, 故施工中外壁破坏严重。 东回风井外壁设计考虑了该地区实测冻 结压力值, 将外壁厚度加大到 500～800mm, 混凝土强度提高到 30. 0～45. 0MPa, 故在施 工中, 外壁任何部位都未出现破坏现象。 2. 3 泡沫塑料板的作用 聚苯乙烯泡沫塑料板在东回风井首次应 用。从垂深 95～260m 段在外壁与冻结壁之 间铺设双层 50mm 厚泡沫塑料板; 在具有膨 胀性钙质粘土层中, 施工中铺设 3 层 75mm 厚泡沫塑料板。通过施工中观察、 实测和分 析, 可知泡沫塑料板有以下作用。 1 初期缓冲压力。 聚苯乙烯泡沫塑料板 具有良好的可压缩性, 当冻结壁产生径向位 移时, 首先使塑料板受到压缩, 从而释放了部 分冻结压力, 起到了缓冲冻结压力作用, 同时 使圆形井壁均匀受压, 保护了外层井壁在早 期不被破坏。表 3 为在深 132. 1m 处钙质粘 土层铺设的 3 层75mm 厚泡沫塑料板的位移 实测值。 表 3 泡沫塑料板相对位移实测值 mm 点向 时 间/ h 101624303744515864 E153153586366687070 S102651566165676971 W123257646770707171 N122656636771707272 过去在潘二井筒施工中, 为了解决冻结 压力对混凝土井壁的破坏, 曾采用在混凝土 井壁外再砌 1 层400mm 厚的料石砌体。 但在 钙质粘土层中, 料石壁砌后 3～4d, 砌体便开 始破坏, 先是横向断裂, 然后掉皮, 7d 后局部 有整块料石被切断。图 2为潘二西风井在深 163m 钙质粘土层中测得的压力变化规律, 初期增长速度快, 7d 后增长速度缓慢。 图 2 潘二西风井料石砌体外壁冻结压力 P与井帮温度t曲线 1- 卸压槽影响区;T时间,d 2 减少冻土蠕变。 聚苯乙烯泡沫塑料具 有良好的隔热保温性能。实测塑料板外侧靠 冻土墙处温度为- 4～- 8℃, 内侧温度为 15 29 建井技术 1996 12淮南矿务局专辑 ～20℃, 现浇混凝土外壁产生的水化热传递 不到冻结壁, 不会造成冻土墙因融化而加剧 冻土的蠕变。 由于泡沫塑料板具有质轻、 隔热、 可压缩 等优点, 在冻结设计中应予以肯定和推广。 2. 4 双层井壁之间应设滑动层 东风井淹井事故发生后, 首先在潘二西 风井、 南风井井壁设计中, 在两层井壁之间设 计了双层 厚 1. 5mm 塑料防水层, 以期起到 防水作用, 但实践证明, 并未达到设计效果。 施工中塑料板很难和外壁相吻合, 一般留有 10mm 左右空隙, 并有凹凸不平现象。 由于塑 料板热胀冷缩严重, 实测收缩率为0. 74。 塑 料板在井下刚铺设时呈松弛状, 铺设后由于 井壁温度较低, 渐呈绷紧状态, 内壁混凝土浇 筑后, 又会随着混凝土水化热的增多而增长, 但以后又会随着温度降低而收缩。 塑料防水层由原来的双层塑料板改为东 回风井中的单层塑料板; 接缝处由原要求的 粘结改为搭接; 其作用由防水变为滑动层, 消 除了内层井壁水平裂缝, 增强了内壁的抗渗 能力。 以往施工的冻结井, 由于将内、 外壁视为 整体, 设计要求在施工中, 将外壁凿毛、 冲洗 干净后再浇筑混凝土, 从而使内、 外壁结合成 整体。 采用该方法施工的井壁, 内壁都出现过 水平裂缝, 如潘一东风井内壁在深 118～ 135m 处有 4 道较大的水平裂缝; 潘二西风井 内壁在深 97m 以下铺设有塑料板而未出现 裂缝, 但 97m 以上段因无塑料板而出现了 13 道水平裂缝。 混凝土为热胀冷缩性材料, 在凝固硬化 过程中, 产生较高的水化热。 实测井筒混凝土 入模温度 17℃, 48h 后, 温度升至 46℃, 17d 后, 温度降至0℃。 混凝土初期升温时, 处 于塑性状态, 产生压应力, 但在降温过程中, 收缩变形较大, 如无滑动层, 由于内壁受到外 壁约束, 阻碍内壁自由收缩, 使其产生拉应 力, 又由于混凝土抗压性能好而抗拉性能差, 此拉应力足可使混凝土内壁产生水平裂缝。 而在东回风井内、 外壁之间, 由于增设了塑料 板, 使内壁在收缩时成为自由体, 不受外壁的 约束, 从而消除了水平裂缝。 2. 5 内、 外层井壁应分别计算, 内层井壁承 受水压 如上所述, 内、 外层井壁应分别计算较符 合实际。在荷载分配上, 考虑到外壁的临时 支护作用和能承受 0. 3H 的土体压力, 内壁 应作为主要承载结构,应能承受全静水压 1. 0H , 以此分别计算出内、 外层井壁的厚度。 东风井未按此原则设计, 内壁均为0. 5m 厚, 混凝土强度 25. 0～40. 0MPa; 而东回风 井内壁是按 1. 0H 静水压进行设计的, 其厚 度为 0. 5～0. 9m, 钢筋混凝土强度为 30. 0～ 45. 0MPa。 实践证明, 该井壁满足了静水压的 要求, 故其冻结段井壁完好, 滴水不漏。 东回风井内壁加了双层钢筋, 加强了内 壁, 但井壁总厚度达1. 7m, 显得太厚。 笔者认 为, 在冻结井壁设计和施工中应采取措施减 薄井壁厚度。如利用铺设泡沫塑料板延缓冻 结压 力对外壁 的作用, 选 用高强骨 料配 60MPa 以上的高强混凝土, 以减薄井壁厚 度, 降低工程造价。 3 施工中的经验与教训 1978 年潘一东风井淹井事故发生后, 曾 对液压滑模、 溜灰管下料、 混凝土薄壳模板等 施工问题进行过讨论, 当时倾向于否定。 继该 井后, 在潘谢新区相继施工了 13 个冻结井 筒, 现以最后 1 个井筒东回风井施工为 例, 总结冻结井筒施工的主要经验与教训。 3. 1 开挖时间的选择 以前以水文观测孔内的水位有规律上升 并溢出孔口, 确认冻结壁交圈。冻结壁交圈 后, 经一段时间可进行试挖和正式开挖。 若开 挖过早易发生片帮。如东风井在交圈后即开 工, 施工时虽采用 1. 25m 的小段高, 但仍有 18 个段高片帮, 严重威胁施工安全和影响工 30 淮南矿务局专辑建井技术 1996 12 程质量。而东回风井于 1990 年 2 月开始冻 结, 7 月初水文孔冒水, 确认冻结壁已交圈, 但未急于开挖, 2. 5 月后才正式开挖, 施工时 未发生片帮, 且在施工全过程中, 井帮温度均 被控制在设计所要求的范围之内。 井筒开挖时间的选择还与冻结孔布置方 式有关。 东回风井上段240m 内, 采用双排冻 结管冻结, 这不仅有利于加强该段冻结壁强 度, 也有利于提前开挖和防止片帮。 东回风井 在施工过程中, 垂深 100m 以下, 井帮温度在 - 10℃以下, 可以认为其冻结效果与开挖时 间的选择是合理的。 3. 2 段高的确定 冻结井段高应根据岩性、 冻结壁强度及 掘进速度等因素综合确定。现行施工验收规 范对冻结井段高有明确规定 砂层、 卵石层不 宜超过 10m; 砂质粘土层不应超过5m; 粘土、 钙质粘土、 易膨胀粘土等地层不应超过 2. 5m。东回风井施工中严格执行这一规定, 并 按冻结要求, 在 100m 以下, 井帮温度达不到 - 10～- 13℃时, 粘土层中段高不得超过 2m, 砂层中不超过 3m。故在东回风井施工 中, 325m 共施工了 124 个段高, 其中 1. 3m 段高 49 个, 占段高总数的 39. 5, 2. 3m 段 高 23 个, 3. 3m 段高 35 个, 4. 3m 段高11个, 最大段高 5. 3m 只有 5 个, 仅占段高总数的 4 。施工顺利通过了冻结段。 以往冻结井施工, 因将内、 外壁视为整体 承压, 小段高越多, 接茬缝越多, 整体性越差。 而东回风井设计中, 采用内、 外壁分别计算, 且两层之间设有塑料板, 冻结段施工完后, 在 内外壁之间采取壁内注浆措施充填缝隙或裂 缝, 使冻结段井壁在解冻后滴水不漏。 3. 3 采用液压滑模套内壁 液压滑模于 70 年代初首先在潘一副井 套内壁中使用, 后用于东风井内壁施工。 当时 由于千斤顶单双对称布置, 在使用过程中发 现其存在滑模盘扭转、 顶杆弯曲变形、 滑升速 度不同步易产生偏斜等缺陷, 故在东风井淹 井事故发生后, 认为使用滑模套壁, 井壁质量 难以保证, 持否定态度。 但后来在潘二4 个井 筒施工中, 仍使用了滑模套壁, 使这一新技术 在立井施工中得到不断改进、 发展和完善。 东回风井施工中使用的液压滑升模板, 在结构上进行了一些改进, 把原千斤顶单双 布置改为在 12 个方位上全部配置双千斤顶, 保证了同步滑升; 在滑升模板盘上安装了自 动调平装置, 解决了滑模盘扭转、 顶杆弯曲变 形等问题。 为了保证冻结井井壁质量, 必须控制滑 升速度。 东回风井套壁时规定, 每小时只准滑 升 1 次, 每次滑升高度不得超过 330mm。据 此按模板高度 1. 4m 计算, 混凝土脱模时间 超过 4h, 确保了混凝土质量。施工中未发生 表面下坠、 掉块等现象。 实践表明, 液压滑模套壁技术先进、 经济 合理, 它是冻结立井套内壁的最好模板型式。 3. 4 施工方法的选择 冻结立井一般采用短段掘砌单行作业、 吊桶下料、 金属块状模板筑壁的施工方法。 该 方法在段高选择上有其灵活性, 可以根据不 同的土层性质、 冻结壁强度合理选择段高, 但 工序转换频繁, 影响施工进度。对此, 笔者认 为, 在确定合理的段高后, 在冻结立井中可以 应用混合作业方式施工。 冻结法施工不宜采用混凝土薄壳模板和 溜灰管下料。如东风井外壁曾使用的混凝土 薄 壳 模板 厚 75mm, 规 格为 1000mm 1000mm 代替金属块状模板, 筑壁后不拆 除, 并作为外壁的一部分。使用表明, 这种模 板用 8 铅丝绑扎联接刚度不够, 整体性差, 固定困难, 易变形, 规格成形难以保证。 作者简介 柏方检, 1938 年生, 1961 年淮南矿业学院 毕业。 高级工程师。 曾发表多篇论文。 现在张集煤矿筹建处 任总工程师。 安徽省淮南市淮南矿务局, 邮政编码 232001。 收稿日期 1995- 07- 27; 责任编辑 周 榕 31 建井技术 1996 12淮南矿务局专辑