永夏矿区冻结凿井井壁结构设计的演变与改进.pdf

趔 生筮 期燧芷遮让 5 郑州煤炭设计研究院任军甫李 明 吴里扬许传鸿 河南煤炭安全监察局张振普 摘要本文介绍了永夏矿区冻结凿井井壁结构设计的演变与改进过程。在此基础上， 对深冻结井壁结构设计要解决的关键问题竖向附加力问题进行了浅析。 关键词冻结凿井井壁结构设计改进 1 概述 从1 9 9 卜1 9 9 9 年的1 0 年间，我院先后设计 的永夏矿区陈四楼、车集、城郊三对矿井的6 个冻 结井井筒陆续建成，井筒穿过的表土层厚度 2 4 2 ．2 7 m 一3 7 4 ．5 0 m ，冻结深度2 9 0 m ～4 3 5 m ，其中 陈四楼副井的冻结深度迄今仍为全国之最。井壁 结构设计，从陈四楼矿井到城郊矿井，经历了如下 演变井壁厚度由浅至深从逐级增厚到等厚；井壁 竖向受力结构从不可缩到可限量压缩；内外井壁 间夹层从双层聚乙烯塑料板到取消该夹层；冻结 段井壁下端的壁座从双锥形大壁座到简体壁座。 这些井筒的井壁迄今良好。 2 工程地质与水文地质条件 矿区内地面标高3 2 m 左右。主、副井筒处表 土层厚度陈四楼矿井为3 6 9 ．o o m 和3 7 4 ．5 0 m ；车 集矿井的分别为2 4 4 ．9 2 m 和2 4 2 ．2 7 m ；城郊矿井 的分别为2 9 2 ．6 8 m 和2 9 3 ．1 0 m 。三对矿井的井筒 工程地质与水文地质大同小异，现以城郊矿井为 例简述如下。 根据井检孔报告，新生界岩性为粘土、砂质粘 土和粉细砂层。上部以粘土和砂质粘土为主，夹 有不稳定的粉细砂层；中下部以粉细砂层为主，夹 有粘土及砂质粘土；下部以粘土为主，夹有少量粉 细砂层。砂层单层厚0 ．7 4 ～1 7 ．0 6 m ，平均3 ．5 8 m ， 占总厚度的3 9 ％，粘性土单层厚度O ．5 0 ～ 2 2 ．4 0 m ，平均4 ．8 1 m ，占总厚度的6 1 ％。 表土段有四个含水段 儒四系全新统孔隙潜水含水段岩性为粉、 细砂，厚0 ～6 ．2 4 m 。富水性受砂层厚度控制，水 位埋深1 ～3 m ，q 1 ～2l ，s ．m ，K 2 ．5 7 ～6 ．8 7 n 1 ／d 。 2 第四系更新统孔隙承压水含水段岩性以 粉、细砂为主，厚8 ．8 2 2 4 ．6 5 m 。水位标高 2 6 ～3 2 m ，q 0 ．3 1 1 ～2 ．2 6 9l ，s ．m ，K 0 ．9 9 1 9 ．1 0 m ／d 。 3 上第三系上新统孔隙承压水含水段岩性 为细、中砂，厚8 2 ～9 5 m 。水位标高1 4 ．3 2 ～ 3 8 ．5 3 m ，q O ．0 4 7 ～2 ．2 5 8l ，s ．m ，K O ．0 4 4 1 2 ．9 3 m ，d 。 4 上第三系中新统孔隙承压水含水段岩性 为粉、中砂，厚1 ．5 2 1 4 ．3 5 m ，水位标高1 7 ．4 3 ～ 3 5 ．0 8 m ，q 0 ．0 0 0 8 ～O ．5 5 8l ，s ．m ，K 0 ．0 0 2 6 3 ．5 9 m ，d 。 各含水层之间均有稳定的粘土隔水层。底部 隔水层为粘土或砂质粘土，铝质、钙质含量较高， 遇水膨胀，具良好的隔水性能，局部为砂层与基岩 风化带直接接触。 基岩风化带厚3 3 ．6 0 ～4 1 ．6 0 m ，岩性为二迭 系的泥岩、砂质泥岩和中、细砂岩，水位标高 3 0 ．1 1 m ，q O ．3 2 ～O ．5 0 4l ／s ．m ，K 0 ．5 1 6 一 O ．9 1 6 3 I l l ，d 。 3 冻结段井壁结构设计 陈四楼、车集、城郊三对矿井的主井净直径均 为5 ．0 m ，副井净直径均为6 ．5 m ，井壁结构设计时 间依次为1 9 8 8 年、1 9 9 1 年、1 9 9 r 7 年，主井冻结深度 依次为4 2 3 m 、3 0 0 m 、3 9 0 m ，副井冻结深度依次为 4 3 5 m 、2 9 0 m 、4 I ∞m 。 万方数据 互崖芷遮 士缝l 笙筮』l L 3 ．1陈四楼矿井冻结井壁结构设计 1 9 8 8 年设计陈四楼矿井主、副井冻结井壁 时，根据不同深度的井壁所承受的荷载不同，为减 少凿井期的挖掘工程量、节省砼、降低井筒造价， 经计算将井壁由浅至深分为三段，内、外壁厚度逐 级增厚，且砼标号随之增高，见表1 。 表1陈四楼矿井冻结井壁厚度变化表 深度 主井副井 m 窆兰竺兰砼标号 守譬夕卜譬砼标号 Lr I l I l l ，L m ， 啪 m 1 3 1 ．5 2 以浅 4 0 D 4 0 0C 2 84 0 0 4 5 0C 2 8 1 3 1 ．5 2 ～2 5 1 ．5 25 5 05 5 0 C 3 87 0 07 5 0 C 3 8 2 5 1 ．5 2 以深 7 0 07 0 0 ∞一C 鹤9 0 0 9 0 0O 牾 在外壁与冻结壁之间，由浅至深敷设1 3 层 泡沫塑料板，每层厚2 ．5 舢，以其可压缩性，减缓 冻结压力向外层井壁传递；以其隔热性能，使外壁 现浇砼在正温下养护，并阻隔现浇砼水化热向冻 结壁传递；其隔水性能避免砼多余水份向冻结壁 转移。从而使外壁现浇砼达到早强、高强之目的。 在内外壁之间，敷设双层聚乙烯塑料板，每层厚 1 ．5 耻n ，以减少外壁对内壁的约束，减弱温度应力 的影响，从而消除内壁的环向裂缝问题，提高内壁 的整体强度及防水性能。井壁竖向不可缩，即无 可压缩层。在冻结井壁下端设有双锥形大壁座， 其外缘超出外壁1 ．2 m 。 由于1 9 8 7 年后华东一些建成的冻结井筒陆 续发生破坏，且破坏位置多在新生界冲积层与基 岩交界面附近，经专家分析，原因之一是尚未认识 到冻结井壁的竖向附加力所致。这种附加力一是 来源于由于各种原因使新生界含水层水流失或抽 排，导致表土下沉，对井壁产生一种向下的巨大的 附加力；二是来源于井口锥形基础的井塔荷载的 直接作用，或箱形基础井塔的荷载通过表土对井 壁的间接作用。一般认为前者是主要因素。 为解决竖向附加力问题，在尽量避免井口荷 载直接作用于井壁的同时，我院对井壁结构做了 大量调查工作。在此基础上，于1 9 8 9 年底和1 9 9 0 年初，对主井井壁结构进行了修改。修改内容主 要有两个方面 1 内、外壁厚度由三级改两级，减少一个井壁 台阶，以减少表土下沉时对井壁产生的竖向附加 力。深度1 9 0 m 以浅的内、外壁厚度分别增至 6 0 0 I 砌和5 0 0 I 皿l ，以深的为8 0 0 l I Ⅱn 。 2 在深1 9 0 m 的变断面处的内、外壁结合部 和深4 0 8 ．5 2 m 的外壁与壁座接合面处各设一个可 压缩层，使外壁限量可缩，以释放表土下沉时对井 壁产生的部分附加力。 3 ．2 车集矿井冻结井壁结构设计 车集矿井主、副井冻井壁结构设计完成于 1 9 9 1 年元月，井壁厚度如表2 。副井井壁结构设 计继承了陈四楼矿井主井井壁设计的优点，即外 壁厚度只分两级，外壁外侧只有一个台阶；在深 1 5 1 ．5 m 的外壁变断面处和外壁下部与壁座接合 面处各设一可压缩层。在此基础上，作了如下两 方面的改进 表2车集矿井冻结井壁厚度表 深度 主井副井 m 字譬梦譬砼标号 兰竺砼标号 1 I Ⅱn I l Ⅱn 1 5 1 ．5 以浅6 5 05 0 0C 3 37 0 0 5 0 0C 3 3 1 5 1 ．5 ～2 0 5 m6 ∞5 0 00 诏 7 0 0 6 0 00 4 3 2 0 5 m 以深6 5 0 5 0 0C ∞一O 霉7 0 06 0 0 ∞一储 1 内壁从浅至深等厚，即避免了陈四楼主井 因内壁厚度变化在内外壁间形成的“错台”，使外 壁在受到竖向附加力时，在限量范围内充分下沉， 释放外壁内部的应力。 2 将冻结段井壁下端的壁座由陈四楼的双锥 形大壁座改为简体壁座，即壁座厚度为内、外壁厚 度之和 含夹层厚度 ，降低了壁座施工的难度并 节省工期和投资。壁座的承载能力，通过增加壁 座高度 1 5 m 左右，为大壁座高度的3 5 倍 和利 用壁座处岩帮的凸凹度，增大壁座与井帮的齿合 阻力来实现。 主井冻结段井壁结构设计在吸取副井井壁和 陈四楼主井井壁设计优点的基础上，为进一步降 低外壁与土层间的摩擦阻力，减少表土下沉时作 用于井壁上的或井口设施通过表土间接传递到井 壁上的竖向附加力，将外壁厚度从浅至深也设计 成等厚壁，取消了外壁因其厚度变化形成的台阶。 3 ．3 城郊矿井冻结井壁结构设计 城郊矿井主、副井冻结井壁结构设计完成于 1 9 9 7 年1 0 月。内、外壁从浅至深均等厚，主井内 壁厚7 ‰，外壁厚6 5 0 1 1 硼，副井内壁厚8 5 0 咖， 外壁厚7 5 0 l l ⅡI ，。主井井壁结构与车集矿井主井的 相同。副井井壁结构，在车集矿井主井井壁结构 的基础上，通过对冻结井壁破坏机理、井筒工程地 质与水文地质条件的多次分析研究，作了较大的 改进。 万方数据 巡 生筮 期崖壁遮i 土2 改进一取消内、外壁间的塑料夹层 如前所述，在内、外层井壁间敷设塑料夹层的 初衷是为了减少外壁对内壁的约束，减弱温度应 力的影响，以避免内壁出现裂缝。随着新材料的 出现，防止井壁裂缝有了新的途径，即在砼中掺入 适量防裂密实剂，利用其微胀作用增加砼的密实 性及抗裂性，从而提高井壁的防水性能。此项技 术在地面建筑中早已采用，鹤壁矿务局冷泉矿主、 副井冻结凿井井壁也已采用，防裂、防水效果良 好。因此，城郊矿井副井井壁结构设计中，取消 内、外壁问的塑料夹层，同时也简化了内壁施工工 艺。 改进二内、外壁均设可压缩层 取消内、外壁间的塑料夹层后，内、外壁即成 一整体。当外壁受附加力作用下沉时，内壁将与 外壁一起下沉。因此，设计在基岩面附近的内壁 中，与外壁可压缩层上、下错开设置了可压缩层， 使内、外壁可同时等量下沉。井筒内罐道设置相 应的可调节伸缩缝。内壁可压缩层变形后，防水 性能降低，因此，设计在该可压缩层附近预埋注浆 管，必要时通过该注浆管注浆堵水。 4 冻结井壁结构设计浅析 从1 9 8 7 年两淮地区冻结井壁在基岩面附近 遭受破坏以来的十多年中，人们在对井壁破裂机 理充分研究的基础上，针对解决井壁所受的竖向 附加力问题，在设计上作了许多改进，取得了较好 的效果。 计算表明，在表土厚度为3 0 0 m 的冻结井壁 设计中，即使采用C 6 0 的砼材料，井壁厚度仍需 1 ．8 ～2 ．2 m ，甚至更大，在技术上和经济上均不尽 合理。那么，要解决冻结井壁因受竖向附加力而 遭破坏这一问题，要么使内、外壁能够适时相对滑 动，使竖向附加力尽少向内壁传递；要么使内壁能 够与外壁一起限量下沉，释放应力。在城郊矿井 副井井壁设计时，曾考虑在内、外壁之间敷设 1 舳厚的沥青板滑动层，使内、外壁能够适时相 对滑动，但考虑到这种结构形式施工工艺复杂，且 永夏矿区表土层条件较两淮地区要好，未予采用， 而是采用了内、外壁能够同时限量下沉的结构形 式。应当说这种结构形式在技术经济上是合理 的，但遗憾的是，在副井内壁可压缩层已加工成 型，即将付诸实施时，由于种种原因未能实施 完 工的副井井壁结构与主井的相同 。 内、外壁间敷设多层薄塑料夹层、外壁设可压 缩层，内壁不设可压缩层的冻结井壁结构形式今 后应逐步改进。冻结井壁的外壁施工中，在现有 的技术水平、施工机具条件下，冻结段由浅至深逐 段施工的数十段外壁难以保证同轴，即分段与分 段间的接荐处多数存在着大大小小的错台，有的 错台宽达5 0 一甚至更大。当设置了可压缩层的 外壁受表土施于的竖向附加力向下沉降时 内壁 无可压缩层而无可沉降 ，远非几层薄薄的塑料夹 层就能使内、外壁得以相对滑动，况且夹层还要注 浆，况且塑料夹层设置的初衷并不是使内、外壁得 以相对滑动。 城郊矿井副井井壁的设计结构，在条件类似 的主井应行尝试。它利用防裂密实剂取代塑料夹 层来避免内壁产生裂缝，提高井壁的防水性能；在 基岩面附近的内外壁均设置可压缩层，保证内壁 与外壁同时限量沉降，释放应力。缺点是需局部 设置可伸缩罐道。 结合永夏矿区冻结凿井井壁结构设计与实践 的经验，笔者在此对与永夏矿区井筒工程地质与 水文地质条件相似的矿区的冻结凿井井壁结构设 计提出如下建议 1 取消内、外层井壁间的夹层，在内壁砼中掺 入适量防裂密实剂。 2 内、外壁均设两道可压缩层。上道设于冻 结段井壁的中下部，且设在厚度较大的粘性土层 中，下道设于基岩面附近。 3 每道内、外可压缩层布置在同一段外层井 壁内，且上、下错开布置。在错开段内的内、外层 井壁间敷设两层聚乙烯塑料板，以使可压缩层被 压缩时该段的内、外层井壁可相对滑动。 4 在每道内壁可压缩层处预埋注浆管。 5 在上述前提下，对内、外层井壁可酌情改变 其厚度，以节省井壁造价。 6 变锥形大壁座为筒体壁座。此时宜适当增 大筒体壁座段岩帮的凸凹度。 副井井壁采用上述结构时，除需解决罐道的 压缩问题外，尚需解决副井井筒中大直径管道的 压缩问题。 责任编辑章新敏 万方数据