冻结法凿井井壁结构设计.pdf

第27卷第1期 建 井 技 术Vol127 No11 2006年 2月 MINE CONSTRUCTION TECHNOLOGYFeb1 2006 冻结法凿井井壁结构设计 贾翱翔 中煤国际工程集团沈阳设计研究院,辽宁 沈阳,110015 摘 要介绍了红祥煤矿混合井冻结井壁结构设计方法及设计参数的选取,给出了井壁结 构形式,指出了设计中应注意的问题。 关键词冻结法;井壁结构;设计;负摩擦力;冻结压力 中图分类号TD265. 3 1 文献标识码B 文章编号1002Ο6029200601Ο0013Ο02 收稿日期2005Ο11Ο21 1 地质概况 111 构造与地层 红祥煤矿位于辽宁省辽阳灯塔市境内,邻近 红阳煤矿。地层倾向NW ,倾角15～65 。1号、2 号井检孔位于井田中部,煤层露头外。从它们所 揭露的地层岩心情况看,地层无明显异常构造现 象。除J2玄武岩岩心完整性较差外,一般岩心都 较完整,无大的构造裂隙,地层层序正常。 1号、2号井检孔自上而下揭露的地层如下 1第四系为松散的冲洪积层,由粘土,粉 土,细、 中、 粗砂,砂砾组成,厚103m左右。 2侏罗系中统上部为基性喷发相玄武岩及 火山角砾熔岩,厚118～135m ;中部为灰色和紫色 粉砂岩,厚118～137m ;底部为花斑状砂质胶结中 砾岩,厚33～38m。 3中石炭统本溪组只钻至本溪组上部灰岩 段底部,见紫杂色泥岩数米,总厚75m左右,由泥 岩、 砂岩、 条带状砂岩、 粘土质泥岩和灰岩组成。 灰岩共4层,单层厚1124～12105m。 112 含水层 含水层分为4层。 1第四系孔隙强含水层 该含水层全区发育,由粘土,粉质粘土,粉土, 细、 中、 粗 砂,圆 砾 等 组 成,总 厚103105～ 103114m。上部含水层埋深9185～16160m ,岩性 为粉砂;中部含水层埋深26101～61175m ,由细、 中、 粗砂和圆砾等组成;下部含水层埋深66160～ 73180m ,由细、 中砂组成。含水层单位涌水量为 16178～39178L/ sm ,渗透系数117130～ 127160m/ d。 2基岩裂隙风化带弱含水层 基岩裂隙风化带深度为120m ,厚度16195m , 由风化泥岩、 玄武岩和泥岩组成。1号井检孔风 化带抽水深度为105～153m ,单位涌水量为 4186710 - 3L/ s m ,渗透系数01022 1m/ d。 3侏罗系弱含水层 1号、2号井检孔全部取心。从取心情况看, 侏罗系上部为玄武岩和火山角砾熔岩。其中玄武 岩内生裂隙发育,分充填和未充填两种情况。从 1号孔抽水试验抽水深度105～153m结果看, 侏罗系上部水量不大,属较弱含水层。侏罗系底 部砾岩胶结致密,含水性差,为极弱含水层。 4本溪组上部灰岩段裂隙、 溶隙弱含水层 该段地层由黑色泥岩,粉、 细砂岩,粘土质泥 岩和灰岩 4 层组成。1号井检孔在本溪组上部 灰岩段含古风化壳进行抽水试验,单位涌水量 为611410 - 5 L/ sm ,渗透系数1109110 - 4 m/ d ,为弱含水层。 113 隔水层 根据井检孔地质资料,井筒穿过的地层在水 文地质条件垂直分带上可分为5个隔水层。 1第四系顶部粘土,粉质粘土隔水层厚约 10192～1110m ,对大气降水起到隔水作用。 2第四系中、 上部粉质粘土隔水层厚约 8161～915m ,对第四系上部水起到隔水作用。 3第四系下部粘土,粉质粘土隔水层厚约 21154～26107m ,对第四系水起到隔水作用。 建 井 技 术 2006年第27卷 4侏罗系中、 上部火成岩、 粉砂岩隔水层厚 层状,由玄武岩、 火山角砾熔岩和粉砂岩组成,对 第四系强含水层起到隔水作用。 5本溪组杂色泥岩段隔水层依岩性分为 上、 下两段,下段为杂色泥岩及粘土质泥岩,对奥 陶系岩溶水起到隔水作用。 2 井壁结构设计 红祥煤矿混合井直径415m ,冲积层段采用冻 结法施工,冻结深度128m穿过基岩风化带,进入 稳定基岩内15m。 211 计算分段 利用修正的秦氏公式计算井壁所受的侧压 力。计算显示,冻结段井壁在90m深处受力较 大,因此从该处将井壁分为上、 下两段,分别进行 计算和校核。 212 计算原则 冻结井壁厚度既要满足强度条件要求,又要 满足变形条件要求。通常情况下,内层井壁按静 水压力计算,外层井壁按冻结压力计算,全井筒按 水土压力校核,并适当考虑负摩擦力的影响。 213 井壁厚度的确定 计算显示,井筒垂深0～9010m段静水压力 P水 01899 1MPa ,冻结压力P冻 11449 6 MPa , 水土压力P水土 11168 8 MPa ,内层井壁钢筋与 混凝土综合强度计算值fcz 13112MPa。井筒半 径r 2 250mm ,设计荷载系数vk内壁为114 ,外 壁为1105。内层井壁厚度计算值为253mm ,考虑 到井筒装备安装时选用300mm长的树脂锚杆, 实际 取400mm。外 层 井 壁 厚 度 计 算 值 为 346mm ,实际取350mm。垂深9010～12810m段 P水 11284MPa ,P冻 11642 MPa ,P水土 11669 MPa。内层井壁厚度计算值为390mm ,实际取 450mm。外层井壁厚度计算值为357mm ,实际取 400mm。冻结段井壁混凝土强度等级取C25。 按冻结压力对外层井壁环向配筋进行计算, 按静水压力对内层井壁环向配筋进行计算,按吊 挂力并适当考虑负摩擦力的影响对井壁竖向配筋 进行计算。 井壁结构、 厚度及配筋情况见附表。 附表 红祥煤矿混合井冻结段井壁结构、 厚度及配筋 井筒深度 / m 井壁厚度/ mm 内壁外壁 内壁配筋 环筋竖筋 外壁配筋 环筋竖筋 0～9010 40035020 30018 30020 30018 300 9010～1231045040020 30018 30020 30018 300 12310～12810 850 整体浇筑环筋20 300 ,竖筋18 300 注所有钢筋均为Π级钢筋;双层井壁间铺设115mm厚塑料软板。 214 井壁结构校核 1井壁环向稳定性验算 按内、 外层井壁共同承受水土压力对井壁稳 定性进行验算。计算显示垂深9010m以上段井 壁长细比为5144 vKP水土 11636 3MPa ,井壁环向稳定性得到保证。垂深 9010～12810m段井壁长细比为41802 vKP水土 21337MPa ,井壁环向稳 定性得到保证。 对外层井壁在冻结压力作用下的稳定性进行 验算。计算显示,两井筒的长细比和均匀径向临 界压力均得到保证。 2把内、 外层井壁看作整体结构,按共同承 受水土压力进行校核 把内、 外层井壁看作整体结构,压力按土压 水压不均匀压力组合考虑。不均匀侧压力系 数β取012 ,强度荷载系数vK 111 ,按偏心受压 构件进行计算。结果表明,井壁配筋均在安全范 围内,满足井壁强度要求。 红祥煤矿混合井井筒现已掘至70余m深, 所设计的外层井壁能承受住冻结压力的作用,没 有出现破坏现象。 3 体 会 1红祥煤矿地层多为砂性土层,所以混合井 井壁厚度计算时采用了拉麦公式。实践证明,这 样做是比较符合实际情况的。 2红阳三矿主井、 副井、 风井在套内壁结束 半年后,由于负摩擦力的作用,冲积层段与基岩段 接触带附近内壁均出现了环向裂缝,并有混凝土 脱落、 钢筋弯曲变形和外露现象,致使井壁漏水。 考虑到红祥煤矿距离该矿较近,井壁设计时吸取 了该矿的经验教训,加大了冲积层段与基岩段接 下转34页 41 建 井 技 术 2006年第27卷 31313 盾构施工引起的地面沉降影响范围 根据对50余个断面实测数据的统计分析,本 工程双圆盾构施工影响范围为隧道轴线两侧 1813m之 内,与215i所 对 应 的 沉 降 范 围[4] 17 1 5m 较为接近;主要影响区域为隧道轴线两 侧8m范围内,该区域内的沉降槽体积占总体积 的80 以上,沉降值约为最大沉降值的30 。 31314 纵向沉降分析 根据实测资料,绘制了盾构推进至不同位置 时沿盾构推进方向的地面沉降曲线略 , 其形态 与单圆隧道盾构施工引起的纵向地面沉降曲线一 致。分析这些沉降曲线发现① 盾构施工时,隧道 开挖面上方的地面沉降值一般只有开挖面后方最 大地面沉降值的15 ～20 左右;② 地面沉降主 要发生在开挖面后方20m范围之内,这一部分沉 降约占总沉降值的60 ～80 。 4 地面沉降控制措施 1合理控制同步注浆量。隧道施工时观测 显示,同步注浆量较大的位置,地面沉降值较小, 不超过10mm ;同步注浆量较小的位置,地面沉降 值较大,个别地段甚至超过50mm。可见,注浆量 是影响地面沉降的一个关键因素。 2合理控制推进压力,建立土压平衡。经验 表明,盾构土舱压力大于前方地层土压力时,容易 造成地面隆起;土舱压力小于前方地层土压力时, 容易造成地面沉降过大。因此,盾构施工时,合理 控制推进压力,建立土压平衡,对控制地面沉降是 十分重要的。 3关键阶段及时注浆。盾构通过和盾尾 脱出时是地面沉降控制的关键阶段。盾构通 过时和盾尾脱出后4d之内产生的沉降可以占 到总沉降量的60 ～80 。由于盾构推进时, 海鸥块背土效应较为明显,所以在这一阶段及 时注浆,不仅可以有效地填充地层孔隙,还可 以减小海鸥块处的背土效应,进而有效地减小 盾尾脱出后的地面沉降,达到有效控制地面沉 降的目的。 5 结 论 1地铁双圆盾构施工引起的地面沉降可以 采用本文推荐的数学模型等效大圆模型来计 算。为使计算结果符合实际情况,要正确确定土 体损失率和沉降槽宽度系数。 2双圆隧道盾构施工中,应根据具体地层情 况,采用同步注浆等措施控制地面沉降。同时要 加强监测工作,及时反馈信息,并根据反馈信息及 时调整施工参数,以减小地面沉降。 [参考文献] [1]朱忠隆,张庆贺,易宏伟.软土隧道纵向地表沉降的随机预测 方法[J ]1 岩土力学,2001 ,3 56-591 [2]刘宝琛,张家生.近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方 法.岩石力学与工程学报[J ]11995 ,124 289-2951 [3]方江华,刘海燕,姜玉松.盾构掘进法开挖隧道对地表沉降影 响的预估[J ]1 安徽理工大学学报自然科学版 ,2004 , 增 刊 36 -401 [4]刘建航,候学渊.盾构法隧道[ M].北京中国铁道出版社, 19911 上接14页 触带附近的井壁强度。 3从1号井检孔取心情况来看,混合井最厚 的粘土层为粉质粘土,厚16148m ,其余粘土层厚 6108～10192m。与两淮地区冻结井相比,粘土层 总厚度较小。考虑技术、 经济、 施工工艺等方面的 因素,同时参考红阳三井主、 副井冻结井壁设计经 验,仅在混合井粘土层较厚处外壁和冻结壁之间 设置了1层起保温隔热和缓压作用的25mm厚聚 苯乙烯泡沫塑料板,粘土层较薄或含水层处不设 置。这样做的好处是适当减小了井筒荒径,从而 减少了掘砌工程量。 4井筒冻结段内、 外层井壁间铺设115mm厚 塑料软板的作用,在于保证了内壁降温时不受外壁 约束,混凝土可自由收缩,防止内壁产生温度裂缝。 5冻结段井壁受力情况比较复杂。在掘砌 过程中,井壁主要承受冻结压力;在冻结壁解冻过 程中,井壁先承受水压,随后逐渐过渡到承受永久 地压。另外,施工期间由于温度的剧烈变化,井壁 内还要产生较大的温度应力。因此,井壁设计所 用的水土压力值,应是采用按重液公式和修正的 秦氏公式计算得到的水土压力值之中的较大者, 以增大井壁结构的安全系数。 作 者 简 介 贾翱翔1975 , 男,助理工程师。2000年7月毕业于东北 大学资源与土木工程学院采矿工程专业,一直从事矿井设计工 作。 43