冻结法凿井井壁结构设计关键问题探讨

贾成刚

冻结法凿井井壁结构设计关键问题探讨

贾成刚

(中煤科工集团武汉设计研究院，湖北 武汉 430064)

在采用冻结法施工井筒的过程中，井壁结构设计因素是造成井筒施工出现问题的原因之一，本文结合设计经验，分析了影响冻结法凿井井壁结构设计的关键问题，阐述了井壁结构设计过程中应考虑的因素，给出了井壁结构设计的指导思路，在施工过程中避免了由于设计的缺陷造成井筒施工问题，具有参考价值。

冻结法凿井;冻结深度;井壁结构;设计

冻结法凿井是国内施工穿越不稳定深厚冲积层井筒时最常用的一种工法，目前，国内采用冻结法施工的井筒穿越最厚的冲积层为587 m，最大冻结深度800 m。尽管我国冻结法凿井技术已经比较成熟，冻结法工程设计与施工技术均达到了国际先进水平。但是由于该工法的复杂性以及地层的不确定性，采用冻结法施工的井筒仍然存在一些问题。如一些井筒在建井过程中井壁破裂或在投入使用后井壁下沉撕裂，带来了安全问题和经济损失。这些问题的出现可能是由于多种原因造成的，但在井壁结构设计中一定要对各影响因素考虑周全，避免由于设计的缺陷导致井筒施工出现问题。本文结合以往设计经验，就冻结法凿井井壁结构设计中的关键问题进行探讨分析。

1 井筒冻结深度的确定

立井井筒的冻结深度应根据地层埋藏条件及井筒掘砌深度确定，并深入稳定的不透水基岩10 m以上，当基岩段涌水量较大时，必须延长冻结深度。但由于国内不同地区地层情况有别，在井壁结构设计具体过程中，还需要考虑以下几个影响冻结深度确定的因素：

1.1 地层差异对冻结深度的影响

随着我国西部地区矿区的开发建设，越来越多的井筒采用冻结法施工。我国西部地区由于成煤较晚，地层年代较新，含煤地层多数为侏罗系地层或者白垩系地层，不同于我国东部地区。这些地层普遍为不稳定的软弱岩层，尤其是遇到含有膨胀性的泥质类岩层时，冻结压力往往会导致冻结井壁发生破坏变形。在这些地层中确定冻结深度时，井筒冻结深度不宜确定过浅。一般来说，当设计的井筒穿过白垩系地层和侏罗系地层时，井筒冻结深度要冻结至侏罗系地层，并根据侏罗系地层岩层情况，选择合理的冻结层位。

1.2 壁座设置层位对冻结深度的影响

采用冻结法技术施工的井筒掘砌底部需要将一定高度的内、外层井壁整体浇筑作为壁座。由于壁座位于冻结段底部，因此，壁座设置层位对冻结深度也有影响。由于壁座是由下部台阶围岩的承载力和其侧面围岩与壁座外缘混凝土的粘结力来承载，因此，壁座必须选择在围岩条件较好的层位，以承托壁座上部井壁的重量，壁座层位选择好后，再根据其下部岩层含水量情况确定合适的冻结深度。

1.3 井筒开口巷道对冻结深度的影响

根据冻结法凿井施工经验，采用冻结法施工的井筒其冻结深度最好不穿过井筒上开口的大断面硐室(如主井箕斗装载硐室、副井马头门)，这是由于大断面硐室施工时对于穿硐室的冻结管的处理非常复杂，若处理不当，井筒解冻后涌水会经过冻结管与地层之间的环形空间进入井筒，即使采用封堵注浆等措施，但受井下施工条件限制，难以检验封堵效果，当硐室上部的水压达到一定程度后硐室会承受相当大的荷载，进而对开口巷道或硐室造成破坏，使得巷道支护问题处理起来非常困难。因此，井筒的冻结深度也应该考虑到这些因素。

2 井壁所受荷载及井壁厚度的确定

2.1 井壁径向荷载

目前，我国冻结法施工井筒以采用双层井壁结构为主，并在内、外层井壁之间铺设塑料夹层的井壁结构形式。对于双层井壁结构形式的井筒，其内层井壁荷载按静水压力计算，外层井壁荷载按承受冻结压力计算，全井筒按水土压力校核并考虑负摩擦力作用。

1)内层井壁荷载标准值。

式中：

Pn，k—内层井壁所承受的荷载标准值，MPa;

kz—荷载折减系数，一般取 0.81 ～1.00;

H—计算处井筒深度;

0.01 —水的似重力密度，MN/m3。

2)外层井壁荷载。

外层井壁承受冻结压力，冻结压力由土层的原始应力、土层中水结冰时体积膨胀、黏土吸湿后体积膨胀以及冻土的蠕变等因素形成。实测结果表明，不同地区、同样深度的土层冻结压力存在一定的差别。就目前我国施工的冻结井筒来看，井筒在施工过程中井壁破坏往往是由于对冻结压力估计不足而造成的。冻结压力目前尚无准确的计算公式，但在设计过程中，对于冲积层段尤其是黏土层的冻结压力可参考表1中的数据进行取值。

表1 不同深度黏土层的冻结压力标准值

在以基岩为主的冻结地层中，冻结压力相对较小，一般来说，外层井壁只要满足厚壁圆筒理论(即t＜r/10，t为井壁厚度，r为井筒半径)的构造厚度即可。但对于一些成岩较差的地层如白垩系地层，该地层属不稳定地层，其冻结压力不同于一般基岩冻结，因此，设计中应重点对部分特殊基岩地层有区别的对待。

3)内、外层井壁整体所受径向荷载标准值。

内、外层井壁整体受力校核时，需要考虑均匀荷载和不均匀荷载两种情况。

a)均匀荷载标准值公式如下：

Pk=0.013H，MPa;

式中：

H—计算处井筒深度，m。

b)不均匀荷载标准值公式如下：

式中：

βt—冲积层不均匀荷载系数，冻结法凿井时，βt=0.2 ～0.3。

2.2 井壁厚度确定

冻结法凿井井筒的井壁厚度按下式初步拟定后，尚需进行各种应力校核。

混凝土井壁：fs=0.85fc

式中：

t—井壁厚度，m;

rn—计算处井壁内半径，m;

fs—井壁材料强度设计值，MN/m2;

fc—混凝土轴心抗压强度设计值，MN/m2;

Pk—计算处作用在井壁上的设计荷载标准值，MPa;

P—计算处作用在井壁上的设计荷载计算值，MPa;

ρmin—井壁圆环截面的最小配筋率，全截面配筋率不应小于0.4%，当采用HRB400级、RPB400级钢筋时，配筋率不应小于0.3%;当混凝土强度等级为C60及以上时，配筋率不应小于0.5%;

νk—结构安全系数，均匀水土压力 νk=1.35，静水压力 νk=1.35，冻土压力 νk=1.05。

3 其它应考虑的关键因素

3.1 混凝土的选用

目前，我国应用于冻结井壁工程的混凝土最高强度等级为C80。在井壁结构设计中，对于特厚冲积层冻结井壁，一般在井筒深部采用高强度混凝土，一方面是为减少井壁支护厚度，避免大体积混凝土由于水化热带来的混凝土自身的养护问题而导致混凝土达不到设计强度;另一方面是由于地区不同，可配制最高混凝土强度等级不同。为此，高强度混凝土的选择要结合现场实际情况综合确定。

3.2 井壁分段的选择

从工程量和施工角度来说，井壁分段少，根据荷载计算，会形成较大的支护强度富余，必然导致井筒掘砌工程量增加;井壁分段多，尤其是内层井壁分段多，外层井壁施工模板制作多，施工进度降低。

从井壁分段与岩性、荷载关系来看，井壁分段少，分段处上下井壁厚度必然相差较大，造成分段处井壁应力集中，因此，井壁分段处最好选择在岩层力学性质相对较好或不透水岩层的位置。一是尽量减少应力集中的问题，二是降低井筒解冻后涌水从变断面处透入井筒的问题。

根据以往设计经验，一般将井壁每150 m左右分为一段，分段处的上、下井壁总厚度之差控制在300 mm为宜。

3.3 泡沫板、塑料夹层的敷设

在冲积地层的外层井壁与冻结壁间辅设聚苯乙烯泡沫塑料板，可有效防止膨胀性土层迅速增长的初期冻结压力对井壁的破坏，起到缓卸压作用。泡沫塑料板铺设的厚度与井帮位移速度有关。泡沫塑料板厚度选择过大，可能出现的问题是井帮位移过小，导致井帮与井壁接触不实，井壁摩擦力小，井壁可能发生下沉。泡沫塑料板厚度选择过小，则在有膨胀性的黏土中井筒开挖后迅速增长的井帮变形压力使得浇筑的混凝土在达不到最终强度的情况下井壁发生破坏。因此，井壁结构设计中应认真分析各岩层情况，确保选择的泡沫塑料板厚度适应岩层变形情况。

在内、外层井壁之间铺设塑料夹层的目的是：内、外层井壁可以较为自由地做相对位移，避免因温差过大而产生温度应力并拉裂井壁。

3.4 冻结管穿马头门、硐室、巷道的处理措施

在冻结管穿过井筒开口相关巷道或硐室时，若不采取相关措施封堵冻结管与地层之间的环形空间，那么井筒解冻后涌水会经过冻结管与地层之间的环形空间进入井筒。穿过马头门、硐室、巷道的冻结管与地层之间的环形空间充填长度自马头门、硐室、巷道顶板向上不应小于100 m。

3.5 壁间注浆

理论研究和工程测试发现，冻结井内壁套壁结束后一段时间，内、外层井壁壁间处于正温状态，能够实施塑料夹层壁间注浆，充填井壁间隙、裂缝，提高井壁密实度和整体强度，可有效防止冻结壁解冻后涌水大量进入塑料夹层壁间，降低壁间静水压力，减少内壁承载力。井壁结构设计中要注意内壁套壁结束后冻土解冻初期即进行壁内注浆。

4 结语

通过以上对冻结法凿井井壁结构设计的关键问题分析，在具体的设计过程中，只要通过科学的计算校核，并注意考虑各种因素对冻结井筒井壁产生的影响，理论联系实际，不断积累经验，就能保证冻结井筒井壁结构设计的正确合理性，为井筒安全施工打下可靠的基础。

［1］ 李现春，林鸿苞.煤矿立井井筒及硐室设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2007：25－27.

［2］ 蒲耀年.煤矿井巷工程施工规范［S］.北京：人民出版社，2011：38－40.

［3］ 张荣立，何国纬.采矿工程设计手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2003：157－159.

Key Problems on Shaftlining Structure Design of Freeze Sinking Method

Jia Cheng－gang

In the process of the shaft construction by using the freezing method，shaftlining structure design factors are one of the reasons which caused the problems of the shaft construction.This paper combines the design experience，analyzes the key problems of impacting shaftlining structure design of freeze sinking method，expounds the factors to be considered in the design process of shaftlining structure，and gives the guiding thought of shaftlining structure design，in construction process avoids the design defects caused shaft construction problems，have the reference value.

Freeze sinking method;Frozen depth;Shaftlining structure;Design

TD262.1

A

1672－0652(2012)07－0013－03

2012－06－13

贾成刚(1978—)，男，河北邯郸人，2002年毕业于河北建筑科技学院，工程师，主要从事采矿设计与研究、项目管理等工作(E －mail)zsh0201@163.com