西部地区基岩含水层冻结井筒井壁设计研究

齐宝健

摘 要：随着西部大开发战略的实施，本文针对西部地区基岩含水地层冻结井筒遇到井筒深、直径大、计算井壁结构厚度较大等问题，根据井壁实际受力状态，提出了在现行规范下合理的计算方法，并以红庆河矿井为工程实例进行计算结果比较。

关键词：立井井筒；冻结法井壁结构设计；混凝土强度提高系数

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

1 引言

随着西部地区煤炭开发的进行，其立井井筒与中东部地区立井井筒无论在井型方面还是穿过地层方面有很大的异同，该地区的煤矿生产能力较大，立井开拓方式的井筒设计净直径大，穿过的地层以白垩系、侏罗系等岩层为主，该地层成岩较晚，强度低，含水，遇水容易产生泥化[1]，含水层中的水以孔隙水為主，注浆时浆液难以扩散，注浆效果差，因此，当含水量大时不得不采用冻结法施工。目前，在该地区内立井井筒多采用冻结法施工，设计方法均沿用中东部地区传统的计算方法，井壁结构多采用双层钢筋混凝土井壁，由于该地区的井筒直径较大，冻结深度深，通过规范现有的计算方法，得到的井壁厚度达到2m多，厚度非常大，难以施工，而且存在“大体积混凝土”的问题。因此，在传统的计算方法基础上，结合该地区岩层的特点研究含水基岩冻结井壁结构计算是非常必要的。考虑该地区目前冻结立井井筒主要采用双层钢筋混凝土井壁结构形式，新型的单层冻结井壁是一种专利产品，本文仅讨论双层钢筋混凝土井壁结形式的计算。

2 以往冻结表土段井壁结构计算方法

（1）表土段内、外层井壁整体所受径向荷载标准值应按下列公式计算：

1）均匀荷载标准值应按《煤矿立井井筒及硐室设计规范》公式6.1.3.1计算；

2）不均匀荷载标准值应按下列公式计算：

（2）内、外层井壁分别承受的径向荷载标准值应按下列方法计算：

1）内层井壁荷载标准值应按下式计算：

2）外层井壁承受的冻结压力标准值宜按冻土（岩）试验、实测等资料选取，也可按《煤矿立井井筒及硐室设计规范》表6.3.3选取。

（3）按照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》附录C中公式进行强度校核和配筋计算。

3 冻结基岩与冻结表土井壁受力状态差异

（1） 外层井壁。

表土段井壁承受的永久压力为土压和水压，表土段外层井壁除了承受施工阶段的冻结压力之外，在冻结解冻后还需和内层井壁共同承受永久压力，因此外层井壁既是施工阶段临时支护，又是永久支护。

基岩段井壁承受的永久压力为静水压力，井筒解冻后，因外层井壁采用短段掘砌，接茬处封水差，地层中的静水压力，均有内层井壁承受。因此，外层井壁仅承受施工阶段的冻结压力，作为一种临时支护。其与表土段受力状态有很大的差异。

（2）内层井壁。

在表土段，内层井壁除了承受静水压力之外还承受地层压力，因地层的压力存在不均匀性，需要对井壁结构进行不均匀压力下的强度计算。

在基岩段，内层井壁承受的是静水压力，因水压是均匀的，因此不需要进行不均匀压力下的强度校核。

由以上分析可知，冻结基岩段井壁的受力状态比表土段要有利，井壁结构的受力状态和功能也不近相同。

4 基岩冻结井壁设计

（1）外层井壁计算。

外层井壁主要承受的是冻结压力，是一种临时支护。通过近年来的室内冻结实验研究表明，冻结压力的大小在一定程度上取决于岩土层的冻胀量。当冻胀量大，外壁承受的冻结压力就大；反之冻胀量小，冻结压力就小。在基岩冻结实验中，很多岩石出现冻缩现象。因此，基岩冻结外层井壁设计时，应根据冻涨实验确定冻结压力，不能按照中东部地区土层冻结压力经验值选取。然后按照规范中公式6.2.9计算，并保证满足厚壁圆筒理论公式条件，取二者较大者。

（2）内层井壁计算。

1）内层井壁按照承受静水压力计算，并进行均匀静水压力下的强度校核。

2）从理论分析来看，冻结井筒内层井壁是一个深埋于地下的厚壁圆筒结构物，在水压力作用下，内壁中的混凝土由外缘的三轴受压逐渐转变为内缘的二向受压，井壁结构中的混凝土处于多轴受压应力状态下，不同于一般地面结构的钢筋混凝土梁、柱受力状态，因此，在井壁结构设计计算时应该考虑混凝土的多轴受压强度。对于内层井壁，从内缘开始向外，径向应力逐渐增大，达到外缘时，等于水压，且皆为压应力，即从内缘向外，井壁结构中混凝土皆处于三向受压应力状态[2]。根据现行《混凝土结构设计规范》可知，当混凝土处于二轴或三轴受压应力状态，混凝土抗压强度应考虑提高系数，且在三轴受压下提高系数更大。

5 工程实例

以内蒙红庆河矿井主、副井为例，控制截面深度分别为垂深645.39m、649.31m，混凝土强度等级最高为C70，优化前后内壁计算结果对比见表1

6 结束语

基岩冻结井壁与表土冻结井壁，其井壁结构受力状态有较大差异，因此选用传统计算方法是不合理的。根据冻土（岩）实验及现行规范，结合井壁实际受力状态，通过混凝土提高系数的方法，能够有效减薄井壁厚度，减少矿井投资。建议进一步结合西部地层基岩成岩晚，强度低，遇水容易泥化等特点，开展有关新的井壁结构形式，井壁结构计算方法。

参考文献 ：

[1]姚直书等.西部地区深基岩冻结井筒井壁结构设计与优化[J].煤炭学报，2010，35（01）：760-764.

[2]红庆河矿井井壁受力机理力学特性与设计优化关键技术研究[R]. 中煤科工集团南京设计研究院，2012.

作者简介：齐宝建（1983-），男，山东临邑人，硕士研究生，工程师，主要从事立井井筒井壁结构及井筒装备、市政地铁冻结加固等方面设计研究。