由包神公式談“兩壁”設計

由包神公式談“兩壁”設計第一頁，共40頁。一、簡述我國井筒凍結技術發(fā)展下面分

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個方面向大家簡要匯報二、“兩壁一鉆”問題及困惑三、“包神”襯砌設計公式的力學理論四、

凍結壁的設計問題五、井壁設計問題六、結語與建議第二頁，共40頁。一、簡述我國井筒凍結技術的發(fā)展1955年首例人工地層凍結成功：開灤林西風井。1954年,表土層厚度50.7m,3個流沙層，凍結深度105m。工期：打鉆/積極凍結/維護凍結:225/46/143。波蘭專家?guī)椭蜚@凍結壁井壁2022/11/193第三頁，共40頁。一、簡述我國井筒凍結技術的發(fā)展俄文版in1954.Author：Н.Г.Трулак中文版翻譯周文安教授1958共三十章內容優(yōu)點：凍結理論與技術打鉆理論與技術不足：井壁和凍結壁設計第四頁，共40頁。一、中國井筒凍結技術發(fā)展西部東部冀、魯、豫、蘇、皖5省及東北陜、甘、寧、蒙、晉5省，甘肅、新疆（簡稱西部），第五頁，共40頁。一、簡述我國井筒凍結技術的發(fā)展第六頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑項目東部西部凍結地層重點表土基巖地層年代第四、三系、石炭三疊二疊第四、三系、白堊侏羅三疊含水層深度800m950m基巖含水特性裂隙為主孔隙為主井筒凈直徑5~8m6~12m基巖含水層方案注漿法為主凍結法為主表土段施工方案凍結法占主鉆井法為輔凍結法第七頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑東部西部設計、施工規(guī)范2007年GB503842007年GB503842011鉆孔>800m,0.2~0.5%>950m,0.2~0.5%技術難題凍結管破壞凍結管串水凍結壁變形大井壁破壞地下水流速度地下水流速度井壁雙層和復合井壁雙層和單層井壁技術安全問題技術經濟問題第八頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑一）現行井筒井壁規(guī)范有關井壁設計的困擾：1）隨著井筒深度增加，井壁厚度急劇增加，解決路徑只有一條：混凝土標號。已要求達到C70以上，有人呼吁采用鋼板井壁。2）凍結井：臨時支護價格最高的，但永久支護的井壁既厚又復雜（雙層或復合），價又高。采用注漿法和鉆井法的井壁設計既薄又簡單，設計的“技術經濟性矛盾”？3）根源在于：井壁設計公式“拉麥”公式：一直沒有人懷疑過它！2022/11/199第九頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑4）井壁設計規(guī)范或拉麥公式的理論缺陷：(1)局限于載荷結構法的傳統(tǒng)地面結構思想；(2)側壓力系數、“水壓折減”等都是經驗主義，沒有理論解釋；(3)設計公式參數過于簡單化，失去科學性；(4)基巖井壁設計采用的是經驗參考法；(5)沒有考慮有無水滲流的影響；(6)井壁設計理論的研究退化成了一部載荷計算研究（歷史----死胡同）2022/11/1910第十頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑定井壁外載荷計算四大類9個公式：平面擋土墻公式(朗肯Rankine1820~72英、庫倫Coulomb1776/1736~1806法)普氏公式(1908俄國M.M.普羅托吉亞科諾夫斯基)秦氏公式(1933俄國П.М.秦巴列維奇)懸浮體公式(科索洛夫斯基)修正的秦氏公式(適用于基巖)圓筒擋土墻公式（5、6、7）別列贊采夫斯基西德哈-林克公式夾心墻公式(馬英明公式)2022/11/1911第十一頁，共40頁。二二、“兩壁一鉆”問題及困惑井壁外載荷計算四大類9個公式：重液體公式(8)（包括修正的重液公式）靜止側壓力公式(彈性力學)(9)、(10)

原巖應力場及邊界條件

1)原巖邊界應力

2)原巖邊界位移原巖應力≠井壁載荷2022/11/1912第十二頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑國內外井壁壓力實測分析：表土壓力實測主要與重液公式進行對比序號12345678910井筒名稱紅陽副井興隆莊主井菜園九江新開新港赤伯雅克巴紅陽西風井西頓巴斯中國中國中國中國日本日本加拿大德國中國俄羅斯施工方法凍結凍結沉井沉井沉井沉井凍結鉆井鉆井鉆井實測深度100168.58737851013804129398等效容重0.940.951.031.06<1.0<1.00.871.11.150.772022/11/1913第十三頁，共40頁。二、評價方法的確定基巖壓力：主要觀測靜水壓力

孫疃煤礦副井基巖破碎帶段，埋深為292.6l~317.28m，井壁C40，壁厚600mm，配筋率0.5%，Pmax=0.59MPa，井壁最大豎向鋼筋拉應力σv均<+60MPa，環(huán)向鋼筋σh

<-40MPa，σ<<300MPa;側壓力系數λ=0.0775測試水平深度m水頭高度m理論水壓MPa實測水壓MPa水壓系數第1水平328.0325.83.1932.2000.689第2水平350.0348.33.4132.3760.696第3水平365.0362.83.5552.9360.826表3-4濟寧三號風井測試水平最大水壓及水壓系數在理論缺乏的基礎上力求從實測找到答案2022/11/1914第十四頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑二、凍結壁設計的困擾：1）最早也是采用拉麥公式設計，但后來放棄了，發(fā)展了共9個設計公式。其中最實用的是多姆克公式和里別爾曼公式。(1)部分塑性(2)全塑性(3)有限段高(4)有限段高蠕變變形2022/11/1915第十五頁，共40頁。二二、“兩壁一鉆”問題及困惑2022/11/1916第十六頁，共40頁。二、“兩壁一鉆”問題及困惑2、凍結壁設計的缺陷；(1)隨著深度增加，凍結壁厚度是為減薄而減薄；以盲目地降低安全性為代價的；從彈性—部分塑性—全塑性—蠕變---變形控制—有限段高；(2)沒有考慮和外壁和超前井內土的聯(lián)合作用，實質是沒有考慮施工力學；(3)仍然局限于載荷結構法；沒有考慮圍巖的作用(4)力學模型和載荷理論的缺陷（死胡同）；2022/11/1917第十七頁，共40頁。三、包神襯砌設計公式理論基于神華包頭梅林廟項目的研究成果(包神公式）將無限邊界的圍巖納入范圍；考慮太沙基的流固耦合理論；平面應變問題；基于自重應力場的原巖應力理論2022/11/1918第十八頁，共40頁。三、包神襯砌設計公式理論基于平面應變問題的包神襯砌設計公式：2009年9月煤炭學報公式特點：4個特點意味著新奧法理論的科學定量化1）統(tǒng)一性；2）科學性；3）技術性；4）定量性；公式適用性：井壁設計：漏水或者不流水

注漿帷幕設計、凍結壁設計2022/11/1919第十九頁，共40頁。三、包神襯砌設計公式理論公式局限：1)平面應變(或存在保守性)；2)彈性接觸假設(圍巖與襯砌界面）2022/11/1920第二十頁，共40頁。三、包神襯砌設計公式理論基于自重應力和太沙基（廣義）理論的原巖應力場2022/11/1921第二十一頁，共40頁。3.3試驗裝置與系統(tǒng)圖2-3-2井壁模擬試驗裝置22第二十二頁，共40頁。數據整體統(tǒng)計分析學報類的論文已經發(fā)表了6篇23第二十三頁，共40頁。四、凍結壁設計凍結壁設計的原則：1)施工力學模型：有限段高力學模型、彈性或者部分粘彈塑性設計；必需考慮圍巖作用、流固耦合作用井壁的約束、井內未挖土的約束；井筒直徑和施工段高凍土的溫度特性

只有采用有限元理論的數值計算，有限元計算機2）不同于永久設計，只限于施工安全；(規(guī)范待完善)變形控制還是強度控制？安全系數？考慮其流變性質？長期強度（變形）？瞬時強度(變形）2022/11/1924第二十四頁，共40頁。四、凍結壁設計為什么包神襯砌公式適合的（西部）基巖凍結壁設計1)對于基巖凍結壁，由于圍巖強度高，采用包神襯砌設計公式是基于與圍巖共同作用的平面應變力學模型，能實現凍結壁的彈性設計；充分條件

2)從實際效果分析來看，凍結壁厚度符合施工工藝和經濟性要求，盡管與有限段高模型相比，盡管設計偏于保守。3)平面應力狀態(tài)不是凍結壁的真實力學狀態(tài)，但在目前的深度范圍內，其主應力關系和平面應力條件中的基本一致的。

2022/11/1925第二十五頁，共40頁。四、凍結壁設計凍結壁符合彈性設計意味著：

凍結壓力=？外層井壁厚度=？

段高可長可短？單層井壁=yesorno?因為凍結壁是完全封水的，所以可采用井筒原巖應力場和水力場耦合作用對基巖凍結壁進行設計。

這時凍結壁原巖應力的水平總應力可簡化重液公式適用深度范圍？1000？1200？試驗規(guī)范和設計規(guī)范？2022/11/1926第二十六頁，共40頁。五、井壁設計1、國內外井壁結構形式（包含所有工法）表土段：1、丘賓筒井壁2、復合井壁(鋼板\鋼筋砼\砌塊\瀝青、塑料板)

3、雙層鋼筋砼井壁基巖段：4、裸井5、噴射混凝土井壁6、素砼單層/鋼筋砼單層井壁7、雙層鋼筋砼/丘賓筒“包神”公式“不全包”只全包“擬定”厚度設計2022/11/1927第二十七頁，共40頁。五、井壁設計選擇井壁結構：單層、雙層、復合?

素（鋼筋）混凝土or其他

1)關鍵功能—承載能力：耐久性：防水性能；

2)技術經濟參數：厚度；鉆井法井壁：工藝力學和永久受力：對于基巖，鋼板？？注漿法井壁：關鍵：工作面涌水量控制<?

砌壁和防水的工藝突破；凍結法井壁：和凍結壁設計關聯(lián)

表土段：雙層或復合；夾層的作用與取代？

有了豎向可壓縮結構后，還有各種新技術

基巖段：裸、短掘短砌單層？短掘中套單層?

短掘短砌外壁/中套和長套內壁；夾層？

2022/11/1928第二十八頁，共40頁。五、井壁設計案例一：硬盤壕、主、副、風凍結井筒井壁

感謝設計院和業(yè)主提供項目名稱井筒凈直徑表土深度井筒深度凍結深度m表土段井壁厚度表土井壁優(yōu)化后基巖段最大壁厚度基巖井壁優(yōu)化后基巖段砼等級塑料夾層深度單位mmmmmm

mmmm

m主井9.443.58849.5865.01600803/55025001550/400CF70/C50739.5副井1048.4789.5805.01750900/55024501600/400CF70/C50711.5風井7.543.75757772.01050603/40020001150/400CF70/C50706.02022/11/1929第二十九頁，共40頁。營盤壕704水平位置壁座外壁外鋼筋內壁外鋼筋錨桿圍巖掛網外壁斜接茬30第三十頁，共40頁。案例二：葫蘆素井別凈半徑m凍深/全深m起止深度m壁厚mm混凝土標號內排鋼筋數量外排鋼筋數量接茬鋼板塊數/每塊重主井4.8525/667.8150~520900C45~C6512012015/130副井5.0525/702.8150~520950C45~C6512812816/136風井4.0525/681.29150~682800C45~C7510810812/115引用需要感謝業(yè)主和礦大！用于參考分析2022/11/1931第三十一頁，共40頁。案例三：磁西超千米井筒井壁含水層井

筒涌水量（m3/h）備注地層時代編號底板深度（m）厚度（m）巖性滲透系數K(m/day)石盒子基巖砂巖裂隙含水層111041.009.00細粒砂巖0.13267.51121168.009.00細粒砂巖0.268143.98131200.0010.00細粒砂巖0.04936.65副井井筒千米以下分層涌水量預計結果表感謝邯鄲設計院相信我2022/11/1932第三十二頁，共40頁。案例三：磁西超千米井壁厚度的計算副立井井壁設計載荷計算表層位控制深度m靜水壓MPa/水頭彈性模量MPa垂直水平有效泊松系數有效應力側壓力系數總應力MPa有效應力MPa總應力MPa有效應力MPa泥巖1280無280033.8733.8712.3412.340.270.364細砂巖120011.2Mpa1141m310031.7520.5720.245.140.200.25最大井壁厚度900，C602022/11/1933第三十三頁，共40頁。三、擬定超千米井壁厚度的計算項目副井8.0風井7.0含水層泥巖層含水層泥巖層C55結構安全系數1.21.21.21.2混凝土強度Pa2.530E+72.530E+072.530E+072.530E+07混凝土彈性模量Pa3.550E+103.550E+103.550E+103.550E+10混凝土剪切模量Pa1.492E+101.492E+101.492E+101.492E+10混凝土泊松比0.180.180.180.18折減后砼強度Pa2.412E+072.412E+072.412E+072.412E+07載荷計算值Pa1.792E+071.480E+071.797E+071.482E+07井壁厚度計算m1.9690.1841.8930.161C60結構安全系數1.351.351.351.35混凝土彈性模量Pa3.600E+103.600E+103.600E+103.600E+10混凝土剪切模量Pa1.525E+101.525E+101.525E+101.525E+10混凝土泊松比0.180.180.180.18折減后砼強度Pa2.610E+072.610E+072.610E+072.610E+07載荷計算值Pa1.866E+071.665E+071.872E+071.665E+07井壁厚度計算m0.6830.8520.6750.7452022/11/1934第三十四頁，共40頁。2022/11/1935第三十五頁，共40頁。三、擬定超