冻结法凿井井壁结构相关问题探讨

1、冻结法凿井井壁结构相关问题探讨 摘 要：介绍了冻结法凿井技术在我国的发展概况，分析了冻结法凿井的概念及冻结立井井壁结构形式, 探讨了冻结法凿井成井后井壁出现的问题及原因, 阐述了冻结法凿井在确定井壁结构时应注意的相关问题及宜采取的方法。 关键词: 冻结法凿井；井壁结构；负摩擦力；井壁卸压槽 中图分类号：td265.3文献标识码：a文章编号： 1 冻结法凿井概况 冻结法凿井是在井筒开凿之前, 用人工制冷的方法,将井筒周围的土层冻结形成封闭的圆筒的冻结壁, 以抵抗地压, 隔绝地下水,在冻结壁的保护下进行掘砌工作的一种特殊方法。自从1955 年我国采用冻结法凿井以来, 已有近60 年的历史，其冻结法

2、凿井技术的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是1955 年至70 年代初期, 主要解决冻结法应用的基本技术问题；第二阶段是20 世纪70 年代初期至80 年代中期，主要解决冻深5000m 以内的关键技术和应用水平问题；第三阶段是20世纪80年代中期至今, 主要解决5000m 以内的深井冻结的两项关键技术难题地层沉降条件下的井壁结构设计理论及应用, 深厚粘土层下的冻结凿井技术。 2 我国冻结法凿井井壁结构现状 我国目前主要应用的井壁结构形式主要有（按结构型式）可分为钢板混凝土井壁、钢筋混凝土井壁、钢板混凝土复合井壁和可压缩井壁。 1）钢板混凝土井壁：一般来讲，单层钢板混凝土井壁结构只适合冻结深度不

3、大于500m,井壁厚度一般控制在500700mm,井壁混凝土等级一般为c40c50。其不足之处在于井壁漏水问题不好处理， 尤其是在接茬缝漏水是一个十分辣手的难题。 2)单层钢筋混凝土井壁：20世纪50年代采用冻结法凿井早期，表土层较浅，约有50多条井筒采用此种井壁, 最大冻深162 0m, 表土层深1540m。大多数井壁在接茬处、预留梁窝处严重漏水。采用壁内注浆或套壁处理漏水。在浅表土层接茬处采用塑料止水带等措施,保证了井壁质量。 3)双层钢筋混凝土井壁：采用套壁方法处理单层井壁漏水的效果十分理想，由此得到启示，从单层井壁改为双层井壁, 1964 年邢台主井开始采用双层混凝土井壁至今, 全国约

4、有280条井筒采用, 最大冻深4610m。设计中假设双层井壁为整体共同受力, 用永久地压计算井壁总厚度, 用冻结压力计算外层井壁厚度, 余下的为内壁厚度, 一般为0.40.5m。施工时外壁凿毛, 留台阶。采用双层井壁后, 漏水现象有所减少, 但没有根治, 表土层大于2000m的井筒中, 漏水问题仍十分严重。 4）钢板混凝土复合井壁：双层钢板混凝土复合井壁具有较高的承载力，可抵御强大的地压作用，是特厚表土层钻井井筒的理想支护结构之一。井壁构成主要包括：内钢板筒、外钢板筒、连接件、混凝土或钢筋混凝土，连接件设置在内钢板筒和外钢板筒之间，混凝土或钢筋混凝土注入内、外钢板筒和连接件形成的空间中，形成双

5、层钢板混凝土复合井壁。与现有技术相比，提高了单位厚度井壁的承载能力，有效减薄了井壁厚度和降低井壁自重，在一定范围内避免井壁飘浮下沉出现困难，还能减小钻井直径，满足在深厚冲积层中钻井法施工的需要，尤其比较好地解决了漏水问题, 具有广泛的应用性。 5）可压缩井壁：该井壁结构主要是用来治理井壁破裂，从而提高卸压槽治理井壁破裂工程的服务年限。该井壁结构为可压缩的钢结构装置，主要技术参数包括及要求：第一，可缩量。要求可压缩装置的压缩量与井壁允许竖向变形量(井壁本身可产生11.5的变形而不破坏)之和应不小于表土地层的预计固结压缩沉降量，以保证井壁有足够的压缩空间来削减竖直附加力；第二，强度。可压缩装置在水

6、平方向上应能承受住来自地层的荷载，包括地压和水压，在竖向屈服前应能承受住设定荷载。在可压缩装置的工作过程中，即从竖向发生屈服起至达到设计可缩量止，其竖向承载能力应不超过井壁材料的允许竖向承载能力，以保证井壁不被竖向压裂；第三，防水性。可压缩装置在整个工作过程中，应具备良好的防渗水性能。同时，其残余结构(达到设计可压缩量之后的结构)亦应具备良好的防渗水性能。第四，实用性。可压缩装置应具备结构简单、加工容易、施工方便、造价低廉等特点。 3 冻结法凿井成井后井壁出现的问题及原因 3.1 井壁出现的问题 井壁破坏时间可大致分为两个阶段：一是冻结壁完全融化之后； 二是投产后12年左右。破坏部位大多在表土

7、段与基岩段接触带附近。破坏的现象：有的只出现环向裂缝、漏水；有的出现环向裂缝并脱落、钢筋弯曲变形外露,井壁漏水；个别已投产的矿井, 井壁被压碎、漏水, 罐道出现了弯曲变形, 3.2 井壁破坏的原因 1)负摩擦力作用。产生上述破坏现象的一个主要原因, 就是负摩擦力的作用。采用冻结法施工的井筒, 一般均需穿过若干不等厚的富含水层后才进入基岩。由于表土的粘结力很小, 井筒周围的土层都处于极限平衡状态, 一旦开掘井筒, 很容易使土层扰动, 土层将沿着滑移面( 该面在浅部呈圆锥形, 在深部呈柱形) 滑动。当井筒周围土层滑动下沉时, 就产生一个向下的摩擦力。当表土层较厚时,此力相当大, 累计传到表土和基岩

8、界面附近时, 就可能将井壁压坏。促使表土段地层下沉的主要因素有：冻结壁融化, 砂土体积缩小；地下水水位下降, 浮力减小土壤压实；地下水流速由小变大, 地层被侵蚀压缩下沉。 2) 地层滑动。已投产的矿井井筒破坏, 除了负摩擦力作用外, 还有一个不容忽视的因素地层滑动。矿井投产后, 随着采空区的扩大,势必引起岩层和地表移动,出现覆岩陷落漏斗和水位下降漏斗。前者深度大, 后者范围大。因此含水层中的水势必向采空区塌陷中心补给, 尤其是处在含水层和基岩直接接触的井筒部分, 由于水流的机械侵蚀, 水的流速加大, 地下水位下降, 各地层之间的结合力降低, 这就容易形成一个潜在的剪切滑动面和一定范围的剪切滑动

9、区, 其趋向是向塌陷中心滑动, 对井壁产生破坏作用。引起地层滑动的另一个因素是地质构造应力的影响。由于地质构造应力强弱发生变化或应力轴发生变化,单轴抗压强度小的岩体就受到挤压; 整体性和坚固性不同的岩层, 就由原来相对的稳定状态开始沿软弱界面产生蠕动,进而对井壁产生剪切力。该力超过井壁极限强度时, 井壁就破坏。 3)施工质量较差。目前冻结法施工均采用复合井壁,为了提高井壁强度, 在混凝土中加入复合减水剂, 使其终凝时间提前了许多。混凝土搅拌时不设搅拌站, 使用临时搅拌机, 水泥下井时用塑料管直接下井, 使混凝土产生了离析。混凝土下井后, 养护条件差, 混凝土迅速硬化, 收缩后产生许多环向裂缝；

10、同时施工外壁时, 多用金属组合式模板或金属大模板, 有时会出现接茬不严。因而套内壁时, 井壁的厚度减小, 当负摩擦力超过井壁极限强度时,井壁便遭破坏。此外混凝土试块强度低, 钢筋绑扎点不够或不牢等, 施工质量没达到设计要求, 致使井壁破坏。 4)设计欠合理。从沈煤集团某些井筒实际破坏情况及有关资料表明, 在表土段和基岩接触段的井筒配筋设计都是以环筋为主筋, 竖筋作为副筋, 并且井壁厚度是由水平应力控制的。没有考虑负摩擦力或是考虑的不够。这也是导致井壁破坏的因素之一。 4 冻结法凿井确定井壁结构时的几点建议 1)冻结法凿井选择井壁结构时, 除考虑井壁的基本载荷、温度应力、冻结压力和地压外, 还应

11、按空心桩理论考虑负摩擦力的作用。可以在基岩顶面附近设置井壁卸压槽, 槽的深度和井壁厚度一致, 槽的高度应根据地层最大沉降量、井壁压缩量、充填材料的可压缩量及混凝土允许弹性变形来确定。建议外壁槽高650 850mm, 内壁槽高400500mm。充填材料用防腐的木材或化学材料, 施工时卸压槽应保持水平, 充填材料密实, 并在卸压槽部位以上的风化带井帮上铺设泡沫塑料板, 减少阻力, 让卸压槽充分发挥作用, 在卸压槽部位周围风化带进行壁后注浆, 防止卸压槽处井壁漏水。 2)在表土层厚度大于300m 的条件下应适当考虑采用球墨铸铁混凝土复合井壁来提高基岩顶面上下部位的井壁强度。一般而言，其相关参数为：混凝土外壁厚750850mm, 筒厚4550mm,充填混凝土厚150250mm, 井壁总厚度控制在95011