由包神公式谈“两壁”设计

由包神公式谈“两壁”设计第一页，共40页。一、简述我国井筒冻结技术发展下面分

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个方面向大家简要汇报二、“两壁一钻”问题及困惑三、“包神”衬砌设计公式的力学理论四、

冻结壁的设计问题五、井壁设计问题六、结语与建议第二页，共40页。一、简述我国井筒冻结技术的发展1955年首例人工地层冻结成功：开滦林西风井。1954年,表土层厚度50.7m,3个流沙层，冻结深度105m。工期：打钻/积极冻结/维护冻结:225/46/143。波兰专家帮助打钻冻结壁井壁2022/11/193第三页，共40页。一、简述我国井筒冻结技术的发展俄文版in1954.Author：Н.Г.Трулак中文版翻译周文安教授1958共三十章内容优点：冻结理论与技术打钻理论与技术不足：井壁和冻结壁设计第四页，共40页。一、中国井筒冻结技术发展西部东部冀、鲁、豫、苏、皖5省及东北陕、甘、宁、蒙、晋5省，甘肃、新疆（简称西部），第五页，共40页。一、简述我国井筒冻结技术的发展第六页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑项目东部西部冻结地层重点表土基岩地层年代第四、三系、石炭三叠二叠第四、三系、白垩侏罗三叠含水层深度800m950m基岩含水特性裂隙为主孔隙为主井筒净直径5~8m6~12m基岩含水层方案注浆法为主冻结法为主表土段施工方案冻结法占主钻井法为辅冻结法第七页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑东部西部设计、施工规范2007年GB503842007年GB503842011钻孔>800m,0.2~0.5%>950m,0.2~0.5%技术难题冻结管破坏冻结管串水冻结壁变形大井壁破坏地下水流速度地下水流速度井壁双层和复合井壁双层和单层井壁技术安全问题技术经济问题第八页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑一）现行井筒井壁规范有关井壁设计的困扰：1）随着井筒深度增加，井壁厚度急剧增加，解决路径只有一条：混凝土标号。已要求达到C70以上，有人呼吁采用钢板井壁。2）冻结井：临时支护价格最高的，但永久支护的井壁既厚又复杂（双层或复合），价又高。采用注浆法和钻井法的井壁设计既薄又简单，设计的“技术经济性矛盾”？3）根源在于：井壁设计公式“拉麦”公式：一直没有人怀疑过它！2022/11/199第九页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑4）井壁设计规范或拉麦公式的理论缺陷：(1)局限于载荷结构法的传统地面结构思想；(2)侧压力系数、“水压折减”等都是经验主义，没有理论解释；(3)设计公式参数过于简单化，失去科学性；(4)基岩井壁设计采用的是经验参考法；(5)没有考虑有无水渗流的影响；(6)井壁设计理论的研究退化成了一部载荷计算研究（历史----死胡同）2022/11/1910第十页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑定井壁外载荷计算四大类9个公式：平面挡土墙公式(朗肯Rankine1820~72英、库伦Coulomb1776/1736~1806法)普氏公式(1908俄国M.M.普罗托吉亚科诺夫斯基)秦氏公式(1933俄国П.М.秦巴列维奇)悬浮体公式(科索洛夫斯基)修正的秦氏公式(适用于基岩)圆筒挡土墙公式（5、6、7）别列赞采夫斯基西德哈-林克公式夹心墙公式(马英明公式)2022/11/1911第十一页，共40页。二二、“两壁一钻”问题及困惑井壁外载荷计算四大类9个公式：重液体公式(8)（包括修正的重液公式）静止侧压力公式(弹性力学)(9)、(10)

原岩应力场及边界条件

1)原岩边界应力

2)原岩边界位移原岩应力≠井壁载荷2022/11/1912第十二页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑国内外井壁压力实测分析：表土压力实测主要与重液公式进行对比序号12345678910井筒名称红阳副井兴隆庄主井菜园九江新开新港赤伯雅克巴红阳西风井西顿巴斯中国中国中国中国日本日本加拿大德国中国俄罗斯施工方法冻结冻结沉井沉井沉井沉井冻结钻井钻井钻井实测深度100168.58737851013804129398等效容重0.940.951.031.06<1.0<1.00.871.11.150.772022/11/1913第十三页，共40页。二、评价方法的确定基岩压力：主要观测静水压力

孙疃煤矿副井基岩破碎带段，埋深为292.6l~317.28m，井壁C40，壁厚600mm，配筋率0.5%，Pmax=0.59MPa，井壁最大竖向钢筋拉应力σv均<+60MPa，环向钢筋σh

<-40MPa，σ<<300MPa;侧压力系数λ=0.0775测试水平深度m水头高度m理论水压MPa实测水压MPa水压系数第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济宁三号风井测试水平最大水压及水压系数在理论缺乏的基础上力求从实测找到答案2022/11/1914第十四页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑二、冻结壁设计的困扰：1）最早也是采用拉麦公式设计，但后来放弃了，发展了共9个设计公式。其中最实用的是多姆克公式和里别尔曼公式。(1)部分塑性(2)全塑性(3)有限段高(4)有限段高蠕变变形2022/11/1915第十五页，共40页。二二、“两壁一钻”问题及困惑2022/11/1916第十六页，共40页。二、“两壁一钻”问题及困惑2、冻结壁设计的缺陷；(1)随着深度增加，冻结壁厚度是为减薄而减薄；以盲目地降低安全性为代价的；从弹性—部分塑性—全塑性—蠕变---变形控制—有限段高；(2)没有考虑和外壁和超前井内土的联合作用，实质是没有考虑施工力学；(3)仍然局限于载荷结构法；没有考虑围岩的作用(4)力学模型和载荷理论的缺陷（死胡同）；2022/11/1917第十七页，共40页。三、包神衬砌设计公式理论基于神华包头梅林庙项目的研究成果(包神公式）将无限边界的围岩纳入范围；考虑太沙基的流固耦合理论；平面应变问题；基于自重应力场的原岩应力理论2022/11/1918第十八页，共40页。三、包神衬砌设计公式理论基于平面应变问题的包神衬砌设计公式：2009年9月煤炭学报公式特点：4个特点意味着新奥法理论的科学定量化1）统一性；2）科学性；3）技术性；4）定量性；公式适用性：井壁设计：漏水或者不流水

注浆帷幕设计、冻结壁设计2022/11/1919第十九页，共40页。三、包神衬砌设计公式理论公式局限：1)平面应变(或存在保守性)；2)弹性接触假设(围岩与衬砌界面）2022/11/1920第二十页，共40页。三、包神衬砌设计公式理论基于自重应力和太沙基（广义）理论的原岩应力场2022/11/1921第二十一页，共40页。3.3试验装置与系统图2-3-2井壁模拟试验装置22第二十二页，共40页。数据整体统计分析学报类的论文已经发表了6篇23第二十三页，共40页。四、冻结壁设计冻结壁设计的原则：1)施工力学模型：有限段高力学模型、弹性或者部分粘弹塑性设计；必需考虑围岩作用、流固耦合作用井壁的约束、井内未挖土的约束；井筒直径和施工段高冻土的温度特性

只有采用有限元理论的数值计算，有限元计算机2）不同于永久设计，只限于施工安全；(规范待完善)变形控制还是强度控制？安全系数？考虑其流变性质？长期强度（变形）？瞬时强度(变形）2022/11/1924第二十四页，共40页。四、冻结壁设计为什么包神衬砌公式适合的（西部）基岩冻结壁设计1)对于基岩冻结壁，由于围岩强度高，采用包神衬砌设计公式是基于与围岩共同作用的平面应变力学模型，能实现冻结壁的弹性设计；充分条件

2)从实际效果分析来看，冻结壁厚度符合施工工艺和经济性要求，尽管与有限段高模型相比，尽管设计偏于保守。3)平面应力状态不是冻结壁的真实力学状态，但在目前的深度范围内，其主应力关系和平面应力条件中的基本一致的。

2022/11/1925第二十五页，共40页。四、冻结壁设计冻结壁符合弹性设计意味着：

冻结压力=？外层井壁厚度=？

段高可长可短？单层井壁=yesorno?因为冻结壁是完全封水的，所以可采用井筒原岩应力场和水力场耦合作用对基岩冻结壁进行设计。

这时冻结壁原岩应力的水平总应力可简化重液公式适用深度范围？1000？1200？试验规范和设计规范？2022/11/1926第二十六页，共40页。五、井壁设计1、国内外井壁结构形式（包含所有工法）表土段：1、丘宾筒井壁2、复合井壁(钢板\钢筋砼\砌块\沥青、塑料板)

3、双层钢筋砼井壁基岩段：4、裸井5、喷射混凝土井壁6、素砼单层/钢筋砼单层井壁7、双层钢筋砼/丘宾筒“包神”公式“不全包”只全包“拟定”厚度设计2022/11/1927第二十七页，共40页。五、井壁设计选择井壁结构：单层、双层、复合?

素（钢筋）混凝土or其他

1)关键功能—承载能力：耐久性：防水性能；

2)技术经济参数：厚度；钻井法井壁：工艺力学和永久受力：对于基岩，钢板？？注浆法井壁：关键：工作面涌水量控制<?

砌壁和防水的工艺突破；冻结法井壁：和冻结壁设计关联

表土段：双层或复合；夹层的作用与取代？

有了竖向可压缩结构后，还有各种新技术

基岩段：裸、短掘短砌单层？短掘中套单层?

短掘短砌外壁/中套和长套内壁；夹层？

2022/11/1928第二十八页，共40页。五、井壁设计案例一：硬盘壕、主、副、风冻结井筒井壁

感谢设计院和业主提供项目名称井筒净直径表土深度井筒深度冻结深度m表土段井壁厚度表土井壁优化后基岩段最大壁厚度基岩井壁优化后基岩段砼等级塑料夹层深度单位mmmmmm

mmmm

m主井9.443.58849.5865.01600803/55025001550/400CF70/C50739.5副井1048.4789.5805.01750900/55024501600/400CF70/C50711.5风井7.543.75757772.01050603/40020001150/400CF70/C50706.02022/11/1929第二十九页，共40页。营盘壕704水平位置壁座外壁外钢筋内壁外钢筋锚杆围岩挂网外壁斜接茬30第三十页，共40页。案例二：葫芦素井别净半径m冻深/全深m起止深度m壁厚mm混凝土标号内排钢筋数量外排钢筋数量接茬钢板块数/每块重主井4.8525/667.8150~520900C45~C6512012015/130副井5.0525/702.8150~520950C45~C6512812816/136风井4.0525/681.29150~682800C45~C7510810812/115引用需要感谢业主和矿大！用于参考分析2022/11/1931第三十一页，共40页。案例三：磁西超千米井筒井壁含水层井

筒涌水量（m3/h）备注地层时代编号底板深度（m）厚度（m）岩性渗透系数K(m/day)石盒子基岩砂岩裂隙含水层111041.009.00细粒砂岩0.13267.51121168.009.00细粒砂岩0.268143.98131200.0010.00细粒砂岩0.04936.65副井井筒千米以下分层涌水量预计结果表感谢邯郸设计院相信我2022/11/1932第三十二页，共40页。案例三：磁西超千米井壁厚度的计算副立井井壁设计载荷计算表层位控制深度m静水压MPa/水头弹性模量MPa垂直水平有效泊松系数有效应力侧压力系数总应力MPa有效应力MPa总应力MPa有效应力MPa泥岩1280无280033.8733.8712.3412.340.270.364细砂岩120011.2Mpa1141m310031.7520.5720.245.140.200.25最大井壁厚度900，C602022/11/1933第三十三页，共40页。三、拟定超千米井壁厚度的计算项目副井8.0风井7.0含水层泥岩层含水层泥岩层C55结构安全系数1.21.21.21.2混凝土强度Pa2.530E+72.530E+072.530E+072.530E+07混凝土弹性模量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折减后砼强度Pa2.412E+072.412E+072.412E+072.412E+07载荷计算值Pa1.792E+071.480E+071.797E+071.482E+07井壁厚度计算m1.9690.1841.8930.161C60结构安全系数1.351.351.351.35混凝土弹性模量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折减后砼强度Pa2.610E+072.610E+072.610E+072.610E+07载荷计算值Pa1.866E+071.665E+071.872E+071.665E+07井壁厚度计算m0.6830.8520.6750.7452022/11/1934第三十四页，共40页。2022/11/1935第三十五页，共40页。三、拟定超