由包神公式談“兩壁”設(shè)計(jì)

由包神公式談“兩壁”設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共40頁(yè)。一、簡(jiǎn)述我國(guó)井筒凍結(jié)技術(shù)發(fā)展下面分

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個(gè)方面向大家簡(jiǎn)要匯報(bào)二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑三、“包神”襯砌設(shè)計(jì)公式的力學(xué)理論四、

凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)問(wèn)題五、井壁設(shè)計(jì)問(wèn)題六、結(jié)語(yǔ)與建議第二頁(yè)，共40頁(yè)。一、簡(jiǎn)述我國(guó)井筒凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展1955年首例人工地層凍結(jié)成功：開灤林西風(fēng)井。1954年,表土層厚度50.7m,3個(gè)流沙層，凍結(jié)深度105m。工期：打鉆/積極凍結(jié)/維護(hù)凍結(jié):225/46/143。波蘭專家?guī)椭蜚@凍結(jié)壁井壁2022/11/193第三頁(yè)，共40頁(yè)。一、簡(jiǎn)述我國(guó)井筒凍結(jié)技術(shù)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(nèi)容優(yōu)點(diǎn)：凍結(jié)理論與技術(shù)打鉆理論與技術(shù)不足：井壁和凍結(jié)壁設(shè)計(jì)第四頁(yè)，共40頁(yè)。一、中國(guó)井筒凍結(jié)技術(shù)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(jiǎn)稱西部），第五頁(yè)，共40頁(yè)。一、簡(jiǎn)述我國(guó)井筒凍結(jié)技術(shù)的發(fā)展第六頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑項(xiàng)目東部西部?jī)鼋Y(jié)地層重點(diǎn)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(jié)法為主表土段施工方案凍結(jié)法占主鉆井法為輔凍結(jié)法第七頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑東部西部設(shè)計(jì)、施工規(guī)范2007年GB503842007年GB503842011鉆孔>800m,0.2~0.5%>950m,0.2~0.5%技術(shù)難題凍結(jié)管破壞凍結(jié)管串水凍結(jié)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(fù)合井壁雙層和單層井壁技術(shù)安全問(wèn)題技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題第八頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑一）現(xiàn)行井筒井壁規(guī)范有關(guān)井壁設(shè)計(jì)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(biāo)號(hào)。已要求達(dá)到C70以上，有人呼吁采用鋼板井壁。2）凍結(jié)井：臨時(shí)支護(hù)價(jià)格最高的，但永久支護(hù)的井壁既厚又復(fù)雜（雙層或復(fù)合），價(jià)又高。采用注漿法和鉆井法的井壁設(shè)計(jì)既薄又簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的“技術(shù)經(jīng)濟(jì)性矛盾”？3）根源在于：井壁設(shè)計(jì)公式“拉麥”公式：一直沒(méi)有人懷疑過(guò)它！2022/11/199第九頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑4）井壁設(shè)計(jì)規(guī)范或拉麥公式的理論缺陷：(1)局限于載荷結(jié)構(gòu)法的傳統(tǒng)地面結(jié)構(gòu)思想；(2)側(cè)壓力系數(shù)、“水壓折減”等都是經(jīng)驗(yàn)主義，沒(méi)有理論解釋；(3)設(shè)計(jì)公式參數(shù)過(guò)于簡(jiǎn)單化，失去科學(xué)性；(4)基巖井壁設(shè)計(jì)采用的是經(jīng)驗(yàn)參考法；(5)沒(méi)有考慮有無(wú)水滲流的影響；(6)井壁設(shè)計(jì)理論的研究退化成了一部載荷計(jì)算研究（歷史----死胡同）2022/11/1910第十頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑定井壁外載荷計(jì)算四大類9個(gè)公式：平面擋土墻公式(朗肯Rankine1820~72英、庫(kù)倫Coulomb1776/1736~1806法)普氏公式(1908俄國(guó)M.M.普羅托吉亞科諾夫斯基)秦氏公式(1933俄國(guó)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(yè)，共40頁(yè)。二二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑井壁外載荷計(jì)算四大類9個(gè)公式：重液體公式(8)（包括修正的重液公式）靜止側(cè)壓力公式(彈性力學(xué))(9)、(10)

原巖應(yīng)力場(chǎng)及邊界條件

1)原巖邊界應(yīng)力

2)原巖邊界位移原巖應(yīng)力≠井壁載荷2022/11/1912第十二頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑國(guó)內(nèi)外井壁壓力實(shí)測(cè)分析：表土壓力實(shí)測(cè)主要與重液公式進(jìn)行對(duì)比序號(hào)12345678910井筒名稱紅陽(yáng)副井興隆莊主井菜園九江新開新港赤伯雅克巴紅陽(yáng)西風(fēng)井西頓巴斯中國(guó)中國(guó)中國(guó)中國(guó)日本日本加拿大德國(guó)中國(guó)俄羅斯施工方法凍結(jié)凍結(jié)沉井沉井沉井沉井凍結(jié)鉆井鉆井鉆井實(shí)測(cè)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(yè)，共40頁(yè)。二、評(píng)價(jià)方法的確定基巖壓力：主要觀測(cè)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(yīng)力σv均<+60MPa，環(huán)向鋼筋σh

<-40MPa，σ<<300MPa;側(cè)壓力系數(shù)λ=0.0775測(cè)試水平深度m水頭高度m理論水壓MPa實(shí)測(cè)水壓MPa水壓系數(shù)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(jì)寧三號(hào)風(fēng)井測(cè)試水平最大水壓及水壓系數(shù)在理論缺乏的基礎(chǔ)上力求從實(shí)測(cè)找到答案2022/11/1914第十四頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑二、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的困擾：1）最早也是采用拉麥公式設(shè)計(jì)，但后來(lái)放棄了，發(fā)展了共9個(gè)設(shè)計(jì)公式。其中最實(shí)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(yè)，共40頁(yè)。二二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑2022/11/1916第十六頁(yè)，共40頁(yè)。二、“兩壁一鉆”問(wèn)題及困惑2、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的缺陷；(1)隨著深度增加，凍結(jié)壁厚度是為減薄而減?。灰悦つ康亟档桶踩詾榇鷥r(jià)的；從彈性—部分塑性—全塑性—蠕變---變形控制—有限段高；(2)沒(méi)有考慮和外壁和超前井內(nèi)土的聯(lián)合作用，實(shí)質(zhì)是沒(méi)有考慮施工力學(xué)；(3)仍然局限于載荷結(jié)構(gòu)法；沒(méi)有考慮圍巖的作用(4)力學(xué)模型和載荷理論的缺陷（死胡同）；2022/11/1917第十七頁(yè)，共40頁(yè)。三、包神襯砌設(shè)計(jì)公式理論基于神華包頭梅林廟項(xiàng)目的研究成果(包神公式）將無(wú)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(yīng)變問(wèn)題；基于自重應(yīng)力場(chǎng)的原巖應(yīng)力理論2022/11/1918第十八頁(yè)，共40頁(yè)。三、包神襯砌設(shè)計(jì)公式理論基于平面應(yīng)變問(wèn)題的包神襯砌設(shè)計(jì)公式：2009年9月煤炭學(xué)報(bào)公式特點(diǎn)：4個(gè)特點(diǎn)意味著新奧法理論的科學(xué)定量化1）統(tǒng)一性；2）科學(xué)性；3）技術(shù)性；4）定量性；公式適用性：井壁設(shè)計(jì)：漏水或者不流水

注漿帷幕設(shè)計(jì)、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)2022/11/1919第十九頁(yè)，共40頁(yè)。三、包神襯砌設(shè)計(jì)公式理論公式局限：1)平面應(yīng)變(或存在保守性)；2)彈性接觸假設(shè)(圍巖與襯砌界面）2022/11/1920第二十頁(yè)，共40頁(yè)。三、包神襯砌設(shè)計(jì)公式理論基于自重應(yīng)力和太沙基（廣義）理論的原巖應(yīng)力場(chǎng)2022/11/1921第二十一頁(yè)，共40頁(yè)。3.3試驗(yàn)裝置與系統(tǒng)圖2-3-2井壁模擬試驗(yàn)裝置22第二十二頁(yè)，共40頁(yè)。數(shù)據(jù)整體統(tǒng)計(jì)分析學(xué)報(bào)類的論文已經(jīng)發(fā)表了6篇23第二十三頁(yè)，共40頁(yè)。四、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)凍結(jié)壁設(shè)計(jì)的原則：1)施工力學(xué)模型：有限段高力學(xué)模型、彈性或者部分粘彈塑性設(shè)計(jì)；必需考慮圍巖作用、流固耦合作用井壁的約束、井內(nèi)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(shù)值計(jì)算，有限元計(jì)算機(jī)2）不同于永久設(shè)計(jì)，只限于施工安全；(規(guī)范待完善)變形控制還是強(qiáng)度控制？安全系數(shù)？考慮其流變性質(zhì)？長(zhǎng)期強(qiáng)度（變形）？瞬時(shí)強(qiáng)度(變形）2022/11/1924第二十四頁(yè)，共40頁(yè)。四、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)為什么包神襯砌公式適合的（西部）基巖凍結(jié)壁設(shè)計(jì)1)對(duì)于基巖凍結(jié)壁，由于圍巖強(qiáng)度高，采用包神襯砌設(shè)計(jì)公式是基于與圍巖共同作用的平面應(yīng)變力學(xué)模型，能實(shí)現(xiàn)凍結(jié)壁的彈性設(shè)計(jì)；充分條件

2)從實(shí)際效果分析來(lái)看，凍結(jié)壁厚度符合施工工藝和經(jīng)濟(jì)性要求，盡管與有限段高模型相比，盡管設(shè)計(jì)偏于保守。3)平面應(yīng)力狀態(tài)不是凍結(jié)壁的真實(shí)力學(xué)狀態(tài)，但在目前的深度范圍內(nèi)，其主應(yīng)力關(guān)系和平面應(yīng)力條件中的基本一致的。

2022/11/1925第二十五頁(yè)，共40頁(yè)。四、凍結(jié)壁設(shè)計(jì)凍結(jié)壁符合彈性設(shè)計(jì)意味著：

凍結(jié)壓力=？外層井壁厚度=？

段高可長(zhǎng)可短？單層井壁=yesorno?因?yàn)閮鼋Y(jié)壁是完全封水的，所以可采用井筒原巖應(yīng)力場(chǎng)和水力場(chǎng)耦合作用對(duì)基巖凍結(jié)壁進(jìn)行設(shè)計(jì)。

這時(shí)凍結(jié)壁原巖應(yīng)力的水平總應(yīng)力可簡(jiǎn)化重液公式適用深度范圍？1000？1200？試驗(yàn)規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)范？2022/11/1926第二十六頁(yè)，共40頁(yè)。五、井壁設(shè)計(jì)1、國(guó)內(nèi)外井壁結(jié)構(gòu)形式（包含所有工法）表土段：1、丘賓筒井壁2、復(fù)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(shè)計(jì)2022/11/1927第二十七頁(yè)，共40頁(yè)。五、井壁設(shè)計(jì)選擇井壁結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌印㈦p層、復(fù)合?

素（鋼筋）混凝土or其他

1)關(guān)鍵功能—承載能力：耐久性：防水性能；

2)技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)：厚度；鉆井法井壁：工藝力學(xué)和永久受力：對(duì)于基巖，鋼板？？注漿法井壁：關(guān)鍵：工作面涌水量控制<?

砌壁和防水的工藝突破；凍結(jié)法井壁：和凍結(jié)壁設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)

表土段：雙層或復(fù)合；夾層的作用與取代？

有了豎向可壓縮結(jié)構(gòu)后，還有各種新技術(shù)

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(zhǎng)套內(nèi)壁；夾層？

2022/11/1928第二十八頁(yè)，共40頁(yè)。五、井壁設(shè)計(jì)案例一：硬盤壕、主、副、風(fēng)凍結(jié)井筒井壁

感謝設(shè)計(jì)院和業(yè)主提供項(xiàng)目名稱井筒凈直徑表土深度井筒深度凍結(jié)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(jí)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(fēng)井7.543.75757772.01050603/40020001150/400CF70/C50706.02022/11/1929第二十九頁(yè)，共40頁(yè)。營(yíng)盤壕704水平位置壁座外壁外鋼筋內(nèi)壁外鋼筋錨桿圍巖掛網(wǎng)外壁斜接茬30第三十頁(yè)，共40頁(yè)。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(biāo)號(hào)內(nèi)排鋼筋數(shù)量外排鋼筋數(shù)量接茬鋼板塊數(shù)/每塊重主井4.8525/667.8150~520900C45~C6512012015/130副井5.0525/702.8150~520950C45~C6512812816/136風(fēng)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(yè)，共40頁(yè)。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(shí)代編號(hào)底板深度（m）厚度（m）巖性滲透系數(shù)K(m/day)石盒子基巖砂巖裂隙含水層111041.009.00細(xì)粒砂巖0.13267.51121168.009.00細(xì)粒砂巖0.268143.98131200.0010.00細(xì)粒砂巖0.04936.65副井井筒千米以下分層涌水量預(yù)計(jì)結(jié)果表感謝邯鄲設(shè)計(jì)院相信我2022/11/1932第三十二頁(yè)，共40頁(yè)。案例三：磁西超千米井壁厚度的計(jì)算副立井井壁設(shè)計(jì)載荷計(jì)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(shù)有效應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)總應(yīng)力MPa有效應(yīng)力MPa總應(yīng)力MPa有效應(yīng)力MPa泥巖1280無(wú)280033.8733.8712.3412.340.270.364細(xì)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(yè)，共40頁(yè)。三、擬定超千米井壁厚度的計(jì)算項(xiàng)目副井8.0風(fēng)井7.0含水層泥巖層含水層泥巖層C55結(jié)構(gòu)安全系數(shù)1.21.21.21.2混凝土強(qiáng)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(qiáng)度Pa2.412E+072.412E+072.412E+072.412E+07載荷計(jì)算值Pa1.792E+071.480E+071.797E+071.482E+07井壁厚度計(jì)算m1.9690.1841.8930.161C60結(jié)構(gòu)安全系數(shù)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(qiáng)度Pa2.610E+072.610E+072.610E+072.610E+07載荷計(jì)算值Pa1.866E+071.665E+071.872E+071.665E+07井壁厚度計(jì)算m0.6830.8520.6750.7452022/11/1934第三十四頁(yè)，共40頁(yè)。2022/11/1935第三十五頁(yè)，共40頁(yè)。三、擬定超