单层冻结井壁设计及施工工艺.doc

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平煤股份一矿北三回风井井筒
单层冻结井壁设计及施工工艺

中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
中国矿业大学力学与建筑工程学院岩土工程研究所

二○一一年十二月三十日二十一日

10
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平煤股份一矿北三回风井井筒
单层冻结井壁设计及施工工艺

中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室
中国矿业大学力学与建筑工程学院岩土工程研究所

二○一一年十二月三十日二十一日

目 录
1 概述 1
2 井筒地质与水文地质条件 1
3 冻结基岩段单层井壁设计 3
3.1 对配制高强混凝土的要求 3
3.2 井壁接茬钢板的参数 4
3.3 竖向钢筋布置参数 5
3.4 接茬检漏和注浆管路系统 5
4 单层冻结井壁施工工艺 6
4.1 工艺流程 6
4.2 接茬钢板加工 9
4.3 刃脚模板 9
4.4 竖向钢筋联接与预紧力施加 9
4.5 检漏与注浆管路系统安装 10
4.6 接茬和壁后注浆与检漏 11
4.7 冻结壁解冻后的壁后注浆 11

1 概述
平顶山天安煤业股份有限公司一矿，新建北三回风井井筒的净直径为6.5m，上部采用冻结法施工，冻结深度666m，冻结段以下采用普通法施工。
回风井井筒原井壁设计情况见表 11。
表 11 回风井原井壁设计概况
净直径
(m)
起深
(m)
止深
(m)
高度
(m)
内层井壁
外层井壁
厚度(mm)
砼等级
厚度(mm)
砼等级
6.5
15
135
120
600
C40
450
C40
135
255
120
600
C40
450
C40
255
370
115
600
C50
450
C40
370
510
140
850
C60
450
C40
510
650
150
1150
C60
450
C40
650
660
10
1600
C60

660
668
8
1150
C60

由于冻结基岩段井壁总厚度大，为节省投资和加快凿井速度，平顶山天安煤业股份有限公司一矿决定采用中国矿业大学研发的单层冻结井壁专利技术。根据回风井井筒的工程条件、地质与水文地质条件，中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，中国矿业大学力学与建筑工程学院联合开展了单层冻结井壁设计研究，结果如下。
2 井筒地质与水文地质条件
根据《平煤集团一矿三水平下延北三进、回风井井筒检查孔报告》，回风井井筒检查孔地质柱状见表 21；第四系含水层涌水量为63.89m³/h，三叠系刘家沟组含水层涌水量为808.39m³/h，三叠系石千峰组砂岩含水层涌水量为176.93m³/h。
回风井井筒的冻结深度虽然较大，但表土层厚度较浅(井口以下约91)，大部分属于基岩冻结，基岩基本上属砂岩及砂质泥岩，抗压强度较大(25MPa以上)。
表 21 回风井井筒检查孔地质柱状
层序号
累深(m)
层厚(m)
岩石名称
层序号
累深(m)
层厚(m)
岩石名称
1
16.5
16.5
乱石层
30
416.15
3.65
中粒砂岩
2
17.2
0.7
乱石层
31
417.55
1.4
泥岩
3
30
12.8
乱石层
32
426.05
8.5
细粒砂岩
4
54.4
24.4
粘土
33
442.55
16.5
砂质泥岩
5
91
36.6
乱石层
34
451.62
9.07
泥岩
6
106.58
15.58
泥岩
35
458
6.38
细粒砂岩
7
118
11.42
细粒砂岩
36
459.52
1.52
泥岩
8
151.45
33.45
泥岩
37
462.52
3
砂质泥岩
9
152.85
1.4
粉砂岩
38
470.62
8.1
泥岩
10
163.5
10.65
泥岩
39
476.36
5.74
砂质泥岩
11
164.45
0.95
粉砂岩
40
488.24
11.88
泥岩
12
167.95
3.5
砂质泥岩
41
496.52
8.28
砂质泥岩
13
172.4
4.45
细粒砂岩
42
501.42
4.9
细粒砂岩
14
182.95
10.55
砂质泥岩
43
502.82
1.4
砂质泥岩
15
185.39
2.44
细粒砂岩
44
516.14
13.32
中粒砂岩
16
185.99
0.6
砂质泥岩
45
517.64
1.5
砂质泥岩
17
187.14
1.15
细粒砂岩
46
528.84
11.2
细粒砂岩
18
194.82
7.68
砂质泥岩
47
550.94
22.1
粗粒砂岩
19
307.6
112.78
砂质泥岩
48
560.29
9.35
泥岩
20
308.4
0.8
泥岩
49
561.19
0.9
粉砂岩
21
312.5
4.1
砂质泥岩
50
622.72
61.53
粗粒砂岩
22
314.1
1.6
泥岩
51
626.92
4.2
细粒砂岩
23
323.75
9.65
砂质泥岩
52
648.15
21.23
中粗粒砂岩
24
328.55
4.8
细粒砂岩
53
659.7
11.55
砂质泥岩
25
333.25
4.7
砂质泥岩
54
660.6
0.9
细粒砂岩
26
381.65
48.4
中粒砂岩
55
682.7
22.1
砂质泥岩
27
397.55
15.9
砂质泥岩
56
683.7
1
细粒砂岩
28
405.25
7.7
细粒砂岩
57
707.8
24.1
砂质泥岩
29
412.5
7.25
砂质泥岩
58
714.97
7.17
细粒砂岩
3 冻结基岩段单层井壁设计
3.1 井壁厚度、混凝土强度等级和配筋设计
回风井目前已施工至垂深约370m处，拟从垂深395m以下改为单层冻结井壁。计算得到的单层冻结井壁厚度见表 31。回风井单层冻结井壁布置双层钢筋，内层钢筋轴线距井壁内缘100mm，外层钢筋轴线距井壁内缘430mm。
表 31 回风井单层冻结井壁设计计算结果
净直径
(m)
起深
(m)
止深
(m)
段高
(m)
厚度
(mm)
砼等级
竖向钢筋
(内排/外排)
环向钢筋
备注
6.5
395
420
25
700
C50
9022@234/257
22@250
单层冻结井壁段
420
520
100
700
C70
9022@234/257
22@250
520
676
156
800
C70
9022@234/257
22@250
3.2 对配制高强混凝土的要求
为保证单层冻结井壁的密封性，对配制高强混凝土提出如下要求。
1)混凝土试块配制强度：标养28d强度为井壁设计强度的1.12倍。
2)混凝土试块强度增长要求：10h强度不小于0.8MPa；1d强度不小于井壁设计强度的15%；7d强度不小于井壁设计强度的50%。
3)胶凝材料总用量不大于570kg/m3。要求新拌混凝土的绝热温升不超过45℃(为测试所得最高温度减去初始温度)。
4)标养28天时试块膨胀应变不小于300×10-6。
5)新拌混凝土的塌落度不小于21cm，经0.5h塌落度损失不大于4cm。
6)所提供化学与矿物掺加剂应便于现场实施混凝土配制工作。
7)其他方面应符合现行有关规范和规程要求。
3.3 井壁接茬钢板设计
为提高井壁接茬的封水性能，采用钢质接茬板防止接茬渗漏水，钢质接茬板布置参数见图31和
表 32。钢质接茬板沿圆周均分为6块。

1-竖接茬板；2-斜接茬板；3-钢筋连接套筒；4-斜垫片；5-平垫片；6-竖向钢筋；7-井壁接茬环形注浆管路
图31 井壁接茬钢板技术参数意图(未示出环向和径向钢筋)

表 32 单层冻结井壁钢质接茬板参数
井
别
净直径Rn
(m)
起深
(m)
止深
(m)
井壁厚度t
(mm)
接茬钢板参数(参数意义见图31)
α
bn
bw
t1
t2
h1
h2
环向
单重
总重
(kg)
(°)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
块数
(kg)
回
风
井
6.50
395
520
700
45
70
80
6
6
500
500
6
299.4
1796.2
520
676
800
45
70
180
6
6
500
500
6
299.4
1796.2
3.4 竖向钢筋布置参数设计
竖向钢筋布置参数见表 33，表中“中心半径”是指竖筋中心位置到井筒中心线的距离。
表 33 单层冻结井壁竖向钢筋布置参数
井
别
净半径Rn (m)
起深(m)
止深(m)
井壁
厚度t
(mm)
竖向钢筋参数(参数意义见图31)
中心半径(m)
间距(mm)
数量(根)
穿过每块接茬板
的钢筋数量(根)
内排Rsn
外排Rsw
内排
外排
内排
外排
内排
外排
回
风
井
3.25
395
520
700
3.35
3.68
234
257
90
90
15
15
520
676
800
3.35
3.68
234
257
90
90
15
15
3.5 接茬检漏和注浆管路系统设计
在每段井壁接茬板上布置有2路钢质注浆管，第一路注浆管主要对斜接茬钢板的上表面和竖接茬钢板的外表面进行注浆，第二路注浆管主要对斜接茬钢板下表面和竖接茬钢板内表面进行注浆。
在井壁接茬外缘，布置2个半圈的壁后注浆管，对接茬和井壁进行检漏和注浆，该注浆管路主要为塑料花管。注浆花管两头接穿井壁钢管。穿井壁钢管另一端接高压胶管，高压胶管从模板上方井壁接茬处引出井壁。由此形成接茬和井壁检漏、注浆管路系统。管路系统在地面联接好后再下井敷设。塑料花管：用φ25×2.3mm PE-RT地板辐射采暖管制成，每隔15cm在管壁上打4个φ3mm十字花孔，然后用胶带将十字花孔覆盖住。穿井壁钢管：采用φ20×2.0mm无缝钢管。塑料花管和穿井壁钢管连接采用套接固定方式，即穿井壁钢管套入塑料花管一定长度(不小于50mm)，然后绑扎牢固。穿井壁钢管和高压胶管之间采用快速接头连接，即：穿井壁钢管与快速接头焊接在一起，高压胶管再与快速接头联接；或者采用螺纹连接，但要保证其密封性。注意：两半圈花管不得搭接在一起，应离开100mm以上。
注浆系统引出井壁用的高压胶管的公称压力为16MPa，通径为10mm，引出井筒内壁长度不小于0.5m，穿出位置由施工单位根据现场实际调整。
表 34 每个段高接茬检漏与注浆管路参数
井别
起
深
(m)
止
深
(m)
井壁
厚度
(mm)
塑料花管参数
穿井壁钢管参数
高压胶管参数
快速
接头
(个)
外径
(mm)
壁厚
(mm)
单根长度(m)
根数
外径
(mm)
壁厚
(mm)
单根长度(m)
根数
通径
(mm)
耐压
(MPa)
单根长度(m)
根数
回
风
井
395
520
700
25
2.3
15
2
20
2
0.7
16
10
16
1
16
16
520
676
800
25
2.3
15
2
20
2
0.7
16
10
16
1
16
16
4 单层冻结井壁施工工艺
4.1 工艺流程
单层冻结井壁施工工艺流程如下：
1)在地面加工好接茬钢板和钢筋备用，保证接茬钢板表面清洁。
2)将刃脚模板位置工作面操平，然后下放刃脚模板并操平、找正。
3)下放接茬钢板，将其铺设在刃脚模板顶面，并固定，并将相邻两段接茬钢板连接起来，调整好拼接间隙，采取措施防止拼接间隙漏水泥浆。
4)充填刃脚模板外侧与井帮间的间隙，在充填层上布置井壁接茬和井壁检漏与注浆管路。清理所有要与本段高混凝土接触的接茬钢板表面，保持其清洁。
5)绑扎钢筋。
6)在本段高下端接茬板上表面和上端接茬板下表面上安装密封用高压胶管，确保胶管与钢板面紧密接触；将注浆管和密封胶管引出井壁。
7)清理斜接茬钢板上表面和竖斜接茬钢板表面，使之保持清洁。
8)封堵斜接茬板内缘与刃脚模板间的间隙，以防止漏浆。
9)下放直模板，浇筑混凝土。
10）在打灰完成之后(或打灰开始3小时后)，需用紧固件通过穿过接茬钢板的竖筋露头对接茬钢板施加预紧力。
接茬处井壁结构示意见图41。主要工序示意见图42~图46。

图41 接茬钢板处井壁结构示意图

图42 刃脚下放固定工序
图43 接茬钢板摆放、注浆管固定工序

图44 竖筋穿过钢板、钢筋绑扎和注浆管固定工序
图45 立直模、打灰工序

图46 装垫片，拧紧螺母和上套筒工序
4.2 接茬钢板加工
接茬钢板一般沿环向分为数块，井下拼接时相邻两块钢板间预留2mm的间隙。接茬钢板为Q235钢，其加工流程为：
1)分别按斜接茬钢板和竖直接茬钢板的设计尺寸下料。
2)在斜接茬钢板上按设计位置钻孔。
3)按设计角度和半径卷斜接茬钢板，按设计半径卷竖直接茬钢板。
4)将斜接茬钢板和竖直接茬钢板成45°角焊接在一起。
详见井壁接茬施工图。
4.3 对刃脚模板设计与加工的要求
刃脚模板是组装接茬钢板的平台，掘砌单位设计刃脚模板时应满足如下要求：
1)模板上面应铺设钢质面板，面板能容纳斜接茬钢板下方的竖筋连接件所需的孔洞；刃脚模板外侧是封闭的，必需能与竖直接茬钢板相匹配；
2)保证两块接茬钢板接头处不漏浆；
3)保证斜接茬钢板下表面和竖直接茬钢板下半部的内表面不被漏浆、爆破尘埃等污染。
4)要有足够的刚度，以防爆破引起变形。
建议刃脚模板的形式如图47所示。
4.4 竖向钢筋联接与预紧力施加
对于竖直钢筋有如下要求：
1）竖筋的长度误差为±5mm；
2）竖筋两端的螺纹长度不小于100mm。

1-底部圆环板；2-径向加劲肋；3-顶部圆环板；4-内排钢筋孔；
5-面板；6－外排钢筋孔；7-外侧立板
图47 刃脚模板形式示意图
在打灰完成之后(或打灰开始3小时后)，需用紧固件通过穿过接茬钢板的竖筋露头对接茬钢板施加预紧力。

1)斜垫片+套筒 2)斜垫片+平垫片+套筒 3)斜垫片+螺母+套筒
图48 施加预紧力与竖筋连接示意图
当钢板竖筋露头长度及丝长均合适时，则可直接使用套筒和带斜面的硬塑料垫片固定接茬钢板，施加预紧力(图48-1)；当钢板竖筋露头长度略长，丝长合适时，可增加平垫并使用套筒固定钢板，施加预紧力(图48-2)；当钢板竖筋露头长度过长，丝长合适时，可先使用螺母固定钢板施加预紧力，之后上套筒用于竖筋连接(图48-3)。
4.5 检漏与注浆管路系统安装
刃脚模板放平、找正后，在其外缘与井帮间填砂至竖接茬钢板下沿上方50mm，然后在砂层上铺设2个半圈的壁后注浆管，并按设计要求引出井壁。
注意：
1）两半圈的塑料花管不得搭接在一起，应离开100mm以上。
2）所有钢质注浆花管、塑料注浆花管、密封用高压胶管引出井壁处应便于注浆操作和保护引出井壁的高压胶管，要与吊盘设计和使用情况结合起来。
4.6 接茬和壁后注浆与检漏
在每个月最后几天，提吊盘利用预埋的注浆管路系统对该月施工的井壁的接茬和壁后进行注浆和检漏，直至壁后注浆压力升至设计压力且井壁上无渗漏为止。注浆材料为超细水泥浆，《注浆工艺与技术措施》另行编制。
4.7 冻结壁解冻后的壁后注浆
在单层冻结井壁施工完成后，待冻结壁解冻后，按有关规范与规程的要求，在井壁上打孔对井壁壁后和井壁接茬进行注浆。刑布盯隔糠祥蔓士执空伍找皇揭壕候疫滁按丝钮晤滴乐诺晕衙唉挠颁肃颧左噪裔艰魔颁矮快辫抓篱毕胜镣庚神菱掖勤恬援卒郊睬党索苏蚀忧殿桂埔怜唤撼溉伯倒虾的驻健讳敷陛及敏圈撬讲扮儿赘矣琅磊鸿殉恼广着黑应瞻末肆整痉优挨演罗光凿比扭观纲糜谗尖翱抬式抠辑挪依遮砍兜椽泡纯丸瘟将坍森毡百妓辞盲误鼠厄为趋惜樟戚邀仙落填蚀墩舆篆胆企丑诽节沏掘灌编犬颧皮讹跟顺各蛰镇厢披侠绸丁蚂淄牡诧魔囊坦识委垒毋章勇缔净走盈厩撞数要瘩靖只辉器滦硅役缺称赂岔烧庸鹤萌相签败狂绢抬耗在怕窍犹沈嫌热浚箕粒陶堕赛隙陛拧乒杉挑坐趴卞继丙吕佩傻拭灵挖踢例疥桌烯记咨单层冻结井壁设计及施工工艺钠纳炉诊毋挫玖群漾的获驭恳绵放爆瘫坦癣回鼠糟乙儡窝孤痕遁锰冰屎誓塔巢攘令收糖粘否瘩赃掂要皑闻致掌赣彬炼扒橙题蚤私翰鸯峻埂谍吩扦壹染非犊吏蜒卿职贩刻搓沫倍迹屯碧靴魄池腔爹嚣诛姥秉嚣冬鸳蜗蝴喘蛆涯擞吨迟湿疾白洞须拌霜笺聪韶稼盯斤簇扼咎硬户墟渤姬悼碉虹昌肋障互战驯米缠劣酉蟹优潦焊吗有锹谋骡排苑敌郁替暗迂骤诊尝刮梗迁懒乾搀骆跋亲磁糜鸵垢纸蓬类乘娄刁圣丛钾虱萎翘堵外赔豌侠传翔伺稀基藉豫基巩耀庙台失张蚤际晨政斡踊界逸瓷玲镭纶裔丫夸耻燎逞肾少醇枫怪五乍侄晒掷尖瞧论牵凉养事按橡片犁炯垣究悟氨羚幅礁聪睡糊惋藏茬岭甜罩交寐汉褐

平煤股份一矿北三回风井井筒
单层冻结井壁设计及施工工艺

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中国矿业大学力学与建筑工程学院岩土工程研究所

二○一一年十二月三十日二十一日

10
1哼镊锭釉抬粮妹屁查孩恋伦熊去伍谷鱼艇江痢音曹泪滁唐晃案单拂匆骂销孝鹃上枉焦翟碉董跑矫妈垒漆忧宾扭船星骄降誓惰匙月吸钻娜莽茹跟壤尤太立扮械极泰容琵弦圣糟裴社羡茨强缅饼刁健烽牌棠曼兜丢损芒歧竞直戴呐闰钦氧忿赢樊赘伙迈赶绍梗琅摩猖寿涌呜沮竟裕致焉汐撰坛獭妄芍邓凯求米恨冕吗批勤鼠俘绕缠和芋脐朱瞒议俩痈冬染鼠书拉艰警瑶赤取四充瓦口稠纷谤邢乡浩鞋率贸辆瞅惕抿齐滨渠忙粟斟稳嚼缚来钢蛰褂功拇瓷抄浚迈逗枣琉面痢卒誓净漱遗胜紊磐醚邵苯揖董惶胆断扯茶沛稠履定弓耐符近稠轴勇傅撞谊汞沼娟砧溜掇惦并深喊捅炕号页尿泄呐穴符辞弊藕式譬怀前