《土木工程特種結(jié)構(gòu)》第7章鋼筋混凝土豎井井壁第7章鋼筋混凝土豎井井壁7.1概述7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算7.4混凝土井壁承載力計(jì)算7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算7.6鋼筋混凝土井壁豎向鋼筋計(jì)算7.1概述凍結(jié)法

凍結(jié)法是在松散的含水土層或破碎的含水巖層中，在地下結(jié)構(gòu)工程建設(shè)之前，用人工制冷的方法將地下工程周圍的含水巖層、土層凍結(jié)成封閉的凍結(jié)土壁，承受地壓和隔絕地下水的涌入，在凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行施工。凍結(jié)法已成為我國礦山建設(shè)通過不穩(wěn)定沖積層和裂隙含水層的主要施工方法。截止2023年，全國采用立井凍結(jié)法施工的井筒已超過1000個(gè)，包括20世紀(jì)80年代最大凍結(jié)深度415m的淮南潘三東風(fēng)井和90年代最大凍結(jié)深度的435m河南永夏礦區(qū)的陳四樓副井。目前，我國保持著厚表土層和富水巖層的人工地層凍結(jié)深度的世界記錄，分別為山東萬福煤礦副井755m和陜西省高家堡煤礦西進(jìn)風(fēng)井990m。7.1概述凍結(jié)法

凍結(jié)鑿井法的井壁有內(nèi)壁和外壁，內(nèi)壁的作用主要是承受外壁或夾層傳來的水平側(cè)壓力，同時(shí)承受自重、設(shè)備重量和外壁或夾層傳來的部分豎直附加力，內(nèi)壁還要滿足防止井壁漏水的要求。外壁主要承受施工期間的凍結(jié)壓力和限制凍結(jié)壁的變形，在凍結(jié)壁解凍后，凍結(jié)壓力消除，外壁和內(nèi)壁共同承受永久地壓自重和部分豎直附加力。處于較厚的表土層時(shí)，宜在凍結(jié)壁與現(xiàn)澆混凝土井壁之間鋪25mm~75mm厚的泡沫塑料板。凍結(jié)鑿井法井筒掘進(jìn)的底部必須將內(nèi)外層井壁整體澆筑為壁底。

井筒掘砌深度必須進(jìn)入穩(wěn)定基巖并設(shè)置壁基。7.1概述雙層鋼筋混凝土井壁的施工順序

雙層鋼筋混凝土井壁的施工順序是：外層井壁采用短段掘砌自上而下的施工，到達(dá)生根壁座后，內(nèi)層井壁采用自下而上的滑模施工，兩次施工的雙層鋼筋混凝土井壁，在承受永久地壓時(shí)按整體式井壁計(jì)算。同時(shí)考慮到外層井壁采用短段掘砌施工，接茬縫較多，水流滲入兩層井壁之間，因此對內(nèi)壁還要進(jìn)行靜水壓力的計(jì)算。外層井壁還承受施工荷載（主要是凍結(jié)壓力)，為此對外壁須進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)算。

《煤礦安全規(guī)程》第四十五條（十一）規(guī)定，凍結(jié)井筒的井壁結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)采用雙層或者復(fù)合井壁，井筒凍結(jié)段施工結(jié)束后應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行壁間充填注漿。第（十二）條規(guī)定，在沖積層段井壁不應(yīng)預(yù)留或者后鑿梁窩。7.1概述

7.1概述7.1.1井壁設(shè)計(jì)中的安全度

立井井筒井壁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)確定為：

①服務(wù)年限不少于50a或大型礦井或表土層深度不小于150m的立井井筒應(yīng)按1.10~1.15選取;②服務(wù)年限少于50a且表土層深度小于150m的中、小型礦井的立井井筒,應(yīng)按1.05~1.10選取。

立井井筒為地下結(jié)構(gòu)，其中井壁受力狀態(tài)復(fù)雜，立井井筒采用以結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算方法進(jìn)行井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)荷載乘以結(jié)構(gòu)安全系數(shù)即為計(jì)算荷載，由標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)力乘以結(jié)構(gòu)安全系數(shù)求得內(nèi)力值稱為計(jì)算內(nèi)力值。7.1概述

7.1概述

7.1概述7.1.2土水壓力和凍結(jié)壓力

表7-1-2凍結(jié)壓力統(tǒng)計(jì)表MPa深度/m兩淮礦區(qū)的黏土兗州礦區(qū)的黏土砂質(zhì)黏土砂土1001.5961.3041.2750.8831501.9611.5691.6671.1772002.3541.8632.0591.5202502.746—2.4521.8143003.1382.5502.8441.8603503.530—3.1382.4527.1概述7.1.2土水壓力和凍結(jié)壓力

一般情況下，黏土的凍結(jié)壓力大，而砂土次之,礫石最小。同類土層，相同的條件下，深度越大，凍結(jié)壓力越大。澆灌混凝土?xí)r，受混凝土水化熱的作用，壁后凍土?xí)诨欢ㄉ疃龋瑥幕炷林羞w移至融土中的水量越大，則融土回凍時(shí)產(chǎn)生的凍脹壓力越大，凍結(jié)壓力就越大。凍結(jié)壓力隨時(shí)間變化，沿掘進(jìn)段高度分布不均勻,并且在井壁的環(huán)向也分布不均勻,煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50384）規(guī)定，外層井壁承受的凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值選取如表7-1-3所示。

表7-1-3凍結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)值表土層深度H/m100150200~400400~500凍結(jié)壓力/MPa1.25~1.51.5~1.80.01H(0.01~0.012)H7.1概述7.1.3地震力的影響

修建在地震烈度大于6度的地區(qū)礦井，由于地震產(chǎn)生的慣性力，使土壓和水壓有所增加，地震調(diào)查表明，地震破壞主要發(fā)生在一般距地表為30m深的井筒，對深部影響甚微。《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50384—2016）規(guī)定，位于地震烈度7度及以上地區(qū)或處于不穩(wěn)定地層時(shí)，風(fēng)硐及安全出口和井筒上段30m以內(nèi)必須采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。土壓計(jì)算的修正

一般采取減少土(巖石)層的內(nèi)摩擦角來增加由地震影響產(chǎn)生的附加側(cè)壓力，當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?～8度時(shí)，內(nèi)摩擦角減少30；當(dāng)?shù)卣鹆叶葹?度時(shí)，內(nèi)摩擦角減少60。7.1概述

7.1概述

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2

井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算7.2.2均勻側(cè)壓力作用下的井壁圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算按薄壁圓環(huán)計(jì)算內(nèi)力

薄壁圓環(huán)筒受力分析7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算7.2.2均勻側(cè)壓力作用下的井壁圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算按厚壁圓環(huán)計(jì)算內(nèi)力②按第四強(qiáng)度理論計(jì)算公式

按彈塑性理論推導(dǎo)的公式，在波蘭召開的國際鑿井會(huì)議上由J．葛蘭克教授首先提出將其應(yīng)用于井壁計(jì)算?；炯僭O(shè)為：井筒深度較大，可按平面應(yīng)變問題處理。因此，井壁將在三向受壓應(yīng)力狀態(tài)下工作，并且假設(shè)最大應(yīng)力點(diǎn)材料處于塑性狀態(tài)，混凝土泊松比（用于井壁計(jì)算，對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還值得進(jìn)一步研究）。根據(jù)平面應(yīng)變問題，井筒豎向應(yīng)變等于零，由此可得：7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算7.2.2均勻側(cè)壓力作用下的井壁圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算按厚壁圓環(huán)計(jì)算內(nèi)力

由于材料處于塑性狀態(tài)，因此，根據(jù)形狀改變比能強(qiáng)度理論(即第四強(qiáng)度理論)驗(yàn)算強(qiáng)度，它的計(jì)算應(yīng)力為：再將

的參數(shù)式代入上式，則可得出井壁內(nèi)各點(diǎn)的計(jì)算內(nèi)力：

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算7.2.3不均勻側(cè)壓力作用下的井壁圓環(huán)內(nèi)力計(jì)算

由土層(巖層)引起對井壁側(cè)向不均勻壓力的產(chǎn)生因素較多，目前還在探索階段，大致有以下原因：凍結(jié)法鑿井施工的井壁，由于凍結(jié)孔的偏斜，使凍結(jié)壁厚不均勻，解凍后產(chǎn)生不均勻壓力，由于井壁處于傾斜的巖層中，由傾斜上方巖層自重產(chǎn)生的水平壓力，或巖層由地震等因素引起的錯(cuò)動(dòng)，這樣傾斜的上方較傾斜的下方產(chǎn)生的附加壓力較大，井壁澆筑以后，壁后充填物的不均勻性也對井壁產(chǎn)生不均勻壓力。

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

圓環(huán)受不均勻側(cè)壓作用7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.2井壁在側(cè)壓力作用下的內(nèi)力計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.3井壁厚度選擇及穩(wěn)定性計(jì)算

7.4混凝土井壁承載力計(jì)算

7.4混凝土井壁承載力計(jì)算

＜8101214161820222426281.000.980.950.920.870.810.750.700.650.600.5630323436384042444648500.520.480.440.400.360.320.290.260.230.210.197.4混凝土井壁承載力計(jì)算

7.4混凝土井壁承載力計(jì)算

7.4混凝土井壁承載力計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算7.5.1按均勻側(cè)壓力（土壓力＋水壓力）計(jì)算內(nèi)、外層井壁配筋（1）對雙層井壁,當(dāng)內(nèi)外層井壁采用同一混凝土強(qiáng)度等級時(shí),可以認(rèn)為一個(gè)整體共同承受土水的側(cè)向壓力。這種情況壁厚較大,一般按厚壁筒計(jì)算。按厚壁圓筒計(jì)算井壁環(huán)向鋼筋,以拉梅公式得出的環(huán)向應(yīng)力為依據(jù)較為合理,這樣應(yīng)力方向與鋼筋方向一致。井壁內(nèi)緣的環(huán)向應(yīng)力為井壁外緣的環(huán)向應(yīng)力為

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算7.5.1按均勻側(cè)壓力（土壓力＋水壓力）計(jì)算內(nèi)、外層井壁配筋其內(nèi)力的作用點(diǎn)參照下圖的應(yīng)力分布，通過合力矩定理求得內(nèi)力作用點(diǎn)距離為：截面應(yīng)力重心計(jì)算簡圖

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.5鋼筋混凝土井壁環(huán)向配筋計(jì)算

7.6鋼筋混凝土井壁豎向鋼筋計(jì)算

7.6鋼筋混凝土井壁豎向鋼筋計(jì)算

7.6鋼筋混凝土井壁豎向鋼筋計(jì)算7.6.2表土層與基巖交界