CN103133005A - 双钢板局部约束混凝土井壁 - Google Patents
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Abstract
一种双钢板局部约束混凝土井壁，最适用于承载高地压、高水压的深立井井筒。通过设置双层钢板筒、双圈竖向钢骨、径向连接件并浇筑混凝土形成的筒状井壁。内、外侧钢板筒分别位于井壁内表面、井壁内部，固定在内、外侧竖向钢骨上并沿周向连接成筒状结构；钢板筒之间设径向连接件。通过在两层钢板筒之间，及其与井壁模板或围岩体之间的环筒形空间内浇筑强度等级相同或不同的混凝土，形成筒状井壁结构。该型井壁两层钢板筒间的混凝土受到较强的径向约束作用，能显著提高抗压强度；井壁内侧区域含钢率高，且可采用高强度等级的混凝土，形成核心承载区，大幅提高井壁极限承载力。用于深立井建设，可大幅减小井壁厚度，降低成本；其结构合理，施工简便，适用性广泛。
Description
一、技术领域
本发明创造涉及双钢板局部约束混凝土井壁，尤其适用于矿井建设之深厚冲积层与富水岩层中的深立井井筒，如普通凿井法、冻结法、钻井法和沉井法凿井井筒。
二、背景技术
随着我国深部矿产资源的开发，井筒建设深度不断增大，井壁承载力不得不大幅增加，以承受越来越大的深部地压与水压。为此，只有两种途经：一是井壁结构不变，提高材料强度及厚度；二是改变井壁结构。目前常用的钢筋混凝土壁结构已难以适应深部矿井建设的需要，而国外惯用的铸铁或铸钢井壁、丘宾块井壁、混凝土弧板井壁需在地面预制、井下组装，其施工技术复杂、难度大、成本高，质量难以保证。
已有技术，通过在井壁内部设置环形闭合骨架，提高井壁的整体承载力。该井壁的金属骨架，不能使井壁内表面混凝土由平面受力状态变为三向受力状态，不能充分发挥井壁内侧混凝土的三轴抗压强度。
已有的技术，例如通过在井壁内表面设置钢板浇筑形成内侧单层钢板混凝土井壁。由于内侧钢板仅仅通过背面的锚卡与混凝土粘结，受载过程中容易与混凝土剥离，导致内侧混凝土不能充分发挥三轴抗压强度，水平承载力提高幅度有限。
已有技术，通过在井壁内、外表面设置双层钢板、径向连接件浇筑形成混凝土井壁。但是，井壁受力的最不利部位是其内侧区域，该型井壁利用双层钢板对井壁实施整体径向约束，一方面，钢板用量很大，但对井壁内侧含钢率的提高有限；另一方面，井壁外侧混凝土的强度提高，对井壁水平承载力的贡献不大。事实上，内侧混凝土是井壁承载的核心区，而现有双层钢板混凝土井壁未能有针对性地提高井壁内侧的材料强度，经济性相对较差。
三、技术内容
（1）发明目的
鉴于已有技术存在的问题，本发明创造旨在提出一种结构更合理、成本较低、施工难度较小并具有更广泛适用性的双钢板局部约束混凝土井壁。
（2）技术方案
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，它包括：内侧钢板筒、外侧钢板筒、内侧竖向钢骨、外侧竖向钢骨、径向连接件，浇筑于内、外侧钢板筒及其与井壁模板或围岩体之间的混凝土。内、外侧钢板筒都是由多段预弯成形的曲面钢板焊接而成的周向封闭结构；内、外侧竖向钢骨均为H型钢、槽钢或其他型钢；内、外侧钢板筒通过焊接或螺栓等分别连接固定到内、外侧竖向钢骨上；两层钢板筒之间通过径向连接件连接。具体如下：
一种双钢板局部约束混凝土井壁，包括内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、内侧竖向钢骨3、外侧竖向钢骨4、径向连接件5及混凝土；
内侧钢板筒1设置在井壁内表面；内侧钢板筒1是沿井筒周向，由多个弧段的段曲面钢板通过焊接组成封闭圆筒结构；沿井筒纵向，相邻钢板筒之间直接或间接（钻井井壁段间存在法兰板时）通过焊接连接；
外侧钢板筒2设置在井壁内部，外侧钢板筒2到内侧钢板筒1的距离可调；外侧钢板筒2是沿井筒周向，由多个弧段的曲面钢板对接或搭接组成圆筒结构，周向的相邻曲面钢板之间是焊接、铆接或通过螺栓连接；沿井筒纵向的相邻曲面钢板筒之间是直接或间接焊接构成竖向连续结构，或者在井壁段接茬部位留设间隔做成非连续结构；
内侧竖向钢骨3紧邻在内侧钢板筒1的外侧布设；内侧竖向钢骨3是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；内侧竖向钢骨3与钢板筒1之间通过螺栓或焊接连接；
外侧竖向钢骨4紧邻于外侧钢板筒5的内侧或外侧；外侧竖向钢骨4是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；外侧竖向钢骨4与外侧钢板筒2之间通过螺栓连接或焊接连接；
内侧钢板筒1与外侧钢板筒2通过径向连接件5实现径向连接；
通过在内侧钢板筒1、外侧钢板筒2之间浇筑混凝土，并在外侧钢板筒2与井壁模板的环形空间内、或外侧钢板筒2与围岩体之间的环形空间内浇筑混凝土，形构成整体的筒状井壁。
钻井井壁段间存在法兰板时，内侧钢板筒1的相邻钢板筒之间间接通过焊接连接（即：钻井井壁分段预制时，每段井壁的钢板筒与两端法兰板焊接；井壁安装时，相邻井壁段之间直接接触的法兰板之间再焊接连接）。
内侧竖向钢骨3的型钢段是H型钢或槽钢或类似型钢；外侧竖向钢骨4的型钢段是H型钢或槽钢或类似型钢；径向连接件5是双端带丝的螺纹杆及螺帽或类似构件。
混凝土是普通混凝土、高性能混凝土或纤维混凝土；内侧钢板筒1与外侧钢板筒2之间浇筑混凝土的强度与外侧钢板筒2外的环形空间内浇筑混凝土的强度相比，混凝土的强度等级相同，或者前者高于后者。
（3）技术效果
立井井壁受水平地压及水压作用，最不利受力部位是其内侧区域。因此，井壁安全承载的关键在于提高上述部位的材料强度与配筋率(或含钢量)。
本发明创造通过设置内、外侧钢板筒及径向连接件，使两层钢板筒之间的混凝土受到强大的径向约束作用，并可采用强度等级更高的混凝土（不同于外侧钢板筒外侧的区域），从而能显著地提高井壁极限承载力。
与现有井壁结构相比，该型井壁具有更高的强度与刚度，较低的施工难度与工程成本；其结构合理，施工较为简便，因而具有更广泛的适用性。
四、附图说明
图1-1和图1-2是实施例一结构示意图（钻井法井壁，分节预制；H型钢钢骨），其中，图1-1是实施例一的轴向截面示意图，图1-2是实施例一的径向截面示意图。
图2-1和图2-2是实施例二结构示意图（钻井法井壁，分节预制；槽钢钢骨），其中，图2-1是实施例二的轴向截面示意图，图2-2是实施例二的径向截面示意图。
图3-1和图3-2是实施例三结构示意图（沉井法井壁、冻结法内层井壁，自下而上连续浇筑；H型钢钢骨），其中，图3-1是实施例三的轴向截面示意图，图3-2是实施例三的径向截面示意图。
图4-1和图4-2是实施例四结构示意图（沉井法井壁、冻结法内层井壁，自下而上连续浇筑；槽钢钢骨），其中，图4-1是实施例四的轴向截面示意图，图4-2是实施例四的径向截面示意图。
图5-1和图5-2是实施例五结构示意图（普通凿井法井壁、冻结法外层井壁，自上而下分段浇筑；H型钢钢骨），其中，图5-1是实施例五的轴向截面示意图，图5-2是实施例五的径向截面示意图。
图6-1和图6-2是实施例六结构示意图（普通凿井法井壁、冻结法外层井壁，自上而下分段浇筑；槽钢钢骨），其中，图6-1是实施例六的轴向截面示意图，图6-2是实施例六的径向截面示意图。
上述图1-1～图2-2中，A为上端面法兰板，B为下端面法兰板。
上述图5-1～图6-2中，C为砼浇筑洞口钢板，D为井壁段接茬。
上述图1-1～图6-2中，E为混凝土。
五、具体实施方式
一种双钢板局部约束混凝土井壁，由内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、内侧竖向钢骨3、外侧竖向钢骨4、径向连接件5及混凝土整体浇筑形成。
内侧钢板筒1设置在井壁内表面；沿井筒周向，由多个弧段的段曲面钢板通过焊接组成封闭圆筒结构；沿井筒纵向，相邻钢板筒之间直接或间接（钻井井壁段间存在法兰板时）通过焊接连接。
外侧钢板筒2设置在井壁内部，到内侧钢板筒1的距离可根据需要调整；沿井筒周向，由多个弧段的曲面钢板对接或搭接组成圆筒结构，钢板之间可以焊接、铆接或通过螺栓连接；沿井筒纵向，相邻钢板筒之间既可以直接或间接焊接形成竖向连续结构（沉井井壁、冻结法内层井壁采用直接焊接；钻井井壁，钢板筒与两端法兰板焊接），也可在包括井壁段接茬部位等留设一定间隔做成非连续结构（普通凿井法井壁或冻结法外层井壁）。
内侧竖向钢骨3紧贴在内侧钢板筒1的外侧布设；是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；型钢段包括但并不仅限于H型钢、槽钢；内侧竖向钢骨3与钢板筒1之间通过螺栓或焊接连接。
外侧竖向钢骨4布设于外侧钢板筒5的内侧或外侧；是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；型钢段包括但并不仅限于H型钢、槽钢；外侧竖向钢骨4与外侧钢板筒2之间通过螺栓或焊接连接。
内侧钢板筒1与外侧钢板筒2通过径向连接件5实现径向连接；径向连接件5包括但并不仅限于双端带丝的螺纹杆及螺帽等配件。
通过在内侧钢板筒1、外侧钢板筒2之间浇筑混凝土，并在外侧钢板筒2与井壁模板或围岩体之间的环形空间内浇筑混凝土，形成整体的筒状井壁；混凝土可采用普通混凝土、高性能混凝土或纤维混凝土；混凝土的强度等级可以相同，也可以前者高于后者。
下面结合各实施例的附图，对本发明创造的实施方式作详细描述：
实施例一：钻井法井壁（分节预制，两端有环形法兰板）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、内侧竖向钢骨3（H型钢）、外侧竖向钢骨4（H型钢）、径向连接件5、混凝土组成（见图1-1和1-2）。
实施方法：
（1）首先在井壁下端法兰板上，沿不同圈径布设外侧竖向钢骨4、内侧竖向钢骨3（圈间距、周向间距可根据需要调整）并焊接在法兰板上；
（2）把预弯成形的内侧曲面钢板，安装到内侧竖向钢骨3上；通过对焊连接，组成内侧钢板筒1；
（3）把预弯成形的外侧曲面钢板，安装到外侧竖向钢骨4上；通过对接或搭接，并采用焊接或铆接或螺栓连接，组成外侧钢板筒2；
（4）利用径向连接件5，连接内侧钢板筒1、外侧钢板筒2；
（5）安装上端的法兰板，并与内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、内侧竖向钢骨3、外侧竖向钢骨4焊接牢固；
（5）安装井壁预制所需的外模板及支撑结构（注：内侧钢板筒1作为井壁浇筑时的内模板）；
（6）在内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、外模板之间的两道环形空间内，分别浇筑混凝土E，预制成双钢板局部约束混凝土井壁。
实施例二：钻井法井壁（分节预制，两端有环形法兰板）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、内侧竖向钢骨3（槽钢）、外侧竖向钢骨4（槽钢）、径向连接件5、混凝土E、混凝土7组成（见图2-1和2-2）。
实施方法：
与实施例一相同。
实施例三：沉井法井壁、冻结法内层井壁（自下而上连续浇筑）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2（竖向不连续）、内侧竖向钢骨3（H型钢）、外侧竖向钢骨4（H型钢）、径向连接件5、混凝土组成（见图3-1和3-2）。
实施方法：
（1）首先沿不同圈径，设置外侧竖向钢骨4、内侧竖向钢骨3（竖向钢骨的圈间距、周向间距可根据需要调整），并与下部井壁内的外侧竖向钢骨、内侧竖向钢骨分别连接牢固；
（2）把预弯成形的外侧曲面钢板，安装到外侧竖向钢骨4上；通过对接或搭接，并采用焊接或铆接或螺栓连接，组成外侧钢板筒2；并与下部井壁的外侧钢板筒连接牢固；
（3）把预弯成形的内侧曲面钢板，安装到内侧竖向钢骨3上；通过对焊连接，组成内侧钢板筒1；并与下部井壁的内侧钢板筒连接牢固；
（4）利用径向连接件5，连接内侧钢板筒1、外侧钢板筒2；
（5）对于沉井法凿井，安装井壁浇筑所需的外侧模板（注：内侧钢板筒1作为井壁浇筑时的内模板）；
（6）在内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、外模板（沉井法凿井）或围岩体（冻结法凿井内层井壁）之间的两道环形空间内，分别浇筑混凝土，形成双钢板局部约束混凝土井壁。
实施例四：沉井法井壁、冻结法内层井壁（自下而上连续浇筑）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2（竖向不连续）、内侧竖向钢骨3（槽钢）、外侧竖向钢骨4（槽钢）、径向连接件5、混凝土E组成（见图4-1和4-2）。
实施方法：
与实施例三相同。
实施例五：普通凿井法井壁、冻结法外层井壁（自上而下分段浇筑）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2（竖向不连续）、内侧竖向钢骨3（H型钢）、外侧竖向钢骨4（H型钢）、径向连接件5、混凝土组成（见图5-1和5-2）。
实施方法：
（1）首先沿不同圈径，设置外侧竖向钢骨4、内侧竖向钢骨3（竖向钢骨的圈间距、周向间距可根据需要调整），并分别与上部井壁段内的外侧竖向钢骨、内侧竖向钢骨连接牢固；
（2）把预弯成形的外侧曲面钢板，安装到外侧竖向钢骨4上；通过对接或搭接，并采用焊接、铆接或螺栓连接，组成外侧钢板筒2；与上段井壁的外侧钢板筒之间，沿竖向留设一定间隔，便于混凝土浇筑、振捣操作。
（3）把预弯成形的内侧曲面钢板，安装到内侧竖向钢骨3上；通过对焊连接，组成内侧钢板筒1；与上段井壁的内侧钢板筒之间，通过对焊连接，但沿周向需留设一定数量的洞口，以开展混凝土浇筑、振捣。
（4）利用径向连接件5，连接内侧钢板筒1、外侧钢板筒2；
（5）安装井壁段浇筑所需的底部刃脚模板（注：内侧钢板筒1作为井壁浇筑时的内模板）；
（6）在内侧钢板筒1、外侧钢板筒2、围岩体之间的两道环形空间内，分别浇筑混凝土，形成双钢板局部约束混凝土井壁。
（7）井壁混凝土硬化后，通过焊接钢板，封堵内侧钢板筒1上的洞口。
实施例六：普通凿井法井壁、冻结法外层井壁（自上而下分段浇筑）
本发明创造双钢板局部约束混凝土井壁，主要包括：内侧钢板筒1、外侧钢板筒2（竖向不连续）、内侧竖向钢骨3（槽钢）、外侧竖向钢骨4（槽钢）、径向连接件5、混凝土组成（见图6-1和6-2）。
实施方法：
与实施例五相同。
本双钢板局部约束混凝土井壁，最适用于承载高地压、高水压的深立井井筒。通过设置双层钢板筒、双圈竖向钢骨、径向连接件并浇筑混凝土形成的筒状井壁。内、外侧钢板筒分别位于井壁内表面、井壁内部，固定在内、外侧竖向钢骨上并沿周向连接成筒状结构；钢板筒之间设径向连接件。通过在两层钢板筒之间，及其与井壁模板或围岩体之间的环筒形空间内浇筑强度等级相同或不同的混凝土，形成筒状井壁结构。该型井壁两层钢板筒间的混凝土受到较强的径向约束作用，能显著提高抗压强度；井壁内侧区域含钢率高，且可采用高强度等级的混凝土，形成核心承载区，大幅提高井壁极限承载力。用于深立井建设，可大幅减小井壁厚度，降低成本；其结构合理，施工简便，适用性广泛。
Claims (4)
1.一种双钢板局部约束混凝土井壁，其特征在于：包括内侧钢板筒（1）、外侧钢板筒（2）、内侧竖向钢骨（3）、外侧竖向钢骨（4）、径向连接件（5）及混凝土；
内侧钢板筒（1）设置在井壁内表面；内侧钢板筒（1）是沿井筒周向，由多个弧段的曲面钢板通过焊接组成封闭圆筒结构；沿井筒纵向，相邻钢板筒之间直接或间接通过焊接连接；
外侧钢板筒（2）设置在井壁内部，外侧钢板筒（2）到内侧钢板筒（1）的距离可调；外侧钢板筒（2）是沿井筒周向，由多个弧段的曲面钢板对接或搭接组成圆筒结构，周向的相邻曲面钢板之间是焊接、铆接或通过螺栓连接；沿井筒纵向的相邻曲面钢板筒之间是直接或间接焊接构成竖向连续结构，或者在包括井壁段接茬部位留设间隔做成非连续结构；
内侧竖向钢骨（3）紧邻在内侧钢板筒（1）的外侧布设；内侧竖向钢骨（3）是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；内侧竖向钢骨（3）与钢板筒（1）之间通过螺栓或焊接连接；
外侧竖向钢骨（4）紧邻于外侧钢板筒（5）的内侧或外侧；外侧竖向钢骨（4）是由型钢段通过焊接或螺栓连接而成的竖直结构；外侧竖向钢骨（4）与外侧钢板筒（2）之间通过螺栓连接或焊接连接；
内侧钢板筒（1）与外侧钢板筒（2）通过径向连接件（5）实现径向连接；
通过在内侧钢板筒（1）、外侧钢板筒（2）之间浇筑混凝土，并在外侧钢板筒（2）与井壁模板的环形空间内、或外侧钢板筒（2）与围岩体之间的环形空间内浇筑混凝土，形构成整体的筒状井壁。
2.根据权利要求1所述的双钢板局部约束混凝土井壁，其特征在于：钻井井壁段间存在法兰板时，内侧钢板筒（1）的相邻钢板筒之间间接通过焊接连接。
3.根据权利要求1所述的双钢板局部约束混凝土井壁，其特征在于：内侧竖向钢骨（3）的型钢段是H型钢或槽钢或类似型钢；外侧竖向钢骨（4）的型钢段是H型钢或槽钢或类似型钢；径向连接件（5）是双端带丝的螺纹杆及螺帽或类似构件。
4.根据权利要求1所述的双钢板局部约束混凝土井壁，其特征在于：混凝土是普通混凝土、高性能混凝土或纤维混凝土；内侧钢板筒（1）与外侧钢板筒（2）之间浇筑混凝土的强度与外侧钢板筒（2）外的环形空间内浇筑混凝土的强度相比，混凝土的强度等级相同，或者前者高于后者。
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