采矿手册第五章

第五章立井钻井法井壁结构设计
第一节概述
一、钻井法凿井特点
钻井法凿井是目前国内外穿过厚含水冲击层建井所采用的主要特殊施工方法之一。

是一种较先进的机械化凿井方法。

该方法凿井工艺是利用钻机的钻头破碎岩石，泥浆不断循环冲洗钻头，同时，把破碎的岩屑与泥浆的混合物采用压气提升排至地面。

井内的泥浆保护井帮不致坍塌。

当一个比设计直径大一些的井孔钻成之后，对井孔进行偏斜测量，然后将地面预制好的井壁底（即锅底）和井壁逐节送到井口，依次对接，借助于泥浆的浮力与井壁的自重以及井筒中注水的重量，慢慢将井壁悬浮下沉至井筒设计深度。

最后，在校正井位之后，进行壁后充填固井，完成钻井井壁的立井支护。

钻井法的特点是施工全部地面化、机械化，改变了传统的井下作业方式，施工安全可靠，井壁质量能得到保证。

钻井井壁悬浮下沉施工工艺见图4—5—1。

图4—5—1 井壁悬浮下沉施工工艺图
1—井壁；2—吊帽；3—龙门吊车；4—钻台；5—大钩；
6—注水管；7—导向木；8—抽浆管；9—井壁底
国内钻井法开凿井筒，大都采用分级多次扩孔，随着钻机型号及井筒直径的不同，一般扩孔3～5次，以保证钻孔垂直度，并可节省钻机动力。

此外，也有采用全断面一次钻进的凿井方式，如辽宁红阳钻机以及联邦德国生产的40/800
L型钻机。

按驱动钻具动力和方式的不同，钻井又可以分为液压和电力驱动的转盘式钻井法和转动钻头的动力直接安装钻头上的潜入式钻井法，如国产35
QZ 型潜入式钻机。

在钻井法凿井施工中，洗井泥浆循环方式有正循环洗井，反循环洗井和正反循环混合洗井。

目前，国内多数采用压气提升反循环洗井方式。

目前，国内大部分钻井法施工仅局限于表土段，当井筒的基岩段较短（如风井）时，可一次钻凿成井；个别井基岩段所占比例较大时，则基岩部分改为普通法施工。

二、井壁结构的一般形式和要求
（一）井壁结构的一般形式
国内所采用的钻井井壁结构形式主要有钢筋混凝土井壁、单层钢板混凝土复合井壁和双层钢板混凝土复合井壁。

其中，单层钢板混凝土复合井壁又分为外层钢板混凝土复合井壁和内层钢板混凝土复合井壁。

钢板混凝土复合井壁均在深井的深部采用。

井壁结构形式见图4—5—2。

图4—5—2 国内井壁结构形式图
a—钢筋混凝土井壁；b—外层钢板井壁；c—内层钢板井壁；d—双层钢板井壁1—钢筋混凝土；2—外层钢板筒；3—内层钢板筒；4—混凝土国外钻井井壁结构形式除上述之外，曾使用过铸钢丘宾筒、钢板和型钢圈与混凝土复合井壁、以及井壁外侧加设沥青层等结构形式。

井壁结构形式见图4—5—3。

图4—5—3 国外井壁结构形式图
a—单层型钢井壁；b—带沥青的双层钢板井壁；
c—带沥青的双层型钢井壁；d—单层钢板钢圈加固井壁
（二）钻井井壁的具体要求
1）井壁应具有较强的防水功能。

特别是钢筋混凝土井壁在施工中绝不允许出现蜂窝、狗洞。

同时，法兰盘的连接方式应作仔细考虑，以保证法兰盘在焊接之后不渗漏。

2）井壁不仅能够承受使用荷载（围岩和泥浆压力），而且也能够承受施工过程中产生的附加荷载，亦称施工荷载。

3）井壁应采用高强度材料，如高强度等级混凝土、钢板等。

这样不仅能够减薄井壁厚度，而且可减少钻孔直径，节省钻井费用，加快钻井速度。

同时，井壁应能够满足漂浮下沉过程中在泥浆压力作用下的纵向稳定性与环向稳定性。

4）井壁的实际重量应小于提吊设备的提吊能力。

每节井壁的高度应与井筒装备统一考虑，尽量减少非标准段。

5）井壁底的实际重量应小于泥浆的浮力，并有一定的安全系数，否则，应采取必要的措施，确保井壁底下沉安全。

通常情况下，井壁底采用具有光滑曲线的回转形壳体结构。

6）井筒表土层底部无隔水层时，井壁结构设计应考虑井壁纵向附加力的影响。

7）钻井法施工的井筒，井壁进入不透水的稳定基岩的深度不得小于10m。

8）井壁结构必须便于机械化施工。

9）钢板混凝土复合井壁的内层钢板必须进行防腐处理。

10）井壁结构设计需提供的基础资料与冻结法施工井筒的要求基本相同。

但粘性土的膨胀性指标、矿物性质、以及PH值在井筒检查钻提供的资料中应补充提出。

11）井壁的预测，应按国家现行标准《矿山井巷工程施工及验收规范GBJ213-90》有关规定执行。

三、煤炭系统钻井法凿井施工情况
我国煤炭系统采用钻井法施工的井筒，自1969年1月1日在淮北塑里煤矿南风井开钻至1995年12月，已钻成48个井筒，成井11000m，其中表土9000m，占82%。

钻成井筒的最大成井净直径7.0m（谢桥西风井），钻井井孔直径9.3m，钻井深度464.5m（冲积层厚度405.53m）。

钻成井筒的最大钻井深度508.25m（藩三西风井），钻井井孔直径9.0m，成井净直径6.0m，冲击层厚440.82m，以上两个井筒都是使用AS-9/500型钻机钻成。

目前，就全国46个钻井井筒统计：平均成井深度235m，平均成井月速度21.2m/月。

有关各井的主要技术特征详见表4—5—1。

表4—5—1 国内钻井法施工主要技术特征表四、国内外立井钻机主要技术特征
（一）我国立井钻机的主要技术特征（见表4—5—2）。

表4—5—2 我国立井钻机的主要技术特征
（二）国外立井钻机的主要技术特征（见表4—5—3）
表4—5—3 国外立井钻机的主要技术特征
第二节钻井井壁设计基本参数的确定
一、钻井法施工井筒直径的确定
（一）井筒直径的确定
井筒直径的确定，首先要满足提升容器、安全间隙、通风及井筒装备布置所要求的最小直径。

依据提升设备合理选择井筒装备布置形式，力求缩小井筒直径，以达到最大的经济效益。

同时，井筒净直径的确定还应考虑钻井法施工可能产生的允许偏斜，确保井筒有效使用断面。

井筒设计净直径按下式计算：
D D Hη⋅
=+
设有效(4—5—1) 当井筒中心的坐标不允许按成井实测位置调整时，井筒设计净直径按下式计算：
D D Hη⋅
=+2
设有效(4—5—2) 式中D设——井筒设计净直径，m；
D
有效——井筒有效净直径，m；
H——钻井井壁下沉的深度，m；
η——设计采用的成井偏斜率，
00，0.8
η≤000。

钻井井筒质量标准，参见表4—5—4。

表4—5—4 井筒质量标准表
（二）钻孔直径的确定
为了保证井壁顺利下沉及壁厚充填，钻孔最小内切圆的直径应符合下式规定：
120.3
D D d
≥++(4—5—3)式中D——同一圆心平面中的最小内切圆直径，m；
1
D——预制井壁的最大外直径，m；
d——充填管与导向卡的最大外径，m；
0.3——富裕系数。

二、井壁厚度的确定及限量
（一）井壁厚度的确定
井壁厚度计算之前，不能判别厚度h 与/10r 的关系，无法直接选用薄壁或厚壁圆筒公式计算井壁厚度。

设计中，一般先用厚壁圆筒公式初选井壁厚度。

在进行强度验算时，根据h 与/10r 的关系，选用薄壁和厚壁圆筒公式进行应力计算及强度校核。

1．厚壁圆筒公式
拉麦公式：
012z z f h r f P γ⎛⎫=- ⎪ ⎪-⎝⎭
(4—5—4) 式中 h ——井壁厚度，mm ；
z f ——井壁综合抗压强度设计值，z c y f f f μ=+，2/mm N ； c f ——混凝土轴心抗压强度设计值，2/mm N ； 0P ——地层压力，a MP ；
μ——钢筋配筋率，%；
γ——荷载系数；
y f ——钢筋强度设计值，2/mm N ；
r ——井筒内半径，mm 。

2．薄壁圆筒公式
计算公式： 00150z z P r h f P f γγ=
+- (4—5—5) 可简化为： 00z P r h f P γγ=
- (4—5—6) 式中的符号同前。

（二）井壁厚度的限量
在确定井壁厚度时，应考虑下述因素：
1）钻井法井壁是逐节对接，依据钻孔内泥浆浮力和井壁自重及在井筒内加水助其下沉至设计深度的。

若井壁厚度较厚，自重超过泥浆的浮力，井壁就不能做到飘浮下沉。

2）钻井井壁是在地面预制的，下沉时采用提吊设备将每节井壁运至井口，提吊设备的提吊能力制约着井壁的厚度和高度。

在提吊荷载一定的情况下，若井壁厚度增厚，则井壁高度减少，这样增加预制井壁的场地，减少井壁下沉和井壁预制的速度。

3）钻机能力限制了井壁厚度。

目前我国仅能钻凿最大直径为
9.3m ，井筒净直径为7.0m 的井筒。

故欲钻凿成井7.0m 的井筒，最大厚壁只能限定为700mm 。

因此，根据目前我国钻井井壁的设计经验，深井钻井井壁厚度以不大于700mm 为宜。

4）深井钻井井壁允许采用变径井壁，其厚度上部薄下部厚，一般变化范围按150~200mm 进级（如壁后上部为400mm ，下部为600mm ）。

变径井壁有利于节省材料。

弥补井壁偏斜，扩大有效断面的利用率，但井筒装备材料略有增加。

三、荷载计算
（一）永久地压
钻井井壁受到的永久地压，主要是指井筒使用期间表土地层作用在井壁上的压力。

永久地压计算可参考第三章第二节所述的原则计算。

根据目前钻井技术，钻井法凿井表土段井壁设计荷载一般可按重
液公式计算，即20 1.210(a)P H -=⨯MP 。

基岩风化带井壁设计荷载，按表
土段最大压力控制。

完整基岩段按20 1.010(a)P H -=⨯MP 计算。

式中m H （）
为井筒计算深度。

（二）不均匀地压
由于岩层的特性、井筒围岩的破碎或施工方法不同及壁后充填密实程度等都将导致井筒四周的压力呈不均匀分布状态。

不均匀压力计算如下：
1. 按单角正弦公式计算（见图4—5—4）
0=(1sin )P P αβα+ (4—5—7)
式中 P α——不均匀地压，a MP ；
0P ——均匀地压，a MP ；
β——不均匀压力系数，取0.1~0.20；
α——角度，取00或090。

2.按倍角余弦公式计算（见图4—5—4）
0=+(1cos 2)2P P P αωθ+ (4—5—8)
式中 ω——不均匀地压系数，取/2ωβ=；
其他符号同前。

（三）施工荷载
钻井法凿井在井壁漂浮下沉及井壁壁后充填固井施工过程中，均对井壁产生临时荷载。

根据施工荷载产生的方式不同，可分为提调荷载、泥浆及平衡水综合压力和壁后充填注浆压力。

井壁设计时，其井壁必须满足施工荷载作用的要求。

1.提吊荷载
钻井井壁漂浮下沉时，预制好的井壁需采用提吊设备运至井口，逐节依次对接，因此井壁在提吊过程中，其自重对井壁产生竖向向下拉力N。

根据漂浮下沉的工艺，该竖向拉力N有以下几种荷载组合：1）井壁单独吊运时，竖向拉力N仅为一节井壁自重；
2）井壁底（锅底）下沉后，第一节井壁与井壁底对接好后，需将井壁底与第一节井壁一起提吊时，则竖向拉力N应为第一节井壁自重与井壁底自重和井壁底浮力之差的和，即：
(4—5—9)
=-
+()
N Q Q F
节底底浮
式中：N ——提吊荷载，kN ;
Q 节——第一节井壁自重，kN ；
Q 底——井壁底自重，kN ；
F 底浮——泥浆对井壁底的浮力，kN 。

3) 因纠偏或补漏等原因需要将已下沉的井壁全部提起进行处理时，一面排除平衡水以加大浮力，一面利用提吊设备来提吊井壁，这时井壁最上一节承受的提吊荷载最大。

通常按提吊设备的提吊能力考虑。

2.泥浆及平衡水综合压力
井壁漂浮下沉于泥浆中，井壁四周的泥浆液柱将对井壁产生侧向压力，井壁下沉深度越深，泥浆对井壁产生的侧压力也越大。

同时，井壁下沉时，为了平衡泥浆对井壁的浮力而向井筒内注入一定数量的清水，则井筒内的水柱同样对井壁产生侧向压力，并且随注水深度的增加而增大。

井壁外的泥浆侧压力和井筒内的水的侧压力同时作用在井壁上，由于方向相反，所以部分相互抵消，因此作用于井壁上的水平侧压力，决定于泥浆浆面和井筒内水面的高度，以及泥浆和水的密度（见图4—5—5）。

最大水平侧压力max P 可按下式计算：
()2max 1122=10m m m P h h γγγ--+∆⨯⎡⎤⎣⎦
(4—5—10) 式中 m a x P ——泥浆及平衡水综合作用最大压力，a MP ；
1h ——井壁在泥浆液柱中的高度，m ；
1m γ——泥浆的密度，3t/m ；
h ∆——泥浆与平衡水的深度之差，m ；
m2γ——平衡水的密度，3t/m 。

井筒外泥浆与井筒内平衡水的高差h ∆，可根据阿基米德原理求得，即井壁排开的泥浆重量等于井壁总重量（包括井壁底）加井筒内的平衡水重量，按下式计算：
1112222()10
=10m m m G Q h A A h A γγγ+--⨯∆⋅底壁 (4—5—11)
式中 G 壁——井壁总重量，kN ；
1A ——井筒的外断面积，2m ；
2A ——井筒的内断面积，2m 。

其他的符号同前。

上式计算为一近似值，是把井壁看成平底的理想正圆筒体，井壁底的形状及厚度省略不计。

图4—5—5 泥浆侧压力示意图
3.壁后充填压力
井壁下沉到底后，应把壁后的泥浆置换出来，自地面向壁后灌注充填材料固定井壁。

在向壁后压注水泥浆的过程中，由于水泥浆比泥浆密度大，随着注浆高度的增加，对井壁所产生的浮力也将随之增加。

当水泥浆充填至一定高度时，对井壁所产生的浮力可能使井壁开始上浮。

因此，在井壁下沉到底之后，除向井内注一定量的清水外，还应严格控制第一段高的注浆高度。

第一段高的注浆高度2h （见图4—5—6），可根据井壁悬浮平衡
条件求得，即：
111213110=10)m m m G Q G h A h A γγγ++-⋅⋅-底水壁（ (4—5—
12)
将式(4—5—11)代入上式得：
222131=()
m m m h A h A γγγ∆⋅⋅- (4—5—13)
式中 2h ——第一段注浆高度，m ；
G 水——井筒内平衡水总重，kN ；
m3γ——注入水泥浆的密度，3t/m ；一般要比泥浆密度高0.4； 其他符号同前。

注浆充填对井壁产生的侧压力P 注计算，即：
()1223112=()10m m m m P h h γγγγ-⎡⎤-+-⨯⎣⎦注 (4—5—14)
将式(4—5—13)代入上式得：
()2211221=10m m m A P h h A γγγ-⎡⎤-+∆⋅⨯⎢⎥⎣
⎦注 (4—5—15) 式中 P 注——注浆充填对井壁产生的压力，a MP ；
其他符号同前。

图4—5—6 第一次注浆段高度示意图
第三节 预制钢筋混凝土井壁的设计计算
一、井壁内力及配筋计算
（一）均匀侧压力作用下的内力及配筋计算
根据井筒检查孔柱状图，找出井壁结构设计控制层位，计算地层压力，再选择混凝土强度等级，由公式（4—5—4）或式（4—5—5）初选井壁厚度，然后进行内力、强度校核及稳定性计算。

必要时可调整混凝土强度等级、配筋量及井壁支护分段位置。

1. 内力计算可任选以下两种方法
1） 拉麦公式（见图4—5—7）。

井壁环向应力： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=2222201ρσθr r R R P （4—5—16）
井壁径向应力： ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=22
22201P
r r R R r γρσ （4—5—17） 则井壁内外缘环向应力：
220212r R P R -=θσ （4—5—18） 022222P r
R r R -+=θσ （4—5—19） 式中 θθσσ21、——井壁内外缘环向应力,2/mm N ；
0P ——井筒地层压力，MPa ；
R 、r ——井壁内、外半径，mm 。

图4—5—7 均匀压力作用下内应力图
2） 哈·林克（联邦德国）公式：
该方法内力计算见本篇第四章第五节（4—4—59）公式。

2. 井壁强度校核计算
按最大正应力理论进行强度校核：
γσσθ⋅=1m ax （4—5—20）
1） 当c f ≤m ax σ 时，井壁按构造要求配筋。

2） 当c f >m ax σ时，井壁每米高度的环向配筋按下式计算： y c f f -=
max σμ （4—5—
21）
310⨯⋅=h A y μ （4—5—22）
式中 y A ——环向钢筋截面面积，2mm ；
y f ——钢筋抗拉强度设计值，2/mm N ；
μ—— 井壁配筋率，%；
h ——井壁计算厚度，mm 。

当m in μμ<时，应按min μ要求配置钢筋，同时应满足构造要求。

（二）不均匀侧压力作用下内力及配筋计算
1. 内力计算
1） 按单角正弦公式计算：
井壁圆环受不均匀侧压力时内力计算见图4—5—8，则A 、B 两截面上的内力按下式计算：
A 截面内力()00=α
()⎭⎬⎫-=+=200149.0785.01r P M r P N A A A A ββ （4—5—23）
B 截面内力()090=α
()⎭⎬⎫=+=200137.05.01r P M r P N B B B B ββ (4—5—24) 式中 B A N N 、——A 、B 截面的轴力，N ；
B A M M 、——A 、B 截面的弯矩，m N ⋅；
β——不均匀侧压力系数，取0.1～0.2； 0r ——井壁厚度平均半径，mm ；
B A P P 、——最小及最大不均匀地压，MPa 。

图4—5—8 受不均匀侧压力时圆环内力计算图
2） 按倍角余弦公式计算：
A 、
B 截面内力计算如下：
A 截面内力：
()⎭⎬⎫-=+=200167.0667.01r P M r P N A A A A ωω
（4—5—25） B 截面内力：
()⎭⎬⎫=+=200167.0333.01r P M r P N B B B B ωω （4—5—26） 式中 ω——地压不均匀系数，取2/βω=；
其它符号同前。

2. 井壁配筋计算
井壁截面作用有轴力N 和弯矩M ，按偏心受压计算。

井壁设计 中一般配置对称的环向钢筋。

1） 按小偏心受压计算： 当055.0h bf N cm >⋅γ时，可按下式计算井壁环向钢筋截面面积：
()
'0'205.0a h f f h b e N r A A y c y y -⋅⋅-⋅⋅='= （4—5—27） N M e a h e e =-+⋅=002；η
02
02
082.11011r L L I
E a N c e =⋅⋅⋅-=；γη 143.03.01.0200++=+=h
e a r R r e ； 式中 y y A A '、——井壁配置的受拉、受压钢筋截面面积，2mm ；
h ——井壁厚度，mm ；
η——考虑挠度影响的纵向力偏心距增大系数； e a ——与偏心距0e 有关的系数；
0r ——井壁厚度平均半径，mm ；
cm f ——混凝土弯曲抗压强度设计值，2/mm N ； I E c 、——井壁混凝土弹性模量、截面惯性矩；
a a '、——受拉、受压钢筋的保护层厚度，mm 。

2） 按大偏心受压计算：
当055.0h bf N cm ≤⋅γ时，可按下式计算，井壁环向钢筋截面面积：
a h f h
b N h e f N A A cm y y y '-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅⋅--⋅⋅='=0005.01γγ （4—5—28）
当a f b N
cm '≤⋅⋅2γ时，
()a h f e N A A y y y '-'⋅⋅='=0γ a h e e '+-='0
式中符号同前。

以上计算也应满足最小配筋率和构造上的要求，同时应满足施工荷载作用下配筋要求。

二、井壁稳定性验算
（一）环向稳定性验算
井壁环向稳定性验算时，截取井筒单位高度的圆环按平面问题考虑。

当圆环失稳时，均匀径向临界压力为：
()
23013c c k r I E P γ-= （4—5—29） 式中 k P ——圆环失稳时临界压力，MPa ；
c γ——混凝土泊松比；
其他符号同前。

为了保证圆环稳定性，井壁压力必须符合下式要求。

0P P k ⋅≥γ （4—5—30） 式中 γ——稳定性计算安全系数；
0P ——计算深度处的井壁侧压力，MPa 。

目前国内钻井法采用的钢筋混凝土井壁均属厚壁筒。

一般情况下，当井壁满足强度要求时，环向稳定性的要求均可满足。

（二）竖向稳定性验算
井壁竖向稳定性可分为以下三个阶段进行分析。

1. 井壁吊装漂浮下沉阶段
井壁从漂浮下沉开始至接触孔底之前，其受力特点有稳定平衡、 随机平衡和不稳定平衡三种情况，见图4—5—9。

经过实测，证明在下沉井壁过程中这三种状态都有可能出现，在下沉井壁底和前几节井壁时，由于配重水少、井壁的重心点E 在上，浮力重心点F 在下的情况，将会出现不稳定平衡。

此时为防倾翻，在锁口与井壁之间加木楔扶正调平。

约下沉三、四节井壁即可出现随机平衡状况，以后随着井壁的接长和配重水的添加，井壁即处于稳定平衡状态。

图 4—5—9 漂浮下沉井壁稳定状况图
a —稳定平衡；
b —随遇平衡；
c —不稳定平衡；
f G —井壁浮力；1G —井壁自重；2G —平衡水重；F E 、分别为G 和f G 的作用点
2. 井壁下沉至孔底但尚未进行壁后充填阶段
井壁竖向稳定性的计算一般按井筒上下两端铰接，承受自重、配重水和泥浆测压作用下，可取以下两种方法中的一种。

1） 根据压杆临界长度的能量法近似计算公式。

各种断面井壁竖向稳定临界深度计算公式见表4—5—5。

此公式对计算变断面井壁有很好的适应能力。

也适用于计算等厚 井壁的井筒。

2） 等厚井壁的计算公式 ()3221000231.000766.013137.04⨯+-=q K K I E H cT cT c cr π
H q I
AE c ≥⨯=3210 （4—5—31）
w s m cT q q q q A K +=⋅=
；1110γ 式中 cr H ——井壁临界深度 ，m ；
s q ——延米井壁重量，m kN /；
w q ——延米井筒内平衡水重量，m kN /；
A ——系数值，由表4—5—6查出；
1A ——井筒的外断面积，2m ；
其他符号同前。

3. 井壁壁后充填阶段
井壁下沉到底后，要求用水泥浆及石碴等分段进行壁后充填。

由 于水泥浆密度比洗井液大，所以对井壁的浮力也将增大，但由于井壁内灌入足够的配重水，不允许使其上浮，因此
表4—5—5 井壁竖向稳定临界深度计算公式表
表4—5—6系数 A 值
一般不会产生纵向失稳，但必须注意的是，第一段水泥浆的充填高度要严格控制，不宜过长。

同时配重水最大高度不得超过下式计算值。

21)1(11112115.0225⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∑∑∑∑∑=+===-m i i m w n
i m i i j i j i wi i i i j i si m cr h q h h h q h h h q H A h γ
(4—5—32) 当1,0==n m 时，即为不变断面井壁
w
s m cr q q A H h -=1110γ （4—5—33） 式中 cr h ——配重水临界高度，m ；
n ——变断面个数，1-=n m ；
1m γ——泥浆密度，3/m t ；
H ——井筒深度，m ；
1A ——井筒的外断面积，2m ；
i h ——变断面井筒各段高度，m ；
si q ——第i 种规格井壁每米重量，m kN /；
wi q ——第i 种规格井筒内每米水重量，m kN /；
其他符号同前。

三、施工过程井壁强度验算
（一）按井壁提吊计算竖向钢筋
井壁任何位置，纵向配筋率不小于0.4%，同时，还应当满足以下要求。

1. 按正截面强度计算
预制井壁下沉提吊时，井壁竖向钢筋面积sy A 计算如下：
y d sy f N
A ⋅⋅=γγ （4—5—34）
式中 d γ——动力系数，一般取5.1=d γ；
γ——运输及吊装阶段的强度设计安全系数，一般取5.1=γ；
N ——起吊时井壁受到的竖向拉力，N ；见第五章第二节； sy A ——井壁竖向钢筋面积，2mm 。

2. 起吊抗裂验算
井壁起吊过程中不允许出现裂缝即：
()sy c t f d A n A f N ⋅+≤⋅⋅2γγ （4—5—35） 式中 t f ——混凝土抗拉强度设计值，2/mm N ；
c A ——混凝土井壁截面积，2mm ；
d γ——动力系数，一般取5.1=d γ；
f γ——抗裂安全系数，一般取5.1=f γ；
n ——钢筋和混凝土弹性模量的比值，c s E E n /=；
s E ——钢筋的弹性模量，2/mm N ；
c E ——混凝土的弹性模量，2
/mm N 。

3. 按竖向不均匀地压计算竖向配筋
表土与基岩交界处，井壁在土层中受侧向地压，达到最大值，但井筒进入基岩，围岩压力突然减小，并趋于零。

由于这种围岩压力在竖向分布的突然变化，而引起内应力的变化，出现竖向弯矩，如图4—5—10。

图4—5—10 基岩与表土交界处井壁内竖向弯矩
假设井筒在O O -截面处断开，表土段井筒在m ax 0P P =作用下，产生的井筒径向自由变形。

计算公式如下：
h E r P c 2001=δ
井壁在端面剪力0Q 荷载作用下产生的径向变形：
D Q
3022βδ= 由于井壁厚度不变，剪力0Q 使O O -截面上下二段井壁产生相同方向的绕转，00=M ，且212δδ=，剪力0Q 即可化简为：
h E D r P Q c 22000β= （4—5—36）
()
23
112c c h E D γ-= ()4220213h r c γβ-= 因此： β40
0P Q =
x e P x e Q M x x x ββββββsin 4sin 200--== （4—5—37） 当4π
β=x 时，x e x ββsin ⋅-达到最大值0.3224。

2020max 0806.043224.0ββP P M ⋅=⋅= （4—5—38） 式中 x M ——x 截面的变矩，m N ⋅；
0Q ——O O -截面产生的剪力，mm N /；
D ——壳体抗弯刚度；
β——壳体常数，mm /1；
c γ——混凝土泊松比。

验算配筋时不考虑竖向荷载作用，按纯弯计算配筋，配筋长度取界面上下各一个波长，内外缘配筋相同。

πβ2=⋅L
L 为配筋长度。

（二）泥浆对井壁作用的强度验算
随着井壁接长，自重逐渐增加，当井壁下沉到底而尚未充填时，由于井壁自重和泥浆及井筒内平衡水共同作用对井壁产生的应力，在井壁最下部锅底段的井壁内应力为最大，井壁中的应力，又以井壁中内缘应力为最大。

现在井壁内缘取一单元体见图4—5—11。

()()()()
⎪⎭⎪⎬⎫-⋅-+∆-=⨯∆--=-222112221221100210r R R h r R h h h h m m m r γγσγσθ （4—5—39） ()2110-⨯+-=mc z c h γσ
式中 mc γ——混凝土密度，3/m t ；
c ——悬浮下沉的井壁顶面至井孔内泥浆液面差，m ；见图4—5—5。

采用能量强度理论验算：
()()()[]
22221r z z r xd σσσσσσσθθ-+-+-= （4—5—40） y c xd f f μγσ+≤
图4—5—11 单元体应力图
（三） 壁后充填时井壁强度校核
将壁后注浆充填压力计算公式（4—5—15）与泥浆压力计算公 式（4—5—10）比较，由于壁后填充时，井筒内注入的水量制约了井壁上浮，1/12<A A ，所以壁后注浆充填时作用在井壁的压力注P 小于泥浆压力max P 。

即在正常的壁后充填条件下，只要在井壁内注入一定量的清水，严格按井壁不致上浮条件控制第一段充填高度，即可确保安全。

所以在符合上述条件的情况下，可不必按壁后充填注浆压力对
井壁进行强度验算。

四、壁后补注浆井壁强度校核
壁后充填结束后，应进行质量检查，并符合下列要求，方可开凿马头门或破井壁底掘进。

1) 实际的充填量不应少于设计规定的85%。

2) 自马头门或在井壁底向上30m 范围内，每隔5m ，沿井筒圆周 等距钻检查孔4个，上下层的孔位应错开︒45，孔深应穿过壁后不小于100mm 。

3) 经检查孔检查，无喷浆、喷水现象或检查孔有少量泥浆短暂外 喷，单孔出浆量小于0.13m ，或清水量小于0.5h m /3，经24h 水量不继续增加。

4) 如检查孔的单孔出水量大于0.5h m /3，或钻孔持续喷浆，应重 新补注。

如果壁后充填质量不符合上述要求，则必须进行壁后补注浆。

注浆终压应满足下式要求：
()()2222h r rh
h f P cj c ++<γ （4—5—41）
式中 c P ——注浆终压，MPa ；
h ——井壁厚度，mm ；
r ——井筒净半径，mm ；
cj f ——井壁材料极限抗压强度，2/mm N ；
γ——荷载系数，取2=γ。

五、井壁接头设计
（一）接头型式
为了保证钢筋混凝土井壁节与节之间能对接成整体，通常是在井壁的端头用设置法兰盘的办法来实现的。

即在每节预制上、下端分别设置上、下法兰盘。

井壁对接时，上、下法兰盘内缘一般采用螺栓固定，外缘采用焊接，并涂环氧沥青等防水层。

钢筋混凝土井壁接头形式如图4—5—12。

图4—5—12 井壁法兰盘联接图
a—槽钢形法兰；b—单板形法兰；c—组合型钢法兰；d—梁板式法兰
1—焊筋板；2—钢筋；3—连接圈板；4—钢板；5—加肋板；6—螺栓；7—焊缝；8—砂浆；9—吊钩；10—环氧沥青防水层；11—工字钢；12—内圈焊筋板；13、14—内、外圆环钢板
（二）法兰设计及计算
1. 法兰结构形式
我国钻井井壁使用的法兰形式有：槽钢形法兰、型钢法兰、单板式法兰和梁板式法兰，见图4—5—13～图4—5—16。

在最早钻井井壁中，曾采用过由钢板焊接而成的槽钢形法兰。

实践证明，这种形
式法兰不单是钢材用量大，加工工艺难，竖向强度也难保证，目前已很少采用。

型钢法兰，大屯矿区多采用，它具有节省钢材的优点，其缺点是刚度小，加工和吊运时易变形。

同时，加工型钢成弧形，精度不易保证。

单板式法兰结构牢固，刚度大，施工不易变形，但消耗材料量多，特别是当井壁较厚时，材料用量很可观，而且上法兰钢板要按施工要求预留孔口，以便浇灌混凝土。

梁板式法兰不仅刚度大，而且省钢材，与混凝土粘结牢靠，同时加工精度能得到保证。

图4—5—13 槽钢形法兰图图4—5—14 型钢法兰图
1—焊筋板；2—加肋板；3—圆环钢板1—外圈角钢圈；2—起吊螺栓；3—内圈
槽钢圈；4—加强肋板；5—连接板。