由包神公式谈“两壁”设计
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技术难题
冻结管破坏 冻结壁变形大
井壁破坏
地下水流速度
井壁
双层和复合井壁
西部 2007年GB50384
2011
>950m,0.2~0.5%
冻结管串水
技术经 济问题
地下水流速度
双层和单层井壁
二、 “两壁一钻”问题及困惑
一）现行井筒井壁规范有关井壁设计的困扰：
1）随着井筒深度增加，井壁厚度急剧增加， 解决路径只有一条：混凝土标号。已要求达到 C70以上，有人呼吁采用钢板井壁。
600
500
494
415
435
400
400
313
300
200
162
100 18
50
0
112
128
166
1955-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2010
Years
二、 “两壁一钻”问题及困惑
项目 冻结地层重点
地层年代
含水层深度 基岩含水特性 井筒净直径 基岩含水层方案
由包神公式谈“两壁”设计
周晓敏
2015年10月29日
1
下面分 5个方面向大家简要汇报
一、简述我国井筒冻结技术发展 二、 “两壁一钻”问题及困惑 三、“包神”衬砌设计公式的力学理论 四、 冻结壁的设计问题 五、井壁设计问题 六、结语与建议
一、简述我国井筒冻结技术的发展
1955年首例人工地层冻结成功： 开滦林西风井。1954年,表土层 厚度50.7m, 3 个流沙层，冻结 深度105m。
工期：打钻/积极冻结/维护冻 结:225/46/143。波兰专家帮助
2020年7月22日
打钻 冻结壁 井壁
3
一、简述我国井筒冻结技术的发展
俄文版 in 1954. Author：Н.Г.Трулак
中文版 翻译 周文安教授 1958
共三十章内容 优点： 冻结理论与技术 打钻理论与技术 不足： 井壁和 冻结壁设计
2020年7月22日
14
二、 “两壁一钻”问题及困惑
二、冻结壁设计的困扰：
1）最早也是采用拉麦公式设计，但后来放 弃了，发展了共9个设计公式。其中最实用 的是多姆克公式和里别尔曼公式。
(1)部分塑性
E
ra
0.29
P
2.3
P
2
(2)全塑性
(3)有限段高
E H kh [ ]
一、中国井筒冻结技术发展
西部
东部
陕、甘、宁、蒙、 晋5省，甘肃、 新疆（简称西 部），
冀、鲁、豫、苏、 皖5省及东北
一、简述我国井筒冻结技术的发展
Numbers
Shafts statistics of AGF in China
900
850
800
Shafts Amounts
700
Max Depth of shaft
③ 悬浮体公式 (科索洛夫斯基)
④ 修正的秦氏公式(适用于基岩)
2. 圆筒挡土墙公式（5、6、7）
⑤ 别列赞采夫斯基
⑥ 西德哈-林克公式
2020年7月22日 ⑦ 夹心墙公式(马英明公式)
11
二二、 “两壁一钻”问题及困惑
井壁外载荷计算四大类9个公式： 3. 重液体公式(8)（包括修正的重液公式）
p 0.013H 1.3 0H
钻井 钻井 412 93 1.1 1.15
钻井
98
0.77
13
在理论缺二乏、的评基础价上方力法求从的实确测定找到答案
② 基岩压力：主要观测静水压力
表3-4 济宁三号风井测试水平最大水压及水压系数
测试水平 深度m
水头高度m 理论水压 MPa
实测水压 水压系数 MPa
第1水平 328.0
325.8
3.193
2）冻结井：临时支护价格最高的，但永久支 护的井壁既厚又复杂（双层或复合），价又高。 采用注浆法和钻井法的井壁设计既薄又简单，设 计的“技术经济性矛盾”？
3）根源在于：井壁设计公式“拉麦”公式：
2020年7月22日
E ra
fs
fs 2
p
1
一直没有人 怀疑过它！
9
二、 “两壁一钻”问题及困惑
2020年7月22日
10
二、 “两壁一钻”问题及困惑定
井壁外载荷计算四大类9个公式：
1. 平面挡土墙公式(朗肯Rankine1820~72英、 库伦Coulomb1776/1736~1806法)
① 普氏公式(1908俄国M.M.普罗托吉亚科诺夫斯 基)
② 秦氏公式(1933俄国П.М.秦巴列维奇)
4）井壁设计规范或拉麦公式的理论缺陷： (1)局限于载荷结构法的传统地面结构思想； (2)侧压力系数、“水压折减”等都是经验主义， 没有理论解释； (3)设计公式参数过于简单化，失去科学性； (4)基岩井壁设计采用的是经验参考法； (5)没有考虑有无水渗流的影响； (6)井壁设计理论的研究退化成了一部载荷计 算研究（历史----死胡同）
序号
井筒名 称
1 红阳 副井
中国
2
兴隆 庄主 井
中国
34
6
7
菜园 九江 新开 新港 赤伯
中国 中国 日本 日本 加拿 大
89
雅克 红阳 巴 西风
井
德国 中国
10 西顿 巴斯
俄罗 斯
施工方 冻结 法
实测深 100 度
等效容 0.94 20重20年7月22日
冻结 168.5 0.95
沉井 沉井 沉井 沉井 冻结 87 37 85 101 380 1.03 1.06 <1.0 <1.0 0.87
2.200
0.689
第2水平 350.0
348.3
3.413
2.376
0.696
第3水平 365.0
362.8
3.555
2.936
0.826
孙疃煤矿副井基岩破碎带段，埋深为292.6l ~317.28 m， 井壁C40，壁厚600 mm，配筋率0.5%，Pmax=0.59 MPa， 井壁最大竖向钢筋拉应力σv均<+60 MPa，环向钢筋σh <40 MPa，σ<<300 MPa;侧压力系数λ=0.0775
东部
西部
表土
基岩
第四、三系、石炭三 第四、三系、白垩侏
叠二叠
罗三叠
800m 裂隙为主
950m 孔隙为主
5~8m 注浆法为主
6~12m 冻结法为主
表土段施工方案
冻结法占主 钻井法为辅
冻结法
二、 “两壁一钻”问题及困惑
东部
设计、施工规范
2007年GB50384
钻孔
>800m,0.2~0.5%
技术安 全问题
4. 静止侧压力公式(弹性力学)(9)、(10)
n
n v
iHi;
i 1
n
n h
n v
i Hi ;
i 1
1
5. 原岩应力场及边界条件
1)原岩边界应力 2)原岩边界位移
原岩应力≠井壁载荷
2020年7月22日
12
二、 “两壁一钻”问题及困惑
6. 国内外井壁压力实测分析： ① 表土压力实测
主要与重液公式进行对比
冻结管破坏 冻结壁变形大
井壁破坏
地下水流速度
井壁
双层和复合井壁
西部 2007年GB50384
2011
>950m,0.2~0.5%
冻结管串水
技术经 济问题
地下水流速度
双层和单层井壁
二、 “两壁一钻”问题及困惑
一）现行井筒井壁规范有关井壁设计的困扰：
1）随着井筒深度增加，井壁厚度急剧增加， 解决路径只有一条：混凝土标号。已要求达到 C70以上，有人呼吁采用钢板井壁。
600
500
494
415
435
400
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313
300
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100 18
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128
166
1955-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999 2000-2010
Years
二、 “两壁一钻”问题及困惑
项目 冻结地层重点
地层年代
含水层深度 基岩含水特性 井筒净直径 基岩含水层方案
由包神公式谈“两壁”设计
周晓敏
2015年10月29日
1
下面分 5个方面向大家简要汇报
一、简述我国井筒冻结技术发展 二、 “两壁一钻”问题及困惑 三、“包神”衬砌设计公式的力学理论 四、 冻结壁的设计问题 五、井壁设计问题 六、结语与建议
一、简述我国井筒冻结技术的发展
1955年首例人工地层冻结成功： 开滦林西风井。1954年,表土层 厚度50.7m, 3 个流沙层，冻结 深度105m。
工期：打钻/积极冻结/维护冻 结:225/46/143。波兰专家帮助
2020年7月22日
打钻 冻结壁 井壁
3
一、简述我国井筒冻结技术的发展
俄文版 in 1954. Author：Н.Г.Трулак
中文版 翻译 周文安教授 1958
共三十章内容 优点： 冻结理论与技术 打钻理论与技术 不足： 井壁和 冻结壁设计
2020年7月22日
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二、 “两壁一钻”问题及困惑
二、冻结壁设计的困扰：
1）最早也是采用拉麦公式设计，但后来放 弃了，发展了共9个设计公式。其中最实用 的是多姆克公式和里别尔曼公式。
(1)部分塑性
E
ra
0.29
P
2.3
P
2
(2)全塑性
(3)有限段高
E H kh [ ]
一、中国井筒冻结技术发展
西部
东部
陕、甘、宁、蒙、 晋5省，甘肃、 新疆（简称西 部），
冀、鲁、豫、苏、 皖5省及东北
一、简述我国井筒冻结技术的发展
Numbers
Shafts statistics of AGF in China
900
850
800
Shafts Amounts
700
Max Depth of shaft
③ 悬浮体公式 (科索洛夫斯基)
④ 修正的秦氏公式(适用于基岩)
2. 圆筒挡土墙公式（5、6、7）
⑤ 别列赞采夫斯基
⑥ 西德哈-林克公式
2020年7月22日 ⑦ 夹心墙公式(马英明公式)
11
二二、 “两壁一钻”问题及困惑
井壁外载荷计算四大类9个公式： 3. 重液体公式(8)（包括修正的重液公式）
p 0.013H 1.3 0H
钻井 钻井 412 93 1.1 1.15
钻井
98
0.77
13
在理论缺二乏、的评基础价上方力法求从的实确测定找到答案
② 基岩压力：主要观测静水压力
表3-4 济宁三号风井测试水平最大水压及水压系数
测试水平 深度m
水头高度m 理论水压 MPa
实测水压 水压系数 MPa
第1水平 328.0
325.8
3.193
2）冻结井：临时支护价格最高的，但永久支 护的井壁既厚又复杂（双层或复合），价又高。 采用注浆法和钻井法的井壁设计既薄又简单，设 计的“技术经济性矛盾”？
3）根源在于：井壁设计公式“拉麦”公式：
2020年7月22日
E ra
fs
fs 2
p
1
一直没有人 怀疑过它！
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二、 “两壁一钻”问题及困惑
2020年7月22日
10
二、 “两壁一钻”问题及困惑定
井壁外载荷计算四大类9个公式：
1. 平面挡土墙公式(朗肯Rankine1820~72英、 库伦Coulomb1776/1736~1806法)
① 普氏公式(1908俄国M.M.普罗托吉亚科诺夫斯 基)
② 秦氏公式(1933俄国П.М.秦巴列维奇)
4）井壁设计规范或拉麦公式的理论缺陷： (1)局限于载荷结构法的传统地面结构思想； (2)侧压力系数、“水压折减”等都是经验主义， 没有理论解释； (3)设计公式参数过于简单化，失去科学性； (4)基岩井壁设计采用的是经验参考法； (5)没有考虑有无水渗流的影响； (6)井壁设计理论的研究退化成了一部载荷计 算研究（历史----死胡同）
序号
井筒名 称
1 红阳 副井
中国
2
兴隆 庄主 井
中国
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菜园 九江 新开 新港 赤伯
中国 中国 日本 日本 加拿 大
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雅克 红阳 巴 西风
井
德国 中国
10 西顿 巴斯
俄罗 斯
施工方 冻结 法
实测深 100 度
等效容 0.94 20重20年7月22日
冻结 168.5 0.95
沉井 沉井 沉井 沉井 冻结 87 37 85 101 380 1.03 1.06 <1.0 <1.0 0.87
2.200
0.689
第2水平 350.0
348.3
3.413
2.376
0.696
第3水平 365.0
362.8
3.555
2.936
0.826
孙疃煤矿副井基岩破碎带段，埋深为292.6l ~317.28 m， 井壁C40，壁厚600 mm，配筋率0.5%，Pmax=0.59 MPa， 井壁最大竖向钢筋拉应力σv均<+60 MPa，环向钢筋σh <40 MPa，σ<<300 MPa;侧压力系数λ=0.0775
东部
西部
表土
基岩
第四、三系、石炭三 第四、三系、白垩侏
叠二叠
罗三叠
800m 裂隙为主
950m 孔隙为主
5~8m 注浆法为主
6~12m 冻结法为主
表土段施工方案
冻结法占主 钻井法为辅
冻结法
二、 “两壁一钻”问题及困惑
东部
设计、施工规范
2007年GB50384
钻孔
>800m,0.2~0.5%
技术安 全问题
4. 静止侧压力公式(弹性力学)(9)、(10)
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n v
iHi;
i 1
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n h
n v
i Hi ;
i 1
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5. 原岩应力场及边界条件
1)原岩边界应力 2)原岩边界位移
原岩应力≠井壁载荷
2020年7月22日
12
二、 “两壁一钻”问题及困惑
6. 国内外井壁压力实测分析： ① 表土压力实测
主要与重液公式进行对比