（工程力学专业论文）深厚表土层中混凝土井壁治理的信息化施工力学问题研究.pdf

国内图书分类号： 国际图书分类号： 硕士学位论文 深厚表土层中混凝土井壁治理的信息 化施工力学问题研究 建设部科技计划项目 兖矿集团科技计划项目 硕士研究生： 导师姓名： 申请学位级别： 学科、专业： 所在单位： 答辩日期： 学位授予单位： 批准号：( 0 2 - 5 0 4 ) 批准号：( b 2 0 0 5 1 15 ) 一一一一一一一 摘要 深厚表土层中井壁的破裂及治理问题一直没有得到圆满解决，究其原因，则 为井壁所处的深厚土层中不确定因素较多，地质环境复杂所致。鉴于此，本文从 井壁治理的角度，在现有关于井壁破裂原因及治理技术研究成果的基础上，借鉴 新奥法施工的思想，研究信息化施工在井壁治理工程中的应用问题。为此，本文 采用理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法，针对信息化施工在井壁治理 工程的理论与应用进行了以下研究工作： l 、信息化施工技术是一个完整的施工体系，及时掌握可靠的信息是信息化施 工中分析与预测的基础。本文第二章结合现场实际井壁安全监测的实践，阐述了 如何建立合理的井壁监测体系，主要包括：( 1 ) 对不同类型、不同结构井壁的监测 级别进行定位；( 2 ) 选择适合的监测设备，明确重点监测项目；( 3 ) 消除人为因素， 构建井壁的远程自动监测系统；( 4 ) 对不同井壁的变形预警指标进行合理确定。 2 、信息化施工技术的另一个关键闯题为信息的提取与反馈，即从大量监测信 息中提取有价值的信息进行数据处理。众所周知，井壁竖向附加力是导致井壁破 裂的主要原因，但井壁竖向附加力的确定问题一直没有得到较完善的解决。为此， 本文第三章基于现场监测信息利用有限元优化反分析方法对井壁竖向附加力进行 了反演，即以实际井壁监测信息为依据，利用a n s y s 优化模块，运用a p d l 参 数化语言将竖向附加力作为设计变量建立分析模型，设置目标函数，经多次迭代 求解后，使得监测点的计算应变值与监测应变值相等，提取设计变量值即得到了 基于监测信息的井壁竖向附加力。基于现场实测信息反演的竖向附加力变化规律， 可为下一步井壁稳定预测、治理过程的信息化施工及评价治理效果提供可信的基 础数据，这也是信息化施工体系中数据处理的一种方法。 3 、在基于监测信息反演外荷载的基础上，本文第四章利用a n s y s 程序对井 壁进行了弹塑性数值分析及破坏预测：( 1 ) 以济宁三号煤矿主井为原型，对井壁受 力过程进行了弹塑性数值分析，计算得到了井壁塑性区的演化过程及井壁局部受 力的特点，并进一步分析了井壁破裂的原因。( 2 ) 以济宁三号煤矿主井为原型，通 过有限元计算，对井壁的破坏进行了分析预测。 4 、以济宁三号煤矿主井地面注浆预防性治理工程为例，阐述了信息化施工技 青岛理工大学硕士学位论文 术在井壁治理工程中的实际应用：( 1 ) 通过井壁应变自动实时监测，对地面注浆治 理过程进行信息化指导；( 2 ) 通过监测信息反馈，反演施工荷载，获取注浆期间 井壁受力状态，可以为指导设计合理的注浆方案、控制注浆压力等提供可靠的依 据；( 3 ) 通过注浆前后井壁应变变化情况， 果进行了综合评价。 关键词：井壁治理；信息化； 监测； 反演竖向附加力的缓释效应，对治理效 反分析；优化；有限元模拟 n 青岛理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r u p t u r eo ft h es h a _ nl i n i n gi nt h et h i c ka l l u v i u mh a sn o tb e e ns e t t l e db e c a u s eo f m a n yu n c e r t a i nf a c t o r sa n dc o m p l e xg e o - e n v i r o n m e n tt h e r e o nt h eb a s i so ft h i si d e a , t h et h e s i ss t u d i e st h ea p p l i c a t i o no fi n f o r m a d o n a lc o n s t r u c t i o nm e c h a n i c si nt h es h a n l i n i n gt r e a l l r l e n tt h a ti sb a s e do nt h el e a s o l l lo fs h a f tl i n i n gl 剐 l l r ea n dt r e a t m e n t t e c h n o l o g yr e s e a r c hp r o d u c t i o na n du s i n gf o rr e f e r e n c eo fn e wa u s t r i at u n n e l i n g m e t h o d a l s ot h et h e s i sc a r r i e st h r o u g ht h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r ka i m i n ga tt h e a p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi nt h es h a f tl i n i n gt r e a t m e n tb y u s i n gt h em e t h o d so f t h e o r ya n a l y s i s ，f i e l dm e a s u r e m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： 1 i n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sa l li n t e g r a t e ds y s t e m , s om a s t e r i n gt h e c r e d i b l ei n f o r m a t i o ni na t i m e l ym a l m e l i st h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i sa n df o r e c a s ti n t h ei n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o n t h ec h a p t e r2 e x p a t i a t e s0 1 1t h ee s t a b l i s h m e n to f l o g i c a l s h a f tl i n i n gm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d0 1 1 1t h ec u r r e n te n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e t h e c o n t e n t sa sf o l l o w s ：io r i e n t a l i n gt h es h a f tl i n i n gm o n i t o r i n gl e v e lo fd i f f e r e n ts t y l e a n ds t r u c t u r e ；i ic h o o s i n gt h ea d a p t i v em o n i t o r i n ge q u i p m e n ta n df i x i n go nt h e i m p o r t a n tm o n i t o r i n gi t e m ；i i i e l i m i n a t i n gt h eh u m a nf a c t o r sa n df o r m i n ga u t o m a t i c r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo ft h ew a l ll i n i n g ；i v d e f i n i n gr a t i o n a l l yt h ed e f o r m a t i o n w a r n i n g i n d i c a t o r so f d i f f e r e n ts h a f tl i n i n g 2 a n o t h e rk e yi s s u ei st h ee x h a c t i o na n df e e d b a c ko fi n f o r m a t i o ni nt h e i n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y a sw ea l lk n o w , t h ev e r t i c a la d d i t i o n a lp o w e ri s t h em a i n 脚nt ot h es h a f 慨r a p t u r e s of a r ，t h ed e f i n i t i o no ft h es h a f tl i n i n g v e r t i c a la d d i t i o n a lp o w e rh a sn o tb e e ns e t t l e dp e r f e c t l y a c c o r d i n gt o e x i s t i n g m o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n , u t i l i z i n ga n s y so p t i m i z a t i o nm o d u l e e s t a b l i s h i n ga n a l y s i s m o d e lu s i n gf o r e i g nl o a d 嚣d e s i g nv a r i a b l e sb ya p d lp a r a m e l r i el a n g u a g e , m a k i n g c a l c u l a t i o ns t r a i ne q u a l i n gw i t hd e t e c t i o ns w a i no fc h e c k p o i n tb ys e t t i n gt h eo b j e c t i v e f u n c t i o na n di n v e r s i n gt h ef o r e i g nl o a do fs h a l e 1 i n i n gb yt h ei n v e r s ea n a l y s i so ff i n i t e e l e m e n to p t i m i z a t i o n , t h et h e s i sf o u n dt h em o r ec r e d i b l ef o r e i g nl o a dw h i c hi sh e l p f u l t ot h em e c h a n i ca n a l y s i s t h ea b o v ei sak i n do fm e t h o df o rd a t ap r o c e s s i n gi nt h e i n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o ns y s t e m 青岛理工大学硕士学位论文 3 o nt h eb a s i so ft h ei n v e r s i o no ff o r e i g nl o a db ym o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n , t h e c h a p t e r4e v a l u a t e st h em e c h a n i ca n a l y s i so fs h a i rl i n i n gt h r o u g he l a s t o p l a s t i c n u m e r i c a la n a l y s i sa n dr a p t u r ef o r e c a s tt ot h es h a f il i i l i n gu s i n ga n s y sp r o g r a m t h e c o n t e n t sa sf o l l o w s ：it a k i n gj i n i n gn o 3c o a lm i n ea u x i l i a r ys h a f tl i n i n ga s p r o t o t y p e t h ea u t h o rc a l c u l a t e st h ee v o l v e m e n tp r o c e s so ft h e 舳l i n i n gp l a s t i c z o n ea n dt h el o c a lm e c h a n i c a lf e a t u r e so fs h a f il i n i n g i it h ea u t h o rw o r k i n gt h e f o r e c a s ta n a l y s i so nt h er a p t u r eo f t h es h a f tl i n i n g 4 t h ec h a p t e r5e x p a t i a t e so nt h ea p p l i c a t i o no fi n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g yi nt h e 蝴l i n i n gt r e a t m e n tc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n ge x a m p l e s t h e c o n t e n t sa sf o l l o w s ：ic a r r y i n go nt h ei n f o r m a t i o n a lg u i d a n c et ot h eg r o u t i n g t r e a t m e n tp r o c e s sb yo b s e r v i n gt h es h a f il i n i n gs t r a i l l ；i if e t c h i n gt h ef o r c i n gs t a t eo f g r o u t i n ga n dp r o v i d i n gt h er e l i a b l eb a s i sf o rd e s i g n i n gr a t i o n a lg r o u t i n gp r o j e c ta n d c o n t r o l l i n gg r o m i n gp r e s s u r eb yf e e d i n gb a c kt h em o n i t o r i n g i n f o r m a t i o na n d i n v e r s i n gc o n s t r u c t i o nl o a d k e yw o r d s ：s h a rl i n m gt r e a t m e n t ；i n f o r m a t i o n ；m o n i t o rm e a s u r e ；i n v e r s e a n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i v 第1 章绪论 1 1 问题提出 多年来，深厚表土不稳定地层中的立井井壁与围土相互作用发生破裂的问题， 一直是煤炭行业的一大难题。关于井壁破裂的原因，不少专家、学者及工程技术 人员展开了大量的研究工作，先后提出了新构造运动说( 地震说) 、井壁施工质量 说、渗流变形说、井壁附加应力说、冻胀说等多种井壁破裂理论h 2 。经过近几 年的研究，不少学者倾向于井壁附加应力说，即井壁破裂的原因为：井壁周围深 部土层失水，土体中有效应力增加，土体固结，土体相对井壁产生相对位移，造 成土体对井壁外侧表面产生较大的负摩擦力，即竖向附加力。由于设计井壁时并 未考虑该竖向附加力，井壁在不断增加的竖向附加力的作用下，在基岩与表土交 界部位，井壁内附加应力逐渐增加，以致发生压溃破坏。 目前，根据对井壁变形破坏机理的分析结果，防治井壁破裂的技术途径主要 从对井壁、地层和水头等三方面进行考虑 2 2 2 。 l 、井壁处理措施：有两种措旋可供考虑，一是“让”，二是“抗”。所谓“让” 就是采取工程措施使井壁能承受一定的变形，以减少井壁由于受地层压缩、下沉 产生的附加压应力，具体做法是在内井壁开卸压槽；所谓“抗”就是提高井壁的 自身强度，使其同时能抵御自重应力、土层压力以及因地层固结压缩所引起的附 加压应力的共同作用，具体做法是加套壁，即在内井壁内套一层混凝土井壁。这 两种措施可以单独或者共同使用。 2 、地层加固措施：主要是通过注浆施工，提高地层的抗压缩变形能力，减少 因水位疏降而产生的地层压缩变形量，降低井壁所承受的竖向附加力，从而达到 保护井壁的目的，具体做法是地面注浆或破壁注浆。 3 、水头控制措施：在分析水位下降原因的基础上，在可能的条件下，通过注 水或帷幕注浆等工程方法，维持井筒周围一定范围内含水层的水头高度，减小其 水位下降( 砂层压缩量) ，从而减少地层固结，实现保护井筒的目的，这是治本的 方法。应指出的是，由于技术和经济方面的原因，这一措施的实现难度较大。 根据现有的研究成果，井壁破裂的原因已基本明确，对于后续矿井的建设可 胥岛理工大学硕士学位论文 以考虑改进井壁结构，例如建设双层滑动可缩井壁等，或改交施工方法等来尽最 大可能的减小井壁的竖向附加应力从而避免井壁破裂问题，关于此课题的研究本 文未涉及，在此不多赘述。目前，对于我国现有的地处深厚表土层地区的广大矿 井来说，井壁破裂问题始终是一大隐患，井壁的受力过程可用以下框图来表示： 图1 - 1 井壁受力的几个阶段 对于井壁治理工程来说，对井壁施工力学的研究是确保井壁安全的重点，而 信息化施工技术对井壁治理有着特殊的优越性，不管是对井壁的预防性治理还是 井壁的破坏后治理工程来说，信息化施工技术可以通过监测手段实施反映井壁的 受力状态，能够反映井壁安全状况，这将是解决井壁破裂问题的一条有效途径， 因此有必要对深厚表土层中的立井井壁展开信息化施工技术研究。 1 2 研究现状 1 2 1 关于井壁治理工程的研究现状 关于井壁的治理工程，从井壁状态来看，可分为如下三种类型1 2 o 3 如： 1 、井壁破裂后治理：大多数井壁治理工程属于该类型。该治理类型存在以下 主要缺点：安全隐患已经形成；需进行井壁破裂段加固、堵水，治理难度大；治 理工序多，费用高； 2 、井壁破裂前治理：防患于未然，如兴隆庄煤矿主、副井，杨村矿副井，济 宁三号煤矿主、副井，均进行了濒于破坏井筒的不停产防治取得了很好的效果； 2 青岛理工大学硕士学位论文 3 、建井时期防治：对于有可能发生井壁破裂的井筒，在建设期间，可采用在 井壁上安装可压缩层；在内、外井壁之间设置滑动层等措施防止井壁以后破坏； 从实际采用方法看，主要包括如下三种技术3 3 3 ”1 3 5 3 3 6 3 ： 1 、井圈加固技术：井圈加固技术是井壁破裂后的应急措施，为抑制已破坏井 壁的进一步破坏，同时也为防止大量涌水进入井筒。具体做法是：在井筒内壁架 设井圈并喷射混凝土。其作用可以：a 、控制井壁的径向变形，防止井壁混凝土掉 块，抑制井壁破裂进一步发展；b 、增加井壁强度，提高井筒的抗变形能力；c 、 防止涌水排除险情。 2 ，开卸压槽技术：1 9 9 1 年，在童亭矿风井、海孜矿主井进行了开切卸压槽 工业性试验并取得成功。首先，用破壁注浆堵水并作防水处理，然后按设计位置 用控制爆破法或人工剔除使卸压槽成型，槽中充填p v c 塑料软板或沥青浸渍的 松木砌块等可塑性材料，人为地造成井壁的薄弱点，用以创造井壁竖向可压缩变 形条件，使井壁可随地层沉降而在设定位置产生竖向压缩位移，从而减小竖直附 加力值，释放井壁内积蓄的能量，达到保证井壁安全的目的。 耋写霰笺羲爹毒 k ： 。 r ： - 。 2 3 _ 一5 ：- 誓0 张 ：j ：0 ；：! 一 z哆形夕彩哆 1 台水屡二基岩3 _ 卸压槽4 - 7 t 耋5 - 衰土屡 图! - 2 卸压法治理井壁示意图 卸压法治理( 一般需在卸压槽上下架 设槽钢套壁) 井壁破裂的力学机理主要包 括不同阶段的两个效应：一，套壁径向 约束效应。开槽和套壁使井壁内部的应力 应变发生重新分布，套壁段以内的内壁内 侧从原两向受压状态变为三向受压状态， 径向压应力从无到有，环向压应力峰值减 小；随竖直附加力的继续增大，内壁卸压 槽上下附近井壁出现二次破裂，在此阶 段，套壁保持不坏，有效地防止了混凝土 的剥落，因而二次破裂过程在实际工程 中很难发现。二，外壁局部压碎后的卸压效应。卸压槽位置的外层井壁随竖向附 加力增加会有一个压碎过程，使卸压槽充分压缩，每个卸压槽的竖向卸压率约 3 0 ，对于具有多个卸压槽的井壁，卸压过程分阶段进行，累积卸压率增加，卸 压后大大减小了竖直附加力的数值，有效地保护了井壁其它部位的安全。淮北、 3 兖州地区六个矿井所采用的卸压槽参数见表1 1 。 表1 - 1 卸压槽参数 井筒名称破坏段( m )开槽井深槽宽( )槽高( m m l施工时间充填材料 童亭风井2 2 3 2 2 82 4 22 5 0 5 0 0 1 9 9 2 1 lp v c 塑料板 海孜主井 2 1 5 - 2 1 92 5 0 3 0 0 ( 2 5 0 ) 5 0 0 ( 5 0 0 ) 1 9 9 2 6 浸沥青松木 临涣西风井 2 2 4 - 2 2 72 2 43 0 05 0 01 9 9 2 6空槽 临涣东风井 2 0 6 2 0 8 2 0 8 3 0 0 ( 2 0 0 ) 2 0 0 ( 3 0 0 ) 1 9 9 4 8 浸沥青松木 济三风井 1 6 8 1 7 21 6 94 5 05 0 02 0 0 4 8 浸沥青松木 济三副井 未破坏1 5 7 56 4 5 02 0 0 5 7浸沥青松木 注：海孜主井和临涣东风井设置双槽 3 、注浆加固地层技术 井壁破裂是在含水层疏排水过程中地层与井壁耦合作用的结果，地层性能的 改变势必改变井壁的受力状态，这是含水层注浆加固法治理与防止井壁破裂的理 论基础。注浆加固地层法分为破壁注浆加固法和地面注浆加固法两种。 卜加固区2 - 锆杆3 _ 连檠管 4 钢垣牛壁 1 ；o *：m；0 e i 口 ： je ： j ? - ： 二 ： ： ： j ： ； ； ： ：一 ： 23 ： ： j 盘添i 蕊漆滔；：! 一! ， l 嘲层2 注浆管3 _ 基者 4 - 井壁5 - 加眍6 _ 表土层 图1 3 破壁注浆及地面注浆治理井壁示意图 破壁注浆加固地层法 3 8 1 3 们：采用特殊钻注技术，穿透疏排水含水层位置对 应的井壁，向含水层注浆，用水泥浆充填和密实含水层，提高地层的压缩模量， 减少其固结压缩量和上覆地层的下沉量，从而减小井壁的竖直附加力；同时，注 浆过程中地层抬升，竖向附加力反向，使井壁竖向压应力减小，甚至变成受拉状 态。 4 青岛理工大学硕士学位论文 地面注浆加固地层法帅1 1m 3 4 3 1 3 4 s j t 在破裂井筒周围进行钻孔，将钻孔 打到疏排水层的预定位置进行注浆，充填孔隙、挤压加固井筒周围一定范围内的 松散地层。其作用原理为：水泥进入砂层孔隙充填胶结砂层，使砂层变为“砂岩”； 通过注浆浆液的高压挤压作用，降低砂层的孔隙率，可减小疏水引起的地层压缩 沉降量：井筒一定范围内的地层因注浆不压缩后，当其外部地层沉降时，注浆地 层将起一个楔形作用，使上部地层有远离井筒的水平移动趋势，从而减小井简竖 向附加力；注浆后可形成隔水帷幕，达到减少井筒涌水的目的。 上述两种注浆方案的主要优缺点见表1 2 。 表1 2 地面注浆和破壁注浆对比表 注浆方法 特点 地面注浆破壁注浆 1 注浆帷幕范围大，加固的长期效果好；t 治理费用低； 优点2 施工与井筒生产可以同时进行；2 工期短； 3 安全性能好3 可配合井壁卸压槽施工，封堵地下水 1 治理费用高； 2 在加压注浆施工过程中可能会促使井1 注浆帷幕小，地层加固长期效果较差； 缺点 壁破坏加剧； 2 影响生产。 3 成功先例较少。 1 2 2 信息化施工概述卯1 信息技术( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 是一门新兴而发展极快的科学技术，它 已深入到各个科学领域，在工程领域，“信息化”也渐渐占有了一席之地。二十世 纪九十年代，“信息化方法”获得了广泛地应用，其原理也大大地被扩展。“信息 化方法”作为一种设计、施工方法己经被许多规范认同( 如欧洲规范e u r o c , o d e ) ， 诸多学者也更加重视甚至大力倡导信息化方法。1 9 9 9 年t e r z a g h i 教授的亲密同事 r a l p hp e c k 博士和a l a np o w d c r h a m 博士在施工反思僻硎1 i n l 【i 】n gc o n s t n 埘i o n ) 一书中写到，“信息化方法具有天生的解决复杂问题的能力，虽然事实上己经取得 了很多成功的范例，人们在项目开始仍极少考虑信息化途径。”i s s m g e ( 国际土 力学及岩土工程学会) 副主席b r a n d l 博士也大力倡导信息化方法，称之为“解决 5 青岛理工大学硕士学位论文 目前理论与实际日益脱节”的有效办法。二十世纪六十年代起，奥地利学者和工 程师总结出了通过在施工过程中密切监测量控，不断调整施工方法的信息化施工 技术，即“新奥法”施工技术，它最先应用于隧道施工领域。新奥法的核心为现 场量测及其准确的信息解释和及时反馈。 信息化方虹工就是在施工过程中，通过设置各种测量元件和仪器，实施收集现 场实际数据并加以分析，根据分析结果对原设计和施工方案加以调整，并反馈到 下一施工过程，对下一阶段的旌工进行分析和预测，从而保证施工安全、经济的 运行。信息化施工技术是在现场测量技术、计算机技术以及管理技术的基础上发 展起来的。要进行信息化施工，应当具备以下条件：l 、有满足监测要求的测量仪 器和元件；2 、可实时监测；3 、有相应的数据处理技术和方法；4 、应用计算机进 行分析。 井壁信息化施工力学主要是基于在复杂地质条件下，施工受到自然因素不确 定性的影响，使得对井壁的安全性判断和分析处于一个复杂的系统工程中，在井 壁的运行期间，井壁的安全性与井壁的受力状态有关，井壁的受力一般为两次应 力状态，即井壁建成后初应力及冻结壁解冻后的二次受力，此时通过监测手段和 数值方法建立井壁的受力模型，通过对井壁的长期监测，根据井壁受力模型对井 壁的安全状态作初步判断。对于井壁的预防性治理工程，井壁内高应力未得到释 放，井壁治理过程中的安全性判断至关重要。 1 2 3 井壁治理工程信息化施工技术的特点 信息化施工是一个动态的过程，完整的信息化施工系统包括综合的技术体系 ( 综合利用计算机技术、监控量测技术及反馈设计体系) 、灵活全方位的信息管理 体系( 包括设计控制信息、施工过程控制信息、质量控制信息、进度投资控制信息 和h s e 控制信息等) 等几个方面。本文拟从信息化施工的技术方面进行研究。就 技术方面而言，井壁信息化施工的信息来源包括地质勘查、超前地质预报、工程 测量与量测、地下水观测、施工统计数据分析、设计施工文件、类似工程施工经 验等。本文主要以旌工量测信息为基础进行研究。图1 4 是并壁治理工程的信息 化施工流程图，以施工中获取的信息( 主要是量测信息) 、力学计算以及经验方法 相结合为特点，建立了井壁治理工程的脉络。这种方法不排斥以往的各种计算、 6 青岛理工大学硕士学位论文 模型实验及经验类比等设计法，而是把它们最大限度地包容在自己的决策支持系 统中去，发挥各种方法特有的长处。井壁治理工程的信息化施工技术研究的意义 在于建立完整的信息化施工体系，这个体系主要包含两个方面的内容：一是建立 完整的、有效的监测量控体系，所谓完整首先是指在建井时同步布设井壁监测系 统，这样得到的监测信息值为井壁的绝对度量；其次是指布设的监测系统具有备 用设备，在意外情况出现时，能起到补救作用，确保监测信息的全面及时；所谓 有效是指监测系统的监测值稳定不出现意外突变，在适当的情况下监测值能得到 校核；二是对监测信息的处理技术，即通过有效的方法从监测信息中得到尽可能 多的全面的反馈分析。 臣r 口 图1 4 井壁破裂治理问题信息化施工技术运用流程图 7 可以 青岛理工大学硕士学位论文 1 3 尚待研究的问题 立井井壁破裂及治理工程，从工程地质力学角度来看是一个动态过程，井壁 所处的地质环境为一非线性动力学系统，井壁破裂既有井壁所处的地质环境的影 响，又有地质环境与采矿活动的相互作用及土与井壁的相互作用的影响。只有对 井壁破裂进行全方位的分析，由局部到整体，才能全面地认识阿题。在此基础上， 采取相应的治理方法与措施，才能取得良好的效果。总的看来，虽然近年来有关 井壁破裂问题的研究已取得了较大的进展，但尚存在一些空白或需进一步研究的 领域。 工程特点决定工程技术，关于信息化施工技术，多用于地下隧道工程中，近 年来深基坑支护工程的信息化施工技术也发展较快。不管是隧道工程还是深基坑 支护工程，其设计、施工参数的不确定性决定了信息化施工技术能较好的解决问 题。对于深厚表土不稳定地层中的立井井壁，同样具有设计、施工参数的模糊性 特点，因此信息化施工技术未尝不是解决井壁破裂问题的有效途径，而井壁方面 的信息化施工技术未见有关资料报道。因此，对于井壁工程的信息化施工技术需 要做全面系统的研究。 l 、关于信息化施工的监测量控体系 目前，关于井壁的监测工作，虽然己进行了较多的实践，但井壁处在一个有 岩土环境、水环境、地应力场环境和温度场环境共同组成的复杂的自然环境中， 加上人类的工程活动，共同构成了一个复杂的非线性动力学系统。因此，对这一 系统的深入研究，必须借助于一个全面的监测量控体系，目前关于井壁的监测量 控体系还没有科学的归纳和总结。 2 、关于井壁采集信息的数据处理技术 目前，关于井壁监测后采集信息的处理，大多进行的是定性的分析，而对信 息化施工的关键一环则是用监测资料的反馈信息来指导施工，关于对井壁监测信 息的数据处理技术研究较少。 3 、关于井壁的稳定性评价 井壁作为一种特殊的地下结构物，与周围的岩土环境构成一个相互耦合的承 载体系，承载体系中的任何一个因素都影响着井壁的安全可靠工作，分析井壁可 8 青岛理工大学硕士学位论文 靠性的关键是在于各种因素中寻找最主要的因素。但由于其荷载条件复杂，特别 是现在还未发生破裂的井壁，其稳定性现状如何? 即对有可能发生破裂的井筒的 超前预测研究，目前开展得较少。 1 4 研究的目的和意义 通过对信息化施工技术理论的深入研究，探讨解决井壁破裂及治理问题的实 施方法，即通过井壁信息化施工技术实现对井壁状态的跟踪监测、信息反馈、预 防性治理等手段确保井壁正常工作，这是解决井壁破裂问题的一条可行思路，对 解决深厚表土层地区井壁破裂问题具有重要的现实意义。 1 5 本文研究的主要内容 本文对深厚表土层中井壁治理工程的信息化施工过程( 见图1 - 4 ) 进行了力学 分析及研究。 l 、首先在总结相关资料的基础上，探讨了建立井壁的监控量测体系。信息化 施工技术的重要组成部分之一为监控量测体系，因此必须科学合理的布置井壁的 监测量控系统。 2 、根据现场监测信息运用有限元优化反分析方法反演井壁的竖向附加力的大 小。虽然近十几年来，国内学者通过理论分析、计算机数值模拟、物理模拟、现 场观测等手段，综合研究了深厚表土层竖直疏水附加力的分布规律，得到了大量 研究结论，但对该荷载的确定，由于影响因素极其复杂，至今仍未在井壁设计规 范中得到体现，本文通过有限元优化反分析计算，得到了基于监测信息的井壁竖 向附加力变化规律。 3 、利用大型结构分析软件a n s y s ，对深厚表土中双层钢筋混凝土井壁进行 了弹塑性数值模拟计算，进一步分析了井壁破裂的原因，对井壁的破坏进行了预 测分析。 9 第2 章信息化施工的监控量测体系 2 1 概述 岩土体的性质十分复杂，岩土力学研究，在很大程度上具有半经验半理论的 性质，目前，在时间和空间上对岩土工程的安全度作出准确的判断还有很大的困 难，尤其对于井壁这种庞大的地下深埋结构物，对其进行准确的受力分析很难实 现；对于井壁安全问题的解决，更多的是依靠测试手段，因此监测工作既是完善 井壁设计方法的关键性环节，又是进行施工、运行技术决策的重要依据。 2 2 监测级别和监测项目的确定 按照我国现行规范，关于井壁这种特殊地下结构的监测方面的要求和内容较 少，关于监测的级别和项目亦无明确的规定，因此有必要对监测的级别和监测的 项目进行说明。 2 2 1 监测级别 事实上对于任何一个井壁结构的安全性都是最高级别。但关于井壁结构的监 测级别我们仍然应确定为重要和特别重要两个级别。所谓重要级别是指正常工作 过程中的井壁监测和破裂后井壁治理过程中的监测，对于正常工作中井壁，其受 力处于相对稳定状态，只要作好日常监测工作并及时进行信息反馈，并根据具体 情况进行处理，一般能确保井壁的安全工作；对于破裂后治理过程中的井壁，由 于井壁的高内应力得到缓释，井壁处于相对安全状态，井壁监测亦定位重要级别。 所谓特别重要级别则是指预防性治理过程中的井壁监测，因为对于预防性治理过 程中的井壁，井壁本身处于高应力状态，需要靠治理后改善围土环境来改善井壁 的受力状态，而治理过程中井壁高应力未得到缓释，施工荷载是在原有荷载基础 上的附加荷载，因此控制施工载荷至关重要，故监测级别为特别重要。 1 0 表2 - 1 井壁监测安全等级 安全等级井壁类型 一级( 特别重要) 预防性治理过程中的井壁监测 二级( 重要) 常规井壁监测、破坏后治理中的井壁监测 2 2 2 监测项目 关于井壁的监测项目，具体井壁还要具体分析和制定，现整理如下仅作为探 讨和参考。 表2 2 井壁的监测内容 监测项目纵向环向罐道卸压纵向环向地表地下 变形变形缝间槽压应变 应变变形 水位 井壁类型 距 缩量 正常工作中的井壁 破裂后治理过井壁 ， ， 壁后注浆施工中井壁 ， 地面注浆施工中井壁 卸压法治理后井壁 ， ， 注浆法治理后井壁 ， 注：“”为必测项目“”为宜测项目“一”为不必监测项目 井壁监测的项目大致可分为如下三类： l 、井壁变形监测：井壁的变形监测主要指井壁本身的整体变形，主要有：井 壁整体竖向变形监测、井壁整体径向变形监测。 ( 1 ) 整体竖向变形监测1 5 3 3 采用超锢棒作为基线，超锢棒的长度受温度、湿度等影响极小，具有小于1 0 卅 的膨胀系数，强度大、测量精度高，是最理想的长度基准材料。选择好要监测 的区域后，在监测区域的上下两边选择两基点，超锢棒的一端固定于上基点，另 一端与位移传感器的活动杆相连，位移传感器固定于下基点。当井壁发生竖向变 形时，两基点之间距离便发生变化，引起位移传感器与其活动杆的相对移动，位 移传感器将移动量转化成电频率信号，测量电频率信号的频率值即可得到移动量。 由于基线长度恒定不变，传感器测量的移动量就是上下两基点之间的位移量。 ( 2 ) 整体径向变形监测跏 胥岛理工大学硕士学位论文 在井筒内4 个方位各设置1 条垂直基准钢丝线，由重锤拉直。钢丝的两端应 设在井壁变形比较小的位置，一般下端设在基岩段，上端尽量往上设。在监测水 平的井壁上安装位移传感器，位移传感器的活动杆连接到钢丝上。当井壁发生径 向变形时，位移传感器与其活动杆的相对移动，由于钢丝基线位置基本不变，故 传感器测量的移动量就是井壁的径向变形量。比较不同监测水平的径向变形量， 还可知道井筒是否发生弯曲。 图2 1 井壁监测示意图p w 2 、井壁局部应变监测 井壁局部应变监测是井壁监测的主控项目，主要监测井壁的内部混凝土应变 变化。监测方法为：首先选取测点位置，一般考虑监测的均衡性及施工的可行性。 在井壁环向均匀布置四个测点，纵向上考虑在不稳定地层段，可布置四至六层测 试水平。第二，在井壁内壁凿槽，埋设传感器前，用清水将槽冲洗干净，选用与 井壁同标号的细石混凝土作为传感器附着介质。第三，将传感器通过通信电缆与 井口的测量单元相连，计算机控制测量单元发出测量命令对井壁实施监测，监测 的数据通过测量单元传输给计算机。 井壁的整体变形是井壁局部应变增大后的反映，井壁的应变监测可以与井壁 整体变形监测对比，但测量精度较高，实时性较强。由于井壁的破坏大多从井壁 的内侧开始，井壁局部应变监测能直接反映井壁内部受力的变化，测量结果几乎 不受人为因素的影响，是比较有效的监测手段。 3 、井壁周围环境监测：井壁周围环境监测主要指井壁附近地表的沉降观测、 青岛理工大学硕士学位论文 井塔的变形监测、井筒附属结构物的变形监测、井壁涌水量的观测以及地下水位 变化量监测等。 另外，对于新建井壁，由于同步布设监测系统可以得到监测量绝对值，此监 测信息可以用来建立井壁监测信息库，用在其他相似工程中，因此，应对井壁进 行全方位的监测，布设全面的监测系统；对于现有井壁，可根据具体需要，在常 规井壁周围环境量测的正常进行下，有针对性的布设监测点。 2 3 测试方法及原理 目前采用的监测方法大致分为两种：几何测量法和传感器测量法。 2 3 1 几何测量法 几何测量法是基于变形测量理论的几何测量方法，可以直接测量井筒的整体 变形状况，如钢丝绳基准线法、精密钢卷尺伸长法、倒垂线法等，可直接测量变 形，比较直观，工艺比较简单、造价低廉，但采用上述方法测量时，都需要很多 人在现场严密配合完成，且观测时间占用井筒，观测结果不精确，仅限于表面数 据，不能掌握井简局部受力状况。几何测量法可用于井筒设备日常维护过程中的 监测，其监测数据可与传感器测量的结果进行对比分析。 2 3 2 传感器测量法 传感器测量法是基于岩石力学的力学参数监测方法，即传感器法测井筒局部 变形量，将各测点的数据结合，推广至整个井简，如混凝土应变计测井壁内应变、 井壁温度分布测量、沉降仪测表土层沉降量、水位仪测含水层水位等，传感器法 分析这种方法实现了变形监测自动化、高效、劳动强度低，不占用井筒时间。下 面简要介绍常用传感器的测试方法及原理r 5 6 。 l 、差动电阻式传感器 差动电阻式传感器是美国人卡尔逊研制成功的。因此，它习惯上被称为卡尔 逊式仪器。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件将仪器受到的 物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式( e l a s t i cw a e ) 仪器。 它由三部分组成( 图3 1 ) ：电气转换部分、外壳及引出电缆密封室。电气转换部 分主要由两组差动电阻钢丝6 、高频瓷子5 和两根方铁杆4 组成。它的一端固定 青岛理工大学预士学位论文 在接座1 上，另一端固定于接线座7 上。弹性波纹管2 分别与接线座7 锡焊在一 起。止水密封部分由接座套筒9 、橡皮圈1 0 及压紧圈1 1 等组成，内部充填环氧 树脂防水胶，电缆由其中引出。在中性油室3 中，装有中性的变压器油，以防止 电阻丝生锈，同时在钢丝通电发热时也起到吸热作用，使测值稳定。当传感器受 力发生变形时，一根钢丝被拉长，而另一根钢丝则缩短，从而引起其电阻的差动 变化。温度变化及被测体的变形均对测试数据有影响，在这种情况下应变s 或位 移玎计算公式为： = f ( z z o ) + b a ( r r o ) 陀1 1 式中：争混凝土应变，胛； 户应变计最小读数，p z o 0 1 ，传感器出厂时给出； 6 应变计温度修正系数，州，传感器出厂时给出； 口应变计温度系数，q 传感器出厂时给出； 争测试电阻比；甜测试电阻比初始值： ，- 测试电阻值，q ；，旷传感器的冰点电阻值，q ；传感器出厂时给出。 1 接座2 弹性波纹管3 中性油室4 - 方铁杆5 一高频瓷子6 - 差动电阻钢丝。7 接线座s - 止水 密封室9 - 接座套1 0 一橡皮圈1i - 压紧圈1 2 引出电缆线 图2 - 2 差动电阻式传感器原理与结构图 2 、电感式传感器 电感式传感器是一种变磁阻式传感器，利用线圈的电感的变化来实现非电量 电测。它可以把输入的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重 等参数转化成电量输出。可以实现信息的远距离传输、记录、显示和控制。电感 式传感器结构简单，没有活动电接触点、工作可靠、灵敏度高、分辨率大、能测 出o 1 微米( 凹1 ) 的机械位移和0 1 角秒的微小角度变化。重复性好，高精度的可以 1 4 胥岛理工大学硕士学位论文 做到非线性度误差控制在o 1 以内。 3 、电阻应变片式传感器 电阻应变片式传感器是一种将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感 元件。它是基于金属的电阻应变效应的原理制成的，即金属导体的电阻随着所受 机械变形( 拉伸或压缩) 的大小而变化。因为导体的电阻与材料的电阻系数、长 度和截面积有关，导体在承受机械变形过程中，这三者都要变化。因此，引起导 体电阻产生变化。电阻应变片由美国在二次世界大战期间研制并首先应用于航空 工业。由于这种传感器尺寸小、重量轻、分辨率高、能测出l 2 个微应变“1x l o - 6 m m l ，误差在l 以内，所以适于远距离测量和巡检自动化。 4 、