《特殊施工技术》PPT课件.ppt

特殊施工技术山东科技大学土木建筑学院付厚利2009 11 25 绪论一 自我简介1966 4生 山东博兴县 1983 1987年山东矿业学院矿井建设专业 1987年免试推荐山东矿业学院矿山建设专业硕士研究生 1990年工作 1997 2000年中国矿业大学岩土工程专业博士研究生 副院长 教授 博士生导师 二 关于城市地下空间工程专业1 专业 专业知识面 素质与能力 2 土木工程学科 结构工程 岩土工程 桥梁与隧道工程 防灾减灾工程与防护工程 市政工程 供热供燃气及通风空调工程 3 岩土与结构的关系建筑物 构筑物结构与基础 岩土体 岩土 介质与结构材料的双重性 4 城市地下空间工程专业主要培养目标具备能够改造和利用岩土 创造良好施工环境 实现可靠的建筑结构 提供舒适的城市地下生产生活环境的综合能力 三 本课程的主要内容 主要特殊施工技术 深部岩土工程 冻结法 注浆法 钻井法 沉井法 帷幕法 盾构法 沉管法 顶管法等 浅部岩土工程 旋喷桩 板桩 其它地基处理技术 主要学习内容 1 特殊岩 土体的物理力学性质 工程危害特点 特殊施工技术的必要性 2 特殊岩 土体的赋存条件 工程建设条件 特殊施工技术的选择 3 改造后特殊岩 土体的物理力学及工程性质 工程造价的影响因素 4 岩土工程设计理论 支护结构设计理论 岩土与结构耦合理论 设备原理及运行管理 施工技术 5 本领域相关的前沿研究课题与发展趋势 四 学习要求选修课 到课率 笔记 闭卷考试 第一章冻结法第一节概述冻结法是利用人工制冷技术 将待施工的地下工程周围一定范围内的含水岩土层冻结 使之形成封闭的冻结壁 隔绝地下水联系 改变岩土性质 增加其强度和稳定性 保证地下工程安全施工的一种特殊施工方法 矿山工程 深厚表土中的井筒建设 交通工程 桥墩 锚碇 隧道 地铁联络巷等 建筑工程 深基坑等 水利工程等 本课程以深厚表土立井冻结法施工为例进行讲授 一 冻结法的发展与应用1883年德国工程师波茨舒首先在煤矿建设中成功应用 并获专利 德国 波兰 前苏联应用较早 我国于1955年首次在开滦林西风井建设中应用 至今 已经建设500多个井筒 最大成井直径8米 最大冻结表土层587 5米 冻结深度702米 郭屯副井 正向表土层700米发展 巨野万福煤矿 二 冻结法凿井原理1 原理介绍 视频材料 2 冻结法凿井技术问题可归纳为 两壁一钻一机 两壁 是指冻结壁 井壁 一钻 是指高垂直度冻结孔钻进技术 一机 是指大容量低温制冷机组 第一章冻结法第三节冻结法施工设计一 编制冻结施工组织设计所需要的资料1 地质与水文地质资料 如冲积层埋深 主要含水层厚度 位置 岩性 静水压力 含水量 渗透性 地下水温度 流向 水质 补给条件等 2 井筒特征 位置 用途 结构 地面工广情况等 二 冻结施工组织设计内容1 冻结方案的选择2 冻结深度确定3 冻结壁计算4 冻结孔布置5 冷冻站制冷能力设计6 三大循环 氨 盐水 冷却水 系统设计7 冻结时间计算 第四节冻结方案选择1 一次冻全深方案2 分期冻结方案3 差异冻结方案4 局部冻结方案 第五节冻土特性及冻结壁设计一 冻土特性 1 冻土的形成 2 冻土的热物理指标比热 导热系数 导温系数 热含量 3 冻胀现象 冻胀压力 4 冻土强度二 冻结壁设计1 冻结壁结构与荷载 1 结构 厚壁筒 2 荷载 永久地压表土层永久水平地压是指表土地层作用于冻结壁 井壁上的侧压力 是地层中水和土综合作用的结果 立井深厚表土层地压的合理确定 一直是井壁设计中被忽略但又确实存在争议的重要课题之一 我国华东地区 如两淮 兖州 丰沛等矿区 均被松软含水的表土层所覆盖 其厚度一般为200 300m 即将开发的山东巨野煤田 表土层厚达600 700m 对地压的计算 我国过去常采用国外引进的公式 其计算方法偏于保守 在浅井中尚可适用 但对日益增加的深井就不再适用了 如果仍不能采取有效方式合理确定深厚表土层地压 将势必造成井壁材料浪费 现有的立井表土地压理论大致可分为两类 松散介质理论和连续介质理论 前者视土体为松散介质 运用松散极限平衡理论研究 后者视土体为连续 均质和各向同性的弹性或弹塑性的连续介质 运用连续介质力学进行研究 对于松软的表土层 计算地压时大都采用前者 就其研究方法又可分为两类 线性增加型和极限型 1 线性增加型地压理论 常见的有普氏地压理论 秦氏地压理论 索氏悬浮地压理论 重液地压理论等 最常用的是重液公式 式中p 地压 MPa H 计算深度 m K 系数 我国取K 0 01 0 013 德国取K 0 013 0 018 美国取K 0 014 前苏联取K 0 012 0 016 荷兰 波兰取K 0 013 日本取K 0 011 0 012 法国取K 0 02 从理论分析角度来看 上述理论各有其合理性 如普氏地压理论对于浅部低含水松散土层是适用的 秦氏地压理论则通过适当加大侧压力系数来间接考虑水压的影响 而且也考虑了土层的分层计算 索氏地压理论在分层计算的基础上 直接将水压考虑在内 但上述理论也存在与实际情况不相符的地方 主要有如下几方面 没有考虑井筒半径对地压产生机理的影响 没有考虑含水砂层与粘土层在传递竖向压力方面的区别 没有考虑水压沿深度的折减 我国于70年代中期对红阳一矿副井 兴隆庄主井 鲍店北风井等8个冻结井筒进行了永久地压观测 得出如下主要结论 23 随着深度H的增加 表土层的水平压力的实测值并不呈线性增加 相反地压在一定深度后会减少 按重液公式计算地压中的 值小于0 013 实测最大值为0 012 平均为0 0096 砂层中的实测水压值小于理论水压值 平均水压折减系数为0 85 土压力只占全部地压的一部分 砂层为12 8 粘性土为15 5 最大值为31 3 地压与井筒掘进半径有关 2 极值型地压理论 圆筒形挡土墙地压理论 27 29 别列赞采夫于1952年提出了圆筒形地坑护壁上的主动土压力空间问题的解 建立了圆筒形挡土墙地压公式 在无地面荷载和忽略土的粘结力时有如下公式 夹心墙地压理论1951年 前苏联学者H A 崔托维奇提出竖井平行夹心墙地压理论 该理论的地压产生机理是 首先假设井筒周围有一个被扰动了的破碎圈 这个破碎圈在自重应力作用下向下滑动 其一侧与井壁 另一侧与未扰动土产生摩擦 这就发生了松散体的成拱效应 使上部土体作用于下面 计算土层面上 的竖向均布荷载没有秦氏地压理论所采用的初始应力场那样大 国内学者马英明 32 1979 提出井筒周围形成滑动筒体 引用土力学中关于两刚性墙体间松散体压力原理 导出了立井夹心墙地压公式 上述地压理论在考虑井筒半径对土体滑动区的影响方面具有合理性 因此地压计算值在深部与实测值较为接近 但仍存在如下几方面不足 未考虑水压随深度的增加 造成用上述公式计算深部地压时 特别是深部含水砂层 会出现小于实测值的情况 这是设计中所不允许的 对复合土层的竖向压力传递机理未作充分的考虑 仍仅适用于单一土层 3 关于立井深厚表土层地压研究的设想 121 地压作为立井设计与施工中的最为基础性的荷载 其确定方法的准确性是至关重要的 目前 尽管有关这方面的研究成果很多 但我国真正在设计规范和标准中加以采用的却仍以重液公式为主 因此仍将需要一种较为成熟的地压理论 并列入设计规范以合理指导井筒设计与施工 笔者认为 在采用冻结法凿井通过深厚表土层时 井筒周围土体产生的塑性滑动区是圆筒体还是圆锥体 是产生全表土层整体滑动区还是分层产生滑动区 目前尚没有足够的证据 因为当采用冻结法施工时 是在已形成人工冻结壁条件下施工井筒的 而且井帮的暴露空间和时间是有限的 冻结壁外的土体变形破坏机制与施工工艺密切相关 在冻结壁解冻过程中 因冻土从两侧逐层融沉时 确实能产生类似于夹心墙理论中的筒状扰动圈 而且扰动圈的内外两侧确有竖向摩擦力产生 理论上讲 该阶段的地压产生机理与夹心墙理论较为接近 而且当冻结壁完全融化固结后 尤其是粘性土层 其导水性 透水性大大提高 土层之间的地压传递机理又不同于一般未经冻融扰动的原始土层 因此 仅冻结法凿井情况而言 地压也是一个动态转换过程 其显现规律具有阶段性 综上所述 要解决好深厚表土层中永久地压的合理确定问题 必须从以下几方面入手 分别研究深厚表土层中砂层与粘土层的地压传递机理 充分考虑工程实际 如复合土层 井筒半径 井筒施工工艺等 充分考虑土层在不同条件 不同时期与井壁的耦合机理 2 冻结壁厚度设计理论 1 冻结壁温度场立井冻结过程中冻结锋面的变化情况 54页图分主面 轴面 界面 冻结温度场的求解问题是一个有相变 移动边界 内热源 边界条件复杂的不稳定温度场 56 57页图 公式 冻结壁向内扩展系数为0 55 0 60冻结壁内侧扩展速度经验值 砾石层35 45mm d 砂层20 25mm d 粘土层10 16mm d 2 冻结壁厚度设计常用冻结壁厚度设计理论 1 无限长弹性厚壁筒公式1852年法国工程师拉麦推导得出 E 冻结壁厚度 Ra 井筒掘进半径 冻土容许应力 Pd 冻结壁径向荷载 地压力 1 系数 第三强度理论取2 拉麦公式 第四强度理论取 2 无限长弹塑性厚壁筒公式允许冻结壁内圈处处于塑性状态 外圈处于弹性状态不丧失稳定性 系数 当采用第三强度理论时 为多姆科公式 1915年德国教授 分别取0 29 2 3 当采用第四强度理论时分别取0 56 1 33 与冻结壁暴露时间相适应的冻土长时抗拉强度 也可取瞬时抗拉强度的2 2 5分之一 3 有限长 有限段高 的塑性 或粘塑性 厚壁筒公式按强度条件计算 A 1960年前苏联学者里别尔曼提出 假设段高上下端固定 冻土为理想塑性体 根据第三强度理论 抗剪强度为抗拉强度的一半 计算时考虑到强度松弛 取随时间变化的冻土强度 B 维亚洛夫 扎列茨基公式 前苏联学者 1962年提出 按变形条件计算 维亚洛夫 扎列茨基提出 现在 计算机数值模拟 冻结壁厚度达12 14米 控制井帮温度不低于 10 冻结壁温度场监测 反分析原理的应用 中国矿业大学 国家科技进步二等奖 3 冻结壁施工及相关理论技术问题第90 116页 1 强化冻结 提高冻结壁自身强度 2 适时进行合理支护 3 提高冻结管抗变形能力 材料 接头 4 冻土掘进技术 5 冻结壁形成 受力观测技术 6 冻结壁冻胀 融沉灾害防治技术 第六节井壁结构设计与施工技术 一 冻结法施工立井井壁结构对冻结法凿井井壁的要求 有足够的强度 稳定性及不渗漏 林水量小于5m3 h 一 我国井壁结构的发展第一阶段 1955年首次采用冻结法到70年代末 设计原则 沿用岩石阶段井壁结构形式与要求 单层素混凝土 或钢筋混过凝土井壁 问题 漏水严重 开滦范各庄煤矿主井套200mm井壁 有效果 1964年邢台主井首次设计双层钢筋混凝土井壁机构 甚至采取加强内外壁结合措施 但效果不佳 第二阶段 70年代末到1987年 设计原则 复合井壁结构设计 外层井壁增加强度 内层井壁增加整体抗渗性 温度应力的研究与解决 基本解决了漏水问题 施工方法 井帮铺设泡沫塑料板 外层井壁自上而下短段掘砌 铺设塑料板 内壁自下而上整体连续滑模施工 内外层井壁之间注水泥浆 在此期间 国内研究机构对大量井筒开展了井壁受力观测 进一步完善了设计方法 也探讨了多种井壁结构 如外层砌块井壁 中间沥青油毡纸 钢板 沥青层等代替塑料板 几种结构形式见下图 第三阶段 1987年7月到90年代末 出现的新问题 华东地区的淮北 大屯 徐州兖州等矿区几十个处于生产阶段的井筒产生严重井壁破裂灾害 造成大量生产损失 停产 加固 研究 地震 其它 中国矿业大学崔广心教授为首的课题组 开展研究 研究结论 由于采矿产生的底部含水层疏水沉降 数值附加力 导致井壁在表土与基岩段结合处压坏井壁 之前没有考虑井壁的竖向力 研究得到了该荷载的产生机理与分布规律 对策 加设释放竖直附加力的结构 并采取 抗 让 减 技术措施 抗 加强井壁承载力 提高强度指标 出现C65 甚至C80 C100高强混凝土 双层井壁总厚度达2米以上 让 井帮泡沫板 内外 尤其外层井壁设让压装置 即可缩井壁结构 可缩结构专利 减 对于深部含水层进行注水泥浆 减少地层沉降 已破坏井筒加固技术 地面注浆 破壁注浆 开卸压槽 安设卸压木 国外为何不存在这种情况 原因 中国 发展中国家 以廉价的钢筋混过凝土为主 国外 已钢材井壁为主 见下图 国内 可缩装置 加强永久监测 破裂再治理 大量的研究性设计 工程监测 工程加固等项目 几种国外井壁结构 见下图 井壁可缩装置的研究 二 井壁结构设计理论与方法 略 荷载 地压 冻结压力 温度应力 疏水竖直附加力 冻结壁融沉附加力 地震荷载等 目前规范仍未纳入 新型结构与高强材料 钢纤维 钢骨混凝土 钢质井壁 是未来的发展方向 二 施工技术 略 大型机械化配套施工 三 几个课题研究简介 1 井筒施工过程 1 冻结法 2 岩石段施工见课件 2 几个研究课题简介 1 井壁破裂灾害防治技术 中国矿业大学国家奖申报材料 2 冻结壁融沉及其与井壁耦合机理研究 山东省教育厅项目鉴定材料 第二章钻井法 第一节概述钻井法是井筒特殊施工的主要方法之一 是机械化程度最高的凿井方法 可以完全实现凿井 人不下井 钻井法是用钻头刀具破碎岩石 土 用洗井液洗井排碴和护壁 直到将井筒钻到设计直径与深度后 进行支护的机械化凿井方法 钻井法的种类 1 地面驱动的转盘钻机钻井法 全断面一次钻进 分次扩孔钻进 取芯钻进 反井钻进 2 传动设施在地下的钻井法 潜入式钻进 涡轮钻进 掘进机组钻进 应用历史与现状 德国工程师金德及邵德伦提出的冲击式钻井工艺于1854年至1895年在比利时和鲁尔共钻井50多个井筒 净直径为1 8 4 6m 最深达370m 但速度非常慢 平均成井速度为2 4m每月 1894年 霍尼格曼提出旋转式钻井法 西欧用霍式钻机施工井筒100多个 最大直径7 53m 深度422m 英国于1910年引进钻井技术 仅在内华达地下核武器试验场 自1960年到1983年 钻凿了600多个井筒 在阿留申群岛钻凿最大井深 达1829m 美国休斯公司 德国 苏联 瑞士 日本 法国 澳大利亚 加拿大 南非等国家相继研制了大功率钻机 并应用 我国于1969年采用自行研制的ZZS 1型石油钻机 在淮北朔里矿南风井 成井90m 其中 表土钻进64 38m 基岩钻进28 12m 钻进直径4 3