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1、特殊施工技术山东科技大学土木建筑学院付厚利,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
2、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
3、、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
4、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
5、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
6、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200300m，即将开发的山东巨野煤田，表土层厚达600700m。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
7、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=0.010.013，德国取K=0.0130.018，美国取K=0.014，前苏联取K=0.0120.016，荷兰、波兰取K=0.013，日本取K=0.0110.012，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。
8、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
9、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（197
10、9）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
11、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
12、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
13、温度场。56、57页图、公式。冻结壁向内扩展系数为 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
14、.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
15、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
16、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
17、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
18、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、
19、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18
20、54年至1895年在比利时和鲁尔共钻井50多个井筒，净直径为，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
21、.12m。钻进直径4.3m，成井直径3.5m。月成井速度17.2m。,之后相继，引进研制了大量高性能钻机。到目前为止，已经施工井筒120多个，大多以风井为主。80年代施工的 潘三西风井成井深度508.2m，表土层钻进440.82m，基岩钻进63.7m，钻进直径9.0m，成井直径7.0m。月成井速度15.7m.期间平均成井速度在30m左右。2006年以后施工的淮南国投公司的板集矿风井，钻井深度660m.,其中基岩钻进40m。成井直径7m。最大钻进直径，淮南张集矿风井，钻进直径10.8m，成井直径8m。巨野矿区龙固煤矿（设计能力600万吨每年）副井冻结，2个主井、1个风井钻井。钻井深度570m，其
22、中基岩钻进23m。目前，我国钻机最大钻进直径能力可达13-14m。但因直径过大，钻头边缘无法形成充足的冲刷速度，排岩困难。,第二节 钻井设备,刀具形式：刮刀、楔齿滚刀、球齿滚刀、盘形刀具。,六方钻杆：,第三节 井筒钻进,一、准备工作 钻井设备组装、井架、基础、洗井系统、锁口施工、工广布置等。,二、钻进,正常钻进中的测斜、防偏、纠偏：,三、钻进中常出现的事故,第四节 洗井和净化,一、洗井方式,二、洗井液,三、洗井液的性能指标,四、泥浆处理,第五节 下沉井壁与固井,一、井壁接头形式,井壁底座（锅底）：,其它形式的井壁结构：,下沉井壁：漂浮下沉,固井：,第六节 其它钻井方法,第七节 我国钻井技术的发展,第四章 注浆法,第一节 概述,第二节 注浆材料,第三节 注浆参数,第四节 注浆设备,第五节 地面预注浆,第六节 工作面预注浆,第七节 高压旋喷注浆,第八节 地基处理理论与技术,见注册结构工程师再教育课件,
