目前，随着我国经济的高速发展，对地下矿产资源的需求日益扩大。由于浅部矿产资源日趋枯竭，新建矿井井筒往往需要穿越深厚冲积层，承受巨大地压，水文地质条件极其复杂，因此多采用冻结法凿井。

冻结法凿井是在井筒开挖前，用人工制冷的方法，暂时将井筒周围的含水岩土层冻结成封闭的冻结壁，以抵抗水土压力，隔绝地下水和井筒的联系，然后在井壁的保护下，进行井筒掘砌施工的一种特殊施工方法[1]。该工法具有凿井深度大，适应能力能，既可用于不稳定的含水层，又可用于基岩含水层，对环境影响小等优点，在实际工程中，得到广泛应用[2]。随着冻结深度的增加，井壁受到的外荷载增大。冻结壁在冻融期间和完全解冻后，井壁混凝土内缘易出现1条近似水平的环向破坏带，混凝土环向剥落呈压碎性。为弄清冻结井壁破裂机理，国内专家学者开展了大量的研究工作。姚世友等[3]认为，井筒施工方法和施工质量缺陷是导致井壁破损的主要原因。宁方波[4]认为，不均匀动水压渗流淘蚀周边岩层，泥化形成水力通道，导致井壁破损。经来旺等[5-7]认为，在地下开采过程中，伴随煤系含水的疏排，地下水位下降，土体固结压缩以及温度应力变化，给井壁外侧施加1个方向向下的竖向附加力，导致井壁破裂。这一理论与实际情况比较符合，是目前被较多专家学者接受的主流观点。

冻结井壁常用结构类型主要有：素混凝土井壁、钢筋混凝土井壁、内层钢板钢筋混凝土复合井壁和双层钢板混凝土复合井壁4种[8]。随着井筒开凿深度的不断增加，常用的素混凝土井壁和钢筋混凝土井壁强度不能满足实际工程需求。姚直书等[9-10]研制了内层钢板钢筋混凝土复合井壁；内层钢板约束混凝土径向应变，使混凝土处于三轴受压状态，极限承载强度显著提升，并使混凝土裂纹形成和扩展相对延迟，改善了混凝土延性。这种结构型式井壁为深厚冲积层冻结井壁的首选类型。

笔者结合具体工程，采用内层钢板钢筋混凝土，对井壁破损处进行补强加固修复；利用有限元，分析复合井壁随外荷载逐级增大时的应力变化情况，并验证修复后的井壁强度是否满足实际工程需求。

1 工程概况

板集煤矿为在建的大型矿井，工业广场内建有主井、副井和风井3个井筒。主井井筒原设计净直径6.2 m，冲积层厚548.1 m。该井筒冲积层和基岩风化段原采用钻井法施工，基岩段采用普通法施工，井筒深度795.7 m，其中钻井深度660 m。2009-04-18，该矿副井井筒发生突水事故。根据分析，造成该井筒突水的直接原因是副井马头门及硐室群布置在4煤底板泥岩中，围岩发生多次失稳和反复维修，导致上覆岩层产生下沉变形，从而受到高地应力和竖直附加力的综合作用，改变了井筒受力状态，使混凝土内缘出现裂纹，发生破坏。针对井筒实际破坏情况，提出对井筒穿过的深厚冲积层实施冻结；并对原钻井井壁破坏处，采用内钢板高强度钢筋混凝土复合井壁进行修复，用缩小井壁厚度的方法来满足井筒净直径不小于5.0 m的需求。何朋立[11]指出，竖向附加力是随深度加深而不断累积，在含水层与基岩面交界处，达到最大值，最终在和水平荷载共同作用下，导致井壁破坏。板集煤矿含水层最大深度为400 m，需验证含水层最大深度处采用的复合井壁结构强度，是否符合工程要求。

2 深厚冲积层井壁受力分析

主井井筒内径为5 m，井壁厚度0.5 m，井壁外缘负摩擦力平均值为62.1 MPa。井筒深厚冲积层段内层钢板钢筋混凝土复合井壁受力可简化为2种不同方向的外荷载：①由井壁自重与岩层对井壁作用的负摩擦力组合而成的作用于井壁横截面上的竖向荷载Pv；②冻融以后，作用于外井壁上的径向水土压力Ph。

黄河口“短穗花鼓”的历史嬗变和文化内涵…………………………………………………………………………李志强（2.83）

式中：Pv为作用于井壁横截面上的竖向荷载，kPa；γ1为钢筋混凝土重度，取25 kN/m3；h为含水层深度，m；k为单位面积井壁负摩擦力大小，kN/m2；D为井壁外直径，m；d为井壁内直径，m。

Pv=γ1h+

(1)

作用于井壁横截面上的竖向荷载为

作用于井壁横截面上的水平荷载为

Ph=1.3γ2h

(2)

式中：σxd为三向压应力作用下的计算相当应力，MPa；σr为混凝土径向计算应力，MPa；σt为混凝土环向计算应力，MPa；σz为混凝土轴向计算应力，MPa。

通过计算，在含水层深度400 m处附近，竖向荷载Pv约为64.20 MPa，水平荷载Ph约为5.20 MPa，竖向荷载与水平荷载之比约为12∶1，且均与深度成正比。可通过有限元模拟复合井壁施加同样比例的竖向压力和水平压力，观察荷载逐级增加时，复合井壁的受力情况，并验证含水层最大深度处的复合井壁强度是否符合要求。

3 有限元计算模型

3.1 模型的建立

通过ANSYS，建立内钢板钢筋混凝土复合井壁模型。井筒模型高度取6.0 m，井筒内径为5.0 m，井壁厚度0.5 m，井壁配筋率0.3%，钢板厚度0.035 m，材料力学参数见表1，其中井壁材料使用高强度混凝土C90。若采用普通混凝土轴心抗压强度和弹性模量公式计算，则会低估高强混凝土轴心抗压强度fc和弹性模量Ec。可根据文献[12]中的经验公式，对二者(单位：MPa)进行计算：

fc=-12.31+1.015fcu

(3)

 

(4)

(1)钢筋混凝土选用分离式模型，混凝土采用8节点三维非线性实体单元solid65，钢筋采用link8杆单元，钢板采用shell43壳单元。

 

表1 材料力学参数

  

名 称泊松比弹性模量/GPa抗拉强度/MPa抗压强度/MPa钢 板0.3210310310钢 筋0.3210240240混凝土0.24404.3779.04

3.2 计算基本规定

式中：fcu为轴心抗压强度标准值，MPa(fcu∈[50，90])。

(2)高强混凝土采用多线性随动本构关系，钢筋和钢板均采用理想弹塑性本构关系。

钢板轴向应力在水平荷载和竖向荷载共同作用下的变化曲线如图3所示。其中竖向荷载没有在横坐标轴上显示，大小可近似取为水平荷载的12倍。由图中可知，钢板轴向应力与外荷载基本成线性变化关系。钢板在水平荷载为8 MPa，竖向荷载为96 MPa时，进入塑性屈服阶段，轴向应力达到最大值342 MPa。但由于钢板外表面焊接了大量锚卡作用于混凝土中，使得两者之间可以相互约束，提高了钢板极限承载力，内层钢板达到屈服强度后，并没有发生屈曲失稳，仍能对混凝土提供较大的径向约束力，使得混凝土结构应力得到提高，说明复合井壁混凝土与钢板之间有很好的耦合作用。

(3)由式(1)和式(2)可知，竖向荷载和水平荷载与深度成正比，且两者之间比值约为12∶1，故对井壁模型逐级施加同样比例的外荷载。

(4)由于井壁模型高度相对于实际工程较小，可认为作用于井壁模型外侧的水平荷载为均布荷载，简化计算。

分别对混凝土、钢筋和钢板指定材料属性，再进行网格划分。网格划分时，保持钢筋和混凝土、钢板与混凝土内层共用节点来模拟两者之间相互接触，各材料网格划分如图1所示。

3.3 有限元计算结果分析

  

图1 井壁网格划分

对井壁模型施加12∶1的竖向荷载与水平荷载，通过有限元计算，得出复合井壁中混凝土结构内、外缘环向应力和竖向轴向应力在水平荷载和竖向荷载共同作用下的变化曲线。其中竖向荷载没有在横坐标轴上显示，大小可近似取为水平荷载的12倍，计算结果如图2所示。由图中可知，在加载初期，混凝土处于弹性状态，混凝土内、外缘环向应力和轴向应力均随外荷载的增大，线性增加，且内缘环向应力始终大于外缘环向应力。随着外荷载的增加，轴向应力在水平荷载为9 MPa，竖向荷载为108 MPa时，达到最大值，为117 MPa。此时，混凝土临近破坏，说明竖向附加力是导致井壁破损的主要因素。该模拟结果也与实际工程破坏点发生在井壁内缘，破坏方式为压剪破坏结果一致，且轴向极限应力远大于混凝土立方体抗压强度值79.04 MPa。在三轴压力作用下，混凝土抗压能力提高了1.48倍，说明在内层钢板高强度钢筋混凝土复合井壁结构中，由于内层钢板约束外层混凝土变形，使得混凝土处于三轴压缩状态，阻碍了裂纹的产生，并改善了高强混凝土脆性特性，使其延性提高，抗压强度得到明显提高。

  

图2 混凝土应力与水平压力关系曲线

临近期末，语文老师为了让我们考出好成绩，一天需要为我们上好几节课。有一次，他一连给我们上了五节课。看老师一副筋疲力尽的样子，还要打起精神；明明嗓子已经嘶哑，还是操着“海豚音”大声讲课，唯恐哪个小朋友听不清楚。老师为我们付出了这么多，我感到不舍和心疼。

井壁失稳破坏主要发生在含水层与基岩面交界处。计算可知，复合井壁在交界处所受到的竖向荷载Pv为64.20 MPa，水平荷载Ph为5.20 MPa时，通过对图3和图4进行线性插值，可得此时混凝土内缘的环向应力为27.9 MPa；轴向应力为69.5 MPa；径向应力相对较小，可忽略不计；内层钢板轴向应力为209 MPa。在地压、钢板对混凝土径向约束和负摩擦力作用下，混凝土三向受压。通过第四强度准则来校核混凝土强度，其计算公式为

  

图3 钢板轴向应力-水平压力关系曲线

3.4 工程验算

老人们一说到“可怜的爱米丽”，就交头接耳开了。他们彼此说:“你当真认为是那么回事吗?”“当然是啰。还能是别的什么事?……”而这句话他们是用手捂住嘴轻轻地说的；轻快的马蹄得得驶去的时候，关上了遮挡星期日午后骄阳的百叶窗，还可听出绸缎的窸窣声:“可怜的爱米丽。”

60.58 MPa<fc=79.04 MPa

式中：Ph为作用于井壁横截面上的水平荷载，kPa；γ2为水的重度，取10 kN/m3。

当员工取得CIDB 绿卡后，HSSE 部门会为员工申请业主及总包商的入场培训，当员工通过这两个培训并考核合格后会拿到业主及总包商的工作卡，此时员工方才获得了入场施工资格。之后项目HSSE 部门会对员工进行一次入场教育，主要内容为现场HSSE 交底、业主十大禁令、项目一些特殊的安全要求等。

由上式可知，井壁中混凝土综合应力小于混凝土极限强度。同样对钢板进行强度校核，钢板最大计算轴向应力σg=209 MPa<fy=310 MPa，其中fy为钢板抗压强度。经验证，所采用的内层钢板高强度钢筋混凝土复合井壁强度符合实际工程要求。

根据平台数据服务器的部署位置不同，基于物联网的智能楼宇管理系统既可以基于云的远程部署，也可以进行本地部署。系统本地部署网络架构如图4所示。

4 结 论

(1)通过建立内层钢板钢筋混凝土复合井壁模型，进行数值模拟分析，可知在井壁破坏前，混凝土内缘应力一直大于外缘应力；内层钢板与混凝土之间具有很好的耦合作用，可以约束混凝土变形，使混凝土在三轴压力作用下，其极限承载能力提高1.48倍；竖向附加力是井壁破坏的关键因素。

高潮一边接电话，一边嗯嗯啊啊地应承着，心中却盘算，万一他们到了这里，到各家媒体展开危机公关，自己这个皮包网站的菜包子面目岂不露馅了？万一他们知道“焦点调查”是非法网站后反咬一口，向新闻出版管理机关举报，向公安系统的互联网监管部门报案，自己面临的很可能是锒铛入狱的结局。真的是梦想很丰满，现实很骨感啊。这样一想，高潮心底陡添了许多不安和烦恼，连自己跟齐眉说了些什么，怎样跟齐眉结束通话的，都忘了个一干二净。

(2)用内层钢板钢筋混凝土复合井壁对井壁破损处进行加固修复，经计算验证，在松散含水层与基岩面交界处附近危险截面处，复合井壁强度满足实际工程要求。此时，井壁结构仍处于弹性受力状态，安全可靠；也说明复合井壁在工程上，具有很好的实用性。

威尼托有着令爱酒之人为之着迷的意大利最贵葡萄酒之一——阿玛罗尼（Amarone della Valpolicella），还有意大利最知名的起泡酒——普塞克（Prosecco）。两种性质与口感截然不同的葡萄酒和谐共存，满足绝大多数人的口味，相信当你来到这里，便难以自拔。

参考文献：

[1] 程 桦.深厚冲洪积层冻结法凿井理论与技术[M].北京：科学出版社，2016.

[2] 王宗金，曹华春.我国冻结法施工技术及其发展[J].山西建筑，2006，32(18)：147-148.

[3] 姚世友，涂经辉，张志明.立井井筒表土段施工方法优化实践[J].建井技术，2010，31(5)：21-22.

[4] 宁方波.西部透水立井冻结施工应关注的几个问题[J].建井技术，2012，33(6)：35-37.

[5] 经来旺，刘 飞，高全臣，等.表土沉降阶段沉降段煤矿立井井壁破裂应力分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3274-3280.

[6] 孟志强，纪洪广，彭 飞.冻结法成井井壁在深厚表土段附加应力研究[J].煤炭学报，2013，38(2)：204-208.

[7] 姚直书，余贵华，程 桦，等.特厚表土层钢板混凝土复合井壁竖向承载力试验研究[J].岩土力学，2010，31(6)：1687-1691.

[8] 张荣立，何国纬，李 铎.采矿工程设计手册[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[9] 姚直书，薛维培，程 桦，等.内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁在冻结井筒应用研究[J].采矿与安全工程学报，2018，35(4)：663-669.

[10] 姚直书，程 桦，荣传新.深冻结井筒内层钢板高强钢筋混凝土复合井壁试验研究[J].岩石力学和工程学报，2008，27(1)：153-160.

[11] 何朋立，王在泉.考虑温度效应的井壁竖向附加力反演分析[J].岩土力学，2013，34(12)：3426-3430.

[12] 李家康，王 魏.高强混凝土的几个基本力学指标[J].工业建筑，1997(8)：50-54.