一种联合承载的双层井壁及其施工方法

本发明属于双层井壁施工技术领域，具体涉及一种联合承载的双层井壁及其施工方法。

背景技术：

我国富水地层中的井筒常采用人工冻结法进行开凿，多采用双层钢筋混凝土井壁(简称“双层井壁”)或带塑料夹层的双层钢筋混凝土复合井壁(简称“双层复合井壁”)进行支护。井筒是连接地面和地下的生命线，因此在服务年限内，作为支护结构的井壁必须具有强承载能力(承受地层和地下水压力)和高封水性能(井筒涌水量应满足使用要求)。

双层井壁由内、外两层井壁组成，筑壁材料为混凝土，必要时配置钢筋。外层井壁的主要作用一是在施工期抵抗地层压力和施工荷载，二是在使用期与内层井壁共同抵抗地层压力。由于存在较多施工缝和难以完全避免的施工裂纹，故外层井壁的封水作用有限。内层井壁的主要作用是在使用期抵抗地下水压力并与外层井壁共同抵抗地层压力。

实际上，由于冻结井壁需经历快速大幅温度变化，在外层井壁的约束作用下，内层井壁内部将产生复杂的温度应力，开裂普遍且严重。大量温度裂纹显著降低了内层井壁的封水性能，也使得壁间注浆时难以上压，从而限制了浆液的充填范围。此外，由于水泥浆结石过程中的收缩，浆液难以密实充填渗水通道。因此，壁间注浆难以显著达到提高井壁整体封水性能并减小内层井壁水力荷载的预期效果。由此，设计时内层井壁的水力荷载取值接近甚至等于计算深度的静水压力，其结果是内层井壁的设计厚度和混凝土强度等级随井筒深度非线性增长，从而导致井筒造价快速增长。另一方面，为使井筒涌水量满足使用要求，生产单位不得不在井筒服务年限内多次反复对内外壁间甚至外壁与围岩间进行注浆。反复注浆不仅影响正常生产，增加生产成本，而且由于顶着高压地下水作业，效果差，安全风险高。

双层复合井壁是对双层井壁的一次改进。在双层井壁的基础上，双层复合井壁在内外层井壁之间增设了塑料薄板(一般1～2层，每层1.5mm厚)；对于土层中的井筒，在外层井壁和土层间增设一层泡沫板(一般50～75mm厚)。泡沫板起保温缓压作用，有利于外层井壁混凝土强度增长。塑料板能够减小外层井壁对内层井壁的约束作用，减小温度变化时内层井壁中的温度应力，从而大幅缓解了内层井壁的开裂问题。双层复合井壁提高内层井壁的封水性能，从而大幅提高了井壁的整体封水性能，是我国目前主要采用的冻结井壁结构形式。但是，双层复合井壁并不能改善壁间注浆对井壁渗水通道的充填效果。相反，塑料板的存在显著劣化浆液对内外层井壁间隙的充填效果，使得内外壁完全分离，壁间形成了通畅的储水空间。井筒使用期间，地下水通过外壁渗水通道进入内外壁之间，使得内层井壁完全承受壁间水压力。长期来看，内外壁间水的压力与地层地下水压是一致的，因此设计时内层井壁的水力荷载取值等于计算深度的静水压力。如此，同条件下相比于双层井壁，双层复合井壁的内层井壁设计厚度相同甚至更大。

因此，对于深厚富水地层中的冻结井筒，急需一种能够保障井壁封水性能的前提下，减小井壁厚度的双层井壁及其施工方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种能够保障井壁封水性能的前提下，减小井壁厚度的双层井壁及其施工方法，采取的技术方案为：

一种联合承载的双层井壁，包括内层井壁和外层井壁，所述外层井壁分段掘进浇筑而成，所述外层井壁各段之间存在施工缝；所述内层井壁连续浇筑而成；所述内层井壁和所述外层井壁之间设有间隙，在所述间隙内注入微膨胀注浆材料形成微膨胀夹层。

进一步地，所述内层井壁为采用满足设计强度的低水化热微膨胀混凝土由下向上连续浇筑而成，所述外层井壁为由上向下分段掘进浇筑而成。

进一步地，所述内层井壁上设有多个注浆管，用于微膨胀注浆材料注入所述内层井壁和所述外层井壁之间的间隙。

进一步地，所述注浆管为多组，多组所述注浆管竖向间隔设置在所述内层井壁上；每组所述注浆管的数量为4～12个，并沿所述内层井壁周向均匀布置。

进一步地，每组所述注浆管之间的竖向间隔距离≤20m。

制造上述任一项所述的联合承载的双层井壁的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

s10、由上而下分段掘进并浇筑外层井壁；

s20、由下而上连续浇筑微膨胀内层井壁；浇筑过程中或浇筑后钻孔，在内层井壁上竖向间隔设置多组注浆管，用于后期内层井壁和外层井壁之间注浆；

s30、内层井壁施工完成后，通过注浆管向内层井壁和外层井壁之间注入微膨胀注浆材料，每孔注浆终压应达到预设压力。

进一步地，在步骤s10施工之前，采用人工冻结法在外层井壁的预定位置外侧依次形成地层化冻区、地层冻结区和地层未冻结区。

进一步地，步骤s20的施工过程中，在地层冻结区局部完全融化前，完成内层井壁和外层井壁之间的注浆；在开始施工内层井壁之前，按设计进行冻结冷量调控。

进一步地，地层冻结区和外层井壁的温度状态通过冻结系统测温资料分析或通过外层井壁施工时预埋部分温度传感器测试获得。

有益效果：

本发明针对已有双层井壁结构内层井壁开裂严重和注浆浆液不能密实充填内外壁之间的间隙以及其它渗水通道两大技术缺陷，提供了一种内外层壁能联合承载的双层井壁及其施工方法，其采用低水化热微膨胀混凝土结合冻结冷量调控技术控制内层井壁的降温速率和幅度，以减少内层井壁裂纹；并通过优选注浆时机，采用微膨胀浆液材料进行内层井壁与外层井壁间注浆，固化后浆液可将内层井壁与外层井壁紧密粘合且密实地充填外层井壁和近井壁地层内的渗水通道。本发明减小内层井壁裂纹，一则内层井壁自身封水性能得到提高，二则壁间注浆时可适当提高注浆压力，有利于注浆效果。

本发明还能够补偿注浆浆液的固化收缩甚至控制浆液固化后适当膨胀；一则可较密实地充填外层井壁的施工缝、施工裂纹和近井壁地层内的导水通道，从而增加地下水向内层井壁与外层井壁间的渗透阻力；二则浆液固化后可将内层井壁与外层井壁紧密粘合，消除壁间储水空间，从而使得由外层井壁渗入的地下水仅以孔隙水压的形式作用于外壁。

同时，内层井壁自身封水性能得到提高，井壁和近壁地层的渗水通道得到充分充填，故井壁的整体封水性能优于双层井壁。内层井壁、外层井壁紧密粘合，两层井壁联合抵抗地层压力和地下水压力，内层井壁仅受孔隙水压，故所需内层井壁的厚度小于双层井壁。

由于本发明井壁中的内层井壁仅受孔隙水压作用，水力荷载显著小于现有技术中双层井壁和双层复合井壁中的内层井壁，且内外两层井壁可联合抵抗地层压力和地下水压。本发明的井壁施工方便，整体封水性能好，所需的井壁厚度显著小于同条件下已有的双层井壁和双层复合井壁，对于深厚富水地层中的井筒可显著节省造价。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

其中，1、内层井壁；2、微膨胀夹层；3、外层井壁；4、施工缝；5、地层化冻区；6、地层冻结区；7、地层未冻结区。

具体实施方式

实施例1

一种联合承载的双层井壁，包括内层井壁1和外层井壁3，外层井壁3分段掘进浇筑而成，外层井壁3各段之间存在施工缝4；内层井壁1连续浇筑而成；内层井壁1和外层井壁3之间设有间隙，在间隙内注入微膨胀注浆材料形成微膨胀夹层2。

在本实施例中，内层井壁1为采用满足设计强度的低水化热微膨胀混凝土由下向上连续浇筑而成。

其中，外层井壁3由上而下分段浇筑，相邻段井壁间存在施工缝4。内层井壁1由下而上连续浇筑，不存在施工缝4，整体性较好。

在本实施例中，内层井壁1上预设有多个注浆管，用于微膨胀注浆材料注入内层井壁1和外层井壁3之间的间隙。其中，内层井壁1上采用预埋或直接钻孔的方式安装注浆管。

其中，注浆管为多组，多组注浆管竖向间隔设置在内层井壁1上；每组注浆管的数量为4～12个，并沿内层井壁1周向均匀布置。每组注浆管之间的竖向间隔距离≤20m。

在本实施例中，内层井壁1和外层井壁3均施工完成后，利用内层井壁1上预埋或直接钻孔安装的注浆管对内层井壁1和外层井壁3之间的间隙进行注浆，浆液材料为微膨胀浆液。

注浆的主要作用是充填内层井壁1与外层井壁3之间的间隙，此外还可充填内层井壁1、外层井壁3及近井壁地层可能存在的渗水通道，以期提高井壁的整体封水性能并减小内层井壁1所受的水力荷载。

在本实施例中，内层井壁1采用满足设计强度要求的低水化热微膨胀混凝土浇筑，补偿内层井壁1的收缩(包括干燥收缩、碳化收缩、自收缩和温度收缩等)，减少其开裂风险，必要时还可掺入钢纤维阻裂。在施工过程中，内层井壁1施工前，通过冻结调控(如调节盐水流量、盐水温度等)控制地层冻结区6向内的冷量传递。低水化热混凝土和冻结温控两者结合可控制内层井壁1的降温速率和幅度，有效减少温度裂纹。

在本实施例中，微膨胀夹层2采用微膨胀注浆材料，在内层井壁1全部施工完成后，在地层冻结区6局部完全融化(局部可透水，俗称“开窗”)前，利用内层井壁1上预埋或直接钻孔安装的注浆管注入内层井壁1与外层井壁3之间的间隙。由于内层井壁1裂纹少，注浆时可提高压力(甚至可略大于注浆深度的静水压力，以内层井壁1的实际承载能力为控制指标，注浆压力可设计)。内层井壁1不漏浆、地层冻结区6不透浆，因此，浆液只能沿着内层井壁1与外层井壁3之间流动或通过外层井壁3施工缝4和施工裂纹进入近井壁的地层化冻区5(内层井壁1浇筑后，由于水化热释放，热量向外壁和地层方向传递，可将近井壁的部分冻结区融化，形成一定范围的化冻区)，不仅可在内层井壁1与外层井壁3之间形成微膨胀夹层2，而且外层井壁3和地层化冻区5的渗水通道都得到充分充填。

浆液在固化过程中体积微膨胀，浆液充填的通道在浆液固化后不会退化为渗水通道，故外层井壁3和地层化冻区5的渗透性显著降低。这种膨胀作用，内层井壁1与外层井壁3间的浆液在固化后形成的微膨胀夹层2能与内层井壁1、外层井壁3紧密粘合，使内层井壁1与外层井壁3联合承载。

实施例2

本实施例为制造实施例1中提供的联合承载的双层井壁的施工方法，包括以下步骤：

s10、由上而下分段掘进并浇筑外层井壁3。

s20、由下而上连续浇筑微膨胀内层井壁1；浇筑过程中，在内层井壁1上竖向间隔预埋多组注浆管，用于后期内层井壁和外层井壁之间注浆。

在另一实施例中，内层井壁1浇筑完成后，在内层井壁1竖向间隔钻孔安装多组注浆管，用于后期内层井壁和外层井壁之间注浆。

s30、内层井壁1施工完成后，通过注浆管向内层井壁1和外层井壁3之间注入微膨胀注浆材料，每孔注浆终压应达到预设压力。

在本实施例中，在步骤s10施工之前，应采用人工冻结法在外层井壁3的预定位置外侧依次形成地层化冻区5、地层冻结区6和地层未冻结区7。

其中，地层化冻区5原为冻结区，在外壁浇筑过程中，由于外层井壁3的混凝土水化热释放，自然会融化外层井壁3附近的一部分地层，这部分地层就是化冻区。该在外层井壁3逐段向下施工过程中，上部的化冻区可能再次冻结成为冻结区。在内层井壁1向上施工时，由于内层井壁1混凝土水化热释放，会再次形成化冻区。

步骤s20的施工过程中，应在地层冻结区5局部完全融化前，完成内层井壁1和外层井壁3之间的注浆工作；在开始施工内层井壁1之前，按设计进行冻结冷量调控。

在本实施例中，地层冻结区5、外层井壁3的温度状态通过冻结系统测温资料分析或通过外层井壁3施工时预埋部分温度传感器测试获得。这部分的目的主要是控制外层井壁3和近井壁区域处于正温状态，此时注浆的话，效果较好。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围。