一种径向预应力钻井井壁结构及其施工方法与流程

本发明涉及一种井壁结构及其施工方法，具体是一种径向预应力钻井井壁结构及其施工方法。

背景技术：

钻井法是根据矿井设计的要求，用钻井设备在确定的位置上，钻一个适当直径和深度的井眼并进行永久支护，使之成为符合设计要求的矿井井筒。钻井的全部作业均在地面进行，是一种高度机械化的施工方法。具有用人少、施工安全、成井质量高、在冲击层中凿井具有技术经济效果好的一种特殊凿井方法。

目前，我国常用的钻井井壁结构为钢筋混凝土井壁和钢板筒混凝土井壁，随着钻井穿过的冲积层深度越来越大，相当数量的井筒将穿过深达500m(甚至700m)以上的特厚冲积层，在此条件下，井壁竖向荷载和水平荷载都将加大，造成井壁的承载能力低，如果仍然采用现有的井壁结构，井壁厚度甚至会超过1000mm，造成井壁的成本提升、井壁的施工工序复杂及降低施工效率。在钻井法施工中，井壁的漂浮下沉过程是一个重要的因素，如果采用大厚度的井壁结构，井壁将可能“漂”不起来，会限制钻井法凿井优越性的发挥。

技术实现要素：

本发明提供一种径向预应力钻井井壁结构及其施工方法，在井筒深度相同的条件下，该井壁的总厚度减小、承载力高、造价低，同时该施工方法的工序简单，施工效率提高。

本发明采用的技术方案是：

一种径向预应力钻井井壁结构，由若干节井壁段构成，每一节井壁段包括混凝土井壁，在混凝土井壁的顶部和底部分别设置有上法兰盘和下法兰盘，相邻井壁段之间通过上法兰盘和下法兰盘连接成一体，还包括预应力筋和锚具，预应力筋从井筒中心径向插设在混凝土井壁内，并通过锚具固定预应力筋，靠近混凝土井壁内壁端的预应力筋上套设有波纹管，波纹管的长度为预应力筋长度的2/3～3/4，波纹管和预应力筋之间预留有孔道，孔道中灌注有灌浆。

一种径向预应力钻井井壁的施工方法，步骤如下：

a.首先安装下法兰盘，在下法兰盘上组立内模板，并在内模板顶部安装上法兰盘，再在上法兰盘上预留浇注混凝土所需的窗口；

b.在内模板上预留波纹管穿过的圆孔；

c.在内模板外侧组立外模板；

d.在混凝土井壁内，从井筒中心径向安装套设有波纹管的预应力筋，带有波纹管的一端穿过内模板预留的圆孔，另一端与外模板连接；

e.从上法兰盘上预留的窗口进行混凝土井壁的浇注，成型后拆除内模板与外模板，待混凝土的强度达到设计强度后，对预应力筋进行张拉并用锚具固定；

f.对预应力筋和波纹管之间预留的孔道进行压力灌浆，灌浆完成后随即对锚具进行密封防护，即完成一个井壁段的施工；

g.重复a～f步骤，完成所有钻井井壁段制作，相邻两个钻井井壁段都用一对法兰盘连接起来，即制得完整的径向预应力钻井井壁。

本发明的有益效果是：在现有的井壁结构即混凝土井壁中径向插设预应力筋，并通过锚具固定预应力筋，混凝土井壁内的预应力筋对井壁径向施加预应力，改变了井壁的径向受力状态，即使井筒穿过深达500m(甚至700m)以上的特厚冲积层，在地层中使井壁在水平压力和竖向荷载共同作用下处于三向压应力状态，提高了井壁抵抗水平地压的能力，使得井壁结构的承载能力大幅提高，同时可以有效抵抗竖向附加力的作用，确保井筒安全稳定，有效的防止井壁破裂；同时在靠近混凝土井壁内壁端的预应力筋上套设长度为预应力筋长度的2/3～3/4的波纹管，并在波纹管和预应力筋之间预留的孔道中灌注灌浆，使预应力筋与周围的混凝土结合成一个整体，采用该井壁结构，在井筒深度相同的条件下降低了井壁的自重及其制造成本，制造上述井壁的施工方法的工序简单、施工效率提高，扩大了钻井法的适用范围，因此径向预应力钻井井壁结构及其施工方法具有广泛的实用性和明显的经济效益与社会效益。

附图说明

图1为本发明的井壁结构示意图；

图2为本发明带有内钢板筒的井壁结构示意图；

图3为本发明带有外钢板筒的井壁结构示意图；

图4为本发明带有内外钢板筒的井壁结构示意图；

图5为本发明带有内外钢板筒和钢筋笼的井壁结构示意图；

图6为本发明圆形锚具的结构示意图；

图7为本发明方形锚具的结构示意图；

图8为本发明使用圆形锚具的锚固实施例结构示意图；

图9为本发明使用方形锚具的锚固实施例结构示意图。

图中：1、上法兰盘，2、混凝土井壁，3、预应力筋，4、钢筋笼，5、内钢板筒，6、外钢板筒，7、波纹管，8、锚具，9、下法兰盘，10、井筒中心，11、灌浆孔，12、排气孔，13、排水孔，14、垫板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种径向预应力钻井井壁结构，由若干节井壁段构成，每一节井壁段包括混凝土井壁2，在混凝土井壁2的顶部和底部分别设置有上法兰盘1和下法兰盘9，相邻井壁段之间通过上法兰盘1和下法兰盘9连接成一体，还包括预应力筋3和锚具8，预应力筋3从井筒中心10径向插设在混凝土井壁2内，并通过锚具8固定预应力筋3，靠近混凝土井壁2内壁端的预应力筋3上套设有波纹管7，波纹管7的长度为预应力筋3长度的2/3～3/4，当波纹管7的长度为预应力筋3长度的2/3时，使预应力筋3与周围的混凝土结合的性能最佳，波纹管7和预应力筋3之间预留有孔道，孔道中灌注有灌浆。

具有如图1所示井壁结构的施工方法的步骤为：a.钻井井壁结构是在预制场地内完成的，首先预制钻井井壁结构的基础，在基础上安装下法兰盘9，在下法兰盘9上组立内模板，并在内模板顶部安装上法兰盘1，并在上法兰盘1上预留浇注混凝土所需的窗口；b.在内模板上预留波纹管7穿过的圆孔，该圆孔在内模板上的排布与预应力筋3在混凝土井壁2的内壁上排布一致；c.在内模板外侧组立外模板；d.在混凝土井壁2内，从井筒中心10径向安装套设有波纹管7的预应力筋3，带有波纹管7的一端穿过内模板预留的圆孔，另一端与外模板连接；在井壁中的预应力筋3和波纹管7的接头位置以及波纹管7和内模板的连接位置都要做好密封，防止浇注混凝土时混凝土进入预应力筋3和波纹管7之间的孔道；e.从上法兰盘1上预留的窗口进行混凝土井壁2的浇注，浇注的混凝土可以是高强混凝土或纤维混凝土等，成型后拆除内模板与外模板，待混凝土的强度达到设计强度后，对预应力筋3进行张拉并用锚具8固定；f.对预应力筋3和波纹管7之间预留的孔道进行压力灌浆，灌浆完成后随即对锚具8进行密封防护，即完成一个井壁段的施工；g.重复a～f步骤，完成所有钻井井壁段制作，相邻两个钻井井壁段都用一对法兰盘(一个上法兰盘1加一个下法兰盘9)连接起来，即制得完整的径向预应力钻井井壁。

为了进一步提高井壁的防水性能，如图2所示，在图1的基础上，还包括内钢板筒5，其设置在混凝土井壁2的内侧，其顶部和底部分别与上法兰盘1和下法兰盘9固定连接，在内钢板筒5上预留有波纹管7穿过的圆孔。或者是如图3所示，在图1的基础上，还包括外钢板筒6，其设置在混凝土井壁2的外侧，其顶部和底部分别与上法兰盘1和下法兰盘9固定连接。亦或者如图4所示，可以采取，在图1的基础上，在混凝土井壁2的内外两侧同时设置内钢板筒5和外钢板筒6，均能满足性能需要。

图2所示具有内钢板筒5井壁结构的施工方法是，在步骤a完成后，在内模板的外侧安装内钢板筒5，同时在内钢板筒5上预留波纹管7穿过的圆孔，圆孔的排布方式与预应力筋3的一致，波纹管7和内钢板筒5的连接位置要做好密封，防止浇注混凝土时混凝土进入预应力筋3和波纹管7之间的孔道，并将内钢板筒5的顶部和底部分别与上法兰盘1和下法兰盘9固定连接；然后进行步骤b和步骤c；在步骤d中，在混凝土井壁2内，从井筒中心10径向安装套设有波纹管7的预应力筋3，带有波纹管7的一端依次穿过内模板和内钢板筒5上预留的圆孔，另一端与外模板连接；接着是施工步骤e至g。

图3所示具有外钢板筒6井壁结构的施工方法是，先施工步骤a和步骤b，然后再进行外钢板筒6的安装，外钢板筒6设置在混凝土井壁2的外侧，其顶部和底部分别与上法兰盘1和下法兰盘9固定连接，接下来施工步骤c，之后步骤d中在混凝土井壁2内，从井筒中心10径向安装套设有波纹管7的预应力筋3，带有波纹管7的一端穿过内模板预留的圆孔，另一端与外模板连接，而预应力筋3的另一端与外钢板筒6连接或者不连接，进而进行步骤e至步骤g。

进一步，如图5所示，在图4的基础上，还包括钢筋笼4，钢筋笼4设置在混凝土井壁2内。采用该井壁结构，不仅防水性能好，而且增强了混凝土井壁2的稳固性。

图5所示井壁结构的施工方法，是在图4基础上再增加施工一个钢筋笼4，具体是安装好内钢板筒5之后，在内钢板筒5内侧安装钢筋笼4，之后再在钢筋笼4的外侧安装外钢板筒。

上述各实施结构中的内钢板筒5和外钢板筒6可以选由钢板焊接而成；波纹管7由金属材料制成。

实施例中，所述预应力筋3在混凝土井壁2的内壁上交错排布，例如呈梅花型或菱形布置，以及每平方米混凝土井壁2内壁的面积上排布有3～6根预应力筋3，优先选设4根预应力筋3。都可以使预应力筋3对井壁径向施加的预应力最佳，使井壁的径向受力状态最佳。

进一步，混凝土井壁2的内外表面上涂有柔性涂层，柔性涂层可以是具有防水、密封及防腐作用的沥青、油漆、橡胶或者树脂涂层等。

如图6和图7所示为预应力筋3为高强粗钢筋时使用的锚具8的结构，即图6所示的圆形锚具，图7所示的方形锚具，而锚具8的垫板14可以是圆形、方形或其它形状，圆形锚具和方形锚具使用的垫板14上均设置有灌浆孔11、排气孔12和排水孔13。根据设计要求同样可以使用不同的锚固方式，预应力筋3为高强粗钢筋时的锚固形式可以为图8和图9两种类型，也可以采用其它合理的方式。如果选用图9中的锚固方式，需要在锚固、灌浆之后用混凝土或树脂混凝土充填使井壁的内表面光滑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。