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斜井明槽段厚流沙层冻结法施工

发表时间：2020/9/24 来源：《基层建设》2020年第17期作者：黄莲莲张千东

[导读] 摘要：神木县升富矿业有限公司煤矿主斜井井筒所处位置条件比较特殊，地表为深厚的风积沙所覆盖，风积沙含水量丰富，流动性强，施工比较困难，加之周围乡镇距离较近，不允许采用降水、放坡大开挖的方法施工。

        中煤第三建设（集团）有限责任公司二十九工程处安徽宿州 234000
        摘要：神木县升富矿业有限公司煤矿主斜井井筒所处位置条件比较特殊，地表为深厚的风积沙所覆盖，风积沙含水量丰富，流动性强，施工比较困难，加之周围乡镇距离较近，不允许采用降水、放坡大开挖的方法施工。经过多方论证、研究决定采用冻结法施工井筒明槽段，给挖掘机、综掘机掘进、装载机配合自卸汽车排渣创造了良好的条件，最后顺利、安全、优质地完成了井筒明槽段的施工。
        关键词：斜井井筒；风积沙；冻结施工；综掘机掘进
        一、工程情况
        神木县升富矿业有限公司煤矿位于陕西省神木市西北约25km处，行政区划隶属陕西省神木市锦界镇管辖，设计生产能力120万吨/年。采用混合开拓，即主斜井、副斜井和回风立井。主斜井、副斜井距离附近的乡镇比较近。
        本井田全部被现代风积沙所覆盖，据钻孔揭露及地质填图资料，区内地层由老至新依次为：三叠系上统永坪组（T3y），侏罗系中统延安组（J2y）、直罗组（J2z），第四系中上更新统离石组（Q2L）和萨拉乌苏组（Q3s）、全新统风积沙（Q4eol）。明槽段地层简单，主要由第四系风积沙和粘土质粉细沙组成，其厚度为24.20～36.00m，平均31.61m，为潜水含水层，含水层透水性强，含水丰富，涌水量大于10.02m3/h，自然水位标高-5m。
        主斜井设计长度800m，其中明槽段斜长42m，井筒坡度14°，净宽5.2m，掘砌荒径7.16m，净高4.3m，掘砌荒径6.61m；前期已经采用旋喷桩配合露天开挖法施工成井24m，掘进底板垂深已经达到-6.293m（相对标高，下同），由于相关单位施工的旋喷桩封水效果不理想，多处渗漏水，再继续向下施工明槽段难度较大，所以经矿方、施工单位、监理单位、设计院等几家单位研究：由于砂层密实，含水量较大，流动性强，根据附近矿井施工经验，采用注浆法封水效果不好，前期采用旋喷桩施工封水又失败，加上附近有村庄，为了不影响附近村民的生活、生产用水，不允许采用降水法施工，所以综合考虑采用冻结法施工，此方法虽然代价较大，但是施工方案切实可行，且开挖比较安全，能够保证工程质量和工期；停止旋喷桩施工，剩余18m明槽段井筒采用冻结法施工，该段明槽基坑上口长度18m，宽度7.16m，终点处端墙放坡81°12′22″，两侧边墙垂直向下掘进，不放坡，开挖深度-6.972～-11.865m。
        二、明槽冻结方案
        考虑表土地层风积沙和粘土质粉细沙较厚，含水丰富，为了保证冻结壁的有效厚度和强度，实现井筒安全、快速掘砌施工，设计在主斜井明槽段两端布置封堵孔，与边排孔、中间孔共同冻结，形成的冻结帷幕达到封底、封侧壁、封端头，形成封闭区域。
        由于在风积沙和粘土质粉细沙里施工倾斜冻结孔很困难，所以决定采用垂直钻孔冻结，沿井筒长度方向，考虑井筒掘进宽度，均匀布置多排冻结孔。考虑挖掘机和综掘机掘进的难易程度，在掘进荒径范围内进行弱冻结，掘进范围之外进行较强冻结以便形成封闭形冻结壁，为此明槽段冻结管采用异径管局部保温（大管套小管）、同径管冻结相结合方式。
        三、冻结孔布置
        冻结孔布置方式为：周圈布置封堵孔，采用封闭冻结模式，形成的冻结帷幕对开挖范围同时封底、封侧壁、封堵端头，形成冻结封闭区域。端头封堵孔及边排孔全部采用Ф140×5mm同径无缝钢管冻结，形成强度符合要求的冻结壁，中间孔采用Ф108×5mm+Ф140×5mm异径管，其中，Ф108mm冻结管采用外套Ф140×5mm管双层抽真空形式保温，使明槽段开挖范围内形成弱冻结，挖掘比较容易。明槽段最深处冻结孔冻结深度16.865m（超过井筒掘进底板5m）。
        冻结钻孔主要分为三类：
        一）明槽两端封堵孔：
        冻结起点封堵孔设计两排横向封堵孔，横向第一排孔在已成型井筒施工茬口后约1.5m，纵向排距1.27m，横向第二排孔距第一排间孔间距2.0m。
        明槽段终点设计两排（兼做暗硐段冻结孔）横向封堵孔，考虑终点端墙放坡，纵向孔排距1.4m，横向第一排孔在明槽外距明槽段基坑口1m，横向第二排孔距第一排孔间距2.0m。
        二）明槽两侧边排孔：
        明槽段两侧布置六排纵向孔，分别布置在斜井侧墙的两边，其纵向孔排距为1.5m，横向间距2m。
        三）明槽中排孔：
        明槽段掘进断面内布置五排冻结孔，均匀布置在边排孔中间，五排孔插花布置。纵向排距2.54m，横向间距为2.5m。
        四、冻结孔施工
        1、采用TSJ-600型钻机施工，配备TBW-850/50型泥浆泵。钻孔测斜采用JDT-5型陀螺仪，实现不提钻测斜，随钻可提式导向器和5LZ146-7.0型螺杆钻纠斜。
        2、钻场施工：首先要以井筒中心位置量出场地范围平整场地，分层铺设夯实三七灰土厚（350mm），三七灰土上部浇注C30混凝土厚300mm，并预留钻孔位置和砌筑泥浆循环沟槽。
        3、确定孔位：以井筒中心为基准，测定孔位。钻孔孔位采用钉桩法设立明显标志。
        4、钻机安装：按设备的安装要求进行，并配套好泥浆设施。接通水、电、安装夜间照明，检查钻具，做好各项准备工作。
        5、钻孔：采用Φ89mm钻杆，Φ159mm加重杆，Φ171.4mm、190.5mm牙轮钻头组成的加重钻具，回转式钻进泥浆护壁的方法，分班连续作业方式。
        6、泥浆配制：砂土层施工时，为防止砂土层垮塌，开孔前配一定量的土粉浆。加量方法：土粉15%，纯碱按土粉量的5%。泥浆性能：粘度22～24s，比重 1.1～1.15。
        5）主斜井明槽段冻结孔平面布置示意图、明槽段冻结管布置横断面图。

        五、明槽段掘砌
        对明槽段基坑测量放线后撒白灰做出标记，然后方可进行开挖，首先使用PC360挖掘机挖掘地表往下3.6m，再使用EBZ-260H综掘机配合挖掘机分层（每层2m）施工剩余的下部明槽，开挖后的明槽帮部及端墙及时支护，开挖时为确保边坡稳定和施工安全，根据实际开挖土层情况作适当调整，并视土层稳定情况采用锚网喷加固法及钢管桩配内支撑法支护，确保明槽周边冻结壁稳定。在明槽底板恢复冻结以后，先进行毛石换填、碎石混凝土整平，然后绑扎钢筋，再采用电动整体液压栈桥模板台车将主斜井井筒底拱、直墙和拱部混凝土整体一次浇注。
        六、井筒底板恢复冻结
        明槽基坑开挖后两侧边排孔不受影响继续保持冻结，所以明段基坑两侧底板保持冻结状态。但是，在挖掘过程中需要割除穿过井筒断面内的五排冻结器，所以此时井筒底板风积沙暂停冻结，如果长时间停止冻结，底板冻结壁受地温影响慢慢解冻，甚至渗水，从而影响施工安全。根据开挖工艺和底板测温孔温度回升情况，需要对割除的冻结器进行恢复冻结，确保井筒井壁施工前冻结壁处于封闭状态，保证掘砌施工安全。为此，施工过程中冻结单位与掘砌单位密切协作，相互配合，确保冻结管适时割除，明槽段挖掘到设计底板标高后及时焊接封堵冻结管，并且恢复冻结达到预定目的，保证井筒明槽段掘砌和进入暗硐段施工的连续进行。
        七、结语
        由于主斜井井筒明槽段位于深厚的风积沙地层，涌水量较大，但是受周边环境制约严重，不能采用降水、放坡大开挖的方法施工。经过多方论证、研究决定采用冻结法施工，这样既解决了降水对周边乡镇生产、生活用水的影响，又完全解决了风积沙遇水产生较大流动性的难题，为工程的施工创造了较好的施工条件，确保工程顺利、安全施工完成，并且充分保证了工程质量。为此类工程的施工做了很好的实例。