斜井井筒過(guò)飽和粘土段施工技術(shù)研究

李忠森，陳 弦，孫悟強(qiáng)，孫建啟

(陜西煤業(yè)化工建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710021)

隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入和能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)煤炭建設(shè)重點(diǎn)逐步向西部轉(zhuǎn)移，新建的礦井往往會(huì)采取斜井井筒的開(kāi)拓方式。在井筒明槽段、暗槽段等工程大開(kāi)挖施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到含水砂層、飽和粘土、軟弱淤泥等不良地質(zhì)條件，這些地質(zhì)條件經(jīng)常導(dǎo)致開(kāi)挖土體出現(xiàn)流砂、地基液化、土體坍塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，影響工程施工。在治理類似工程問(wèn)題時(shí)，有采用水下灌注樁施工技術(shù)、高壓旋噴樁和鋼板樁進(jìn)行止水帷幕[1-4]、有對(duì)砂層和松散巖體小管棚注漿加固和凍結(jié)施工穩(wěn)定巖體的施工技術(shù)[5-9]。本文針對(duì)車村煤礦一號(hào)井暗槽施工過(guò)程中遇到的飽和粘土，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，采取“鋼軌混凝土樁帷幕+小管棚超前支護(hù)+片石混凝土置換加固”的綜合施工方案。掘進(jìn)過(guò)程中采取短掘短支，井筒順利通過(guò)了飽和粘土段。

1 工程概況

車村煤礦一號(hào)井副斜井井筒斜長(zhǎng)819.1m，井筒傾角22°，位于兩山低凹處，井筒斷面為直墻半圓拱形，凈寬4600mm，凈高3700mm，墻高1400mm，拱高2300mm，凈斷面14.8m2。井筒0～28m為明槽段，28～52m為暗槽段，52m以后進(jìn)入山體，此時(shí)井筒進(jìn)入暗槽段。暗槽段井筒掘進(jìn)寬度為5400mm，高為4740mm，采用“29U型支架+混凝土砌碹澆筑”支護(hù)，支架間距為800mm，混凝土厚度400mm，強(qiáng)度為C30，井筒地板為鋼筋混凝土，厚度為200mm，強(qiáng)度等級(jí)為C30。

明槽和暗槽段自上而下土層為：黃土、粉土、粉質(zhì)粘土。各層土質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)對(duì)土層飽和度、含水率、液限和塑限的分析，在離地表5.85～8.85m深度范圍內(nèi)，土層為粉土，塑限大于10%，粉土飽和度超過(guò)80%，液性指數(shù)在0.8左右，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]判斷該土層為軟塑狀態(tài)的飽和粘土。

表1 表土段局部鉆孔土層物理力學(xué)性質(zhì)

2017年7月2日開(kāi)始進(jìn)入井筒暗槽段施工，掘進(jìn)采用“短掘短支”，7月10日井筒暗槽段施工至35.7m，工作面底部挖掘出土?xí)r，底板出現(xiàn)淤泥，并由澆筑好的底板下方一直涌入工作面，造成已澆筑底板下方掏空，已成巷的3m(32.7～35.7m)井筒整體發(fā)生不均勻下陷導(dǎo)致巷道頂部開(kāi)裂，巷道支架和混凝土整體發(fā)生破壞。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，飽和粘土在施工過(guò)程中受到施工機(jī)械等外荷載擾動(dòng)的影響，振動(dòng)荷載使飽和粘土骨架間的連接遭到破壞而產(chǎn)生體變，孔隙中的水不能及時(shí)排除，致使孔隙水壓力不斷增大，粉粒間的剪阻力相應(yīng)地減小，飽和粘土液化從巷道底板下涌入工作面，從而導(dǎo)致巷道破壞變形。

2 “鋼軌混凝土樁+小管棚+片石混凝土”綜合施工方案

因該工業(yè)場(chǎng)地狹窄，不具備大開(kāi)挖的條件，且大開(kāi)挖土方量較大，會(huì)增加大量成本。若采用旋噴樁進(jìn)行帷幕，需要進(jìn)行樁基施工單位招標(biāo)，整個(gè)實(shí)施周期較長(zhǎng)。為了加快施工進(jìn)度，保證副斜井順利向前掘進(jìn)，經(jīng)過(guò)討論分析確定了采取鋼軌混凝土樁帷幕、小管棚超前支護(hù)進(jìn)行掘進(jìn)和片石混凝土底板換填加固的施工方案。

2.1 鋼軌混凝土樁帷幕

2.1.1 鋼軌混凝土樁

為了保證在井筒施工過(guò)程中，周邊飽和粘土不會(huì)涌入工作面，模擬旋噴樁帷幕的原理，在井筒地面位置28～52m段井筒兩側(cè)鉆孔，利用礦建施工的鋼軌作為混凝土的骨架，形成鋼軌混凝土樁帷幕，如圖1所示，同時(shí)提高巷道幫部抗坍塌能力，在鋼軌混凝土保護(hù)作用下進(jìn)行井筒掘進(jìn)施工。

圖1 鋼軌混凝土布置平面圖(mm)

鉆孔布置在井筒中心線兩側(cè)3050mm的位置上，鉆孔直徑為200mm、間距為400mm，鉆孔孔底應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定粘土層2m，當(dāng)穩(wěn)定粘土位于井筒底板以上時(shí)，孔底應(yīng)進(jìn)入井筒掘進(jìn)底板標(biāo)高以下2m，設(shè)計(jì)鉆孔深度隨著井筒向下，鉆孔越深，整體鉆孔深度為11～24m，總鉆孔量為2132m。

每側(cè)各打60個(gè)孔，采用200鉆機(jī)成孔，孔內(nèi)下入30kg/m軌道，軌道之間用道夾板連接并焊接形成一條等長(zhǎng)的鋼軌柱，下放軌道，軌道大頭應(yīng)朝向井筒側(cè)，井筒掘進(jìn)加固方式如圖2所示。軌道下放后，將軌道用斜撐固定，在鉆孔中灌滿細(xì)石混凝土，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，混凝土凝固周期不得小于3d后方可開(kāi)挖。

圖2 井筒掘進(jìn)加固斷面圖(mm)

2.1.2 橫向支撐

對(duì)帷幕段井筒上方回填土層進(jìn)行局部開(kāi)挖，開(kāi)挖深度為1～2m，在鋼軌混凝土樁2m處鑿開(kāi)混凝土漏出鋼軌，用4寸鋼管橫向焊接，如圖2所示，用來(lái)支撐井筒兩側(cè)鋼軌混凝土樁，防止在井筒掘進(jìn)過(guò)程中因土壓力而導(dǎo)致鋼軌混凝土向井筒內(nèi)側(cè)傾斜，保證施工安全。

2.2 井筒掘砌

1)超前支護(hù)。井筒采用短掘短支，用挖機(jī)對(duì)工作面土層進(jìn)行開(kāi)挖。為防止工作面迎頭頂部巖土垮落，掘進(jìn)前采用小管棚進(jìn)行超前支護(hù)。在掘進(jìn)輪廓線施工?42mm×6000mm鉆孔，孔間距為300mm，然后打入長(zhǎng)度6300mm的?40mm鋼管，鋼管前段為楔形，鋼管插入深度不得小于6000mm，管棚后端與已架設(shè)的U型棚焊接相連。每次超前支護(hù)架設(shè)支架7～8架，保證兩個(gè)循環(huán)管棚之間重疊長(zhǎng)度在3000mm左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況做適當(dāng)調(diào)整。

2)井筒底板加固。井筒底板施工時(shí)，對(duì)底板設(shè)計(jì)標(biāo)高以下飽和粘土采用片石混凝土進(jìn)行置換，置換深度不得小于1m。隨著井筒向前延伸，當(dāng)?shù)装屣柡驼惩敛蛔?m時(shí)，換填至粉質(zhì)粘土層。架設(shè)29U型鋼之前，在井筒底板用22#工字鋼與井筒兩側(cè)的鋼軌混凝土中的鋼軌橫向焊接，橫向工字鋼間距為400mm，長(zhǎng)6100mm。每2根橫向的工字鋼之間也使用22#工字鋼縱向焊接相連，工字鋼架設(shè)29U型鋼支架的棚腿處各連接一道，中間連接兩道。

3)架設(shè)29U型棚。因該段地層為回填層易冒落，為保證能安全施工，將29U型支架棚距加密為400mm，29U型棚上部鋪設(shè)?6.0mm鋼筋網(wǎng)。29U型支架棚腿焊接在22#工字鋼上，為保證29U型棚之間的牢固性，支架底座鋼板架設(shè)在工字鋼腹板上，并進(jìn)行焊接加固。29U型支架之間增加鋼筋拉桿，拉桿方式為焊接，鋼筋拉桿為?20mm三級(jí)螺紋鋼，間距為300mm，如圖2所示。

4)底板鋪設(shè)。每架設(shè)7～8架U型鋼后，進(jìn)行底板鋪設(shè)，厚度為200mm，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，混凝土標(biāo)號(hào)為C30。

5)永久支護(hù)。按照設(shè)計(jì)要求每架29U型棚架設(shè)完成后，立即噴漿封閉，噴漿厚度為50mm，噴漿強(qiáng)度為C20。每3m進(jìn)行一次混凝土砌碹支護(hù)，砌碹厚度為400mm，澆筑前先將模板碹胎等清理干凈，并涂油保證拆模后的混凝土表面質(zhì)量。按照規(guī)格尺寸立拱腿、拱梁。澆筑時(shí)及時(shí)振搗，要保證混凝土的密實(shí)度，混凝土強(qiáng)度為C30。

6)回填。巷道澆筑成巷后，對(duì)頂部開(kāi)挖區(qū)進(jìn)行回填，使用人工夯機(jī)壓實(shí)，分層回填厚度為250mm，回填土密實(shí)度0.95，逐層壓實(shí)直至設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高。

3 施工注意事項(xiàng)

1)鉆孔施工時(shí)要嚴(yán)格控制鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，以防止鉆孔偏斜，孔底最大偏斜值不能大于4cm。

2)為保證橫向支撐鋼管與鋼軌混凝土焊接牢固，下放軌道時(shí)，軌道大頭應(yīng)朝向井筒側(cè)，鋼管與鋼軌混凝土焊接焊縫飽滿。

3)混凝土粗骨料采用5～10mm石子，確?；炷凉嘧r(shí)不堵孔，灌注混凝土過(guò)程中應(yīng)不斷敲擊軌道，確?；炷撩軐?shí)。

4)鉆孔施工完成后，下放鋼軌時(shí)盡量延鉆孔中心，防止坍塌土層圍抱在鋼軌周圍，影響混凝土的澆筑質(zhì)量。

5)飽和粘土采用片石砂漿進(jìn)行置換后，在澆灌混凝土?xí)r，片石縫隙要澆灌飽滿，確保達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度。

4 實(shí)施效果

4.1 實(shí)施情況

2017年7月15日開(kāi)始在副斜井兩側(cè)進(jìn)行鋼軌混凝土帷幕施工，之后對(duì)工作面破壞時(shí)涌入的泥漿、掏空底板及下陷的支架進(jìn)行處理后開(kāi)始正常掘進(jìn)，工作面采用小管棚超前支護(hù)、片石混凝土置換飽和粘土加固底板、短掘短支的相關(guān)措施，暗槽段于2017年8月30日順利通過(guò)，歷時(shí)45d。施工過(guò)程中，鋼軌混凝土帷幕有效地阻止井筒周邊飽和粘土進(jìn)入井筒，未發(fā)生過(guò)飽和粘土液化造成的災(zāi)害現(xiàn)象。

4.2 監(jiān)測(cè)分析

巷道實(shí)施過(guò)程中，對(duì)該段巷道地面沉降和巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟窟M(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：地面最大沉降量為11mm，如圖3所示；頂?shù)装逡七M(jìn)量為6mm，兩幫移進(jìn)量最大為3.7mm，如圖4所示。地面沉降和頂幫變形在15d時(shí)趨于穩(wěn)定，地面無(wú)明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，巷道混凝土頂、底板未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，未發(fā)生不均勻沉降，巷道整體穩(wěn)定。

圖3 地面沉降量變化曲線

圖4 巷道頂幫變形曲線

5 結(jié) 論

1)在車村一號(hào)井副斜井施工過(guò)程中遇到的飽和粘土，通過(guò)鋼軌混凝土樁對(duì)井筒周圍飽和粘土進(jìn)行帷幕，同時(shí)對(duì)基底飽和粘土采用砂漿片石墊層置換和工字鋼加固等一系列措施，可以有效地控制飽和粘土的液化災(zāi)害。

2)合理利用了礦建施工準(zhǔn)備的機(jī)械和材料，采取探水鉆進(jìn)行成孔，斜井軌道運(yùn)輸?shù)匿撥夁M(jìn)行抗滑、帷幕樁的施工，提高的施工速度，節(jié)約了工程投資，同時(shí)也保證了安全質(zhì)量。

3)該項(xiàng)目中提出了對(duì)飽和土進(jìn)行帷幕和抗滑的鋼軌混凝土樁施工方案，該樁強(qiáng)度較高，可以為同類型工程地質(zhì)條件的邊坡、地基、路塹等抗滑支護(hù)的措施提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。