分層施工在趙固一礦西風井井筒凍結(jié)段外壁施工中的應用

周彬彬

（煤炭工業(yè)焦作礦區(qū)建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，河南 焦作 454002）

針對井筒凍結(jié)外壁施工，國內(nèi)學者進行了各種方法的嘗試運用。賈文安[1]在余吾煤業(yè)南風井立井施工運用防凍技術(shù)；張曄年[2]在顧橋礦副井加強機械化配套作業(yè)，發(fā)揮大型設備的能力，提高施工效率；梁袁等[3]在劉莊煤礦主井施工中實現(xiàn)了凍結(jié)表土段挖“糖稀”，達到了快速施工的目的；張登龍[4]對井筒凍結(jié)和掘砌施工方案提出了大膽設想并進行創(chuàng)新。對于井筒凍結(jié)段外壁施工均采取了不同的創(chuàng)新，主要使用分層施工技術(shù)方法對趙固一礦西風井井筒凍結(jié)段進行了各種方法的綜合應用，并取得較好的效果。

1 工程概況

趙固一礦西風井位于焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司趙固一礦西風井工業(yè)廣場南部，井口設計永久坐標X=3 918 754.000，Y=38 462 840.000，井口自然地坪標高+85.30 m。井口永久鎖口絕對標高為+86.80 m。井筒設計深度為636.80 m，凈直徑6 m，凍結(jié)深度589 m，凍結(jié)段外壁凈直徑7.1～7.7 m，其中永久鎖口10 m，表土凍結(jié)段外壁548 m。

1.1 井筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

凍結(jié)段外層井壁結(jié)構(gòu)為：0～ -10 m設計為永久鎖口（0～ -5.1 m段臨時鎖口施工，-5.1～ -10 m為臨時外壁），單層鋼筋砼井壁支護，-10 m～200 m為單層鋼筋砼井壁，-200 m～558 m為雙層鋼筋砼井壁。

1.2 井筒凍結(jié)段地質(zhì)條件

趙固一礦西風井自上而下穿過第四系（Q）沖積層44.95 m，新近系（第三系）（N）沖積層457.56 m，二疊系上石盒子組（P1x） 71.33 m，二疊系山西組（P1s）83.93 m。

1.3 井筒凍結(jié)段水文條件

根據(jù)趙固一礦精查地質(zhì)報告成果顯示，凍結(jié)段自上而下劃分為3個主要含水層組和1個隔水層組：第四系含水層，新近系中、底部砂、礫石含水層，基巖風化帶含水層；新近系泥、泥質(zhì)土層隔水層。

2 分層施工技術(shù)

凍結(jié)表土層擬采用立井挖掘機配合中心回轉(zhuǎn)抓巖機抓土裝土，人工風鎬平底、刷幫。凍結(jié)基巖層掘進擬采用傘鉆打眼，光面爆破，中心回轉(zhuǎn)抓巖機機械裝巖、人工清底；提升擬采用一主一副提絞車提升，配三個吊桶裝土裝矸，中心回轉(zhuǎn)抓巖機裝土裝矸；外壁采用2.5～4 m段高的下行液壓裝配式金屬模板進行混凝土砌壁，混凝土攪拌采用兩套混凝土攪拌機拌料、底卸式吊桶下灰。

2.1 臨時鎖口施工技術(shù)

一次將井筒挖掘至-5.1 m處，按外壁設計綁扎豎向鋼筋和環(huán)向鋼筋，豎向鋼筋一頭與臨時外壁的豎向鋼筋連接；在工作面組裝2.5 m段高整體下行金屬模板，施工混凝土臨時壁座。壁座以上為磚砌體結(jié)構(gòu)，采用機磚及砂漿灰砌筑，人工砌筑磚墻至設計位置，磚墻采用素土充填密實。

2.2 井筒試挖掘砌施工技術(shù)

凍結(jié)交圈后施工達到試挖條件后，開始試挖，采用吊桶提升。

2.2.1 凍結(jié)表土段試挖技術(shù)

當同時具備基本條件（水文觀測孔水位有規(guī)律地上升并冒水，測溫孔的溫度達到設計要求；凍結(jié)壁已發(fā)展到設計厚度，實際形成與觀測結(jié)果一致；去、回路鹽水溫差在2 ℃左右）后由-5.1 m向下試挖20 m。

試挖段采用短段掘砌混合作業(yè)，試挖用2.5 m段高模板，挖掘機掘進，人工輔助刷幫。在第一個段高掘進時，分區(qū)刷幫，每區(qū)先擴寬至荒徑，立上臨時支柱，逆時針方向逐段擴完（防井壁下沉）。

第一道模掘進夠段高后，將底板找平綁扎鋼筋。豎向鋼筋使用直螺紋連接套與臨時鎖口預留的豎向鋼筋連接；施工至-10 m時采用變徑（Φ20 mm變Φ22 mm）連接套與永久外壁豎筋連接。

混凝土澆筑采用設置在封口盤上的灰箱經(jīng)活節(jié)管入模，入模砼采用振動棒振搗密實。

在凍結(jié)壁發(fā)展到荒徑以前，如砂土層中含水，挖掘由井中向周邊擴展，利用在井中挖超前小井，控水集水，臺階式挖掘以防井幫塌落。

試挖結(jié)束后，進行吊盤的吊掛安裝工作：在模板上口搭操作架，將兩層吊盤下放至操作架上進行吊盤安裝。待凍結(jié)達到正式開挖條件進行凍結(jié)表土段外壁的掘進施工。

2.2.2 凍結(jié)表土段外壁掘砌施工技術(shù)

（1）表土段掘進施工

表土段采用立井凍結(jié)表土機械化快速施工法施工。

表土段全斷面一次掘進，立井挖掘機和中心回轉(zhuǎn)式抓巖機挖土裝罐，采用吊桶裝土、提升。先挖井筒凈徑以內(nèi)部分2.5 m深，然后進行刷幫，刷幫采取先間隔刷幫、后全部刷幫方法。最后全斷面挖掘到4 m并找平。按施工安排試挖段采用2.5 m段高模板，模板不組裝刃角，每模鋼筋綁扎后采用人工做假刃角；-10～ -200 mm設計為單層鋼筋，待試挖結(jié)束將段高增加至4 m后組裝刃角，每模綁扎鋼筋后找平底板，將模板與刃角同時下放至底板；-200～-558 m段設計為雙層鋼筋，全斷面掘夠4 m后將底板找平，退模時先將刃角下至底板找平找正，鋪設塑料泡沫板，綁扎外層及內(nèi)層鋼筋，鋼筋綁扎后將模板退至刃角上，使用4根5 t倒鏈將刃角均勻固定在模板上。

施工前做好相關(guān)準備工作，一旦發(fā)生片幫，立即架井圈支背板、擋住土層片幫，然后挖至設計段高后立即澆注混凝土。井幫片幫嚴重不穩(wěn)定時，應縮小施工段高至2.5 m。

根據(jù)凍結(jié)鉆孔布置及地質(zhì)情況，結(jié)合凍結(jié)施工經(jīng)驗，考慮最不利因素影響，預計施工至-400 m以下表土段凍土進入荒壁較多，掘進采用鉆爆法施工。鉆爆機具為：錨桿鉆機打眼，麻花鉆桿，采用抗凍水膠炸藥，炮孔深度不大于2.2 m。施工中應根據(jù)凍結(jié)管傾斜情況，及時調(diào)整周邊眼位置，保證周邊炮孔距凍結(jié)管不小于1.2 m?？刂瓶傃b藥量，周邊眼的裝藥長度不超過100 mm。

風動工具的防凍：在井口安設壓風脫水器，凈化壓風；使壓風經(jīng)過凍結(jié)溝槽，讓壓風預冷之后放掉冷凝的水分；配齊配足風動工具，出現(xiàn)上凍后及時更換；加強風動工具的維修保養(yǎng)，隨時檢修，確保正常運行；加防凍機油和工業(yè)酒精。

（2）凍結(jié)表土段爆破作業(yè)

使用鑿巖機打眼，配套麻花鉆桿、Ф51 mm注齒型錨桿鉆頭。掏槽眼深度3 m，其他炮眼2.8 m，炮孔直徑Φ51 mm。選用抗凍水膠炸藥，采用煤礦許用毫秒延期電雷管，380 V交流電井上放炮。打眼、裝藥并聯(lián)聯(lián)線，毫秒延期電雷管分段起爆。

（3）變徑掘進施工技術(shù)

按設計要求，外壁在-200 m處其凈直徑（Φ7100 mm→Φ7300 mm）， 壁 厚（500 mm→600 mm）；-380 m處其外壁凈直徑（Φ7300 mm→Φ7700 mm）， 壁 厚（600 mm→750 mm）。

-200 m處變徑施工方法：

施工至-200 m前一個段高（-196 m處），在以Φ7100 mm凈直徑施工情況下，外側(cè)毛斷面尺寸提前逐漸過渡至擴大后的毛斷面尺寸。當以Φ7100 mm凈直徑施工到-200 m時，下一個段高全部按擴大后的斷面挖掘，當達到4.0 m段高后，拆除原刃角，然后人工挖刃角，并在刃角內(nèi)鋪一層砂→鋪泡沫板→綁扎鋼筋→將底板鋪平，將雜物升井，將6寸的鋼管下放井底→將原模板下至底板的鋼管上解體，加變徑塊，組裝成Φ7300 mm新模板→然后上提模板至上一段高井壁的斜面下找正→澆注混凝土→向下沿凈斷面下挖約2 m左右，待上一段高混凝土凝固后再刷幫至荒徑→下放組裝新刃角，并用倒鏈提至新模板下→繼續(xù)沿擴大后的荒斷面下掘至一個段高的位置→下放新刃角，找正，堵刃角→鋪泡沫板→綁鋼筋→下放模板找正→澆注混凝土。用兩個段高完成變徑施工，隨后轉(zhuǎn)入擴大后斷面的正常施工，變徑施工前另行補充施工安全技術(shù)措施。

2.2.3 過粘土層掘進施工

（1）位移監(jiān)測及段高改變

進入深厚粘土層以后，每段高都必須進行位移監(jiān)測。為了保證位移數(shù)值的準確性，每個段高下掘至0.8 m時就將位移監(jiān)測的孔用風鎬開出，并且位移監(jiān)測孔盡量開至凍結(jié)壁。當監(jiān)測段高的井幫位移量超過50 mm/h，根據(jù)位移量、施工各工序的速度、總的循環(huán)時間，確定施工的段高。根據(jù)實際施工情況，將4 m段高縮短為2.5 m或1.5 m。縮短段高的井幫位移量仍超過50 mm/h，應及時將模板下的金屬刃腳拆除，風鎬開挖人造刃角，以進一步縮短井幫暴露高度。當采用最小1.5 m模板（有效段高1.4 m）無刃腳施工時，每個段高的井幫位移量仍超過50 mm/h，應及時將模板改為不超過1.2 m高的繩捆模板施工。

（2）卸壓槽施工

進入特大深厚鋁質(zhì)粘土層后，每個段高必須在開幫時間，在荒徑上均勻?qū)ΨQ挖8道豎向卸壓槽，卸壓槽用泡沫板填實。

（3） 井圈加固

在地壓較明顯、位移量較大的特殊地層以及砂層、黏土層交叉地層中，混凝土脫模后及時架20#槽鋼井圈加固。

2.2.4 凍結(jié)基巖段掘進施工

井筒凍結(jié)基巖段外壁采用立井機械化快速施工工法進行施工。

2.2.5 裝巖排矸

中心回轉(zhuǎn)抓巖機，抓巖機抓巖順序：抓出罐窩→抓取邊緣矸石（凍土）→抓井筒中間矸石（凍土）。

集中階段要充分發(fā)揮抓巖機抓巖能力和提升能力，盡快把堆集在井底的大量爆落矸石裝運到地面，同時指定專人檢查井壁安全，處理危巖、瞎炮，為下階段創(chuàng)造條件。

清底階段為加快清底速度，并保證清底質(zhì)量，為下一循環(huán)創(chuàng)造條件，采用人工多臺風鎬清底。

排矸采用一主一副提升絞車，配吊桶提升、出矸，掛鉤式翻矸、汽車排矸。

2.2.6 混凝土砌壁施工

挖至設計段高找平后，割水文管，當井壁溫度為0 ℃時安裝泡沫板，在表土段-10～ -200 m鋪設50 mm厚泡沫板，-200～ -503 m鋪設75 mm厚泡沫板，采用1寸鋼釘或Φ6 mm鋼筋固定，泡沫板采用對接方式。

綁扎鋼筋：鋼筋均采用Ⅱ級螺紋鋼，外壁環(huán)筋采用直徑25 mm螺紋鋼，豎筋采用直徑22 mm螺紋鋼。鋼筋在使用時環(huán)筋按照設計曲率半徑彎成弧形，豎向鋼筋采用螺紋連接。環(huán)筋排距230 mm，豎筋間距250 mm，要求豎筋鉛垂，環(huán)筋水平，用16#扎絲雙股鐵絲綁扎，每個搭接部位平均綁扎3道，外層鋼筋保護層不得小于70 mm。

澆筑混凝土：（1）砌筑采用單縫液壓式整體金屬下行模板、液壓油缸脫模。模板由直模和刃角組成，根據(jù)施工安排試挖結(jié)束組裝刃角，-200 m以上刃角使用螺栓固定在直模上（配保險繩），每模綁扎鋼筋后將模板與刃角整體退至底板，-200～ -558 m段刃角與模板分為兩部分，刃角使用倒鏈固定在模板上，底板找平后將刃角退至底板綁扎外層及內(nèi)層鋼筋，鋼筋綁扎完成將模板退至刃角上，找正模板澆筑混凝土。（2）砼攪拌機拌灰，砼配料機配料和稱重配料儀稱重，底卸式吊桶下灰，通過分灰器、溜灰管入模。（3）入模砼采用插入式風動振搗器通過窗口進行分層（每300～400 mm厚為一層）振搗。（4）振搗質(zhì)量應合格。

脫模：從井上將風動液壓泵站下到井下，接上風管，并給油缸對上高壓油管，接頭要絕對干凈，開動風動液壓站，啟開高壓閥門，使油缸工作帶動活塞內(nèi)收，使模板脫開砌壁。

3 結(jié)語

（1）井筒凍結(jié)段施工順序。凍結(jié)表土段（按-200 m以上不實施退刃角找正工序）：挖土至設計段高找平→釘泡塑板→（退刃角找正）→綁扎鋼筋→下放模板找正→澆筑混凝土→拆模；凍結(jié)基巖段：畫輪廓線→打眼→裝藥放炮→通風驗炮→出矸→退刃角找正→綁扎鋼筋→下放模板找正→澆筑混凝土→拆模。

（2）分層施工針對不同層位的地質(zhì)條件采取不同的施工技術(shù)，可達到設計要求。