大斷面斜井明槽安全快速施工

吉永明

(平煤神馬建工集團(tuán)有限公司 建井三處，河南 平頂山 467000)

在國家政策引領(lǐng)下和精煤市場供求關(guān)系影響下，中國平煤神馬集團(tuán)及時(shí)對優(yōu)質(zhì)礦井進(jìn)行產(chǎn)能升級改造，釋放優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能，在河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦增設(shè)了主斜井工程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能升級。因此，主斜井工程施工對工期提出更高的要求，必須加快施工速度。首山一礦主斜井作為集團(tuán)重點(diǎn)工程項(xiàng)目，工期緊迫，行人口段明槽作為關(guān)鍵線路工程，其施工速度至關(guān)重要，影響著整個(gè)斜井工期，施工進(jìn)度和質(zhì)量關(guān)系到施工單位的施工能力、管理水平以及其他參建單位的管理水平。

由于斜井明槽掘進(jìn)斷面較大，支護(hù)形式復(fù)雜、支護(hù)工作量大，常規(guī)施工方法必然導(dǎo)致明槽段工期延誤，必須尋求新的施工工藝和施工設(shè)備來滿足礦方對主斜井施工安全、施工工期和工程質(zhì)量要求。為實(shí)現(xiàn)工期目標(biāo)，明槽必須盡早破土開挖，恰逢雨季，地表水涌水量較大，必然給表土開挖造成較大的影響，惡化作業(yè)環(huán)境。

為此，對首山一礦主斜井行人口明槽快速施工技術(shù)的展開研究與實(shí)踐，采取引水溝+預(yù)注漿綜合防治水技術(shù)，利用“防、堵、疏、排、截”等手段，實(shí)現(xiàn)了“打干井”和邊坡穩(wěn)定；利用錨網(wǎng)噴+注漿綜合護(hù)坡手段，實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定；大塊組裝模板的使用，使模板組裝工期節(jié)省了6 d，井壁內(nèi)、外表面光滑，井壁質(zhì)量合格，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 工程概況

河南平寶煤業(yè)有限公司首山一礦主斜井設(shè)計(jì)長度2 723.1 m，包括井身段、行人口段和運(yùn)煤口段，2個(gè)明槽出口在井身段以上分開，行人口與井身段方位一致，方位角44°，2個(gè)出口夾角98.5°。其中行人口明槽設(shè)計(jì)長度29.85 m，坡度-19.8°，掘進(jìn)寬度6.2 m，掘進(jìn)高度4.7 m，掘進(jìn)斷面26.7 m2。明槽兩側(cè)邊坡角設(shè)計(jì)為50°，迎坡角設(shè)計(jì)為60°，仰坡底部最大垂深10.14m，上口最寬處達(dá)30.45m，挖土量2 378 m3。由于邊坡和迎坡設(shè)計(jì)坡度大，明槽開挖過程中，需及時(shí)對邊坡和仰坡進(jìn)行噴漿加固，噴漿厚度50mm，仰坡需增設(shè)錨網(wǎng)，錨桿規(guī)格為φ22mm×2 400 mm，間距800 mm×800 mm，金屬網(wǎng)采用φ4 mm冷拔絲編制網(wǎng)，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，確保邊坡穩(wěn)定。明槽永久支護(hù)為雙層鋼筋+砌碹，T=400 mm，巷道鋪底厚度為200 mm，砂石片漿300 mm。明槽段所處地層為第四系，礦井附近第四系松散空隙含水層最大涌水量約為34.6 m3/h，水量較大，且主斜井是首山一礦產(chǎn)能升級項(xiàng)目，工期緊迫。主斜井行人口明槽段斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 主斜井行人口明槽段斷面設(shè)計(jì)Fig.1 Cross section design of open channel section of main inclined shaft

2 明槽施工

2.1 土體開挖與轉(zhuǎn)運(yùn)

通過優(yōu)化施工設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)了明槽段表土快速開挖和轉(zhuǎn)運(yùn)[1-2]。明槽段選用大型挖掘機(jī)，分層分段開挖，人工鐵鍬配合刷邊，分層高度3～5 m。根據(jù)明槽段土質(zhì)和設(shè)計(jì)情況，選用了XE200DA履帶挖掘機(jī)[3]，最大挖掘深度達(dá)6 460 mm，最大卸載高度 7 170 mm，滿足低挖掘、高卸載使用要求，挖土效率高?？紤]到明槽回填土方量所占比例較大(約為89%)，開挖土體可按規(guī)定堆放在明槽兩側(cè)，不需長距離搬運(yùn)，選用了DL503N-9C型裝載機(jī)，卸載高度為3 185 mm，滿足設(shè)計(jì)堆土高度要求，轉(zhuǎn)運(yùn)土能力強(qiáng)，與挖土能力相匹配。

開挖前，在井口附近形成二級沉淀池，便于開挖過程中排水。挖土從井口向明槽底部、由中間向兩幫進(jìn)行，底板中部略高于兩側(cè)，防止挖掘機(jī)底部聚水。開挖一段，錨噴支護(hù)一段，在邊坡表面形成堵水墻，對表土及時(shí)進(jìn)行封閉、加固，并進(jìn)行有效的防水、堵水。明槽左、右兩側(cè)開挖與臨時(shí)錨噴交替進(jìn)行，及時(shí)支護(hù)，保證了邊坡穩(wěn)定。第2層開挖采取后退式，直接挖至明槽設(shè)計(jì)底板，從明槽底部向井口、由深到淺進(jìn)行挖土，便于挖掘機(jī)甩土。土方卸載到地面以后，將符合回填要求的土方直接用鏟車推運(yùn)到規(guī)定位置，以便回填。

明槽開挖前，在斜井周圍打設(shè)鉆孔進(jìn)行注漿，將地表水圍截到斜井施工范圍之外。鉆孔布置在沿斜井周圍外40 m×15 m 的矩形邊長上，設(shè)計(jì)3 m一個(gè)，采用深淺鉆孔結(jié)合的方式進(jìn)行打設(shè)。鉆孔施工后進(jìn)行注漿，形成一個(gè)矩形帷幕。地面預(yù)注漿方案鉆孔布置如圖2所示。

圖2 地面預(yù)注漿方案鉆孔布置Fig.2 Borehole layout for ground pre-grouting scheme

由于主斜井工期緊迫，明槽作為井筒施工切入點(diǎn)，必須盡早動土開挖。開挖期間恰逢雨季，土體蓄水及地表水綜合作用，加重了明槽防治水任務(wù)壓力。開挖第2層時(shí)，涌水量不斷增大，水源主要是土體蓄水補(bǔ)給。采取引水溝+預(yù)注漿綜合防治水技術(shù)[4-5]，通過“防、堵、疏、排”等手段，防止了土體泥化，改善了作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了“打干井”和邊坡穩(wěn)定。首先在明槽底板兩側(cè)各挖一條引水溝，將水引到槽底，然后在槽底兩側(cè)挖2個(gè)集水小井，分別放置水泵將水排出明槽以外。底部邊坡出現(xiàn)的個(gè)別集中出水孔，采取了臨時(shí)疏放的辦法，將水用水帶引至明槽底部的集水小井，一并排出明槽以外。邊坡暴露面積隨著挖土不斷增大，涌水量也逐漸增加，無法進(jìn)行噴漿護(hù)表，底板涌水導(dǎo)致挖掘機(jī)挖土和后退困難。于是，不得不進(jìn)行工作面注漿[6]治理表土涌水，采取深淺孔注漿相結(jié)合的辦法，深孔3.0 m，淺孔1.5 m，插花布置，間、排距均為1 400 mm。注漿材料采用水泥漿，必要時(shí)選用水泥+水玻璃雙液漿。通過工作面注漿，明槽邊坡及周圍土體得到了有效加固，土體整體性好，有效防止了土體坍塌，保證了邊坡穩(wěn)定。同時(shí)，工作面涌水量很快得到了控制，解除了水災(zāi)危害。表土開挖與工作面預(yù)注漿平行作業(yè)，不影響明槽挖土施工。

仰坡還進(jìn)行了超前管棚注漿[7]，沿斜井拱頂設(shè)計(jì)輪廓線以外500 mm施工注漿管，注漿管規(guī)格為φ50 mm×9 m，間距300 mm。注漿管安裝好以后，連接注漿管路進(jìn)行注漿。注漿部位距地表約6 m，注漿壓力不能太大，按4 MPa考慮。注漿過程中，必須仔細(xì)觀察注漿面情況，當(dāng)注漿面出漿或注漿壓力達(dá)到4 MPa 時(shí)，及時(shí)停止注漿。管棚注漿與工作面注漿一樣，可與表土開挖平行作業(yè)，為斜井進(jìn)入暗硐施工創(chuàng)造了良好條件。另外，此時(shí)在明槽敞開空間注漿作業(yè)，注漿泵、攪拌機(jī)等直接設(shè)置在地面，操作更方便，與回填后在斜井內(nèi)進(jìn)行工作面預(yù)注漿相比，還縮短了措施工程占用時(shí)間，節(jié)約斜井掘砌工期。通過采取工作面注漿(含仰坡管棚注漿)措施，明槽開挖結(jié)束時(shí)，工作面總涌水量僅為1.5 m3/h。

2.2 組裝內(nèi)模板

內(nèi)模板使用自主設(shè)計(jì)、加工的高強(qiáng)度組合鋼模板[8-9]，面板和支撐系統(tǒng)均由鋼板承擔(dān)，連接配件采用高強(qiáng)度螺栓，每架組合模板由4條腿和9塊組合拱構(gòu)成。結(jié)合主斜井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)情況，共計(jì)加工了30 m組合模板(明槽以下的表土段和主斜井運(yùn)煤口均可使用)，一次完成明槽段模板架設(shè)，減少工序轉(zhuǎn)換，模板表面光滑，實(shí)現(xiàn)連續(xù)澆筑混凝土。

明槽鋪底前，在底板預(yù)埋注漿管，底板混凝土強(qiáng)度具備條件后，進(jìn)行壁后注漿[10]，隔絕底板水源，完成鋪底后，開始組裝內(nèi)模板。碹骨支腿嚴(yán)格按中心腰線進(jìn)行組立，先在腰線下找出幾個(gè)點(diǎn)，再用鋁合金尺桿找成一條線。因明槽段斷面大，拱部鋼模板組裝前，在井筒內(nèi)部從底部向井口搭建工作臺，工作臺上鋪設(shè)厚50 mm的木板。拱部模板塊整體一次壓制成型、曲線度高，搭接少，避免出現(xiàn)麻面、孔洞等質(zhì)量缺陷，穩(wěn)定性好。該模板一個(gè)小班可組裝2架，明槽段30 m內(nèi)模板的組裝工期比通常采用的盒子板節(jié)省了一半時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了快速組裝。

2.3 鋼筋綁扎

鋼筋綁扎[11]施工順序：內(nèi)圈橫筋→內(nèi)圈縱筋→外圈橫筋→外圈縱筋→拉筋。

施工方法：先放設(shè)幾道內(nèi)圈橫筋，按明槽設(shè)計(jì)坡度將其固定，用木楔塞墊與內(nèi)模保持50 mm間距，作為保護(hù)層，然后把內(nèi)圈縱筋用鐵絲與橫筋捆扎牢固。用同樣的方法固定外層鋼筋，最后固定拉筋。鋼筋綁扎過程中，注意橫筋與縱筋交互進(jìn)行，防止鋼筋籠受力不均勻而失穩(wěn)。澆筑混凝土前，把內(nèi)圈筋使用的木楔墊層全部取出，保證井壁質(zhì)量。

2.4 組立外模板

自主設(shè)計(jì)的裝配式木模板[12]作為外模板，該模板由九厘木板、鋼板帶、加長螺栓構(gòu)成。每塊九厘木板的面積大，加上鋼帶支撐，整體性好、曲線度高，能滿足澆筑混凝土要求，與內(nèi)模板配合使用，解決外模封堵難、加固難及井壁外表面成型差的問題，節(jié)約人工投入、混凝土材料投入；外模板內(nèi)表面光滑，保證了井壁外表面成型規(guī)整，觀感良好，局部觀感質(zhì)量可達(dá)清水混凝土施工水平。鋼筋綁扎完畢后，即可組立外模板。先將鋼板帶按照井壁外徑大小，計(jì)算、加工相應(yīng)大小的弧形鋼帶，利用加長螺栓將九厘木板和鋼板帶連接到整體內(nèi)模板上，九厘木板與內(nèi)模板的間距不小于400 mm(混凝土井壁厚度)，且外圈筋保護(hù)層厚度符合設(shè)計(jì)要求。正頂處暫不封口，預(yù)留寬度約500 mm，用于澆筑混凝土及振搗，后期隨著混凝土澆筑，從底部向井口方向封口。每500 mm架設(shè)一道鋼板帶，確保外模板牢固。

2.5 井壁澆筑

井壁澆筑采用商品混凝土，有利于快速連續(xù)澆筑。澆筑過程中要加強(qiáng)觀察，發(fā)現(xiàn)移動及時(shí)進(jìn)行加固并停止?jié)仓?。每澆?00～500 mm，用震動棒振搗1次，振搗至混凝土表面返漿為止。

井壁澆筑結(jié)束48 h，且混凝土強(qiáng)度符合要求，方可從井口開始由上到下逐架拆除模板。拆模時(shí)，先去掉兩架之間的螺栓，用大錘震動碹骨，再用導(dǎo)鏈連接碹骨支腿，拉動支腿使其向指定方向傾倒。拉支腿時(shí)，作業(yè)人員必須躲在上山方向安全可靠的地方，避開碹骨板滑落區(qū)域。模板拆除后，及時(shí)按要求對井壁灑水養(yǎng)護(hù)，經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)，混凝土強(qiáng)度符合要求后，在井壁外表面涂抹瀝青防水層，防止地表水滲入斜井。

2.6 明槽回填和地面后注漿

為確保明槽永久使用質(zhì)量，土方回填之前，在明槽井壁以外需要回填的區(qū)域均勻預(yù)埋注漿管，回填后進(jìn)行注漿加固，隔絕井壁周圍水源和地表水等。注漿管長短結(jié)合，長度1.5～5.0 m，間排距2 000 mm×2 000 mm，采取金屬網(wǎng)等固定，外露工業(yè)場地地坪以上300 mm。

注漿管預(yù)埋完成后，采用人工加機(jī)械夯實(shí)的方法進(jìn)行回填?；靥钔潦褂梅弦蟮酿ば酝粱虬韬屯粒椒謱犹钪?，逐層碾壓，虛鋪厚度一般控制在300～400 mm，壓實(shí)4～6遍。

回填完成后，進(jìn)行壁后注漿加固。注漿材料選用水泥漿+QBZ-BI防水劑(3.8%)，注漿壓力控制在4 MPa，以不造成井壁損壞及地面出漿為準(zhǔn)。

3 結(jié)論

通過采取引水溝+預(yù)注漿防治水方案，明槽施工實(shí)現(xiàn)了“打干井”作業(yè)，優(yōu)化了作業(yè)環(huán)境，挖土速度明顯提高，管棚超前注漿為下一步明槽進(jìn)入暗硐施工創(chuàng)造了條件；組合內(nèi)模板與裝配式外模板的設(shè)計(jì)與使用，節(jié)約了模板組裝工期，解決了井壁錯臺多的問題，井壁質(zhì)量合格，內(nèi)、外表面觀感良好；預(yù)埋注漿管后注漿，縮短了打注漿孔和安裝時(shí)間，提高了井壁的永久使用質(zhì)量。該綜合施工技術(shù)在該斜井運(yùn)煤口明槽施工中得到了成功實(shí)施，效果良好，能為大斷面斜井明槽及其他類似工程快速施工提供借鑒，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。