立井井筒表土施工

 

立井井筒工程是礦井建設(shè)的關(guān)鍵工程。我國(guó)立井井筒的特點(diǎn)：井筒深度大、斷面積大、表土層厚、水文地質(zhì)條件復(fù)雜。因此，導(dǎo)致施工難度大，施工技術(shù)復(fù)雜、施工工期長(zhǎng)。雖然井筒工程量只占礦井建設(shè)工程量的5％左右，而施工工期卻往往占建井總工期的40％～50％，而且鑿井工程的總體布署，對(duì)后續(xù)工程會(huì)有很大影響。因此，提高立井施工機(jī)械化裝備水平，采用先進(jìn)的施工技術(shù)，做好井內(nèi)涌水的綜合治理，是加快鑿井速度，縮短鑿井工期，提高工程質(zhì)量和工效的有效措施，也是加快礦井建設(shè)速度和縮短建井總工期的關(guān)鍵。

立井井筒一般要穿過(guò)表土與基巖兩個(gè)部分，其施工技術(shù)由于圍巖條件不同各有特點(diǎn)。表土施工方案選擇主要考慮工程的安全，而基巖施工主要考慮施工速度。

由于表土松軟，穩(wěn)定性較差，經(jīng)常含水，并直接承受井口結(jié)構(gòu)物的荷載。所以，表土施工比較復(fù)雜，往往成為立井施工的關(guān)鍵工程。

近幾年來(lái)，我國(guó)立井施工技術(shù)和機(jī)械化裝備水平有了很大的提高。其中表土施工技術(shù)和施工水平也在不斷進(jìn)步。但在施工中仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)，尤其是深厚表土層中立井井筒的施工方法比較單一，施工技術(shù)還存在一些問(wèn)題，制約著立井井筒的整體質(zhì)量，因此必須認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，勇于創(chuàng)新，不斷推進(jìn)深厚表土層立井井筒的施工技術(shù)。

在立井井筒施工中，覆蓋于基巖之上的第四紀(jì)沖積層和巖石風(fēng)化帶統(tǒng)稱(chēng)為表土層。由于表土層土質(zhì)松軟、穩(wěn)定性差、變化大，且一般均有涌水；又因接近地表，直接承受井口構(gòu)筑物的荷載，因此，對(duì)立井井筒施工方案的選擇影響比較大。

表土通常是以土為骨架（主要是礦物和一些有機(jī)體），并和水、空氣組成三相體，由于各個(gè)煤田的地質(zhì)和水文條件的不同，土的結(jié)構(gòu)性質(zhì)（礦物成分和顆粒大?。⒑?、水壓和滲透性，以及土層厚度和賦存關(guān)系等各項(xiàng)性能指標(biāo)變化很大，反映在工程上的穩(wěn)定性及施工時(shí)的難易程度差別也大。其中對(duì)土層穩(wěn)定性起決定作用的是土質(zhì)結(jié)構(gòu)性質(zhì)和含水情況，而水對(duì)土的穩(wěn)定性影響是很大的，如井內(nèi)涌水處理不當(dāng)，不但影響施工速度和質(zhì)量，往往造成井筒片幫、壁后空洞、地面塌陷，以至直接關(guān)系到施工的成敗。

按表土土質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，我國(guó)煤田表土層可歸納為以下四類(lèi)：

（1）松散性土層。主要由礫（卵）石、砂和粉砂等非粘結(jié)性土質(zhì)組成，顆粒間無(wú)粘聚力，呈松散狀態(tài)。土的顆粒愈大，透水性愈好，內(nèi)摩擦力也愈大，其穩(wěn)定性也增大。其中細(xì)粒砂土，在水量及水壓增大時(shí)呈流動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定性很差，稱(chēng)流砂，它是施工中最難處理的土層。

（2）粘結(jié)性土層。主要由粘土及含砂量少的砂質(zhì)粘土組成。土層致密，均勻堅(jiān)硬，塑性強(qiáng)，透水性少，含水量少，穩(wěn)定性好。

（3）大孔性表土。主要由多孔性黃土組成，大多為粉土顆粒，含有大量膠結(jié)物（石鹽、石膏、碳酸鈣等鹽類(lèi)）。在受水浸濕前，強(qiáng)度較高，壓縮性小，能保持直立的邊坡；但一遇到水，膠結(jié)物松解溶化，土層變軟，易于沉陷坍塌而失去穩(wěn)定性。

（4）其它特殊土層。主要包括膨脹土和巖石風(fēng)化帶。膨脹士主要由親水性礦物組成，具有吸水膨脹和失水收縮的特點(diǎn)，如膨脹性大的粘土等。沖積層與基巖的交界處，常夾有一層巖石風(fēng)化帶。其巖層松散、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)，有的還遇水軟化、膨脹、崩解（如華東地區(qū)的紅層）。由于穩(wěn)定性較差，在建井施工中，一般將它與第四紀(jì)沖積層一并考慮。

表土的物理力學(xué)性質(zhì)，隨著含水程度的變化而改變，水對(duì)不同類(lèi)型的顆粒成分和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響也是不一樣的。水能使土變軟、液化，使顆粒間粘結(jié)力和內(nèi)摩擦力減小，變成塑性或流動(dòng)狀態(tài)；水在土中產(chǎn)生靜（動(dòng)）水壓力，增強(qiáng)了土的流動(dòng)性；含有自由堿、酸和鹽的水，對(duì)表土起化學(xué)作用；水量愈大，水壓愈大，浸水時(shí)間愈長(zhǎng)，土的變形愈大，土的穩(wěn)定性也愈差，所以在表土施工中對(duì)水的處理應(yīng)特別重視。

工程中按表土穩(wěn)定性將其分成兩大類(lèi)：

（1）穩(wěn)定表土層。包括含非飽和水的粘土層、含少量水的砂質(zhì)粘土層，無(wú)水的大孔性土層和含水量不大的礫（卵）石層等。

（2）不穩(wěn)定表土層。包括含水砂土、淤泥層、含飽和水的粘土、浸水的大孔性土層、膨脹土和華東地區(qū)的紅色粘土層等。

由于表土層并非單一土層，往往是不同性質(zhì)土層的互層，對(duì)于表土施工，主要應(yīng)考慮其中不穩(wěn)定土層的施工方法和措施，因?yàn)檫@類(lèi)土層將嚴(yán)重影響施工安全和施工速度。

 

第一節(jié)  立井井筒的鎖口施工

在井筒進(jìn)入正常施工之前，不論采用哪一種施工方法，都應(yīng)先砌筑鎖口，用以固定井筒位置、鋪設(shè)井蓋、封嚴(yán)井口和吊掛臨時(shí)支架或井壁。

根據(jù)使用期限，鎖口分臨時(shí)鎖口和永久鎖口兩類(lèi)。永久鎖口是指井頸上部的永久井壁和井口臨時(shí)封口框架（鎖口框）；臨時(shí)鎖口由井頸上部的臨時(shí)井壁（鎖口圈）和井口臨時(shí)封口框所組成。

鎖口框一般用鋼梁（I20～I(xiàn)45）鋪設(shè)于鎖口圈上，或獨(dú)立架于井口附近的基礎(chǔ)上。梁上可安設(shè)井圈，掛上普通掛鉤或鋼筋，用以吊掛臨時(shí)支架或永久井壁。見(jiàn)圖5-1和圖5-2。

 

圖5-1  鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易鎖口框	圖5-2  鋼木結(jié)構(gòu)鎖口框
1－鋼梁；2－U形卡子；3－井圈；4－掛鉤； 5－背板；6－墊木	1－主梁；2－1＃副梁；3－2＃副梁；4－3＃副梁； 5－臨時(shí)井壁；6－灰土基礎(chǔ)

臨時(shí)鎖口的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：

（1）鎖口結(jié)構(gòu)要牢固，整體性要好。

（2）鎖口梁一般要布置在同一平面上，各梁受力要均勻。；

（3）鎖口梁的布置應(yīng)盡量為測(cè)量井筒時(shí)下放中、邊線(xiàn)創(chuàng)造方便條件。

（4）鎖口梁下采用方木鋪墊或磚石鋪墊時(shí)，其鋪設(shè)面積應(yīng)與表土抗壓強(qiáng)度相一致。必要時(shí)，可用灰土夯實(shí)。墊木一般不少于三層，而且要鋪設(shè)平穩(wěn)。墊木鋪設(shè)面積應(yīng)與表土抗壓強(qiáng)度相適應(yīng)。

（5）鎖口結(jié)構(gòu)應(yīng)有較強(qiáng)的承載能力，鎖口梁支撐點(diǎn)應(yīng)與井口有一定距離。

（6）臨時(shí)鎖口標(biāo)高盡量和永久鎖口標(biāo)高一致，或高出原地表，以防洪水進(jìn)入井內(nèi)；

（7）在地質(zhì)穩(wěn)定和施工條件允許時(shí)，盡量利用永久鎖口或永久鎖口的一部分代替臨時(shí)井壁，以減少臨時(shí)鎖口施工和拆除的工程量；

（8）鎖口應(yīng)盡量避開(kāi)雨季施工，為阻止井口邊緣松土塌陷和防止雨水流入井內(nèi)，除調(diào)整地面標(biāo)高外，還可砌筑環(huán)行擋土墻及排水溝；

（9）矸石溜槽下端地面應(yīng)有防止地面水流入井筒的措施。

 

第二節(jié)  立井井筒表土普通施工法

立井井筒表土段施工方法是由表土層的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件決定的。立井井筒穿過(guò)的表土層，按其掘砌施工的難易程度分為穩(wěn)定表土層和不穩(wěn)定表土層。穩(wěn)定表土層就是在井筒掘砌施工中井幫易于維護(hù)，用普通方法施工能夠通過(guò)的表土層，其中包括含非飽和水的粘土層、含少量水的砂質(zhì)粘土層，無(wú)水的大孔性土層和含水量不大的礫（卵）石層等。不穩(wěn)定表土層就是在井筒掘砌施工中井幫很難維護(hù)，用普通方法施工不能通過(guò)的表土層，其中包括含水砂土、淤泥層、含飽和水的粘土、浸水的大孔性土層、膨脹土和華東地區(qū)的紅色粘土層等。

根據(jù)表土的性質(zhì)及其所采用的施工措施，井筒表土施工方法可分為普通施工法和特殊施工法兩大類(lèi)。對(duì)于穩(wěn)定表土層一般采用普通施工法，而對(duì)于不穩(wěn)定表土層可采用特殊施工法或普通與特殊相結(jié)合的綜合施工方法。

立井表土普通施工法主要可采用井圈背板普通施工法、吊掛井壁施工法和板樁法。

一、井圈背板普通施工法

井圈背板普通施工法是采用人工或抓巖機(jī)（土硬時(shí)可放小炮）出土，下掘一小段后（空幫距不超過(guò)1.2m），即用井圈、背板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，掘進(jìn)一長(zhǎng)段后（一般不超過(guò)30m），再由下向上拆除井圈、背板，然后砌筑永久井壁，如圖5-3。如此周而復(fù)始，直至基巖。這種方法適用于較穩(wěn)定的土層。

 

圖5-3  井圈背板普通施工法	圖5-4  吊掛井壁施工法
1－井壁；2－井圈背板；3－模板； 4－吊盤(pán)；5－混凝土輸送管；6－吊桶	1－井壁；2－吊掛鋼筋；3－模板；4－吊桶

二、吊掛井壁施工法

吊掛井壁施工法是適用于穩(wěn)定性較差的土層中的一種短段掘砌施工方法。為保持土的穩(wěn)定性，減少土層的裸露時(shí)間，段高一般取0.5～1.5m。并按土層條件，分別采用臺(tái)階式或分段分塊，并配以超前小井降低水位的挖掘方法。吊掛井壁施工中，因段高小，不必進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。但由于段高小，每段井壁與土層的接觸面積小，土對(duì)井壁的圍抱力小，為了防止井壁在混凝土尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前失去自身承載承能力，引起井壁拉裂或脫落，必須在井壁內(nèi)設(shè)置鋼筋，并與上段井壁吊掛，如圖5-4。

這種施工方法可適用于滲透系數(shù)大于5m/d，流動(dòng)性小，水壓不大干0.2MPa的砂層和透水性強(qiáng)的卵石層，以及巖石風(fēng)化帶。吊掛井壁法使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，施工安全。但它的工序轉(zhuǎn)換頻繁，井壁接茬多，封水性差。故常在通過(guò)整個(gè)表土層后，自下而上復(fù)砌第二層井壁。為此，需按井筒設(shè)計(jì)規(guī)格，適當(dāng)擴(kuò)大掘進(jìn)斷面。

 

圖5-5  地面直板樁施工法

1－外導(dǎo)圈；2－內(nèi)導(dǎo)圈；3－板樁； 4－打樁機(jī)；5－軌道

三、板樁施工法

對(duì)于厚度不大的不穩(wěn)定表土層，在開(kāi)挖之前，可先用人工或打樁機(jī)在工作面或地面沿井筒荒徑依次打入一圈板樁，形成一個(gè)四周密封的圓筒，用以支承井壁，并在它的保護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)，圖5-5為地面直板樁施工法。

板樁材料可采用木材和金屬材料兩種。木板樁多采用堅(jiān)韌的松木或柞木制成，彼此采用尖形接榫。金屬板樁常用12號(hào)槽鋼相互正反扣合相接。根據(jù)板樁入土的難易程度可逐次單塊打入，也可多塊并成一組，分組打入。對(duì)于木板樁一般比金屬板樁取材容易，制作簡(jiǎn)單，但剛度小，入土困難，板樁間連接緊密性差，故用于厚度為3～6m的不穩(wěn)定土層。而金屬板樁可根據(jù)打樁設(shè)備的能力條件，適用于厚度8～10m的不穩(wěn)定土層，若與其它方法相結(jié)合，其應(yīng)用深度可較大。

四、表土普通施工法的輔助工作

(一)表土施工提升工作

表土施工提升方式可采用簡(jiǎn)易提升方式和標(biāo)準(zhǔn)鑿井井架構(gòu)成的提升系統(tǒng)進(jìn)行提升。簡(jiǎn)易提升方式可采用三角架、簡(jiǎn)易龍門(mén)架、帳幕式井架和汽車(chē)起重機(jī)等。

1.三角架

采用三根ф159的無(wú)縫鋼管，每根鋼管焊上一塊搭接鋼板，并聯(lián)接成一整體，管子底端焊一10mm厚的鋼板，用螺栓與基礎(chǔ)固定。三角架高度根據(jù)提升要求確定，一般不低于6m。使用1m³左右的吊桶，提升高度一般不應(yīng)超過(guò)20m（小井可稍深些）。

2.簡(jiǎn)易龍門(mén)架

它是由立柱和橫梁組成的門(mén)式框架（圖5-6），由于它的跨度可加大，對(duì)不同的井筒直徑有較大的適應(yīng)性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組裝拆卸方便，配以鑿井絞車(chē)和1.5～2m³左右的吊桶，可用于深度不超過(guò)40m的表土施工。

3.帳幕式井架

一般用鋼管或木材制成，它的基本結(jié)構(gòu)為四柱型（圖5-7），根據(jù)荷載條件，在一面或數(shù)面加上斜撐，以增加其穩(wěn)定性與承載能力。它既可吊掛提升設(shè)備，還可懸吊其它施工設(shè)備與管線(xiàn)，可適用于垂深80～100m左右的表土施工。

4.汽車(chē)起重機(jī)

汽車(chē)起重機(jī)是移動(dòng)式的提升設(shè)備，機(jī)動(dòng)靈活，不必另立井架，井口布置簡(jiǎn)單。但它提升能力小，只能用于淺部的表土施工，常配以0.5～1m³的小吊桶，適用于深度不超過(guò)30m的井筒施工。

上述幾種提升設(shè)備的提升能力小，施工速度慢，安全性差。但其設(shè)備簡(jiǎn)單，安拆方便，適用于表土承載能力低的淺部表土施工。

 

圖5-6  簡(jiǎn)易龍門(mén)架	圖5-7  帳幕式井架
1－工字鋼；2、3、4、5－無(wú)縫鋼管骨架或支撐；6－吊桶	1－提升天輪；2－滑架；3－提升鉤；4－吊桶；5－拉條；6－方木；7－夾板；8－扁鋼拉板

當(dāng)井口表土層條件允許、永久設(shè)備又能及時(shí)到貨時(shí)，可一次樹(shù)立永久井架，利用永久設(shè)備進(jìn)行表土施工。它可省去臨時(shí)設(shè)備、設(shè)施的改裝時(shí)間，縮短施工工期。

(二)表土施工降水工作

井筒表土普通施工法中應(yīng)特別注意水的處理，一般可采用降低水位法增加施工土層的穩(wěn)定性。

1.工作面降低水位法

在不穩(wěn)定土層中，常采用工作面超前小井或超前鉆孔兩種方法來(lái)降低水位。它們都是在井筒中用泵抽水，使周?chē)纬山邓┒?，變?yōu)樗幌陆档氖韪蓞^(qū)，以增加施工土層的穩(wěn)定性。

 

圖5-8 工作面超前小井降低水位	圖5-9  工作面超前鉆孔降低水位
1－小鐵井；2－理想水位下降曲線(xiàn)；3－含水層；4－木盤(pán)；5－背板；6－井圈，7－吊掛井壁	1－吸水管；2－濾水管；3－棕皮麻繩； 4－碎石濾水層，a－兩臺(tái)水泵的合理間距

（1）工作面超前小井降低水位法  它是用小方木做成1.5×1.5m的方形筒或直徑為1.5～2.0m的鐵質(zhì)圓形筒，用挖掘法或自重沉入土層中，筒的四周均有濾水孔槽，必要時(shí)可填入草袋，麻片等濾水物，用以防止周?chē)巴岭S水進(jìn)入小井，吸入泵內(nèi)，磨損水泵零件，見(jiàn)圖5-8。工作面超前小井的位置應(yīng)與吊桶位置錯(cuò)開(kāi)，不要相互影響，并盡量靠近井筒中心。小井工作面一般超前井筒工作面1.5～2.5m以上。小井內(nèi)吸水籠頭要經(jīng)常注意清理。注意小井施工時(shí)土層的變化情況，并為大井施工提供資料。隨著井筒工作面的向下掘進(jìn)、小井也要相應(yīng)挖掘下沉，并保持井內(nèi)及時(shí)排水。

（2）工作面超前鉆孔降低水位法  這種方法是在井筒偏中心位置，鉆兩個(gè)直徑為660mm的鉆孔至基巖，鉆孔間距相當(dāng)于兩臺(tái)泵的合理間距。在鉆孔內(nèi)下放濾水管，管外纏以棕皮、并加碎石用以濾水，如圖5-9所示。掘進(jìn)時(shí)，工作面形成鍋底式或臺(tái)階式，每掘進(jìn)1m將混凝土管打碎1m。吸水龍頭放在管內(nèi)吸水，管內(nèi)水平與工作面高差應(yīng)大于0.5m。超前鉆孔的施工可采用地質(zhì)鉆機(jī)，濾水管可采用1mm鋼板制作，也可用混凝土制作。注意鉆孔位置應(yīng)和提升吊桶位置相互錯(cuò)開(kāi)，鉆孔應(yīng)保證一定的垂直度。

工作面降低水位法由于超前小井或超前鉆孔降低水位的深度及范圍不大，故只適用于井筒斷面較小，厚度不大的不穩(wěn)定土層，或作為表土施工方法的一種臨時(shí)降水措施。

2.井外疏干孔降低水位法

這種方法是在預(yù)定的井筒周?chē)蜚@孔，并深入不透水層，然后用泵在孔中抽水，形成降水漏斗，使工作面水位下降，保持井筒工作面在無(wú)水情況下施工進(jìn)行施工，見(jiàn)圖5-10。

 

圖5-10  井外疏干孔降水法

1－井筒；2－疏干孔；3－地下水位線(xiàn)； 4－不透水層；5－理想水位下降曲線(xiàn)

井外疏干孔降水鉆孔直徑一般為100～250mm，可設(shè)3～6個(gè)，布置圈徑根據(jù)孔深及偏斜而定。要求鉆孔離井筒荒徑不小于2～5m，孔底應(yīng)深入含水層以下3～10m，以便積存進(jìn)入孔中的泥砂等物。

為防止鉆孔中的砂土進(jìn)入泵內(nèi)磨損零件及孔壁坍塌，疏干孔中需設(shè)置過(guò)濾器，表土層中常用的過(guò)濾器有以下兩類(lèi)，一類(lèi)是網(wǎng)狀或纏絲過(guò)濾器，另一類(lèi)是礫石過(guò)濾器。

網(wǎng)狀或纏絲過(guò)濾器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-11所示，是由骨架、墊條、網(wǎng)子或金屬絲所組成，外面還焊有保護(hù)絲。骨架一般用鐵管打眼制成，眼孔一般為圓形，孔徑為10～20mm，成等邊或等腰三角形布置，孔隙率為20％～25％左右。墊條用直徑3mm的金屬絲為宜，其間距與過(guò)濾器外徑有關(guān)，以網(wǎng)子或纏絲不與管面接觸為原則。過(guò)濾網(wǎng)常為鋼絲或鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)格最好按巖土顆粒累積百分含量確定（如細(xì)粒土可按累積百分含量達(dá)40％～60％的顆粒直徑?jīng)Q定）。這種過(guò)濾器型式適用于顆粒較大的礫石層或粗砂層。

 

圖5-11網(wǎng)狀過(guò)濾器	圖5-12  礫石過(guò)濾器
1－骨架；2－墊條；3－網(wǎng)子； 4－金屬保護(hù)絲	1－帶孔的疏干孔內(nèi)套管；2－疏干孔外套管； 3－礫石過(guò)濾層

礫石過(guò)濾器為充填式礫石過(guò)濾器，如圖5-12所示。它是在雙層套管中間填入礫石組成。根據(jù)含水層的顆粒大小，礫石的粒徑可為1～20mm左右，對(duì)大顆粒巖土層，礫石也應(yīng)選大顆粒的，這種過(guò)濾器直徑較大，鉆孔也相應(yīng)加大，可適用于各種粒徑的土層。

井筒表土施工井外疏干孔降水常用深井泵或氣升泵（壓氣揚(yáng)水器）排水。選擇深井泵的揚(yáng)程應(yīng)大于疏干深度，其排水能力不能小于單孔預(yù)計(jì)涌水量，泵的數(shù)量應(yīng)考慮有10％～25％的備用量。這種泵因易進(jìn)入砂土顆粒，零件磨損較大，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性較差。

井外疏干孔降低水位法適用于透水性良好，含水豐富的含水層，巖土顆粒愈大，效果愈好。

五、表土普通施工方法的選擇

各種表土施工方法，都有各自的適用條件，而選擇施工方法最基本的依據(jù)是土層的性質(zhì)。在不同的地質(zhì)條件下，表土施工方法的選擇可歸納為下列幾點(diǎn)：

對(duì)于穩(wěn)定土層，不論其埋藏條件如何，均可采用臨時(shí)支護(hù)的普通施工法；當(dāng)采用短段掘砌時(shí)，可用吊掛井壁法。當(dāng)工作面涌水在5～10m³/h時(shí)，應(yīng)采用工作面超前小井降低水位，以增強(qiáng)工作面土層的穩(wěn)定性。

對(duì)含水粗砂、砂礫和卵石層，其深度在百米以?xún)?nèi)，或淺部含有較薄的流砂層，都可用鉆孔降低水位法或工作面超前小井進(jìn)行施工。

對(duì)于滲透性強(qiáng)、流動(dòng)性小、水壓不大的砂層，或巖石風(fēng)化帶，均可采用吊掛井壁法施工。

對(duì)于土層離地表在10～15m之內(nèi)，厚度不超過(guò)4～6m，不含有粒徑大于50mm的礫石時(shí)，可用板樁法施工。

對(duì)于埋深不超過(guò)20m，厚度為2m左右的流砂層或淤泥層，且上下均有1.5m左右的穩(wěn)定土層，可采用斜板樁施工法；其余可采用吊掛井壁，工作面配以超前小井降低水位法等綜合施工方法。

對(duì)于厚度為3～5m左右、水壓不大于0.1MPa、無(wú)大于100mm粒徑的礫石的流砂層或淤泥層，其底板有2m以上不透水的穩(wěn)定土層時(shí)，可采用工作面沉井法通過(guò)，對(duì)其余土層采用吊掛井壁法施工。

對(duì)于裂隙較大，含水豐富的風(fēng)化帶，可采用注漿法堵水封底。

對(duì)于深厚不穩(wěn)定土層，一般要考慮表土特殊施工法。

對(duì)于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的薄層交互賦存的土層，施工比較困難，宜全厚一并按不穩(wěn)定土層來(lái)選擇施工方法。

由于各地土層情況變化很大，影響因素也多，在具體施工時(shí)，可根據(jù)上述原則，并參照鄰近地質(zhì)條件相類(lèi)同的礦區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)，靈活正確地選擇施工方法，安全可靠、快速經(jīng)濟(jì)地通過(guò)表土層。

第三節(jié)  立井井筒表土特殊施工法

在不穩(wěn)定表土層中施工立井井筒，必須采取特殊的施工方法，才能順利通過(guò)，如：凍結(jié)法、鉆井法、沉井法、注漿法和帷幕法等。目前以采用凍結(jié)法和鉆井法為主。

一、凍結(jié)法

凍結(jié)法鑿井就是在井筒掘進(jìn)之前，在井筒周?chē)@凍結(jié)孔，用人工制冷的方法將井筒周?chē)牟环€(wěn)定表土層和風(fēng)化巖層凍結(jié)成一個(gè)封閉的凍結(jié)圈（圖5-13），以防止水或流砂涌入井筒并抵抗地壓，然后在凍結(jié)圈的保護(hù)下掘砌井筒。待掘砌到預(yù)計(jì)的深度后，停止凍結(jié)，進(jìn)行拔管和充填工作。

凍結(jié)法鑿井的主要工藝過(guò)程有凍結(jié)孔的鉆進(jìn)、井筒凍結(jié)和井筒掘砌等主要工作。

l.凍結(jié)孔的鉆進(jìn)

為了形成封閉的凍結(jié)圈，先要在井筒周?chē)@一定數(shù)量的凍結(jié)孔，以便在孔內(nèi)安設(shè)帶底錐的凍結(jié)管和底部開(kāi)口的供液管。

凍結(jié)孔一般等距離地布置在與井筒同心的圓周上，其圈徑取決于井筒直徑、凍結(jié)深度、凍結(jié)壁厚度和鉆孔的允許偏斜率。凍結(jié)孔間距一般為l.2～l.5m，孔徑為200～250mm，孔深應(yīng)比凍結(jié)深度大5～10m。凍結(jié)孔的圈數(shù)一般根據(jù)凍結(jié)深度來(lái)確定，表土較淺時(shí)一般采用單圈凍結(jié)，對(duì)于深厚表土可采用雙圈或三圈凍結(jié)。

 

圖5-13  凍結(jié)法鑿井示意圖

1－鹽水泵；2－蒸發(fā)器；3－氨液分離器；4－氨壓縮機(jī)；5－油氨分離器；6－集油器； 7－冷凝器；8－儲(chǔ)氨器；9－空氣分離器；10－冷卻水泵；11－節(jié)流閥； 12－去路鹽水干管；13－配液圈；14－凍結(jié)器；15－集液圈；16－回路鹽水干管； 17－井壁；18－凍結(jié)壁；19－測(cè)溫孔；20－水位觀測(cè)孔

2.井筒凍結(jié)

井筒周?chē)膬鼋Y(jié)圈，是由冷凍站制出的低溫鹽水在沿凍結(jié)管流動(dòng)過(guò)程中，不斷吸收孔壁周?chē)鷰r土層的熱量，使巖土逐漸冷卻凍結(jié)而成。鹽水起傳遞冷量的作用，稱(chēng)為冷媒劑。鹽水的冷量是利用液態(tài)氨氣化時(shí)吸收鹽水的熱量而制取的，所以氨叫做制冷劑。被壓縮的氨由過(guò)熱蒸氣狀態(tài)變成液態(tài)過(guò)程中，其熱量又被冷卻水帶走?？梢?jiàn)，整個(gè)制冷設(shè)備包括氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)和冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三部分。

（1）氨循環(huán)系統(tǒng)

氣態(tài)氨在壓縮機(jī)中被壓縮到0.8～l.2MPa，溫度升高到80~120℃，處于過(guò)熱蒸氣狀態(tài)。高溫高壓的氨氣經(jīng)管路進(jìn)入氨油分離器，除去從壓縮機(jī)中帶來(lái)的油脂后進(jìn)入冷凝器，在16～20℃冷卻水的淋洗下被冷卻到20～25℃而變成液態(tài)氨（多余液態(tài)氨流入貯氨器貯存，不足時(shí)由貯氨器補(bǔ)充）。

液態(tài)氨經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)閥使壓力降到0.155MPa左右，溫度相應(yīng)降低到蒸發(fā)溫度-25～-35℃。液態(tài)氨進(jìn)入蒸發(fā)器中后便全面蒸發(fā)，大量吸收周?chē)}水的熱量，使鹽水降溫。蒸發(fā)后的氨進(jìn)入氨液分離器進(jìn)行分離，使未蒸發(fā)的液態(tài)氨再流入蒸發(fā)器繼續(xù)蒸發(fā)，而氣態(tài)氨則回到壓縮機(jī)中重新被壓縮。

（2）鹽水循環(huán)系統(tǒng)

在設(shè)有蒸發(fā)器的鹽水箱中，被制冷劑氨冷卻到-20～-25℃以下的低溫鹽水，用鹽水泵輸送到配液管和各凍結(jié)管內(nèi)。鹽水在凍結(jié)孔內(nèi)沿供液管流至孔底，然后沿凍結(jié)管徐徐上升，吸收周?chē)鷰r土層的熱量后經(jīng)集液管返回鹽水箱，這種鹽水流動(dòng)循環(huán)方式叫做正循環(huán)方式，其凍結(jié)壁厚度上下比較均勾，故常被采用。還有一種反循環(huán)方式，鹽水由原回液管進(jìn)入凍結(jié)管緩緩下流，然后從原供液管返回集液管。反循環(huán)方式可加快含水層上部?jī)鼋Y(jié)壁的形成。

（3）冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

用水泵將貯水池或地下水源井的冷卻水壓入冷凝器中，吸收了過(guò)熱氨氣的熱量后從冷凝器排出，水溫升高5～10℃。若水源不足，排出的水經(jīng)自然冷卻后可循環(huán)使用。

3.凍結(jié)方案

井筒凍結(jié)方案有一次凍全深、局部?jī)鼋Y(jié)、差異凍結(jié)和分期凍結(jié)等幾種。一次凍全深方案的適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用比較廣泛。局部?jī)鼋Y(jié)就是只在涌水部位凍結(jié)，其凍結(jié)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是凍結(jié)費(fèi)用低。差異凍結(jié)，又叫長(zhǎng)短管凍結(jié)，凍結(jié)管有長(zhǎng)短兩種間隔布置，在凍結(jié)的上段凍結(jié)管排列較密，可加快凍結(jié)速度，使井筒早日開(kāi)挖，并可避免下段井筒凍實(shí)，影響施工速度，浪費(fèi)冷量。分期凍結(jié)，就是當(dāng)凍結(jié)深度很大時(shí)，為了避免使用過(guò)多的制冷設(shè)備，可將全深分為數(shù)段（通常分為上下兩段），從上而下依次凍結(jié)。

凍結(jié)方案的選擇，主要取決于井筒穿過(guò)的巖土層的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、需要凍結(jié)的深度、制冷設(shè)備的能力和施工技術(shù)水平等。

4.凍結(jié)段井筒的掘砌施工

采用凍結(jié)法施工，井筒的開(kāi)挖時(shí)間要選擇適時(shí)，即當(dāng)凍結(jié)壁已形成而又尚未凍至井筒范圍以?xún)?nèi)時(shí)最為理想。此時(shí)，既便于掘進(jìn)又不會(huì)造成涌水冒砂事故。但是很難保證處于理想狀態(tài)，往往整個(gè)井筒被凍實(shí)。對(duì)于這種凍土挖掘，可采用風(fēng)鎬或鉆眼爆破法施工。

凍結(jié)井壁一般都采用鋼筋混凝土或混凝土雙層井壁。外層井壁厚度為400～600mm左右，隨掘隨進(jìn)行澆注。內(nèi)層井壁厚度一般為500～1000mm左右，它是在通過(guò)凍結(jié)段后自下向上一次施工到井口。井筒凍結(jié)段雙層井壁的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)壁無(wú)接茬，井壁抗?jié)B性好；內(nèi)壁在消極凍結(jié)期施工，混凝土養(yǎng)護(hù)條件較好，有利于保證井壁質(zhì)量。

二、鉆井法

鉆井法鑿井是利用鉆井機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)鉆機(jī)）將井筒全斷面一次鉆成，或?qū)⒕卜执螖U(kuò)孔鉆成。我國(guó)目前采用的多為轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆井機(jī)，其類(lèi)型有ZZS-l、ND-l、SZ-9/700、AS-9/500、BZ-l和L40/800型等。圖5-14為我國(guó)生產(chǎn)的AS-9/500型轉(zhuǎn)盤(pán)式鉆井機(jī)的工作全貌。

鉆井法鑿井的主要工藝過(guò)程有井筒的鉆進(jìn)、泥漿洗井護(hù)壁、下沉預(yù)制井壁和壁后注漿固井等。

l.井筒的鉆進(jìn)

井筒鉆進(jìn)是個(gè)關(guān)鍵的工序。鉆進(jìn)方式多采用分次擴(kuò)孔鉆進(jìn)，即首先用超前鉆頭一次鉆到基巖，在基巖部分占的比例不大時(shí)，也可用超前鉆頭一次鉆到井底；而后分次擴(kuò)孔至基巖或井底。超前鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭的直徑一般是已固定的，但有的鉆機(jī)（如BZ-l鉆機(jī)）可在一定范圍內(nèi)調(diào)整鉆頭的鉆進(jìn)尺寸。這樣就可以選擇擴(kuò)孔的直徑和次數(shù)。選擇的原則是，在轉(zhuǎn)盤(pán)和提吊系統(tǒng)能力允許的情況下，盡量減少擴(kuò)孔次數(shù)，以縮短輔助時(shí)間。

鉆井機(jī)的動(dòng)力設(shè)備，多數(shù)設(shè)置在地面。鉆進(jìn)時(shí)由鉆臺(tái)上的轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)六方鉆桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆頭上裝有破巖的刀具可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)破碎巖石。為了保證井筒的垂直度，一般都采用減壓鉆進(jìn)。即將鉆頭本身在泥漿中重量的30％～60％壓向工作面，使得刀具在鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)可破碎巖石。

2.泥漿洗井護(hù)壁

鉆頭破碎下來(lái)的巖屑必須及時(shí)用循環(huán)泥漿從工作面清除，使鉆頭上的刀具始終直接作用在未被破碎的巖石面上，提高鉆進(jìn)效率。泥漿由泥漿池經(jīng)過(guò)進(jìn)漿地槽流入井內(nèi)，進(jìn)行洗井護(hù)壁。壓氣通過(guò)中空鉆桿中的壓氣管進(jìn)入混合器，壓氣與泥漿混合后在鉆桿內(nèi)外造成壓力差，使清洗過(guò)工作面的泥漿帶動(dòng)破碎下來(lái)的巖屑被吸入鉆桿，經(jīng)鉆桿與壓氣管之間環(huán)狀空間排往地面。泥漿量的大小，應(yīng)保證泥漿在鉆桿內(nèi)的流速大干0.3m/s，使被破碎下來(lái)的巖屑全部排到地面。泥漿沿井筒自上向下流動(dòng)，洗井后沿鉆桿上升到地面，這種洗井方式叫做反循環(huán)洗井。

 

圖5-14  鉆井機(jī)及其工作全貌

1－天車(chē)；2－鉆塔；3－吊掛車(chē)；4－游車(chē)；5－大鉤；6－水龍頭； 7－進(jìn)風(fēng)管；8－排漿管；9－轉(zhuǎn)盤(pán)；10－鉆臺(tái)；11－提升鋼絲繩； 12－排漿槽；13－主動(dòng)鉆桿；14－封口平車(chē)；15－鉆桿；16－鉆頭； 17－二層平臺(tái)；18－鉆桿行車(chē)；19－鉆桿小吊車(chē)；20－鉆桿倉(cāng)

泥漿的另一個(gè)重要作用，就是護(hù)壁。護(hù)壁作用，一方面是借助泥漿的液柱壓力平衡地壓，另一方面是在井幫上形成泥皮，堵塞裂隙，防止片幫。為了利用泥漿有效地洗井護(hù)壁，要求泥漿有較好的穩(wěn)定性，不易沉淀；泥漿的失水量要比較小，能夠形成薄而堅(jiān)韌的泥皮；泥漿的粘度在滿(mǎn)足排渣要求的條件下，要具有較好的流動(dòng)性和便于凈化。

3.沉井和壁后充填

采用鉆井法施工的井筒，其井壁多采用管柱形預(yù)制鋼筋混凝土井壁。井壁在地面制作。待井筒鉆完，提出鉆頭，用起重大鉤將帶底的預(yù)制井壁懸浮在井內(nèi)泥漿中，利用其自重和注入井壁內(nèi)的水重緩慢下沉。同時(shí)，在井口不斷接長(zhǎng)預(yù)制管柱井壁。接長(zhǎng)井壁時(shí)，要注意測(cè)量，以保證井筒的垂直度。在預(yù)制井壁下沉的同時(shí)，要及時(shí)排除泥漿，以免泥漿外溢和沉淀。為了防止片幫，泥漿面不得低于鎖口以下1m。

當(dāng)井壁下沉到距設(shè)計(jì)深度l～2m時(shí)，應(yīng)停止下沉，測(cè)量井壁的垂直度并進(jìn)行調(diào)整，然后再下沉到底，并及時(shí)進(jìn)行壁后充填。最后把井壁里的水排凈，通過(guò)預(yù)埋的注漿管進(jìn)行壁后注漿，以提高壁后充填質(zhì)量和防止破底時(shí)發(fā)生涌水冒砂事故。

三、沉井法

沉井法是在不穩(wěn)定含水地層中開(kāi)鑿井筒的一種特殊施工法，屬于超前支護(hù)的一種方法，其實(shí)質(zhì)是在井筒設(shè)計(jì)位置上，預(yù)制好底部附有刃腳的一段井筒，在其掩護(hù)下，隨著井內(nèi)的掘進(jìn)出土，井筒靠其自重克服其外壁與土層間的摩擦阻力和刃腳下部的正面阻力而不斷下沉，隨著井筒下沉，在地面相應(yīng)接長(zhǎng)井壁，如此周而復(fù)始，直至沉到設(shè)計(jì)標(biāo)高。這種鑿井方法稱(chēng)為沉井法。

沉井法是由古老的掘井作業(yè)發(fā)展完善而來(lái)的施工技術(shù)。隨著現(xiàn)代化施工機(jī)械和施工工藝的不斷革新，沉井技術(shù)也日新月異。沉井法施工工藝簡(jiǎn)單，所需設(shè)備少，易于操作，井壁質(zhì)量好，成本低，操作安全，廣泛應(yīng)用于許多地下工程領(lǐng)域，如大型橋墩基礎(chǔ)、地下廠(chǎng)房、倉(cāng)庫(kù)、車(chē)站等。目前在礦山立井井筒施工中普遍以采用淹水沉井施工技術(shù)為主。

 

圖5-15  淹水沉井法施工示意圖

1－井架；2－套井；3－觸變泥漿；4－沉井井壁； 5－壓風(fēng)管；6－壓氣排液器；7－吸泥管； 8－排渣管；9－高壓水管；10－水槍

1.淹水沉井

淹水沉井是利用井壁下端的鋼刃角插入土層，靠井壁自重、水下破土與壓氣排渣克服正面阻力而下沉。邊下沉邊在井口接長(zhǎng)井壁，直到全部穿過(guò)沖積層，下沉到設(shè)計(jì)位置。

淹水沉井施工如圖11-12所示，首先施工套井，然后在套井內(nèi)構(gòu)筑帶刃腳的鋼筋混凝土沉井井壁。套井的深度是由第一層含水層深度決定的，一般取8～15m。套井與沉井的間隙，一般取0.5m左右。

當(dāng)鋼筋混凝土沉井井壁的高度超出地面高度后，用泵通過(guò)預(yù)埋的泥漿管將泥漿池中的泥漿壓入沉井壁后形成泥漿隔層和泥皮。泥漿和泥皮起護(hù)壁潤(rùn)滑作用，同時(shí)減小了沉井下沉的摩擦阻力。沉井內(nèi)充滿(mǎn)水以達(dá)到平衡地下水靜水壓力的目的，防止涌沙冒泥事故的發(fā)生。

淹水沉井的掘進(jìn)工作不需用人工挖土，而是采用機(jī)械破土。通?？捎勉@機(jī)和高壓水槍破土，壓氣排渣。在井深不大的礫石層和卵石層中，也可采用長(zhǎng)繩懸吊大抓斗直接抓取提到地面的破土排渣方法。

采用這種施工方法，在我國(guó)的最大下沉深度已達(dá)到192.75m。日本利用壓氣代替泥漿，采用壁后充氣的淹水沉井法，最大下沉深度已達(dá)到200.3m。

2.普通沉井

當(dāng)不穩(wěn)定表土層厚度不超過(guò)30m時(shí)，也可以采用普通沉井法。此法在沉井外不用泥漿護(hù)壁，沉井內(nèi)不充水，工人在沉井的保護(hù)下在井內(nèi)直接挖土掘進(jìn)。隨著挖土工作的進(jìn)行，井壁借自重克服正面阻力和側(cè)面阻力而不斷下沉。隨著沉井的下沉，在地面不斷接長(zhǎng)沉井井壁。在沉井的下沉過(guò)程中，要特別注意防偏和糾偏問(wèn)題，以保證沉井的偏斜值在允許的范圍內(nèi)。

當(dāng)淹水沉井或普通沉井下沉到設(shè)計(jì)位置，井筒的偏斜值又在允許范圍內(nèi)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行注

漿固井工作，防止繼續(xù)下沉和漏水。注漿前，一般需要在工作面澆注混凝土止水墊封底，

防止冒砂跑漿。如果刃腳已插入風(fēng)化基巖內(nèi)，也可以不封底而直接注漿。注漿工作一般

是利用預(yù)埋的泥漿管和注漿管向壁后注入水泥或水泥－水玻璃漿液。套井與沉井之間的

間隙，要求用毛石混凝土充填。

在不穩(wěn)定表土層中施工立井井筒還可以采用注漿法、帷幕法以及其它特殊施工技術(shù)。井筒表土施工方法的選擇最基本的依據(jù)是土層的性質(zhì)及其水文地質(zhì)條件，采用特殊施工法，表土施工的工期長(zhǎng)、成本高，但適應(yīng)性強(qiáng)。一般應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件，靈活正確地選擇施工方法，以保證安全可靠、快速經(jīng)濟(jì)地通過(guò)表土。