立井井筒深厚表土層凍結(jié)段外壁大斷面變徑掘砌施工技術(shù)分析

韓亮，潘廣宜

中煤五建第四十九工程處，河北邯鄲 056002

0 引言

立井凍結(jié)段施工在我國(guó)已有50 年的歷史，對(duì)于400m 以上的深厚沖積層一般采用雙層鋼筋混凝土復(fù)合井壁施工方式。隨著井筒深度的增加，沖積層土壓、水壓的增大，井筒內(nèi)、外壁井壁厚度，砼強(qiáng)度、鋼筋規(guī)格尺寸等材料相應(yīng)加大。因此，為有效增加內(nèi)層井壁厚度，確保滿足沖積層水壓、土壓等相關(guān)載荷，在立井井筒深厚表土層凍結(jié)段外壁施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)合理的地質(zhì)層位采用變徑掘砌施工。通過(guò)楊村煤礦副井井筒在絕對(duì)標(biāo)高-169.6m、-269.6m和-379.6m三次變徑掘砌施工過(guò)程中，對(duì)地質(zhì)條件、凍結(jié)情況等技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，為立井井筒深厚表土層凍結(jié)段外壁大斷面變徑掘砌施工技術(shù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

國(guó)投新集能源股份有限公司楊村煤礦，位于安徽省淮南市鳳臺(tái)縣楊村鄉(xiāng)。設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力5.0Mt/a，覆蓋于煤系地層之上的新生界松散層較厚。

副井井筒設(shè)計(jì)凈直徑Ф7.5m，井深1000.7m。表土層厚度536.65m，凍結(jié)深度725 m，掘砌井深715m。其中鎖口（+26.7 ～+21.7m 段）；凍結(jié)段內(nèi)/外井壁支護(hù)：鋼筋混凝土井壁；內(nèi)/外壁厚：(+21.7 ～-169.6m 段)600mm/600mm、(-169.6m ～-269.6m 段)750mm/750mm、(-269.6 ～-379.6m段)950mm/950mm、(-379.6 ～-541.1m 段)1150mm/1150mm、(-541.1 ～-551.1m 段)整體澆筑2300mm；內(nèi)/外壁砼強(qiáng)度：從上向下依次為C30、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75；外層井壁與凍結(jié)壁之間鋪設(shè)25 ～75mm 聚苯乙烯泡沫板；內(nèi)外壁間設(shè)計(jì)敷設(shè)兩層δ=1.5mm×2HDPE 塑料板；(-670 ～-680m 段)1000mm/300mm、(-680 ～-715m 段)700mm/300mm，砼強(qiáng)度為C50。

主井井筒設(shè)計(jì)凈直徑Ф7.5m，井深986.7m。表土層厚度538.25m，凍結(jié)深度725 m，掘砌井深715m。凍結(jié)段內(nèi)/外井壁支護(hù)：鋼筋混凝土井壁；其中凍結(jié)段外壁三次大斷面變徑施工施工位置及井壁厚度與副井相同。

2 變徑施工基礎(chǔ)資料分析

2.1 地質(zhì)條件影響

沖積層地質(zhì)條件和水文狀況與井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、凍結(jié)施工和井筒施工息息相關(guān)，合理統(tǒng)計(jì)分析地層情況是決定變徑施工方法的重要因素之一，變徑斷面控制設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)預(yù)想柱狀圖詳細(xì)分析粘土層與砂層地質(zhì)特性，將此段變徑地層含水量、膨脹性做好分析。

2.2 凍結(jié)情況

在井筒外壁掘砌過(guò)程中，應(yīng)對(duì)掘砌工作面凍結(jié)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)有凍結(jié)壁徑向位移、井幫溫度、底鼓、已施工外壁的變形、受力等。嚴(yán)格將徑向位移量控制在50mm 以內(nèi)，保證鋪設(shè)泡沫板、綁扎鋼筋及澆筑砼期間的井壁厚度，嚴(yán)格觀測(cè)底鼓現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，合理采用更換小模板，控制變徑期間井幫暴露時(shí)間。掘進(jìn)期間保持觀測(cè)井幫溫度，凍土進(jìn)入荒徑距離，確定變徑過(guò)程井筒掘進(jìn)期間片幫情況。

3 變徑施工方案確定

3.1 大模板一次變徑

為保證變斷面施工進(jìn)展迅速，縮短井幫外露時(shí)間保證變斷面在一個(gè)施工段高內(nèi)完成。采用液壓伸縮整體移動(dòng)式金屬模板（模板高3.8m ～4.2m）進(jìn)行變徑。掘進(jìn)過(guò)程中，先按原荒半徑控制，掘進(jìn)至最后一模刃角下一定位置時(shí)，下落模板拆除提至井口，模板全部拆除后開幫至設(shè)計(jì)荒徑，綁扎外層搭接鋼筋，然后繼續(xù)掘進(jìn)至設(shè)計(jì)段高并刷幫到位，最后下落刃角組裝、鋪設(shè)泡沫板、綁扎雙層鋼筋、組裝新模板、澆筑混凝土。

施工順序：掘進(jìn)一定段高（一般控制在1.6m ～2m）刷幫至變徑前斷面荒半徑→下落模板拆除升井→將段高開幫至設(shè)計(jì)變徑后斷面荒半徑→綁扎外層搭接筋→繼續(xù)掘進(jìn)至設(shè)計(jì)段高→固定聚苯乙烯泡沫板→井口下落刃角組裝→校正刃角→綁扎雙層鋼筋→下落高液壓伸縮整體移動(dòng)式金屬模板組裝→校正模板澆筑砼，變斷面結(jié)束。

3.2 小模板二次變徑

1）第一段高成井將雙層鋼筋先變?yōu)樽儚胶笠蟪叽纾紫认蛳戮蜻M(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中將井筒外壁掘進(jìn)荒半徑逐漸刷大變徑后設(shè)計(jì)荒半徑，刷至小模板段高（一般2m ～2.2m）。開始鋪設(shè)泡沫板→將刃腳拆除升井→下放座底圈進(jìn)行操平找正→綁扎鋼筋→下落模板校核→下放分灰器開始澆筑混凝土；

2）鋼筋變徑澆筑完混凝土后，從井筒中心向外以輻射方式進(jìn)行掘進(jìn)、開幫，向下掘進(jìn)至設(shè)計(jì)尺寸、段高。當(dāng)荒半徑、段高符合設(shè)計(jì)要求后→下放新刃腳進(jìn)行操平找正→更換模板夾塊→開始鋪設(shè)泡沫板→綁扎鋼筋→澆筑混凝土。

4 實(shí)例施工應(yīng)用分析

4.1 楊村礦井副井-269.6m 變徑施工

1）技術(shù)參數(shù)對(duì)照

施工至-269.6m 位置時(shí)砼標(biāo)號(hào)不變?nèi)詾镃60，聚苯乙烯泡沫仍為75mm，雙層鋼筋間、排距均為250mm 不變，內(nèi)層豎筋由Φ20mm 變?yōu)棣?2mm 且外擴(kuò)200mm（距中線4768mm），外層豎筋由Φ20mm 變?yōu)棣?2mm 且外擴(kuò)400mm（距中線5538mm），環(huán)筋由Φ22＠250 mm 變?yōu)棣?5＠250 mm。掘進(jìn)至最后一模刃角下1.8 段高后將荒徑擴(kuò)至R=5728mm 進(jìn)行外層鋼筋絲扣預(yù)留與下模鋼筋絲扣連接。

表1 技術(shù)參數(shù)對(duì)照表

2）地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)資料和檢查孔資料顯示：-261.9m 至-269.1m（相對(duì)標(biāo)高-288.8m 至-296m）厚度7.2m 為粉砂，-269.1m至-272.6m（相對(duì)標(biāo)高-296m 至-299.5m）厚度3.5m 為砂質(zhì)粘土，-272.6m 至-277.5m（相對(duì)標(biāo)高-299.5m 至-304.4m）厚度4.9m 為粉砂。

3）凍結(jié)情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)每段高循環(huán)實(shí)測(cè)，井幫溫度達(dá)-8℃，凍土進(jìn)入荒徑1.5m，井幫徑向位移和底鼓均為0m/h。

4）施工方案

由于-269.6m 此段地層處于砂質(zhì)粘土段，土層地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易片幫，且凍結(jié)狀況穩(wěn)定未發(fā)生井幫徑向位移和底鼓現(xiàn)象，決定采用大模板一次變徑施工方案。合理組織施工人員，定期檢修運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，確保滿足施工安全生產(chǎn)需要。（附-269.6m變斷面切面圖）

圖1 -269.6m 變斷面切面圖

5）循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在施工人員充足，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，變徑施工自掘進(jìn)開始至澆筑砼結(jié)束，共用時(shí)49 小時(shí)30 分鐘。

4.2 楊村礦井主井-379.6m 變徑施工

1）技術(shù)參數(shù)對(duì)照

施工至-379.6m 位置時(shí)砼標(biāo)號(hào)不變?nèi)詾镃75，聚苯乙烯泡沫仍為75mm，雙層鋼筋間、排距均由250mm 變?yōu)?00mm，內(nèi)/外層豎筋直徑均為Φ22mm 不變，環(huán)筋由Φ25＠250 mm 變?yōu)棣?5＠200 mm。

表2 技術(shù)參數(shù)對(duì)照表

2）地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)資料和檢查孔資料顯示：-377.91m 至-382.46m（相對(duì)標(biāo)高-404.61m 至-409.16m）厚度4.55m 為粉砂，-382.46m 至-420.51m（相對(duì)標(biāo)高-409.16m 至-447.21m）厚度38.05m 為砂質(zhì)粘土。

3）凍結(jié)情況

根據(jù)井筒凍結(jié)設(shè)計(jì)，掘砌至此標(biāo)高井幫溫度應(yīng)達(dá)到-8℃，凍土入荒1.2m ～1.6m。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，井幫溫度在-13.2℃～14.8℃之間，凍土進(jìn)入荒徑3.3m ～3.4m，滿足施工生產(chǎn)需要。井幫徑向位移平均在1.1mm/h，底鼓6.25mm/h。

4）施工方案

由于-379.6m 此段地層處于砂層，雖然地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不易片幫，凍結(jié)溫度及凍土進(jìn)入荒徑均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但通過(guò)持續(xù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示有小量井幫徑向位移和底鼓現(xiàn)象，為減少井幫暴露時(shí)間，快速施工井壁澆筑砌碹工序，決定采用小模板二次變徑施工方案。

圖2 -269.6m 變斷面切面圖

5）循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

在施工人員充足，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常的情況下，變徑施工第一段高自掘進(jìn)開始至第二段高澆筑砼結(jié)束，共用時(shí)65 小時(shí)30 分鐘，（其中鋼筋變徑段高循環(huán)用時(shí)30 小時(shí)，模板變徑段高循環(huán)用時(shí)35 小時(shí)30 分鐘）。

4.3 施工結(jié)論

1）凍結(jié)效果的好壞是保證井筒表土段凍結(jié)段外壁大斷面變徑施工速度的關(guān)鍵。首先凍結(jié)要滿足施工安全要求，其次在安全不造成“片幫”前提下，考慮變徑施工方案；

2）施工中要加強(qiáng)立井施工機(jī)械換作業(yè)線，合理組織勞動(dòng)用工配備，滿足工序轉(zhuǎn)換運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，減少井幫暴露時(shí)間，確保循環(huán)時(shí)間；

3）收集井筒地質(zhì)水文相關(guān)資料，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與其相互比照，分析變徑施工地層含水量和膨脹性等特點(diǎn)；

4）每段高實(shí)測(cè)井筒井幫徑向位移、底鼓、井幫溫度及凍土入荒等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)格按照建井手冊(cè)及施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，確保在范圍內(nèi)進(jìn)行變徑施工。

5 結(jié)論

在立井井筒深厚表土層凍結(jié)段外壁大斷面變徑掘砌施工過(guò)程中，經(jīng)幾方面技術(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得出：

1）在地質(zhì)土層穩(wěn)定，井幫溫度及凍土入荒均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且揭露土層未發(fā)現(xiàn)井幫徑向位移和底鼓現(xiàn)象情況，可采用液壓金屬大模板一次變徑施工，此方案優(yōu)點(diǎn)為整體循環(huán)時(shí)間較短，工序轉(zhuǎn)換相對(duì)簡(jiǎn)單，提高凍結(jié)段外壁掘砌速度。缺點(diǎn)為掘進(jìn)段高控制較高，井幫暴露時(shí)間較長(zhǎng)，易發(fā)生片幫現(xiàn)象，由于片幫可能導(dǎo)致二次清底，再者由于整體模板一次變徑完成，模板刃角未采用拆除跟換座底圈方式而采取更換大刃角形式，從而出現(xiàn)井壁接茬較大，段高控制合理可滿足規(guī)范要求；

2）在地質(zhì)土層穩(wěn)定，井幫溫度及凍土入荒均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但實(shí)際揭露地層出現(xiàn)井幫徑向位移和底鼓現(xiàn)象情況時(shí)，建議采用液壓金屬小模板加塊二次變徑施工，此方案優(yōu)點(diǎn)為掘進(jìn)過(guò)程中井幫暴露時(shí)間較短，一般不會(huì)發(fā)生片幫現(xiàn)象，在合理段高范圍內(nèi)井幫和井底均開泄壓槽，有效防止井幫位移和底鼓現(xiàn)象對(duì)成井井壁質(zhì)量的影響，由于首次變鋼筋段高將模板刃角拆除更換座底圈的施工方式，有效控制井壁接茬，更好的保證井壁質(zhì)量。缺點(diǎn)為循環(huán)時(shí)間較長(zhǎng)，工序轉(zhuǎn)換繁瑣，經(jīng)濟(jì)、勞動(dòng)用工投資較大。

本文通過(guò)例舉楊村煤礦主、副井深厚表土層凍結(jié)段外壁兩次大斷面施工中不同標(biāo)高、不同地層、不同施工方案統(tǒng)計(jì)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析，整理兩套切實(shí)可行凍結(jié)段外壁變徑施工方案，其成功經(jīng)驗(yàn)可為其它井筒提供參考，也為今后類似的井筒施工積累了經(jīng)驗(yàn)。