特殊地質(zhì)條件下截滲工程方案的優(yōu)化設計

類維強，安凱軍

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

1 工程概況

某煤礦是隸屬于陜西榆林能源集團有限公司的一個現(xiàn)代化礦井，規(guī)劃生產(chǎn)能力1000萬t/年。礦井擬采用斜井開拓方案，布置的4個井筒為主斜井、副斜井、進風立井及回風立井，其中主斜井井筒長1685 m，井筒傾角13°，井筒斷面呈城門洞型，凈寬5.8 m，凈高3.9 m，斷面凈面積20.1 m2。主斜井井筒施工需穿越一段流砂層，由于流砂層對應力變化非常敏感，在井筒開挖掘進過程中時常有片幫、井底冒砂和井壁掏空等問題發(fā)生，嚴重時會造成井筒偏斜、地面沉陷等，因而井筒在流砂層掘進中必須采取截滲等工程措施，確保井筒掘進施工安全。

2 場區(qū)工程及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)報告，礦井井筒區(qū)地表被現(xiàn)代風積沙和第四系薩拉烏蘇組所覆蓋。主斜井井筒傾角13°，長度約1685 m（含水平長度），井口為第四系全新統(tǒng)風積沙。穿越地層有第四系全新統(tǒng)風積沙、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中更新統(tǒng)離石組（黃土）、新近系上新統(tǒng)保德組（紅土）、侏羅系中統(tǒng)安定組、直羅組、延安組地層，地質(zhì)剖面見圖1。其中穿越風積沙地層長度約27 m，穿越薩拉烏蘇組地層長度約74 m，穿越黃土地層長度約62 m。穿越紅土地層長度約24 m，然后進入基巖段，巖性主要為中粒砂巖、粉砂巖，其次為細粒砂巖，局部夾泥巖薄層，頂部穿越長度約60 m的風化巖，進入正常基巖段[1]。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結(jié)構(gòu)，將井筒區(qū)內(nèi)含水層由上至下劃分為5層，各層情況介紹如下[2]。

①第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組及全新統(tǒng)風積砂孔隙潛水含水層（Q3s+Q4eol）：主要為灰褐色中細粒沙，灰白色、灰黃色細沙及粉細砂。含水層厚度8.23 m～17.79 m，平均厚度為11.29 m，滲透系數(shù)K=3.1 m/d～8.9 m/d。

②第四系中更新統(tǒng)離石黃土及第四系上新統(tǒng)保德組弱含水層（Q2l+N2b）：厚度 3.80 m～26.30 m，平均 11.10 m，滲透系數(shù)K=0.58 m/d。

③侏羅系中統(tǒng)安定組孔隙裂隙承壓含水層（J2a）：厚度為39.40 m～66.43 m，平均為57.23 m，滲透系數(shù)K=0.09 m/d～0.32 m/d。

④侏羅系中統(tǒng)直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）：厚度為76.60 m～126.52 m，平均112.14 m，滲透系數(shù)K=0.01 m/d～0.14 m/d，平均值為 0.08 m/d。

⑤侏羅系中統(tǒng)延安組第五段孔隙裂隙承壓含水層（J2y5）：含水層厚度為21.20 m～44.40 m，平均為32.80 m，滲透系數(shù)K=0.002 m/d～0.05 m/d，平均值為 0.004 m/d。

從各含水層抽水結(jié)果可見，第四系松散砂層透水性強，富水性弱～中等；土層富水性弱，但上部黃土層局部含沙量較大，并伴有砂層透鏡體，儲水條件較好；安定組頂部多以泥巖、粉砂巖為主，但大部風化，孔隙裂隙較發(fā)育，儲水條件較好，中部和底部為一套紫紅色、褐紅色巨厚層狀中、粗粒長石砂巖，富水性弱，但較好于直羅組，局部富水性接近中等；直羅組砂巖與泥巖、粉砂巖互層厚度大，以原生節(jié)理、層理為主要裂隙，富水性弱；安定組與直羅組承壓水頭較高，泥巖、粉砂巖抗風化能力弱。延安組段含水層水量微弱。各含水層預測井筒涌水量見表1。

表1 主斜井井筒涌水量預測一覽表

3 主斜井截滲方案的選擇與優(yōu)化

3.1 截滲方案選擇與優(yōu)化

目前井筒穿越流砂層的施工方法分普通法和特殊法，普通法施工有板樁法及降水法等，特殊法施工包括凍結(jié)法、沉井法及帷幕法等。凍結(jié)法是井筒不穩(wěn)定表層土施工的常用方法，但存在需要大功率電源、夏季凍土墻易化、工程投資大等缺點，擬選用“帷幕+降水”的方案，考慮黃土層局部含沙量較大，并伴有砂層透鏡體，帷幕底部嵌入風化砂巖0.5 m~1.0 m，帷幕最大深度達。常用的截滲技術(shù)有水泥攪拌樁、高壓噴射灌漿以及地下連續(xù)墻技術(shù)等。水泥攪拌樁適用于粉土、壤土等地層，高壓噴射灌漿技術(shù)在20 m深度以內(nèi)應用效果較為理想，因此采用地下連續(xù)墻技術(shù)營造截滲帷幕[3]。

由于井筒傾角為13°，若采用落地式帷幕，即將井筒入巖前水平投影范圍內(nèi)周邊的地下連續(xù)墻底部均嵌入風化砂巖，雖然徹底阻斷了風化砂、黃土層與周邊的水力聯(lián)系，但截滲工程量較大，投資高。因此，又提出在帷幕中間增加隔墻的截滲方案，即在主斜井進入黃土層處增加一道橫向隔墻形成“日”字形的平面布置型式，井筒穿越淺部流砂段的帷幕采用懸掛式，帷幕底部嵌入黃土層3.0 m，井筒穿越深部黃土層段的帷幕采用落地式，帷幕底部嵌入粉砂巖0.5 m~1.0 m，見圖2~圖3。主斜井從井筒入土至井筒全斷面進入土層的施工段明挖施工，基坑支護采用“連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐”方案，該段地下連續(xù)墻需兼作基坑支護結(jié)構(gòu)使用，墻體為鋼筋砼結(jié)構(gòu)。另外，為加快在流砂中的施工速度，將井筒掘進方向的松散砂采用高壓旋噴樁進行固化。通過截滲方案進一步的優(yōu)化，連續(xù)墻截滲帷幕面積比上一方案減少20%，工程總造價節(jié)省約12%左右。

圖2 主斜井地下連續(xù)墻帷幕布置

圖3 井筒橫斷面圖

3.2 地下連續(xù)墻設計

1）截滲墻體厚度

根據(jù)達西公式，地下連續(xù)墻墻體厚度B可按其破壞的水力坡降計算，即：

式中：B為防滲墻厚度，m；H為防滲墻承受的最大水頭，m；J允為允許的最大水力坡降，塑性混凝土取80。

經(jīng)計算，B=0.42 m，地下連續(xù)墻采用液壓抓斗施工，考慮施工設備性能，連續(xù)墻厚度取0.6 m。

2）墻體材料及要求

砼墻體材料：砼等級為C30，采用不低于32.5級的普通硅酸鹽水泥，每方砼不少于350 kg/m3，W/C＜0.65；

砼墻體滲透系數(shù)：K＜i×10-7cm/s（i=1～5）。

3.3 高壓旋噴樁設計

1）旋噴樁固化范圍

旋噴樁固化范圍為截滲墻框格內(nèi)沿主斜井掘進方向周邊的松散砂層，主斜井的頂部輪廓線以上3.0 m，底部輪廓線以下2.0 m。

2）旋噴樁設計

土體固化擬采用旋噴樁套接形式，梅花型布孔孔距暫定為1.5 m，排距1.4 m，采用三管法施工，旋噴樁樁徑1.5 m～1.7 m，凝結(jié)體R28=1.5 MPa～5 MPa。高壓噴射灌漿施工參數(shù)如下：高壓水排量Q=70 L/min～80 L/min,工作壓力P=36 MPa～40 MPa；水泥漿排量Q=80L/min～120L/min，密度γ=1.50g/cm3～1.70g/cm；壓縮氣流量Q=0.8m3/min～1.2m3/min，壓力P=0.6 MPa～0.8 MPa；提升速度，6 cm/min～8 cm/min；轉(zhuǎn)速，6 r/min～8 r/min。

4 地下水控制

地下水位要求降至開挖井筒底板以下1.0 m，降深隨井筒掘進長度的增大而逐漸增加，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012），結(jié)合現(xiàn)場具體情況，采用井管井點降水方案。基坑降水總涌水量按潛水完整井公式計算：

式中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度，m；sd為基坑地下水位的設計降深，m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m，可按計算，A為基坑面積，m2。

式中：Q為單井設計流量，m3/d；n為降水井數(shù)量。

經(jīng)計算，基坑涌水量約為Q=1227.6 m3/d，共布設10眼降水井，井距10 m～15 m，井深22 m～45 m，布置在主斜井軸線上[4]。

5 結(jié)語

在設計主斜井截滲及降水方案時，仔細分析主斜井所在場區(qū)的工程水文地質(zhì)情況，遵循“安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理”原則，采用連續(xù)墻截滲、高壓旋噴樁固結(jié)配合降水等綜合處理措施解決井筒在流砂、透鏡體等特殊地質(zhì)條件施工的難題，加快井筒施工速度，節(jié)省大量的人力、物力，降低工程造價，為類似工程的設計提供參考和借鑒。