富水大厚度流沙層立井井筒施工技術研究

摘要： 2020年11月6日KZVCM立井井筒在井頸段開挖時， 突遇涌水量約32m3/h， 厚度約13m的流沙層。針對此類富水大厚度流沙層， 常用凍結法或高壓旋噴法進行治理， 但VCM立井地處KZ， 地表最低溫度約零下40℃， 且0～12m井頸和永久風道已經形成。我公司綜合以上條件選擇置換注漿和短掘短砌施工技術， 歷經6個月， 成功穿過該流沙層。在應對復雜水文地質環境的掘進工作中， 我公司成功地提升了施工效率， 從而為項目帶來了顯著的經濟效益。基于具體的施工經驗， 本文深入探討了在富含水源的大厚度流沙層中如何實現安全且高效的作業， 旨在為同類工程提供實踐經驗和理論指導。

關鍵詞： 富水大厚度流沙層; 置換注漿技術; 漿液; 短掘短砌

DOI：10.12433/zgkjtz.20240852

2020年11月6日KZVCM立井井筒正在進行開挖作業， 已完成井深35.9m～37.1m段錨網支護， 揭露圍巖為紅色粘土， 無漏水點， 繼續向下開挖至井深39m（標高+279.6m）時， 北東側出現2處突水點， 突水部位均噴出大量細砂及沙礫， 2處突水點中間幫壁可見大塊鵝卵石， 實測總涌水量約32m3/h。

VCM立井設計井深742.6m， 凈直徑7m， 井深0～80m為鋼筋混凝土結構， 其余段為素混凝土結構， 混凝土厚度分別為500mm和450mm， 混凝土強度為B30。

一、 技術特點

（1）采用流沙層置換注漿技術， 提高井壁自穩性能。

（2）采用超前小井抽排涌水， 實現無水開挖。

（3）采用劈裂棒靜態破除混凝土止漿墊， 避免爆破破除法對注漿形成的結石體帷幕產生擾動。

（4）采用型鋼井圈法和壁后注漿綜合技術， 有效防止開挖時流沙涌入井筒中心和提高混凝土壁后的密實性。

（5）采用小段高短掘短砌， 確保井壁穩定性。

（6）采用添加2種添加劑的耐硫酸鹽硅酸鹽抗滲混凝土， 能達到快速脫模、 縮短工序時間的效果。

二、 適用范圍

松散破碎圍巖或表土層及特殊水文地質條件下立井井筒施工。

三、 工藝原理

采用流沙層置換注漿技術， 在距內井壁0.5m布置一圈鉆孔， 孔間距0.5m， 根據設計參數采用雙機對頂式單側三孔、 雙孔、 單孔方式進行鉆孔注漿工作， 使井壁開挖范圍外形成一個較完整的注漿結石體帷幕， 進而達到堵水堵沙效果。

采用超前小井抽排涌水， 提前將井筒水位降低至開挖面以下1m， 實現無水開挖。

采用型鋼井圈技術， 每1m段高的第一層井圈通過提前預埋好的長800mm M24地腳螺栓固定在上一模已澆筑的混凝土內， 其余井圈之間通過M24×60mm螺栓連接， 使已開挖的井筒處在金屬井圈的保護下， 避免流沙涌入井筒中心。

采用壁后注漿技術， 通過提前預留的φ50mm注漿管， 使用2TGZ-60/210注漿泵注入化學漿， 終壓2Mpa， 充填金屬井圈以外的空隙部位， 提高混凝土壁后的密實性。

采用1m段高短掘短砌技術， 使用添加Xseed-100和Mglenium-909型2種添加劑的混凝土， 實現養護3h脫模目標， 大大提高了工效。

四、 工藝流程和操作要點

（一）工藝流程

流沙層置換注漿→檢查孔施工→實現方案設定涌水量目標→施工超前小井抽排涌水→井筒開挖→安裝型鋼井圈→鋼筋綁扎→安裝M24地腳螺栓和壁后注漿管→模板安裝→混凝土澆筑→混凝土養護→下1m井筒掘砌施工。

（二）操作要點

（1）混凝土止漿墊： 厚度1.7m， 混凝土強度B30， 混凝土制作過程中添加Mglenium-909 和 Xseed-100兩種添加劑。

（2） 鉆孔設計參數： 鉆孔共36個， 鉆孔圈徑6m， 鉆孔孔徑130mm， 孔口間距0.5m， 孔底間距1m， 鉆孔傾角12°， 鉆孔深度12m。

（3）安裝鉆機平臺： 平臺高度2m， 采用φ108×4m和I20工字鋼組裝， 型鋼間均采用M16×60mm螺栓連接， 平臺表面鋪設規格5000×300×50mm木板。

（4）孔口管安裝及固定： 使用130mm鉆頭鉆進至開孔深度3m后取出孔內鉆具， 孔內下放3m長， ?108mm × 4mm無縫鋼管制作的孔口管。孔口管下放至設計深度后， 使用水泥-水玻璃雙液漿進行固管; 孔口管采用兩根直徑36mm， 長度1.5m螺栓與夾板卡固定， 螺栓嵌入混凝土深度不低于1m。

孔口管耐壓抗滲試驗： 在孔口管端部安裝高壓閘閥， 鉆進至孔深3m后停止， 進行孔口管耐壓抗滲試驗。

（5）鉆孔： 36個鉆孔分為6序， 3個鉆孔為一組， 每序由2臺鉆機同時施工， 鉆孔每序段高為0.5～1m。

（6）注漿： 注漿作業前先進行孔內壓水試驗， 同時將注漿材料通過提升系統運送至作業平臺。根據壓水試驗獲取的參數確定起始漿液類型及漿液配比。

漿液類型是單液水泥漿、 化學漿等， 對涌水量大于20m3/h的鉆孔， 使用超細水泥， 其他情況下使用化學漿。

注漿終壓： 1.5～2.0Mpa。

注漿養護： 5h。

（7）檢查孔施工： 檢查孔數量5個， 孔深12m， 5個檢查孔累計涌水量不超過5m3/h時轉為井筒掘砌施工。

（8）混凝土止漿墊開挖

使用YG-B130-850型劈裂棒分2次開挖混凝土止漿墊。每次按照如下順序施工：

①使用強力風鎬B47沿井筒中心開挖直徑為1m， 深1.8m的自由面。

②使用KQJ-92鉆機施工劈裂孔， 孔直徑130mm， 孔深0.9m， 孔間距0.8m， 相鄰兩圈圈距0.8m。

③使用吹風管一次性清理完所有劈裂孔。

④將劈裂棒的液壓站從地表下放至吊盤下層盤， 并連接好電源。

⑤將劈裂棒通過吊桶下放至井底。

⑥依次將劈裂棒放入劈裂孔內， 并分別將與液壓站連接好的加壓管和卸壓管同時連接至劈裂棒。

⑦打開液壓站， 操作加壓操縱桿， 對劈裂棒進行加壓， 劈裂棒上的頂缸緩慢打開， 最大輸出值不超過100Mpa。

⑧混凝土裂開后， 操縱桿歸零， 關閉液壓站， 劈裂棒開始卸壓， 待劈裂棒上的頂缸緩慢收攏后， 取出劈裂棒， 即完成劈裂施工。

⑨按照上述劈裂棒使用順序， 依次完成所有劈裂孔劈裂施工。

⑩使用抓巖機將劈裂后的混凝土塊抓至3m3吊桶， 并提升至地表翻矸平臺傾倒至矸石倉。

（9） 施工超前小井： 長×寬×高： 1m×1m×1.5m， 2個; 人工開挖超前小井， 采用井圈背板支護， 自外向內開挖， 每開挖500mm高度后， 在井圈外側安裝木板。

開挖結束后， 在每個過濾器內安裝2臺潛水泵（1用1備）， 開挖產生的水， 通過潛水泵直接排至地表沉淀池。

潛水泵型號： 流量40m3/h， "揚程99m。

（10）井筒開挖參數： 開挖段高1m， 開挖直徑8.0m。

開挖方式： 井筒分4個區域開挖， 0.28m3挖掘機結合HZ-6B抓巖機開挖， 每開挖300mm高度后， 即安裝20#槽鋼井圈， 該段支護完成后開挖下一1/4區域， 直至1m段高井筒開挖結束。

（11）鋼筋綁扎： 按照圖紙設計要求綁扎鋼筋。

（12） M24地腳螺栓和孔口管安裝： 預埋件均焊接在安裝好的鋼筋上。

（13）模板安裝： 模板使用木模， 高度1m。

（14）混凝土澆筑： 按照設計配比在混凝土攪拌站拌制混凝土， 使用2臺7m3混凝土罐車運輸至井口， 將混凝土卸載至井口混凝土溜槽到達料桶， 通過提升機提升至吊盤分灰器處卸料， 對稱入模。

混凝土記錄：

①混凝土試塊， 試塊規格： 100×100mm。

②混凝土入料桶前， 在井口對每罐混凝土進行塌落度測試， 塌落度： 160～180mm。

③3小時、 8小時、 1天、 28天混凝土強度報告。

五、 材料與設備

主要設備、 材料如表1。

六、 質量控制

（一）執行規范、 標準

（1）《確保采礦和地質勘探的危險生產設施的工業安全的規則》工業安全部第352指令。

（2）《SNIP3.02.03-84》。

（二）質量控制措施

（1）施工前編制標準作業程序SOP， 進行安全質量技術交底， 使作業人員掌握工藝技術要求及有關注意事項。

（2）建立了一個由項目經理領導的質量管理團隊， 配置專業質檢人員， 確保各級質量管理責任得到有效執行， 并對工作成果進行嚴謹的評估。

（3）出臺項目部質量管理辦法， 對工程質量進行考核。

（4）施工前認真做好鋼筋、 水泥、 砂、 石子等材料的檢驗、 試驗工作， 嚴禁使用不合格材料。

（5）所有測量設備在啟用前， 均需送至具備法定檢定資格的機構進行校驗， 只有當其精度指標滿足標準規定時， 才能投入使用。

（6）工程開工前， 聯系有資質的試驗室進行混凝土和注漿漿液配合比試驗， 然后認真做好混凝土試塊的制作、 養護和送檢工作， 確保混凝土強度符合設計要求。我司采用電子自動化配料系統， 以保證混凝土成分的精確計量。定期對計量系統進行校準， 嚴格監控混凝土的水灰比例。外加劑的添加量需通過精確的容器測量， 誤差控制在±0.5%以內。

（7）澆筑過程中， 對稱且均勻的布料至關重要， 以防止模板因受力不均而產生變形或位移。拆模應在混凝土達到設計強度的70%之后進行， 拆模過程要溫和， 以保護混凝土表面質量不受損害。拆模后， 需進行持續至少7天的灑水養護。

（8）混凝土澆筑時， 嚴格按照配合比進行配料攪拌， 確保充分振動， 避免漏振或過振現象。

七、 結束語

通過該技術， 2021年7月19日， 井筒成功穿過39m～52.5m大厚度富水流砂層， 且在井深39m～52.5m段實現了安全高效施工目標， 在KZ同行業中樹立起了良好的企業形象。

該技術簡單、 易操作， 安全系數高， 可普遍推廣應用于松散破碎圍巖或表土層及特殊水文地質條件下立井井筒施工。

如此大厚度的富水流沙層在豎井鑿井工程中非常少見， 本次成功穿過流砂層為豎井富水流沙層治理積累了寶貴的經驗，可供同行參考。

參考文獻：

[1]董建.復壁式雙層澆灌技術在豎井過特殊構造中的應用[J].能源技術與管理，2020，45（5）：134-135.

[2]茹新華.立井井筒過第四系流沙層沉井技術應用[J].北京工業職業技術學院學報，2015，14（2）：1-3+8.