斜井井筒过饱和粘土段施工技术研究

李忠森，陈 弦，孙悟强，孙建启

(陕西煤业化工建设(集团)有限公司，陕西 西安 710021)

随着西部大开发战略的不断深入和能源需求的持续增长，我国煤炭建设重点逐步向西部转移，新建的矿井往往会采取斜井井筒的开拓方式。在井筒明槽段、暗槽段等工程大开挖施工过程中经常会遇到含水砂层、饱和粘土、软弱淤泥等不良地质条件，这些地质条件经常导致开挖土体出现流砂、地基液化、土体坍塌等地质灾害现象，影响工程施工。在治理类似工程问题时，有采用水下灌注桩施工技术、高压旋喷桩和钢板桩进行止水帷幕[1-4]、有对砂层和松散岩体小管棚注浆加固和冻结施工稳定岩体的施工技术[5-9]。本文针对车村煤矿一号井暗槽施工过程中遇到的饱和粘土，结合现场条件，采取“钢轨混凝土桩帷幕+小管棚超前支护+片石混凝土置换加固”的综合施工方案。掘进过程中采取短掘短支，井筒顺利通过了饱和粘土段。

1 工程概况

车村煤矿一号井副斜井井筒斜长819.1m，井筒倾角22°，位于两山低凹处，井筒断面为直墙半圆拱形，净宽4600mm，净高3700mm，墙高1400mm，拱高2300mm，净断面14.8m2。井筒0～28m为明槽段，28～52m为暗槽段，52m以后进入山体，此时井筒进入暗槽段。暗槽段井筒掘进宽度为5400mm，高为4740mm，采用“29U型支架+混凝土砌碹浇筑”支护，支架间距为800mm，混凝土厚度400mm，强度为C30，井筒地板为钢筋混凝土，厚度为200mm，强度等级为C30。

明槽和暗槽段自上而下土层为：黄土、粉土、粉质粘土。各层土质物理力学参数见表1。经过对土层饱和度、含水率、液限和塑限的分析，在离地表5.85～8.85m深度范围内，土层为粉土，塑限大于10%，粉土饱和度超过80%，液性指数在0.8左右，结合相关文献[6-9]判断该土层为软塑状态的饱和粘土。

表1 表土段局部钻孔土层物理力学性质

2017年7月2日开始进入井筒暗槽段施工，掘进采用“短掘短支”，7月10日井筒暗槽段施工至35.7m，工作面底部挖掘出土时，底板出现淤泥，并由浇筑好的底板下方一直涌入工作面，造成已浇筑底板下方掏空，已成巷的3m(32.7～35.7m)井筒整体发生不均匀下陷导致巷道顶部开裂，巷道支架和混凝土整体发生破坏。

经过现场分析，饱和粘土在施工过程中受到施工机械等外荷载扰动的影响，振动荷载使饱和粘土骨架间的连接遭到破坏而产生体变，孔隙中的水不能及时排除，致使孔隙水压力不断增大，粉粒间的剪阻力相应地减小，饱和粘土液化从巷道底板下涌入工作面，从而导致巷道破坏变形。

2 “钢轨混凝土桩+小管棚+片石混凝土”综合施工方案

因该工业场地狭窄，不具备大开挖的条件，且大开挖土方量较大，会增加大量成本。若采用旋喷桩进行帷幕，需要进行桩基施工单位招标，整个实施周期较长。为了加快施工进度，保证副斜井顺利向前掘进，经过讨论分析确定了采取钢轨混凝土桩帷幕、小管棚超前支护进行掘进和片石混凝土底板换填加固的施工方案。

2.1 钢轨混凝土桩帷幕

2.1.1 钢轨混凝土桩

为了保证在井筒施工过程中，周边饱和粘土不会涌入工作面，模拟旋喷桩帷幕的原理，在井筒地面位置28～52m段井筒两侧钻孔，利用矿建施工的钢轨作为混凝土的骨架，形成钢轨混凝土桩帷幕，如图1所示，同时提高巷道帮部抗坍塌能力，在钢轨混凝土保护作用下进行井筒掘进施工。

图1 钢轨混凝土布置平面图(mm)

钻孔布置在井筒中心线两侧3050mm的位置上，钻孔直径为200mm、间距为400mm，钻孔孔底应进入稳定粘土层2m，当稳定粘土位于井筒底板以上时，孔底应进入井筒掘进底板标高以下2m，设计钻孔深度随着井筒向下，钻孔越深，整体钻孔深度为11～24m，总钻孔量为2132m。

每侧各打60个孔，采用200钻机成孔，孔内下入30kg/m轨道，轨道之间用道夹板连接并焊接形成一条等长的钢轨柱，下放轨道，轨道大头应朝向井筒侧，井筒掘进加固方式如图2所示。轨道下放后，将轨道用斜撑固定，在钻孔中灌满细石混凝土，混凝土强度等级为C20，混凝土凝固周期不得小于3d后方可开挖。

图2 井筒掘进加固断面图(mm)

2.1.2 横向支撑

对帷幕段井筒上方回填土层进行局部开挖，开挖深度为1～2m，在钢轨混凝土桩2m处凿开混凝土漏出钢轨，用4寸钢管横向焊接，如图2所示，用来支撑井筒两侧钢轨混凝土桩，防止在井筒掘进过程中因土压力而导致钢轨混凝土向井筒内侧倾斜，保证施工安全。

2.2 井筒掘砌

1)超前支护。井筒采用短掘短支，用挖机对工作面土层进行开挖。为防止工作面迎头顶部岩土垮落，掘进前采用小管棚进行超前支护。在掘进轮廓线施工∅42mm×6000mm钻孔，孔间距为300mm，然后打入长度6300mm的∅40mm钢管，钢管前段为楔形，钢管插入深度不得小于6000mm，管棚后端与已架设的U型棚焊接相连。每次超前支护架设支架7～8架，保证两个循环管棚之间重叠长度在3000mm左右，根据现场围岩情况做适当调整。

2)井筒底板加固。井筒底板施工时，对底板设计标高以下饱和粘土采用片石混凝土进行置换，置换深度不得小于1m。随着井筒向前延伸，当底板饱和粘土不足1m时，换填至粉质粘土层。架设29U型钢之前，在井筒底板用22#工字钢与井筒两侧的钢轨混凝土中的钢轨横向焊接，横向工字钢间距为400mm，长6100mm。每2根横向的工字钢之间也使用22#工字钢纵向焊接相连，工字钢架设29U型钢支架的棚腿处各连接一道，中间连接两道。

3)架设29U型棚。因该段地层为回填层易冒落，为保证能安全施工，将29U型支架棚距加密为400mm，29U型棚上部铺设∅6.0mm钢筋网。29U型支架棚腿焊接在22#工字钢上，为保证29U型棚之间的牢固性，支架底座钢板架设在工字钢腹板上，并进行焊接加固。29U型支架之间增加钢筋拉杆，拉杆方式为焊接，钢筋拉杆为∅20mm三级螺纹钢，间距为300mm，如图2所示。

4)底板铺设。每架设7～8架U型钢后，进行底板铺设，厚度为200mm，结构为钢筋混凝土，混凝土标号为C30。

5)永久支护。按照设计要求每架29U型棚架设完成后，立即喷浆封闭，喷浆厚度为50mm，喷浆强度为C20。每3m进行一次混凝土砌碹支护，砌碹厚度为400mm，浇筑前先将模板碹胎等清理干净，并涂油保证拆模后的混凝土表面质量。按照规格尺寸立拱腿、拱梁。浇筑时及时振捣，要保证混凝土的密实度，混凝土强度为C30。

6)回填。巷道浇筑成巷后，对顶部开挖区进行回填，使用人工夯机压实，分层回填厚度为250mm，回填土密实度0.95，逐层压实直至设计地坪标高。

3 施工注意事项

1)钻孔施工时要严格控制钻机转速，以防止钻孔偏斜，孔底最大偏斜值不能大于4cm。

2)为保证横向支撑钢管与钢轨混凝土焊接牢固，下放轨道时，轨道大头应朝向井筒侧，钢管与钢轨混凝土焊接焊缝饱满。

3)混凝土粗骨料采用5～10mm石子，确保混凝土灌注时不堵孔，灌注混凝土过程中应不断敲击轨道，确保混凝土密实。

4)钻孔施工完成后，下放钢轨时尽量延钻孔中心，防止坍塌土层围抱在钢轨周围，影响混凝土的浇筑质量。

5)饱和粘土采用片石砂浆进行置换后，在浇灌混凝土时，片石缝隙要浇灌饱满，确保达到预期强度。

4 实施效果

4.1 实施情况

2017年7月15日开始在副斜井两侧进行钢轨混凝土帷幕施工，之后对工作面破坏时涌入的泥浆、掏空底板及下陷的支架进行处理后开始正常掘进，工作面采用小管棚超前支护、片石混凝土置换饱和粘土加固底板、短掘短支的相关措施，暗槽段于2017年8月30日顺利通过，历时45d。施工过程中，钢轨混凝土帷幕有效地阻止井筒周边饱和粘土进入井筒，未发生过饱和粘土液化造成的灾害现象。

4.2 监测分析

巷道实施过程中，对该段巷道地面沉降和巷道顶底板及两帮的变形量进行了监测，监测结果表明：地面最大沉降量为11mm，如图3所示；顶底板移进量为6mm，两帮移进量最大为3.7mm，如图4所示。地面沉降和顶帮变形在15d时趋于稳定，地面无明显开裂现象，巷道混凝土顶、底板未发生开裂现象，未发生不均匀沉降，巷道整体稳定。

图3 地面沉降量变化曲线

图4 巷道顶帮变形曲线

5 结 论

1)在车村一号井副斜井施工过程中遇到的饱和粘土，通过钢轨混凝土桩对井筒周围饱和粘土进行帷幕，同时对基底饱和粘土采用砂浆片石垫层置换和工字钢加固等一系列措施，可以有效地控制饱和粘土的液化灾害。

2)合理利用了矿建施工准备的机械和材料，采取探水钻进行成孔，斜井轨道运输的钢轨进行抗滑、帷幕桩的施工，提高的施工速度，节约了工程投资，同时也保证了安全质量。

3)该项目中提出了对饱和土进行帷幕和抗滑的钢轨混凝土桩施工方案，该桩强度较高，可以为同类型工程地质条件的边坡、地基、路堑等抗滑支护的措施提供工程实践经验。