分层施工在赵固一矿西风井井筒冻结段外壁施工中的应用

周彬彬

（煤炭工业焦作矿区建设工程质量监督站，河南 焦作 454002）

针对井筒冻结外壁施工，国内学者进行了各种方法的尝试运用。贾文安[1]在余吾煤业南风井立井施工运用防冻技术；张晔年[2]在顾桥矿副井加强机械化配套作业，发挥大型设备的能力，提高施工效率；梁袁等[3]在刘庄煤矿主井施工中实现了冻结表土段挖“糖稀”，达到了快速施工的目的；张登龙[4]对井筒冻结和掘砌施工方案提出了大胆设想并进行创新。对于井筒冻结段外壁施工均采取了不同的创新，主要使用分层施工技术方法对赵固一矿西风井井筒冻结段进行了各种方法的综合应用，并取得较好的效果。

1 工程概况

赵固一矿西风井位于焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司赵固一矿西风井工业广场南部，井口设计永久坐标X=3 918 754.000，Y=38 462 840.000，井口自然地坪标高+85.30 m。井口永久锁口绝对标高为+86.80 m。井筒设计深度为636.80 m，净直径6 m，冻结深度589 m，冻结段外壁净直径7.1～7.7 m，其中永久锁口10 m，表土冻结段外壁548 m。

1.1 井筒结构参数

冻结段外层井壁结构为：0～ -10 m设计为永久锁口（0～ -5.1 m段临时锁口施工，-5.1～ -10 m为临时外壁），单层钢筋砼井壁支护，-10 m～200 m为单层钢筋砼井壁，-200 m～558 m为双层钢筋砼井壁。

1.2 井筒冻结段地质条件

赵固一矿西风井自上而下穿过第四系（Q）冲积层44.95 m，新近系（第三系）（N）冲积层457.56 m，二叠系上石盒子组（P1x） 71.33 m，二叠系山西组（P1s）83.93 m。

1.3 井筒冻结段水文条件

根据赵固一矿精查地质报告成果显示，冻结段自上而下划分为3个主要含水层组和1个隔水层组：第四系含水层，新近系中、底部砂、砾石含水层，基岩风化带含水层；新近系泥、泥质土层隔水层。

2 分层施工技术

冻结表土层拟采用立井挖掘机配合中心回转抓岩机抓土装土，人工风镐平底、刷帮。冻结基岩层掘进拟采用伞钻打眼，光面爆破，中心回转抓岩机机械装岩、人工清底；提升拟采用一主一副提绞车提升，配三个吊桶装土装矸，中心回转抓岩机装土装矸；外壁采用2.5～4 m段高的下行液压装配式金属模板进行混凝土砌壁，混凝土搅拌采用两套混凝土搅拌机拌料、底卸式吊桶下灰。

2.1 临时锁口施工技术

一次将井筒挖掘至-5.1 m处，按外壁设计绑扎竖向钢筋和环向钢筋，竖向钢筋一头与临时外壁的竖向钢筋连接；在工作面组装2.5 m段高整体下行金属模板，施工混凝土临时壁座。壁座以上为砖砌体结构，采用机砖及砂浆灰砌筑，人工砌筑砖墙至设计位置，砖墙采用素土充填密实。

2.2 井筒试挖掘砌施工技术

冻结交圈后施工达到试挖条件后，开始试挖，采用吊桶提升。

2.2.1 冻结表土段试挖技术

当同时具备基本条件（水文观测孔水位有规律地上升并冒水，测温孔的温度达到设计要求；冻结壁已发展到设计厚度，实际形成与观测结果一致；去、回路盐水温差在2 ℃左右）后由-5.1 m向下试挖20 m。

试挖段采用短段掘砌混合作业，试挖用2.5 m段高模板，挖掘机掘进，人工辅助刷帮。在第一个段高掘进时，分区刷帮，每区先扩宽至荒径，立上临时支柱，逆时针方向逐段扩完（防井壁下沉）。

第一道模掘进够段高后，将底板找平绑扎钢筋。竖向钢筋使用直螺纹连接套与临时锁口预留的竖向钢筋连接；施工至-10 m时采用变径（Φ20 mm变Φ22 mm）连接套与永久外壁竖筋连接。

混凝土浇筑采用设置在封口盘上的灰箱经活节管入模，入模砼采用振动棒振捣密实。

在冻结壁发展到荒径以前，如砂土层中含水，挖掘由井中向周边扩展，利用在井中挖超前小井，控水集水，台阶式挖掘以防井帮塌落。

试挖结束后，进行吊盘的吊挂安装工作：在模板上口搭操作架，将两层吊盘下放至操作架上进行吊盘安装。待冻结达到正式开挖条件进行冻结表土段外壁的掘进施工。

2.2.2 冻结表土段外壁掘砌施工技术

（1）表土段掘进施工

表土段采用立井冻结表土机械化快速施工法施工。

表土段全断面一次掘进，立井挖掘机和中心回转式抓岩机挖土装罐，采用吊桶装土、提升。先挖井筒净径以内部分2.5 m深，然后进行刷帮，刷帮采取先间隔刷帮、后全部刷帮方法。最后全断面挖掘到4 m并找平。按施工安排试挖段采用2.5 m段高模板，模板不组装刃角，每模钢筋绑扎后采用人工做假刃角；-10～ -200 mm设计为单层钢筋，待试挖结束将段高增加至4 m后组装刃角，每模绑扎钢筋后找平底板，将模板与刃角同时下放至底板；-200～-558 m段设计为双层钢筋，全断面掘够4 m后将底板找平，退模时先将刃角下至底板找平找正，铺设塑料泡沫板，绑扎外层及内层钢筋，钢筋绑扎后将模板退至刃角上，使用4根5 t倒链将刃角均匀固定在模板上。

施工前做好相关准备工作，一旦发生片帮，立即架井圈支背板、挡住土层片帮，然后挖至设计段高后立即浇注混凝土。井帮片帮严重不稳定时，应缩小施工段高至2.5 m。

根据冻结钻孔布置及地质情况，结合冻结施工经验，考虑最不利因素影响，预计施工至-400 m以下表土段冻土进入荒壁较多，掘进采用钻爆法施工。钻爆机具为：锚杆钻机打眼，麻花钻杆，采用抗冻水胶炸药，炮孔深度不大于2.2 m。施工中应根据冻结管倾斜情况，及时调整周边眼位置，保证周边炮孔距冻结管不小于1.2 m。控制总装药量，周边眼的装药长度不超过100 mm。

风动工具的防冻：在井口安设压风脱水器，净化压风；使压风经过冻结沟槽，让压风预冷之后放掉冷凝的水分；配齐配足风动工具，出现上冻后及时更换；加强风动工具的维修保养，随时检修，确保正常运行；加防冻机油和工业酒精。

（2）冻结表土段爆破作业

使用凿岩机打眼，配套麻花钻杆、Ф51 mm注齿型锚杆钻头。掏槽眼深度3 m，其他炮眼2.8 m，炮孔直径Φ51 mm。选用抗冻水胶炸药，采用煤矿许用毫秒延期电雷管，380 V交流电井上放炮。打眼、装药并联联线，毫秒延期电雷管分段起爆。

（3）变径掘进施工技术

按设计要求，外壁在-200 m处其净直径（Φ7100 mm→Φ7300 mm）， 壁 厚（500 mm→600 mm）；-380 m处其外壁净直径（Φ7300 mm→Φ7700 mm）， 壁 厚（600 mm→750 mm）。

-200 m处变径施工方法：

施工至-200 m前一个段高（-196 m处），在以Φ7100 mm净直径施工情况下，外侧毛断面尺寸提前逐渐过渡至扩大后的毛断面尺寸。当以Φ7100 mm净直径施工到-200 m时，下一个段高全部按扩大后的断面挖掘，当达到4.0 m段高后，拆除原刃角，然后人工挖刃角，并在刃角内铺一层砂→铺泡沫板→绑扎钢筋→将底板铺平，将杂物升井，将6寸的钢管下放井底→将原模板下至底板的钢管上解体，加变径块，组装成Φ7300 mm新模板→然后上提模板至上一段高井壁的斜面下找正→浇注混凝土→向下沿净断面下挖约2 m左右，待上一段高混凝土凝固后再刷帮至荒径→下放组装新刃角，并用倒链提至新模板下→继续沿扩大后的荒断面下掘至一个段高的位置→下放新刃角，找正，堵刃角→铺泡沫板→绑钢筋→下放模板找正→浇注混凝土。用两个段高完成变径施工，随后转入扩大后断面的正常施工，变径施工前另行补充施工安全技术措施。

2.2.3 过粘土层掘进施工

（1）位移监测及段高改变

进入深厚粘土层以后，每段高都必须进行位移监测。为了保证位移数值的准确性，每个段高下掘至0.8 m时就将位移监测的孔用风镐开出，并且位移监测孔尽量开至冻结壁。当监测段高的井帮位移量超过50 mm/h，根据位移量、施工各工序的速度、总的循环时间，确定施工的段高。根据实际施工情况，将4 m段高缩短为2.5 m或1.5 m。缩短段高的井帮位移量仍超过50 mm/h，应及时将模板下的金属刃脚拆除，风镐开挖人造刃角，以进一步缩短井帮暴露高度。当采用最小1.5 m模板（有效段高1.4 m）无刃脚施工时，每个段高的井帮位移量仍超过50 mm/h，应及时将模板改为不超过1.2 m高的绳捆模板施工。

（2）卸压槽施工

进入特大深厚铝质粘土层后，每个段高必须在开帮时间，在荒径上均匀对称挖8道竖向卸压槽，卸压槽用泡沫板填实。

（3） 井圈加固

在地压较明显、位移量较大的特殊地层以及砂层、黏土层交叉地层中，混凝土脱模后及时架20#槽钢井圈加固。

2.2.4 冻结基岩段掘进施工

井筒冻结基岩段外壁采用立井机械化快速施工工法进行施工。

2.2.5 装岩排矸

中心回转抓岩机，抓岩机抓岩顺序：抓出罐窝→抓取边缘矸石（冻土）→抓井筒中间矸石（冻土）。

集中阶段要充分发挥抓岩机抓岩能力和提升能力，尽快把堆集在井底的大量爆落矸石装运到地面，同时指定专人检查井壁安全，处理危岩、瞎炮，为下阶段创造条件。

清底阶段为加快清底速度，并保证清底质量，为下一循环创造条件，采用人工多台风镐清底。

排矸采用一主一副提升绞车，配吊桶提升、出矸，挂钩式翻矸、汽车排矸。

2.2.6 混凝土砌壁施工

挖至设计段高找平后，割水文管，当井壁温度为0 ℃时安装泡沫板，在表土段-10～ -200 m铺设50 mm厚泡沫板，-200～ -503 m铺设75 mm厚泡沫板，采用1寸钢钉或Φ6 mm钢筋固定，泡沫板采用对接方式。

绑扎钢筋：钢筋均采用Ⅱ级螺纹钢，外壁环筋采用直径25 mm螺纹钢，竖筋采用直径22 mm螺纹钢。钢筋在使用时环筋按照设计曲率半径弯成弧形，竖向钢筋采用螺纹连接。环筋排距230 mm，竖筋间距250 mm，要求竖筋铅垂，环筋水平，用16#扎丝双股铁丝绑扎，每个搭接部位平均绑扎3道，外层钢筋保护层不得小于70 mm。

浇筑混凝土：（1）砌筑采用单缝液压式整体金属下行模板、液压油缸脱模。模板由直模和刃角组成，根据施工安排试挖结束组装刃角，-200 m以上刃角使用螺栓固定在直模上（配保险绳），每模绑扎钢筋后将模板与刃角整体退至底板，-200～ -558 m段刃角与模板分为两部分，刃角使用倒链固定在模板上，底板找平后将刃角退至底板绑扎外层及内层钢筋，钢筋绑扎完成将模板退至刃角上，找正模板浇筑混凝土。（2）砼搅拌机拌灰，砼配料机配料和称重配料仪称重，底卸式吊桶下灰，通过分灰器、溜灰管入模。（3）入模砼采用插入式风动振捣器通过窗口进行分层（每300～400 mm厚为一层）振捣。（4）振捣质量应合格。

脱模：从井上将风动液压泵站下到井下，接上风管，并给油缸对上高压油管，接头要绝对干净，开动风动液压站，启开高压阀门，使油缸工作带动活塞内收，使模板脱开砌壁。

3 结语

（1）井筒冻结段施工顺序。冻结表土段（按-200 m以上不实施退刃角找正工序）：挖土至设计段高找平→钉泡塑板→（退刃角找正）→绑扎钢筋→下放模板找正→浇筑混凝土→拆模；冻结基岩段：画轮廓线→打眼→装药放炮→通风验炮→出矸→退刃角找正→绑扎钢筋→下放模板找正→浇筑混凝土→拆模。

（2）分层施工针对不同层位的地质条件采取不同的施工技术，可达到设计要求。