李忠森，陳 弦，孫悟強(qiáng)，孫建啟

(陜西煤業(yè)化工建設(shè)(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710021)

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷深入和能源需求的持續(xù)增長，我國煤炭建設(shè)重點逐步向西部轉(zhuǎn)移，新建的礦井往往會采取斜井井筒的開拓方式。在井筒明槽段、暗槽段等工程大開挖施工過程中經(jīng)常會遇到含水砂層、飽和粘土、軟弱淤泥等不良地質(zhì)條件，這些地質(zhì)條件經(jīng)常導(dǎo)致開挖土體出現(xiàn)流砂、地基液化、土體坍塌等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，影響工程施工。在治理類似工程問題時，有采用水下灌注樁施工技術(shù)、高壓旋噴樁和鋼板樁進(jìn)行止水帷幕[1-4]、有對砂層和松散巖體小管棚注漿加固和凍結(jié)施工穩(wěn)定巖體的施工技術(shù)[5-9]。本文針對車村煤礦一號井暗槽施工過程中遇到的飽和粘土，結(jié)合現(xiàn)場條件，采取“鋼軌混凝土樁帷幕+小管棚超前支護(hù)+片石混凝土置換加固”的綜合施工方案。掘進(jìn)過程中采取短掘短支，井筒順利通過了飽和粘土段。

1 工程概況

車村煤礦一號井副斜井井筒斜長819.1m，井筒傾角22°，位于兩山低凹處，井筒斷面為直墻半圓拱形，凈寬4600mm，凈高3700mm，墻高1400mm，拱高2300mm，凈斷面14.8m2。井筒0～28m為明槽段，28～52m為暗槽段，52m以后進(jìn)入山體，此時井筒進(jìn)入暗槽段。暗槽段井筒掘進(jìn)寬度為5400mm，高為4740mm，采用“29U型支架+混凝土砌碹澆筑”支護(hù)，支架間距為800mm，混凝土厚度400mm，強(qiáng)度為C30，井筒地板為鋼筋混凝土，厚度為200mm，強(qiáng)度等級為C30。

明槽和暗槽段自上而下土層為：黃土、粉土、粉質(zhì)粘土。各層土質(zhì)物理力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)過對土層飽和度、含水率、液限和塑限的分析，在離地表5.85～8.85m深度范圍內(nèi)，土層為粉土，塑限大于10%，粉土飽和度超過80%，液性指數(shù)在0.8左右，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[6-9]判斷該土層為軟塑狀態(tài)的飽和粘土。

表1 表土段局部鉆孔土層物理力學(xué)性質(zhì)

2017年7月2日開始進(jìn)入井筒暗槽段施工，掘進(jìn)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?xí)r，底板出現(xiàn)淤泥，并由澆筑好的底板下方一直涌入工作面，造成已澆筑底板下方掏空，已成巷的3m(32.7～35.7m)井筒整體發(fā)生不均勻下陷導(dǎo)致巷道頂部開裂，巷道支架和混凝土整體發(fā)生破壞。

經(jīng)過現(xiàn)場分析，飽和粘土在施工過程中受到施工機(jī)械等外荷載擾動的影響，振動荷載使飽和粘土骨架間的連接遭到破壞而產(chǎn)生體變，孔隙中的水不能及時排除，致使孔隙水壓力不斷增大，粉粒間的剪阻力相應(yīng)地減小，飽和粘土液化從巷道底板下涌入工作面，從而導(dǎo)致巷道破壞變形。

2 “鋼軌混凝土樁+小管棚+片石混凝土”綜合施工方案

因該工業(yè)場地狹窄，不具備大開挖的條件，且大開挖土方量較大，會增加大量成本。若采用旋噴樁進(jìn)行帷幕，需要進(jìn)行樁基施工單位招標(biāo)，整個實施周期較長。為了加快施工進(jìn)度，保證副斜井順利向前掘進(jìn)，經(jīng)過討論分析確定了采取鋼軌混凝土樁帷幕、小管棚超前支護(hù)進(jìn)行掘進(jìn)和片石混凝土底板換填加固的施工方案。

2.1 鋼軌混凝土樁帷幕

2.1.1 鋼軌混凝土樁

為了保證在井筒施工過程中，周邊飽和粘土不會涌入工作面，模擬旋噴樁帷幕的原理，在井筒地面位置28～52m段井筒兩側(cè)鉆孔，利用礦建施工的鋼軌作為混凝土的骨架，形成鋼軌混凝土樁帷幕，如圖1所示，同時提高巷道幫部抗坍塌能力，在鋼軌混凝土保護(hù)作用下進(jìn)行井筒掘進(jìn)施工。

圖1 鋼軌混凝土布置平面圖(mm)

鉆孔布置在井筒中心線兩側(cè)3050mm的位置上，鉆孔直徑為200mm、間距為400mm，鉆孔孔底應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)定粘土層2m，當(dāng)穩(wěn)定粘土位于井筒底板以上時，孔底應(yīng)進(jìn)入井筒掘進(jìn)底板標(biāo)高以下2m，設(shè)計鉆孔深度隨著井筒向下，鉆孔越深，整體鉆孔深度為11～24m，總鉆孔量為2132m。

每側(cè)各打60個孔，采用200鉆機(jī)成孔，孔內(nèi)下入30kg/m軌道，軌道之間用道夾板連接并焊接形成一條等長的鋼軌柱，下放軌道，軌道大頭應(yīng)朝向井筒側(cè)，井筒掘進(jìn)加固方式如圖2所示。軌道下放后，將軌道用斜撐固定，在鉆孔中灌滿細(xì)石混凝土，混凝土強(qiáng)度等級為C20，混凝土凝固周期不得小于3d后方可開挖。

圖2 井筒掘進(jìn)加固斷面圖(mm)

2.1.2 橫向支撐

對帷幕段井筒上方回填土層進(jìn)行局部開挖，開挖深度為1～2m，在鋼軌混凝土樁2m處鑿開混凝土漏出鋼軌，用4寸鋼管橫向焊接，如圖2所示，用來支撐井筒兩側(cè)鋼軌混凝土樁，防止在井筒掘進(jìn)過程中因土壓力而導(dǎo)致鋼軌混凝土向井筒內(nèi)側(cè)傾斜，保證施工安全。

2.2 井筒掘砌

1)超前支護(hù)。井筒采用短掘短支，用挖機(jī)對工作面土層進(jìn)行開挖。為防止工作面迎頭頂部巖土垮落，掘進(jìn)前采用小管棚進(jìn)行超前支護(hù)。在掘進(jìn)輪廓線施工?42mm×6000mm鉆孔，孔間距為300mm，然后打入長度6300mm的?40mm鋼管，鋼管前段為楔形，鋼管插入深度不得小于6000mm，管棚后端與已架設(shè)的U型棚焊接相連。每次超前支護(hù)架設(shè)支架7～8架，保證兩個循環(huán)管棚之間重疊長度在3000mm左右，根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況做適當(dāng)調(diào)整。

2)井筒底板加固。井筒底板施工時，對底板設(shè)計標(biāo)高以下飽和粘土采用片石混凝土進(jìn)行置換，置換深度不得小于1m。隨著井筒向前延伸，當(dāng)?shù)装屣柡驼惩敛蛔?m時，換填至粉質(zhì)粘土層。架設(shè)29U型鋼之前，在井筒底板用22#工字鋼與井筒兩側(cè)的鋼軌混凝土中的鋼軌橫向焊接，橫向工字鋼間距為400mm，長6100mm。每2根橫向的工字鋼之間也使用22#工字鋼縱向焊接相連，工字鋼架設(shè)29U型鋼支架的棚腿處各連接一道，中間連接兩道。

3)架設(shè)29U型棚。因該段地層為回填層易冒落，為保證能安全施工，將29U型支架棚距加密為400mm，29U型棚上部鋪設(shè)?6.0mm鋼筋網(wǎng)。29U型支架棚腿焊接在22#工字鋼上，為保證29U型棚之間的牢固性，支架底座鋼板架設(shè)在工字鋼腹板上，并進(jìn)行焊接加固。29U型支架之間增加鋼筋拉桿，拉桿方式為焊接，鋼筋拉桿為?20mm三級螺紋鋼，間距為300mm，如圖2所示。

4)底板鋪設(shè)。每架設(shè)7～8架U型鋼后，進(jìn)行底板鋪設(shè)，厚度為200mm，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土，混凝土標(biāo)號為C30。

5)永久支護(hù)。按照設(shè)計要求每架29U型棚架設(shè)完成后，立即噴漿封閉，噴漿厚度為50mm，噴漿強(qiáng)度為C20。每3m進(jìn)行一次混凝土砌碹支護(hù)，砌碹厚度為400mm，澆筑前先將模板碹胎等清理干凈，并涂油保證拆模后的混凝土表面質(zhì)量。按照規(guī)格尺寸立拱腿、拱梁。澆筑時及時振搗，要保證混凝土的密實度，混凝土強(qiáng)度為C30。

6)回填。巷道澆筑成巷后，對頂部開挖區(qū)進(jìn)行回填，使用人工夯機(jī)壓實，分層回填厚度為250mm，回填土密實度0.95，逐層壓實直至設(shè)計地坪標(biāo)高。

3 施工注意事項

1)鉆孔施工時要嚴(yán)格控制鉆機(jī)轉(zhuǎn)速，以防止鉆孔偏斜，孔底最大偏斜值不能大于4cm。

2)為保證橫向支撐鋼管與鋼軌混凝土焊接牢固，下放軌道時，軌道大頭應(yīng)朝向井筒側(cè)，鋼管與鋼軌混凝土焊接焊縫飽滿。

3)混凝土粗骨料采用5～10mm石子，確?；炷凉嘧r不堵孔，灌注混凝土過程中應(yīng)不斷敲擊軌道，確?；炷撩軐?。

4)鉆孔施工完成后，下放鋼軌時盡量延鉆孔中心，防止坍塌土層圍抱在鋼軌周圍，影響混凝土的澆筑質(zhì)量。

5)飽和粘土采用片石砂漿進(jìn)行置換后，在澆灌混凝土?xí)r，片石縫隙要澆灌飽滿，確保達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度。

4 實施效果

4.1 實施情況

2017年7月15日開始在副斜井兩側(cè)進(jìn)行鋼軌混凝土帷幕施工，之后對工作面破壞時涌入的泥漿、掏空底板及下陷的支架進(jìn)行處理后開始正常掘進(jìn)，工作面采用小管棚超前支護(hù)、片石混凝土置換飽和粘土加固底板、短掘短支的相關(guān)措施，暗槽段于2017年8月30日順利通過，歷時45d。施工過程中，鋼軌混凝土帷幕有效地阻止井筒周邊飽和粘土進(jìn)入井筒，未發(fā)生過飽和粘土液化造成的災(zāi)害現(xiàn)象。

4.2 監(jiān)測分析

巷道實施過程中，對該段巷道地面沉降和巷道頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟窟M(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：地面最大沉降量為11mm，如圖3所示；頂?shù)装逡七M(jìn)量為6mm，兩幫移進(jìn)量最大為3.7mm，如圖4所示。地面沉降和頂幫變形在15d時趨于穩(wěn)定，地面無明顯開裂現(xiàn)象，巷道混凝土頂、底板未發(fā)生開裂現(xiàn)象，未發(fā)生不均勻沉降，巷道整體穩(wěn)定。

圖3 地面沉降量變化曲線

圖4 巷道頂幫變形曲線

5 結(jié) 論

1)在車村一號井副斜井施工過程中遇到的飽和粘土，通過鋼軌混凝土樁對井筒周圍飽和粘土進(jìn)行帷幕，同時對基底飽和粘土采用砂漿片石墊層置換和工字鋼加固等一系列措施，可以有效地控制飽和粘土的液化災(zāi)害。

2)合理利用了礦建施工準(zhǔn)備的機(jī)械和材料，采取探水鉆進(jìn)行成孔，斜井軌道運輸?shù)匿撥夁M(jìn)行抗滑、帷幕樁的施工，提高的施工速度，節(jié)約了工程投資，同時也保證了安全質(zhì)量。

3)該項目中提出了對飽和土進(jìn)行帷幕和抗滑的鋼軌混凝土樁施工方案，該樁強(qiáng)度較高，可以為同類型工程地質(zhì)條件的邊坡、地基、路塹等抗滑支護(hù)的措施提供工程實踐經(jīng)驗。