立井过特厚粘土层快速施工实践应用

孙佳琦+徐绍武

摘 要：以袁店一井煤矿安全改建工程东风井过特厚粘土层施工为背景，通过对现场施工工艺、冻结方案等进行多次分析优化，通过强化过程控制，确保井壁质量；通过采取加强冻结、挖卸压槽、加强支护、快速施工等有效措施，为粘土膨胀提供合理缓冲时间及空间，避免井壁压坏和冻结管断裂现象的发生，实现安全快速施工，可作为其他类似工程的借鉴。

关键词：特厚粘土层；立井；冻结；卸压槽；外壁施工

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.091

1 工程及地质概况

袁店一井煤矿位于安徽省濉溪县五沟镇境内，距淮北市约60km，交通较为便利。东风井井筒，位于矿工业广场东侧2km处， 东风井工业广场地势平坦，自然地面标高+28m。

东风井表土段采用冻结法施工，冻结深度315m，冻结孔按照主排孔、辅助孔、防片帮孔相结合的冻结方式，冻结方案以满足掘砌临时支护、封水要求为原则，根据施工工期和冻结工艺合理组织施工，保证冻结壁厚度及强度。

特厚粘土层位于标高-143.7～-260.8m之间，主要由棕黄色、褐黄色、棕红色、青灰色粘土、砂质粘土及浅灰色含钙粘土组成，中间夹有薄层粉砂、细砂、粘土质砂。

2 施工方案及过程管控

根据前期施工中，对冻土冻胀率、井帮温度、冻结壁形成情况及掘砌施工工艺综合对比分析，决定通过采取“强化冻结、挖卸压槽、铺设泡沫板、加强支护、快速施工”的方案，实现特厚粘土层安全快速施工。

2.1 施工方案

（1）结合现场，强化冻结。现场施工过程中，掘砌单位与冻结单位要加强沟通交流，通过对实测井帮温度、冻结壁厚度与强度、实测井帮位移、掘砌难易程度等综合分析，将井帮温度控制在-3℃以下，为掘砌施工提前创造有利的冻结条件。（2）施工卸压槽，铺设泡沫板。井帮均匀分布8个竖向卸压槽，高度和段高相同，宽度为300mm，深度为200mm，内部用同样规格泡沫板进行充填，充填要密实、牢固。卸压槽为膨胀性粘土的压力释放提供了合理空间，高强度泡沫板同时也卸去一部分压力，两者结合为外壁混凝土提供了达到早期强度的时间，也避免了外壁提前承受压力损坏。（3）加强支护，提高强度。通过减小钢筋间排距、加大钢筋直径，提高混凝土强度等措施，提高外壁整体强度。通过适当提高混凝土中硅粉含量、添加外加剂的方法，提高混凝土早期强度。严格控制混凝土配合比，保证混凝土强度。（4）提高机械化程度，快速施工。每一循环掘砌时间始终遵循脱模时间18小时，保证井壁强度。通过冻结单位与掘砌单位沟通协调，提前调整冻结温度，在满足冻结条件下，尽可能不挖或少挖冻土，提高掘进速度。掘砌过程中，利用挖掘机及抓岩机进行掘进，用4m3和5m3吊桶排矸，合理组织工序，保证工序安全快速，减少空帮时间，最终实现安全快速施工。

2.2 过程控制与技术管理

（1）加强质量监督。施工材料进场，严格执行材料验收制度。钢筋、水泥、添加剂需要有效的合格证及实验报告；石子、黄沙等骨料品种、粒径、含泥量、最大粒径及针片状颗粒含量均不应超过规定或设计，并提前做好碎石强度檢验。从源头严格控制材料质量，是井壁质量的根本前提。（2）控制卸压槽尺寸，铺设泡沫板。井帮均匀分布8个竖向卸压槽，上下段高的卸压槽错开方位，高度和段高相同，宽度为300mm，深度为200mm，内部用同样规格泡沫板进行充填，充填要密实、牢固。（3）加强技术管理。用井筒中心线和边线控制掘进半径，冻土扩至井帮前的允许偏差为0～±400 mm，冻土扩至井帮后的允许偏差为0～±200 mm。待混凝土达到设计要求的脱模时间后再刷帮，保证井壁质量与安全。钢筋尺寸参数严格按照设计要求，钢筋间距允许偏差±20 mm，排距允许偏差±10 mm，水平搭接处绑扎不少于3处，绑扎要牢固。技术管理严格按照设计要求及技术标准执行，保证支护效果。（4）浇筑混凝土。严格按照配合比执行，混凝土入模温度控制在15～20℃，混凝土必须对称入模，分层充分振捣。按规范要求预留混凝土试块，进行抗压试验，确保混凝土强度不低于设计要求。

3 井筒问题分析

井筒掘砌至垂深227m位置，发现垂深208.9～216.3m范围内，井壁出现裂纹，经过48h观察12次后，发现裂纹发育速度减缓，膨胀压力大部分已卸掉，针对出现井壁裂纹情况，应采取有效措施如下：

（1）分析原因。要对混凝土质量、冻结温度、施工工艺等进行分析，发现冻结温度局部不够、施工段高过高等问题。

深部含钙粘土随着冻结温度降低，冻土强度增加速度缓慢，而粘土的弹性模量总体上随冻结温度的降低而增大，且相关性较好，特别是相同载荷下，深部冻结粘土的变形量较大。当冻结温度局部不够，节理十分发育时，浇筑混凝土时，水分进入粘土，导致粘土急速膨胀，变形量迅速增加，挤压钢筋向内位移，导致井壁提前受力，钢筋滞后受力，从而出现井壁裂纹。

掘砌施工段高3.6m，导致施工循环时间一般为15h，空帮时间较长，易出现片帮现象，同时粘土裸露时间太长，导致径向位移较大，会挤压冻结管路、破坏冻结壁。段高缩小为2.2m，减少循环时间及空帮时间，达到快速施工的目的。

（2）处理措施。井壁出现裂纹时，要快速铺设菱形网片并用木背板背实，然后架设井圈，快速有效控制裂纹扩大。当膨胀压力持续时间较长，裂纹持续发育变形破坏井壁，若破坏段的膨胀压力一直较大，将会采取凿掉破坏段，通过提高设计混凝土强度、减小钢筋间排距、加大钢筋直径、适当提高混凝土中硅粉含量、甚至在钢筋位置架设钢圈等加强支护措施，处理破坏段。

4 结语

防片帮孔个别偏斜率较大，主排孔与辅排孔离井帮较远，导致深部个别位置冻结效果不好，井帮温度满足掘砌有一定难度。合理布置冻结孔，形成有效的冻结壁厚度与强度，为快速施工创造良好前提条件。坚持工序质量合格后方可进入下一道工序，保证施工质量。强化过程控制与技术管理，为快速施工提供关键条件。通过合理的施工方案、严谨的过程管控、有效的施工组织，实现特厚粘土层快速施工。

参考文献：

[1]崔广心.特殊地层条件竖井井壁破裂机理[J].建井技术，1998，19

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[2]崔云龙.简明建井工程手册[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[3]张燕.深厚粘土层立井冻结工程设计优化研究[C].中国地层冻结工程40年论文集.北京：煤炭工业出版社，1995：129-133.

作者简介：孙佳琦（1991-），安徽淮北人，本科，助理工程师，从事生产技术管理工作。