超深竖井永久混凝土井塔凿井与冻结平行作业研究

刘 宁

（中煤矿山建设集团有限责任公司，安徽 合肥 230071）

矿山竖井在前期的建井工程施工中，需要设计布置临时凿井系统，根据临时凿井井架的不同形式，衍生出不同的施工方案。传统的工艺布置为先期I-V型钢结构临时井架，待凿井作业完毕，再施工永久混凝土井塔，造成占用井口时间长、设备和资金占用量大、工序转换频繁、管理难度大的缺点。在滨海超深竖井工程施工中，探索利用永久混凝土井塔凿井与冻结平行作业的方式，具有重要的现实意义。

1 工程概况

滨海矿业副井井筒设计深度1326m，井径6.5m，冻结法凿井，设计冻结深度82m，井塔结构形式为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构，设计外形尺寸为21.5m×17.0m，提升机大厅层标高+35.0m，总高度为50m。

本工程副井井筒设计施工深度深，属超深井掘砌施工，机械化施工水平要求高。竖井建设工程包含土建、冻结、矿建、安装等专业领域，存在多专业平行交叉作业，工程安全管理、现场协调难度大，对施工单位现场管理水平和综合施工能力要求较高。同时，井筒地处海边，地下水矿物质含量较高，深部地温高，受潮汐影响的含盐地下水对冻结施工、井壁混凝土浇筑、工作人员施工、施工机械设备高效运转等方面均有较大的影响。

2 施工总体规划

为缩短建井工期，提高施工效率，本次竖井建设工程利用永久混凝土井塔凿井，冻结、土建、凿井平行交叉作业。具体施工工序如下：

（1）组织土建工程施工队伍进场施工井口的混凝土井塔外围桩基，同时由冻结单位进行井口范围内冻结钻孔的施工。井口外的地面冻结站及沟槽、矿建稳绞等大临设施相关筹备工作，与土建桩基工程平行施工。

（2）土建井塔施工完毕桩基、承台等基础工作，进行至凿井所需混凝土井塔主体结构平台施工结束后，交由矿建队伍进行凿井天轮平台、翻矸台安装，形成凿井施工大临设施。与此同时，井口外的冻结站安装调试、矿建稳绞相关准备工作在井塔凿井所需平台土建工程施工完毕前完成，待井塔凿井设施安装前，开启冻结站进行冻结。

（3）井塔土建施工至凿井所需平台并做好周边安全防护，凿井设施安装完毕，待冻结圈闭合后，水文孔持续冒水7d后即组织进行井筒试挖。

（4）土建井塔继续进行上部混凝土结构施工，同时，矿建竖井转入下部井筒的正式掘砌作业。冻结站开机进行维护冻结，保证冻结段的竖井施工安全。

3 施工工艺

3.1 竖井冻结施工

3.1.1 冻结采用主圈孔加辅助孔的冻结方案

主圈孔采取长短腿布置。长腿至冻结深度，深82m；短腿过强风化带，深54m；辅助孔过表土层第一层粉质粘土层，深15m。

在考虑了冻土的发展速度和冻结壁设计厚度、强度、岩石冻结以及施工时的安全放炮距离等因素后，副井主圈孔开孔间距确定为1.09m，至荒径距离为1.2m。

冻结孔数48个，设计2个水文孔、3个测温孔。

3.1.2 加强措施

（1）针对海水潮汐及周围养殖场抽水影响，设计增加一圈辅助孔以加强冻结壁的厚度设置及封水效果，辅助孔开孔间距确定为1.96m，距荒径距离为0.7m。

（2）防止含盐海水影响冻结效果，采取加大盐水流量的措施，确保冻结壁早交圈。冻结管选用Φ140×5mm。配备LG25L20SY型双机双级螺杆式冷冻机两台，配备SWL-2010B型蒸发冷一台及相关水源井水泵及清水泵。

3.2 土建混凝土井塔施工

副井井塔基础采用钻孔灌注桩，深度50m，桩基直径800mm，根数29根。承台梁顶预计标高-2.0m，高度1.5m。井塔轴线尺寸为21.5m×17m，层数六层（含屋顶），高度50m，结构形式为钢筋砼框架剪力墙结构，中间有柱，无变截面。

土建施工中科学合理安排工作面，均衡分配劳动力，组织好穿插流水作业，确保按合同工期完成施工任务。

工程主体采用滑模工艺施工，各层梁板采用降模方法施工。屋面梁板利用操作平台常规方法支设模板砌筑。

基础采用长螺旋钻机成孔的钻孔灌注桩，现场混凝土浇筑采用商品混凝土，垂直运输设置一台QTZ63塔吊。

3.3 竖井掘砌施工

采用新型深孔爆破工艺，普通钻爆法施工。利用布置在井口的+27m、+28.886m水平的永久副井混凝土井塔布置临时凿井系统，主提升采用JKZ-5.0/22新型凿井专用提升机（设计最大静张力400kN，配备2×1600kW电机），配8.0/6.0m3吊桶（8.0m3吊桶提升高度可达900m），副提升采用JKZ-3.5×3/20提升机配4.0/3.0m3吊桶，提升矸石、人员及物料。混凝土井塔凿井设施立面布置图如图1所示。

图1 混凝土井塔凿井设施立面布置图

为确保施工安全，井筒中布置三层凿井吊盘，上层为悬吊装置并增设保护装置，下层盘上设置一台新型抓岩机出矸。6台JZ-40/1500WX变频控制凿井稳车悬吊吊盘，采用四臂竖井全液压凿岩钻机（SDR）钻眼，MJY-6.5/3.8型大段高整体金属液压模板砌壁，由地面3台JZ-25/1300凿井稳车悬吊，DX-4.0/3.0m3底卸式吊桶下放混凝土。动力、信号等电缆均悬挂在钢丝绳上，压风、供水管井壁固定，排水管井壁固定，水泵电源电缆由一台JZ-16/1000凿井稳车悬吊，并在井筒中部设置转水站。新型液压竖井钻机电源电缆由一台JZ-16/1000凿井稳车悬吊。

前期吊盘上布置DG85-80×12卧泵排水，后期施工时在井筒中下部-700m中段马头门处设置中间转水站，安设2台DG85-80×12型卧泵接力排水。

该项目为金属矿山井筒，考虑到井筒深、水平多、地温高等因素，施工期间采用FBD-NO8.0型2×45kW对旋风机配Φ800mm铁质风筒供风，另配Φ800mm铁质风筒备用。深部施工时，开启FBD-NO7.1型3×30kW三级对旋风机进行加强供风。为确保供风稳定，备齐同等能力的备用风机或电机。

4 主要技术措施与经验

（1）工程应选择大型专业矿建施工企业承建，并应要求施工单位自身具有矿建、土建、安装等较全面的施工资质范畴，有较丰富的全阶段连续施工组织能力，尽可能减少对外协作需要，具有全面的、系统性的组织和管理能力。

（2）工程施工应选择科研能力强、对口科研成果丰富并且成果可直接用于本工程的施工企业承建。针对本工程的特点，能够有足够的大型装备可选用，能合理配套布置大型凿井施工装备并进行井筒内布置，能针对性地解决超深井施工中的独特问题，能确保深井掘砌、提升、悬吊、运行安全。

（3）竖井井筒较深，施工中应对吊桶快速运行中的稳绳摆动现象进行深入研究，从多方面采取有效措施解决提升吊桶在稳绳中间位置高速通过时水平摆动幅度过大问题，确保吊桶提升的安全。

（4）井筒地处海边，针对地下水矿物质含量较高的特性，应对井筒水质进行及时检测，加强与设计院沟通，必要时优化冻结站冻结方案，调整混凝土井壁结构和混凝土添加剂配比，确保井壁质量，严格按照规范及设计图纸进行施工。

（5）竖井工程靠海较近，应对施工单位提出较高的防风、防汛、冬季防冻及设备防腐性要求。工广场地为沙滩，凿井施工的稳绞基础布置时要采取加固措施。

（6）在与临时建筑不冲突的前提下，矿方的永久建筑和永久设备应尽快建设，缩短矿井建设工期，降低建井成本。

5 结论

滨海超深竖井工程在施工工序的安排上，考虑利用永久混凝土井塔凿井，实现了施工中冻结、土建、凿井的平行交叉作业，改变了传统的施工工艺，建井工期节省半年以上。尤其是在北方冬季寒冷土建无法施工的地区，此种工艺可避免工程冬季停工的影响，有着较高的推广应用价值。

在滨海竖井冻结段盐水冻结中，采取了针对性的冻结孔布置、调整盐水流量、加大设备配备等措施，工程施工中创新使用了高强度三层凿井吊盘、新型大直径5m凿井变频提升机，研制了国内最大容积的8m3矸石吊桶和4m3混凝土吊桶、新型抓岩机、液压伞钻、40t凿井稳车等一系列配套的新型凿井装备，实现了超深孔大循环的凿井爆破工艺，大大提升了施工效率，确保了超深竖井的顺利施工。