大断面斜井明槽安全快速施工

吉永明

(平煤神马建工集团有限公司 建井三处，河南 平顶山 467000)

在国家政策引领下和精煤市场供求关系影响下，中国平煤神马集团及时对优质矿井进行产能升级改造，释放优质产能，在河南平宝煤业有限公司首山一矿增设了主斜井工程，实现产能升级。因此，主斜井工程施工对工期提出更高的要求，必须加快施工速度。首山一矿主斜井作为集团重点工程项目，工期紧迫，行人口段明槽作为关键线路工程，其施工速度至关重要，影响着整个斜井工期，施工进度和质量关系到施工单位的施工能力、管理水平以及其他参建单位的管理水平。

由于斜井明槽掘进断面较大，支护形式复杂、支护工作量大，常规施工方法必然导致明槽段工期延误，必须寻求新的施工工艺和施工设备来满足矿方对主斜井施工安全、施工工期和工程质量要求。为实现工期目标，明槽必须尽早破土开挖，恰逢雨季，地表水涌水量较大，必然给表土开挖造成较大的影响，恶化作业环境。

为此，对首山一矿主斜井行人口明槽快速施工技术的展开研究与实践，采取引水沟+预注浆综合防治水技术，利用“防、堵、疏、排、截”等手段，实现了“打干井”和边坡稳定；利用锚网喷+注浆综合护坡手段，实现了边坡稳定；大块组装模板的使用，使模板组装工期节省了6 d，井壁内、外表面光滑，井壁质量合格，达到了预期目的。

1 工程概况

河南平宝煤业有限公司首山一矿主斜井设计长度2 723.1 m，包括井身段、行人口段和运煤口段，2个明槽出口在井身段以上分开，行人口与井身段方位一致，方位角44°，2个出口夹角98.5°。其中行人口明槽设计长度29.85 m，坡度-19.8°，掘进宽度6.2 m，掘进高度4.7 m，掘进断面26.7 m2。明槽两侧边坡角设计为50°，迎坡角设计为60°，仰坡底部最大垂深10.14m，上口最宽处达30.45m，挖土量2 378 m3。由于边坡和迎坡设计坡度大，明槽开挖过程中，需及时对边坡和仰坡进行喷浆加固，喷浆厚度50mm，仰坡需增设锚网，锚杆规格为φ22mm×2 400 mm，间距800 mm×800 mm，金属网采用φ4 mm冷拔丝编制网，网孔50 mm×50 mm，确保边坡稳定。明槽永久支护为双层钢筋+砌碹，T=400 mm，巷道铺底厚度为200 mm，砂石片浆300 mm。明槽段所处地层为第四系，矿井附近第四系松散空隙含水层最大涌水量约为34.6 m3/h，水量较大，且主斜井是首山一矿产能升级项目，工期紧迫。主斜井行人口明槽段断面设计如图1所示。

图1 主斜井行人口明槽段断面设计Fig.1 Cross section design of open channel section of main inclined shaft

2 明槽施工

2.1 土体开挖与转运

通过优化施工设备配置，实现了明槽段表土快速开挖和转运[1-2]。明槽段选用大型挖掘机，分层分段开挖，人工铁锹配合刷边，分层高度3～5 m。根据明槽段土质和设计情况，选用了XE200DA履带挖掘机[3]，最大挖掘深度达6 460 mm，最大卸载高度 7 170 mm，满足低挖掘、高卸载使用要求，挖土效率高。考虑到明槽回填土方量所占比例较大(约为89%)，开挖土体可按规定堆放在明槽两侧，不需长距离搬运，选用了DL503N-9C型装载机，卸载高度为3 185 mm，满足设计堆土高度要求，转运土能力强，与挖土能力相匹配。

开挖前，在井口附近形成二级沉淀池，便于开挖过程中排水。挖土从井口向明槽底部、由中间向两帮进行，底板中部略高于两侧，防止挖掘机底部聚水。开挖一段，锚喷支护一段，在边坡表面形成堵水墙，对表土及时进行封闭、加固，并进行有效的防水、堵水。明槽左、右两侧开挖与临时锚喷交替进行，及时支护，保证了边坡稳定。第2层开挖采取后退式，直接挖至明槽设计底板，从明槽底部向井口、由深到浅进行挖土，便于挖掘机甩土。土方卸载到地面以后，将符合回填要求的土方直接用铲车推运到规定位置，以便回填。

明槽开挖前，在斜井周围打设钻孔进行注浆，将地表水围截到斜井施工范围之外。钻孔布置在沿斜井周围外40 m×15 m 的矩形边长上，设计3 m一个，采用深浅钻孔结合的方式进行打设。钻孔施工后进行注浆，形成一个矩形帷幕。地面预注浆方案钻孔布置如图2所示。

图2 地面预注浆方案钻孔布置Fig.2 Borehole layout for ground pre-grouting scheme

由于主斜井工期紧迫，明槽作为井筒施工切入点，必须尽早动土开挖。开挖期间恰逢雨季，土体蓄水及地表水综合作用，加重了明槽防治水任务压力。开挖第2层时，涌水量不断增大，水源主要是土体蓄水补给。采取引水沟+预注浆综合防治水技术[4-5]，通过“防、堵、疏、排”等手段，防止了土体泥化，改善了作业环境，实现了“打干井”和边坡稳定。首先在明槽底板两侧各挖一条引水沟，将水引到槽底，然后在槽底两侧挖2个集水小井，分别放置水泵将水排出明槽以外。底部边坡出现的个别集中出水孔，采取了临时疏放的办法，将水用水带引至明槽底部的集水小井，一并排出明槽以外。边坡暴露面积随着挖土不断增大，涌水量也逐渐增加，无法进行喷浆护表，底板涌水导致挖掘机挖土和后退困难。于是，不得不进行工作面注浆[6]治理表土涌水，采取深浅孔注浆相结合的办法，深孔3.0 m，浅孔1.5 m，插花布置，间、排距均为1 400 mm。注浆材料采用水泥浆，必要时选用水泥+水玻璃双液浆。通过工作面注浆，明槽边坡及周围土体得到了有效加固，土体整体性好，有效防止了土体坍塌，保证了边坡稳定。同时，工作面涌水量很快得到了控制，解除了水灾危害。表土开挖与工作面预注浆平行作业，不影响明槽挖土施工。

仰坡还进行了超前管棚注浆[7]，沿斜井拱顶设计轮廓线以外500 mm施工注浆管，注浆管规格为φ50 mm×9 m，间距300 mm。注浆管安装好以后，连接注浆管路进行注浆。注浆部位距地表约6 m，注浆压力不能太大，按4 MPa考虑。注浆过程中，必须仔细观察注浆面情况，当注浆面出浆或注浆压力达到4 MPa 时，及时停止注浆。管棚注浆与工作面注浆一样，可与表土开挖平行作业，为斜井进入暗硐施工创造了良好条件。另外，此时在明槽敞开空间注浆作业，注浆泵、搅拌机等直接设置在地面，操作更方便，与回填后在斜井内进行工作面预注浆相比，还缩短了措施工程占用时间，节约斜井掘砌工期。通过采取工作面注浆(含仰坡管棚注浆)措施，明槽开挖结束时，工作面总涌水量仅为1.5 m3/h。

2.2 组装内模板

内模板使用自主设计、加工的高强度组合钢模板[8-9]，面板和支撑系统均由钢板承担，连接配件采用高强度螺栓，每架组合模板由4条腿和9块组合拱构成。结合主斜井断面设计情况，共计加工了30 m组合模板(明槽以下的表土段和主斜井运煤口均可使用)，一次完成明槽段模板架设，减少工序转换，模板表面光滑，实现连续浇筑混凝土。

明槽铺底前，在底板预埋注浆管，底板混凝土强度具备条件后，进行壁后注浆[10]，隔绝底板水源，完成铺底后，开始组装内模板。碹骨支腿严格按中心腰线进行组立，先在腰线下找出几个点，再用铝合金尺杆找成一条线。因明槽段断面大，拱部钢模板组装前，在井筒内部从底部向井口搭建工作台，工作台上铺设厚50 mm的木板。拱部模板块整体一次压制成型、曲线度高，搭接少，避免出现麻面、孔洞等质量缺陷，稳定性好。该模板一个小班可组装2架，明槽段30 m内模板的组装工期比通常采用的盒子板节省了一半时间，实现了快速组装。

2.3 钢筋绑扎

钢筋绑扎[11]施工顺序：内圈横筋→内圈纵筋→外圈横筋→外圈纵筋→拉筋。

施工方法：先放设几道内圈横筋，按明槽设计坡度将其固定，用木楔塞垫与内模保持50 mm间距，作为保护层，然后把内圈纵筋用铁丝与横筋捆扎牢固。用同样的方法固定外层钢筋，最后固定拉筋。钢筋绑扎过程中，注意横筋与纵筋交互进行，防止钢筋笼受力不均匀而失稳。浇筑混凝土前，把内圈筋使用的木楔垫层全部取出，保证井壁质量。

2.4 组立外模板

自主设计的装配式木模板[12]作为外模板，该模板由九厘木板、钢板带、加长螺栓构成。每块九厘木板的面积大，加上钢带支撑，整体性好、曲线度高，能满足浇筑混凝土要求，与内模板配合使用，解决外模封堵难、加固难及井壁外表面成型差的问题，节约人工投入、混凝土材料投入；外模板内表面光滑，保证了井壁外表面成型规整，观感良好，局部观感质量可达清水混凝土施工水平。钢筋绑扎完毕后，即可组立外模板。先将钢板带按照井壁外径大小，计算、加工相应大小的弧形钢带，利用加长螺栓将九厘木板和钢板带连接到整体内模板上，九厘木板与内模板的间距不小于400 mm(混凝土井壁厚度)，且外圈筋保护层厚度符合设计要求。正顶处暂不封口，预留宽度约500 mm，用于浇筑混凝土及振捣，后期随着混凝土浇筑，从底部向井口方向封口。每500 mm架设一道钢板带，确保外模板牢固。

2.5 井壁浇筑

井壁浇筑采用商品混凝土，有利于快速连续浇筑。浇筑过程中要加强观察，发现移动及时进行加固并停止浇筑。每浇筑300～500 mm，用震动棒振捣1次，振捣至混凝土表面返浆为止。

井壁浇筑结束48 h，且混凝土强度符合要求，方可从井口开始由上到下逐架拆除模板。拆模时，先去掉两架之间的螺栓，用大锤震动碹骨，再用导链连接碹骨支腿，拉动支腿使其向指定方向倾倒。拉支腿时，作业人员必须躲在上山方向安全可靠的地方，避开碹骨板滑落区域。模板拆除后，及时按要求对井壁洒水养护，经过28 d养护，混凝土强度符合要求后，在井壁外表面涂抹沥青防水层，防止地表水渗入斜井。

2.6 明槽回填和地面后注浆

为确保明槽永久使用质量，土方回填之前，在明槽井壁以外需要回填的区域均匀预埋注浆管，回填后进行注浆加固，隔绝井壁周围水源和地表水等。注浆管长短结合，长度1.5～5.0 m，间排距2 000 mm×2 000 mm，采取金属网等固定，外露工业场地地坪以上300 mm。

注浆管预埋完成后，采用人工加机械夯实的方法进行回填。回填土使用符合要求的黏性土或拌和土，水平分层填筑，逐层碾压，虚铺厚度一般控制在300～400 mm，压实4～6遍。

回填完成后，进行壁后注浆加固。注浆材料选用水泥浆+QBZ-BI防水剂(3.8%)，注浆压力控制在4 MPa，以不造成井壁损坏及地面出浆为准。

3 结论

通过采取引水沟+预注浆防治水方案，明槽施工实现了“打干井”作业，优化了作业环境，挖土速度明显提高，管棚超前注浆为下一步明槽进入暗硐施工创造了条件；组合内模板与装配式外模板的设计与使用，节约了模板组装工期，解决了井壁错台多的问题，井壁质量合格，内、外表面观感良好；预埋注浆管后注浆，缩短了打注浆孔和安装时间，提高了井壁的永久使用质量。该综合施工技术在该斜井运煤口明槽施工中得到了成功实施，效果良好，能为大断面斜井明槽及其他类似工程快速施工提供借鉴，具有较好的推广应用价值。