安建英， 崔傳杰， 李 河， 郭相參

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038； 2.唐山首鋼馬蘭莊鐵礦有限責(zé)任公司， 河北 遷安 064400)

1 前言

1.1 工程地質(zhì)

馬蘭莊鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采工程，西風(fēng)井受地形、征地等條件限制，最終確定的井筒位置在露天采坑排土堆積場內(nèi)。

根據(jù)工勘資料，西風(fēng)井井筒穿過的廢石堆積層厚度約96 m，在堆積層之下依次為強風(fēng)化混合花崗巖、中等～微風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化輝石斜長巖、混合花崗巖等巖層。堆積物為采礦廢石，深度0～80 m，粒徑大小不一，大者超過500 mm，小者0.50 mm；80～96.07 m堆積物為黃褐色強風(fēng)化黑云混合片麻巖碎屑，局部夾大塊碎石；堆積層總厚度96.07 m，標高220.35～124.28 m。強風(fēng)化混合花崗巖層，厚度6.57 m；巖心極破碎，呈碎塊～碎渣狀；風(fēng)化裂隙發(fā)育，水蝕、溶蝕明顯，可見明顯銹斑，為強透水巖層。

堆積層厚度大，堆積年代較短，結(jié)構(gòu)較為松散，透水性強。在厚度超過100 m的這種不穩(wěn)定的復(fù)雜地層中開鑿豎井，對支護設(shè)計、施工方案和施工技術(shù)都有很高要求，需要方案可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理，以保障施工安全和建設(shè)進度、節(jié)約建設(shè)成本。

1.2 設(shè)計概況

西風(fēng)井井筒設(shè)計井筒凈直徑4.5 m，井口標高220.00 m，井筒深度432.5 m，為回風(fēng)豎井；井筒內(nèi)設(shè)梯子間，兼做礦山安全出口。

井頸段設(shè)計高度105 m，采用(噴)錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土支護，支護總厚度600 mm。為了防止井壁“脫褲子”，根據(jù)采用的施工方法，在鎖口增加了環(huán)形鋼筋混凝土“承臺”，用于分擔、吊掛下部井壁重量，環(huán)形承臺寬度2.0 m、高度1.3 m，結(jié)構(gòu)類似牛腿；同時，在井頸中部和底部各設(shè)置1道高度2.0 m、寬度0.79 m的雙錐形壁座[1]，并加大井頸段豎向鋼筋面積，使豎(副)筋能夠最大限度地承載井壁自重。

井頸段設(shè)(噴)錨網(wǎng)一次支護，在加固圍巖、預(yù)防坍塌、分解井壁自重的同時，也是施工安全和施工質(zhì)量保障的技術(shù)措施。

2 施工方案

2.1 施工方案

廢石堆積層的穩(wěn)定性、均質(zhì)性等均較差，與原生第四系表土層有較大差異，因而施工難度更大。在厚大表土層中成功開鑿豎井有許多案例和經(jīng)驗，但在深厚堆積層中開鑿豎井的案例寥寥無幾。針對本工程實際情況，鑿井穿過堆積層有以下幾種方案。

方案Ⅰ:地面預(yù)注漿加固廢石堆方案。在井筒開鑿前，于井筒周圍鉆注漿孔，深度穿過堆積層、強風(fēng)化層以下不小于10 m；安裝注漿管及止?jié){塞；用注漿泵把漿液經(jīng)注漿孔注入堆積層裂隙及強風(fēng)化層中對其進行加固，使堆積層穩(wěn)定后再開鑿井筒。注漿孔間距3～5 m。

方案Ⅱ：工作面預(yù)注漿加固廢石堆方案。井筒掘進時，在井內(nèi)澆筑混凝土止?jié){墊或預(yù)留止?jié){巖柱；打注漿鉆孔安裝注漿管，注漿加固堆積層并封水，之后再進行開鑿；如此循環(huán)，直至穿過不穩(wěn)定地層。注漿孔間距1.5～3 m，與井筒呈同心圓布置，孔底超出井筒掘進范圍不小于1.0 m。每次注漿段高依據(jù)所采用的鉆孔設(shè)備而定。

方案Ⅲ：工作面錨注加固方案。將錨固支護技術(shù)和注漿加固技術(shù)相結(jié)合，利用中空錨桿兼做注漿管，在保證全長錨固的前提下，通過注漿材料改變廢石堆的穩(wěn)定性，提高其強度和自承能力，以保障能夠順利開鑿井筒。錨桿間距1.0～1.5 m。

方案Ⅳ：錨網(wǎng)+吊掛井壁施工方案[2]。分層、分區(qū)塊開挖井筒至掘進斷面，每個區(qū)塊開挖出來后立即打錨桿掛金屬網(wǎng)；井筒掘進斷面成形后，繼續(xù)進行下一個分層掘進；達到一個段高后施工永久支護井壁。井壁為鋼筋混凝土，上下兩段井壁依豎向鋼筋可靠連接，下段井壁自重部分依靠上段井壁承載，部分傳遞給圍巖；在井口設(shè)置1個較大的鋼筋混凝土承盤，承載下部井壁的自重；必要時通過設(shè)置壁座承載。

2.2 方案比較

以上4個方案的優(yōu)缺點對比分析結(jié)果詳見表1。

表1 各施工方案優(yōu)缺點

2.3 方案選擇

西風(fēng)井井頸段施工需要解決的關(guān)鍵問題是，如何保障開挖及開挖后堆積層井幫的自穩(wěn)能力，同時還應(yīng)避免混凝土永久井壁發(fā)生“脫褲子”。從有利于保證建井進度方面考慮，應(yīng)優(yōu)先選擇方案Ⅰ。從注漿范圍的可控性和節(jié)省成本方面考慮，應(yīng)選擇方案Ⅱ或方案Ⅲ。方案Ⅳ在技術(shù)上可行，其成本也最低，但井壁混凝土接茬多，澆筑混凝土?xí)r松散廢石易混入其中，質(zhì)量不易保證；在深度超過100 m的不穩(wěn)定地層中，此法將會嚴重制約建井進度。

方案Ⅲ采用自鉆式注漿錨桿，集鉆孔、安裝、注漿、錨固于一體，避免了打鉆塌孔卡鉆；可以按需較好地控制注漿范圍，在保障堆積層井幫穩(wěn)定、不垮塌的條件下，有利于節(jié)省建井成本；錨桿還可以與加固后的堆積層共同承載井壁重量，有利于防止井壁發(fā)生“脫褲子”；施工技術(shù)要求也不是很高，易于操作實施。因此，確定采用方案Ⅲ完成井頸段的施工。

3 施工工藝技術(shù)

3.1 注漿參數(shù)

與止水注漿不同，本工程注漿的目的主要是膠結(jié)、加固井筒掘進斷面以外的回填體廢石，使其達到穩(wěn)定，為開挖井筒提供相對穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件。由于不需密實注漿，為了較好地控制注漿漿液擴散范圍，節(jié)省工程成本，以較高濃度漿液、較低注漿壓力、短段注漿為宜。

(1)注漿孔數(shù)量：按錨桿錨固技術(shù)要求并結(jié)合注漿工藝，每圈布置注漿錨桿17個，與水平面呈60°夾角，間距約1 m，層間距1.7 m。

(2)注漿段高：根據(jù)掘砌施工工藝，取注漿段高2 m。

(3)注漿壓力：本注漿為非止水注漿，不設(shè)止?jié){墊；僅需維護開挖后井幫基本穩(wěn)定，不要求結(jié)石密實。因而采用低壓注漿，取注漿泵壓≤0.5 MPa。

(4)注漿漿液：采用水泥- 水玻璃雙液注漿。選用P.O 42.5水泥，水灰比為0.5∶1；水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.6～1∶1，水玻璃模數(shù)2.8～3.1，波美度38～40°Bé。

(5)鉆孔漿液注入量[3]

Q=λπR2Hηβ/m

式中：Q——鉆孔漿液注入量，m3；

λ——漿液損失系數(shù)，取λ=1.5；

R——漿液擴散半徑，取0.5 m；

H——注漿段高，取2.0 m；

η——巖層裂隙率或砂土層的孔隙率，取14%；

β——漿液的有效充填系數(shù)，取0.86；

m——漿液結(jié)石率，取0.99。

計算得出，鉆孔漿液注入量為0.287 m3。每個注漿孔水泥用量約0.35 t，每個注漿段水泥總用量5.95 t。

3.2 注漿施工

1)注漿錨桿

采用自鉆式注漿錨桿，規(guī)格為φ32 mm×7 mm×3 000 mm，以中空鋼管制作，注漿液全長錨固。錨桿體上的注漿孔，分布在距鉆頭0.2～2.2 m，孔間距200 mm，按螺旋狀布置，共11孔。

采用YT- 28鑿巖機驅(qū)動安裝錨桿。沿井筒周圍每圈均布錨桿17根，開孔位置位于上段混凝土井壁下部約500 mm，向下與水平方向呈60°夾角，具體如圖1所示。

圖1 注漿錨桿施工示意圖

錨桿豎向間距與澆筑混凝土井壁的段高一致，為1.7 m。

2)注漿加固

工作面設(shè)置一臺2TGZ- 120/10.5型注漿泵，將高壓注漿軟管連接鉆孔孔口管，并安設(shè)高壓閥門和壓力表，形成地面攪拌池→吸漿管→注漿泵→注漿孔(管)的注漿系統(tǒng)。每個注漿孔注入漿液量0.287 m3(合計水泥量約0.35 t)，并須遵守注漿結(jié)束標準。

本工程注漿為固結(jié)注漿，達到開挖后堆積層井幫有限穩(wěn)定即可。據(jù)此，確定注漿結(jié)束標準為：現(xiàn)場注漿量控制以孔口返漿或上壓為準，并根據(jù)圍巖穩(wěn)定情況實時進行適當調(diào)整。

3.3 掘進與支護

(1)選用Ⅳ型亭式鑿井井架，φ2.5 m雙卷筒單繩提升機單鉤提升，采用0.4 m3長繩懸吊抓巖機，配2.5 m3座鉤式吊桶自動翻碴。支護采用整體式金屬模板，段高1.7 m(基巖為3.4 m)。

(2)先按設(shè)計要求施工好鎖口承臺，再向下延深；井筒深度達到15 m后，下放懸吊吊盤、安裝固定盤和封口盤。采取短掘短砌施工方法，段高1.7 m；采用一注一掘一支的施工循環(huán)。

開工時間選擇在冬季，至降雨季節(jié)即可完成井頸施工。

(3)掘進。井口段采用挖掘機明槽掘進。井口段以下掘進，以風(fēng)鎬松動廢石，必要時放小炮輔助松動。采用抓巖機裝碴、廢石吊桶提升，人工輔助清底；廢石提升至地表后，以卡車轉(zhuǎn)運至排放地。

開挖順序：先在井筒中心掘出1個小井，再向外擴挖至井筒掘進斷面，并及時掛網(wǎng)對井幫維護，以防出現(xiàn)井幫片幫、冒落。采用C20×1000～1200 mm鋼筋錨桿，金屬網(wǎng)直徑6 mm、網(wǎng)度100 mm×100 mm。

若井幫出現(xiàn)較大空腔，則采用木方背板及時支撐土體，并與錨網(wǎng)可靠支撐，減少土體塌落。

(4)澆筑井壁。井口設(shè)置混凝土攪拌站，采用自動計量裝置上料，以溜灰管下放混凝土，經(jīng)分料器分至2處入模。

按設(shè)計斷面掘出1個段高并維護好井幫后，即綁扎鋼筋、安裝模板、澆筑混凝土。采用四面對稱、分層澆筑，層層搗固，每分層約300 mm；振搗時，振搗器插入下分層內(nèi)不小于50 mm，以使上下分層混凝土緊密連接。

綁扎鋼筋時，豎向鋼筋下端要埋入廢石堆中，埋入長度不小于300 mm。上、下兩段豎向鋼筋之間以套筒聯(lián)結(jié)。

(5)壁后空區(qū)處理。上模已澆筑井壁的壁后存在較大的塌落空區(qū)時，拆模后及時打注漿孔；本?；炷翝仓瓿珊?，以1∶3水泥砂漿注填密實。

4 施工驗證

(1)從2017年11月中旬施工準備開始，按照以上技術(shù)方案施工，至2018年5月下旬，順利完成了施工準備工作和井頸段的施工。開挖中，除井幫局部偶有片幫外，未發(fā)生井幫較大面積垮落、井壁“脫褲子”等現(xiàn)象。

(2)工勘鉆孔距井筒中心約20 m，實際施工到深度86 m時已進入強風(fēng)化巖層，最終確定井頸底部壁座設(shè)于深度95 m，比依據(jù)工勘資料確定的高度減少了10 m。

(3)上部堆積層較為松散，注漿液消耗量基本與注漿設(shè)計一致；深部堆積層較為密實，注漿液消耗量大幅減少。

5 結(jié)論

(1)在厚度近90 m的廢石堆積層中開鑿豎井鮮有先例。本工程的成功施工說明，支護設(shè)計合理、施工方法正確；支護設(shè)計要緊密結(jié)合施工技術(shù)方案，在維護井筒安全穩(wěn)定的同時，還應(yīng)適應(yīng)施工方法。

(2)井頸設(shè)計的環(huán)形鎖口“承臺”、中間壁座等，為分解、承載井壁重量發(fā)揮了重要作用；自鉆式注漿錨桿在膠結(jié)、加固圍巖的同時，有效地分擔了井壁自重。這些措施都很好地預(yù)防了發(fā)生井壁“脫褲子”。

(3)注漿要求達到堆積層井幫有限穩(wěn)定，采用工作面低壓、高濃度、短段注漿，既很好地控制了注漿液的擴散，又有效地膠結(jié)加固了井幫，也顯著地節(jié)省了建設(shè)成本。

(4)施工時將砂漿錨桿改為自鉆式注漿錨桿，將錨桿與注漿管合二為一，避免了重復(fù)打鉆和發(fā)生卡鉆，使錨桿錨固和注漿都得到保障。

(5)選擇在冬季開工建設(shè)，避免了下雨可能導(dǎo)致廢石堆積層的不穩(wěn)定情況加劇等不利因素。

(6)本工程采用工作面錨注加固法通過深厚廢石堆積層的成功施工，為相似地質(zhì)條件的豎井施工提供了很好的例證。