超深豎井永久混凝土井塔鑿井與凍結(jié)平行作業(yè)研究

劉 寧

（中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230071）

礦山豎井在前期的建井工程施工中，需要設(shè)計(jì)布置臨時(shí)鑿井系統(tǒng)，根據(jù)臨時(shí)鑿井井架的不同形式，衍生出不同的施工方案。傳統(tǒng)的工藝布置為先期I-V型鋼結(jié)構(gòu)臨時(shí)井架，待鑿井作業(yè)完畢，再施工永久混凝土井塔，造成占用井口時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備和資金占用量大、工序轉(zhuǎn)換頻繁、管理難度大的缺點(diǎn)。在濱海超深豎井工程施工中，探索利用永久混凝土井塔鑿井與凍結(jié)平行作業(yè)的方式，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

濱海礦業(yè)副井井筒設(shè)計(jì)深度1326m，井徑6.5m，凍結(jié)法鑿井，設(shè)計(jì)凍結(jié)深度82m，井塔結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)外形尺寸為21.5m×17.0m，提升機(jī)大廳層標(biāo)高+35.0m，總高度為50m。

本工程副井井筒設(shè)計(jì)施工深度深，屬超深井掘砌施工，機(jī)械化施工水平要求高。豎井建設(shè)工程包含土建、凍結(jié)、礦建、安裝等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，存在多專(zhuān)業(yè)平行交叉作業(yè)，工程安全管理、現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)難度大，對(duì)施工單位現(xiàn)場(chǎng)管理水平和綜合施工能力要求較高。同時(shí)，井筒地處海邊，地下水礦物質(zhì)含量較高，深部地溫高，受潮汐影響的含鹽地下水對(duì)凍結(jié)施工、井壁混凝土澆筑、工作人員施工、施工機(jī)械設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)等方面均有較大的影響。

2 施工總體規(guī)劃

為縮短建井工期，提高施工效率，本次豎井建設(shè)工程利用永久混凝土井塔鑿井，凍結(jié)、土建、鑿井平行交叉作業(yè)。具體施工工序如下：

（1）組織土建工程施工隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)施工井口的混凝土井塔外圍樁基，同時(shí)由凍結(jié)單位進(jìn)行井口范圍內(nèi)凍結(jié)鉆孔的施工。井口外的地面凍結(jié)站及溝槽、礦建穩(wěn)絞等大臨設(shè)施相關(guān)籌備工作，與土建樁基工程平行施工。

（2）土建井塔施工完畢樁基、承臺(tái)等基礎(chǔ)工作，進(jìn)行至鑿井所需混凝土井塔主體結(jié)構(gòu)平臺(tái)施工結(jié)束后，交由礦建隊(duì)伍進(jìn)行鑿井天輪平臺(tái)、翻矸臺(tái)安裝，形成鑿井施工大臨設(shè)施。與此同時(shí)，井口外的凍結(jié)站安裝調(diào)試、礦建穩(wěn)絞相關(guān)準(zhǔn)備工作在井塔鑿井所需平臺(tái)土建工程施工完畢前完成，待井塔鑿井設(shè)施安裝前，開(kāi)啟凍結(jié)站進(jìn)行凍結(jié)。

（3）井塔土建施工至鑿井所需平臺(tái)并做好周邊安全防護(hù)，鑿井設(shè)施安裝完畢，待凍結(jié)圈閉合后，水文孔持續(xù)冒水7d后即組織進(jìn)行井筒試挖。

（4）土建井塔繼續(xù)進(jìn)行上部混凝土結(jié)構(gòu)施工，同時(shí)，礦建豎井轉(zhuǎn)入下部井筒的正式掘砌作業(yè)。凍結(jié)站開(kāi)機(jī)進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)，保證凍結(jié)段的豎井施工安全。

3 施工工藝

3.1 豎井凍結(jié)施工

3.1.1 凍結(jié)采用主圈孔加輔助孔的凍結(jié)方案

主圈孔采取長(zhǎng)短腿布置。長(zhǎng)腿至凍結(jié)深度，深82m；短腿過(guò)強(qiáng)風(fēng)化帶，深54m；輔助孔過(guò)表土層第一層粉質(zhì)粘土層，深15m。

在考慮了凍土的發(fā)展速度和凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度、強(qiáng)度、巖石凍結(jié)以及施工時(shí)的安全放炮距離等因素后，副井主圈孔開(kāi)孔間距確定為1.09m，至荒徑距離為1.2m。

凍結(jié)孔數(shù)48個(gè)，設(shè)計(jì)2個(gè)水文孔、3個(gè)測(cè)溫孔。

3.1.2 加強(qiáng)措施

（1）針對(duì)海水潮汐及周?chē)B(yǎng)殖場(chǎng)抽水影響，設(shè)計(jì)增加一圈輔助孔以加強(qiáng)凍結(jié)壁的厚度設(shè)置及封水效果，輔助孔開(kāi)孔間距確定為1.96m，距荒徑距離為0.7m。

（2）防止含鹽海水影響凍結(jié)效果，采取加大鹽水流量的措施，確保凍結(jié)壁早交圈。凍結(jié)管選用Φ140×5mm。配備LG25L20SY型雙機(jī)雙級(jí)螺桿式冷凍機(jī)兩臺(tái)，配備SWL-2010B型蒸發(fā)冷一臺(tái)及相關(guān)水源井水泵及清水泵。

3.2 土建混凝土井塔施工

副井井塔基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，深度50m，樁基直徑800mm，根數(shù)29根。承臺(tái)梁頂預(yù)計(jì)標(biāo)高-2.0m，高度1.5m。井塔軸線尺寸為21.5m×17m，層數(shù)六層（含屋頂），高度50m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋砼框架剪力墻結(jié)構(gòu)，中間有柱，無(wú)變截面。

土建施工中科學(xué)合理安排工作面，均衡分配勞動(dòng)力，組織好穿插流水作業(yè)，確保按合同工期完成施工任務(wù)。

工程主體采用滑模工藝施工，各層梁板采用降模方法施工。屋面梁板利用操作平臺(tái)常規(guī)方法支設(shè)模板砌筑。

基礎(chǔ)采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔的鉆孔灌注樁，現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑采用商品混凝土，垂直運(yùn)輸設(shè)置一臺(tái)QTZ63塔吊。

3.3 豎井掘砌施工

采用新型深孔爆破工藝，普通鉆爆法施工。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臨時(shí)鑿井系統(tǒng)，主提升采用JKZ-5.0/22新型鑿井專(zhuān)用提升機(jī)（設(shè)計(jì)最大靜張力400kN，配備2×1600kW電機(jī)），配8.0/6.0m3吊桶（8.0m3吊桶提升高度可達(dá)900m），副提升采用JKZ-3.5×3/20提升機(jī)配4.0/3.0m3吊桶，提升矸石、人員及物料?；炷辆従O(shè)施立面布置圖如圖1所示。

圖1 混凝土井塔鑿井設(shè)施立面布置圖

為確保施工安全，井筒中布置三層鑿井吊盤(pán)，上層為懸吊裝置并增設(shè)保護(hù)裝置，下層盤(pán)上設(shè)置一臺(tái)新型抓巖機(jī)出矸。6臺(tái)JZ-40/1500WX變頻控制鑿井穩(wěn)車(chē)懸吊吊盤(pán)，采用四臂豎井全液壓鑿巖鉆機(jī)（SDR）鉆眼，MJY-6.5/3.8型大段高整體金屬液壓模板砌壁，由地面3臺(tái)JZ-25/1300鑿井穩(wěn)車(chē)懸吊，DX-4.0/3.0m3底卸式吊桶下放混凝土。動(dòng)力、信號(hào)等電纜均懸掛在鋼絲繩上，壓風(fēng)、供水管井壁固定，排水管井壁固定，水泵電源電纜由一臺(tái)JZ-16/1000鑿井穩(wěn)車(chē)懸吊，并在井筒中部設(shè)置轉(zhuǎn)水站。新型液壓豎井鉆機(jī)電源電纜由一臺(tái)JZ-16/1000鑿井穩(wěn)車(chē)懸吊。

前期吊盤(pán)上布置DG85-80×12臥泵排水，后期施工時(shí)在井筒中下部-700m中段馬頭門(mén)處設(shè)置中間轉(zhuǎn)水站，安設(shè)2臺(tái)DG85-80×12型臥泵接力排水。

該項(xiàng)目為金屬礦山井筒，考慮到井筒深、水平多、地溫高等因素，施工期間采用FBD-NO8.0型2×45kW對(duì)旋風(fēng)機(jī)配Φ800mm鐵質(zhì)風(fēng)筒供風(fēng)，另配Φ800mm鐵質(zhì)風(fēng)筒備用。深部施工時(shí)，開(kāi)啟FBD-NO7.1型3×30kW三級(jí)對(duì)旋風(fēng)機(jī)進(jìn)行加強(qiáng)供風(fēng)。為確保供風(fēng)穩(wěn)定，備齊同等能力的備用風(fēng)機(jī)或電機(jī)。

4 主要技術(shù)措施與經(jīng)驗(yàn)

（1）工程應(yīng)選擇大型專(zhuān)業(yè)礦建施工企業(yè)承建，并應(yīng)要求施工單位自身具有礦建、土建、安裝等較全面的施工資質(zhì)范疇，有較豐富的全階段連續(xù)施工組織能力，盡可能減少對(duì)外協(xié)作需要，具有全面的、系統(tǒng)性的組織和管理能力。

（2）工程施工應(yīng)選擇科研能力強(qiáng)、對(duì)口科研成果豐富并且成果可直接用于本工程的施工企業(yè)承建。針對(duì)本工程的特點(diǎn)，能夠有足夠的大型裝備可選用，能合理配套布置大型鑿井施工裝備并進(jìn)行井筒內(nèi)布置，能針對(duì)性地解決超深井施工中的獨(dú)特問(wèn)題，能確保深井掘砌、提升、懸吊、運(yùn)行安全。

（3）豎井井筒較深，施工中應(yīng)對(duì)吊桶快速運(yùn)行中的穩(wěn)繩擺動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，從多方面采取有效措施解決提升吊桶在穩(wěn)繩中間位置高速通過(guò)時(shí)水平擺動(dòng)幅度過(guò)大問(wèn)題，確保吊桶提升的安全。

（4）井筒地處海邊，針對(duì)地下水礦物質(zhì)含量較高的特性，應(yīng)對(duì)井筒水質(zhì)進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，加強(qiáng)與設(shè)計(jì)院溝通，必要時(shí)優(yōu)化凍結(jié)站凍結(jié)方案，調(diào)整混凝土井壁結(jié)構(gòu)和混凝土添加劑配比，確保井壁質(zhì)量，嚴(yán)格按照規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行施工。

（5）豎井工程靠海較近，應(yīng)對(duì)施工單位提出較高的防風(fēng)、防汛、冬季防凍及設(shè)備防腐性要求。工廣場(chǎng)地為沙灘，鑿井施工的穩(wěn)絞基礎(chǔ)布置時(shí)要采取加固措施。

（6）在與臨時(shí)建筑不沖突的前提下，礦方的永久建筑和永久設(shè)備應(yīng)盡快建設(shè)，縮短礦井建設(shè)工期，降低建井成本。

5 結(jié)論

濱海超深豎井工程在施工工序的安排上，考慮利用永久混凝土井塔鑿井，實(shí)現(xiàn)了施工中凍結(jié)、土建、鑿井的平行交叉作業(yè)，改變了傳統(tǒng)的施工工藝，建井工期節(jié)省半年以上。尤其是在北方冬季寒冷土建無(wú)法施工的地區(qū)，此種工藝可避免工程冬季停工的影響，有著較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

在濱海豎井凍結(jié)段鹽水凍結(jié)中，采取了針對(duì)性的凍結(jié)孔布置、調(diào)整鹽水流量、加大設(shè)備配備等措施，工程施工中創(chuàng)新使用了高強(qiáng)度三層鑿井吊盤(pán)、新型大直徑5m鑿井變頻提升機(jī)，研制了國(guó)內(nèi)最大容積的8m3矸石吊桶和4m3混凝土吊桶、新型抓巖機(jī)、液壓傘鉆、40t鑿井穩(wěn)車(chē)等一系列配套的新型鑿井裝備，實(shí)現(xiàn)了超深孔大循環(huán)的鑿井爆破工藝，大大提升了施工效率，確保了超深豎井的順利施工。