立井井筒深厚表土层冻结段外壁大断面变径掘砌施工技术分析

韩亮，潘广宜

中煤五建第四十九工程处，河北邯郸 056002

0 引言

立井冻结段施工在我国已有50 年的历史，对于400m 以上的深厚冲积层一般采用双层钢筋混凝土复合井壁施工方式。随着井筒深度的增加，冲积层土压、水压的增大，井筒内、外壁井壁厚度，砼强度、钢筋规格尺寸等材料相应加大。因此，为有效增加内层井壁厚度，确保满足冲积层水压、土压等相关载荷，在立井井筒深厚表土层冻结段外壁施工过程中，应根据合理的地质层位采用变径掘砌施工。通过杨村煤矿副井井筒在绝对标高-169.6m、-269.6m和-379.6m三次变径掘砌施工过程中，对地质条件、冻结情况等技术参数统计分析，为立井井筒深厚表土层冻结段外壁大断面变径掘砌施工技术积累了经验。

1 工程概况

国投新集能源股份有限公司杨村煤矿，位于安徽省淮南市凤台县杨村乡。设计年生产能力5.0Mt/a，覆盖于煤系地层之上的新生界松散层较厚。

副井井筒设计净直径Ф7.5m，井深1000.7m。表土层厚度536.65m，冻结深度725 m，掘砌井深715m。其中锁口（+26.7 ～+21.7m 段）；冻结段内/外井壁支护：钢筋混凝土井壁；内/外壁厚：(+21.7 ～-169.6m 段)600mm/600mm、(-169.6m ～-269.6m 段)750mm/750mm、(-269.6 ～-379.6m段)950mm/950mm、(-379.6 ～-541.1m 段)1150mm/1150mm、(-541.1 ～-551.1m 段)整体浇筑2300mm；内/外壁砼强度：从上向下依次为C30、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75；外层井壁与冻结壁之间铺设25 ～75mm 聚苯乙烯泡沫板；内外壁间设计敷设两层δ=1.5mm×2HDPE 塑料板；(-670 ～-680m 段)1000mm/300mm、(-680 ～-715m 段)700mm/300mm，砼强度为C50。

主井井筒设计净直径Ф7.5m，井深986.7m。表土层厚度538.25m，冻结深度725 m，掘砌井深715m。冻结段内/外井壁支护：钢筋混凝土井壁；其中冻结段外壁三次大断面变径施工施工位置及井壁厚度与副井相同。

2 变径施工基础资料分析

2.1 地质条件影响

冲积层地质条件和水文状况与井壁结构设计、冻结施工和井筒施工息息相关，合理统计分析地层情况是决定变径施工方法的重要因素之一，变径断面控制设计范围之内，根据地质预想柱状图详细分析粘土层与砂层地质特性，将此段变径地层含水量、膨胀性做好分析。

2.2 冻结情况

在井筒外壁掘砌过程中，应对掘砌工作面冻结状况进行监测，主要监测的参数有冻结壁径向位移、井帮温度、底鼓、已施工外壁的变形、受力等。严格将径向位移量控制在50mm 以内，保证铺设泡沫板、绑扎钢筋及浇筑砼期间的井壁厚度，严格观测底鼓现象，统计数据，合理采用更换小模板，控制变径期间井帮暴露时间。掘进期间保持观测井帮温度，冻土进入荒径距离，确定变径过程井筒掘进期间片帮情况。

3 变径施工方案确定

3.1 大模板一次变径

为保证变断面施工进展迅速，缩短井帮外露时间保证变断面在一个施工段高内完成。采用液压伸缩整体移动式金属模板（模板高3.8m ～4.2m）进行变径。掘进过程中，先按原荒半径控制，掘进至最后一模刃角下一定位置时，下落模板拆除提至井口，模板全部拆除后开帮至设计荒径，绑扎外层搭接钢筋，然后继续掘进至设计段高并刷帮到位，最后下落刃角组装、铺设泡沫板、绑扎双层钢筋、组装新模板、浇筑混凝土。

施工顺序：掘进一定段高（一般控制在1.6m ～2m）刷帮至变径前断面荒半径→下落模板拆除升井→将段高开帮至设计变径后断面荒半径→绑扎外层搭接筋→继续掘进至设计段高→固定聚苯乙烯泡沫板→井口下落刃角组装→校正刃角→绑扎双层钢筋→下落高液压伸缩整体移动式金属模板组装→校正模板浇筑砼，变断面结束。

3.2 小模板二次变径

1）第一段高成井将双层钢筋先变为变径后要求尺寸，首先向下掘进，掘进过程中将井筒外壁掘进荒半径逐渐刷大变径后设计荒半径，刷至小模板段高（一般2m ～2.2m）。开始铺设泡沫板→将刃脚拆除升井→下放座底圈进行操平找正→绑扎钢筋→下落模板校核→下放分灰器开始浇筑混凝土；

2）钢筋变径浇筑完混凝土后，从井筒中心向外以辐射方式进行掘进、开帮，向下掘进至设计尺寸、段高。当荒半径、段高符合设计要求后→下放新刃脚进行操平找正→更换模板夹块→开始铺设泡沫板→绑扎钢筋→浇筑混凝土。

4 实例施工应用分析

4.1 杨村矿井副井-269.6m 变径施工

1）技术参数对照

施工至-269.6m 位置时砼标号不变仍为C60，聚苯乙烯泡沫仍为75mm，双层钢筋间、排距均为250mm 不变，内层竖筋由Φ20mm 变为Φ22mm 且外扩200mm（距中线4768mm），外层竖筋由Φ20mm 变为Φ22mm 且外扩400mm（距中线5538mm），环筋由Φ22＠250 mm 变为Φ25＠250 mm。掘进至最后一模刃角下1.8 段高后将荒径扩至R=5728mm 进行外层钢筋丝扣预留与下模钢筋丝扣连接。

表1 技术参数对照表

2）地质情况

根据地质资料和检查孔资料显示：-261.9m 至-269.1m（相对标高-288.8m 至-296m）厚度7.2m 为粉砂，-269.1m至-272.6m（相对标高-296m 至-299.5m）厚度3.5m 为砂质粘土，-272.6m 至-277.5m（相对标高-299.5m 至-304.4m）厚度4.9m 为粉砂。

3）冻结情况

通过现场每段高循环实测，井帮温度达-8℃，冻土进入荒径1.5m，井帮径向位移和底鼓均为0m/h。

4）施工方案

由于-269.6m 此段地层处于砂质粘土段，土层地质结构稳定，不易片帮，且冻结状况稳定未发生井帮径向位移和底鼓现象，决定采用大模板一次变径施工方案。合理组织施工人员，定期检修运转设备，确保满足施工安全生产需要。（附-269.6m变断面切面图）

图1 -269.6m 变断面切面图

5）循环时间统计

在施工人员充足，设备运转正常的情况下，变径施工自掘进开始至浇筑砼结束，共用时49 小时30 分钟。

4.2 杨村矿井主井-379.6m 变径施工

1）技术参数对照

施工至-379.6m 位置时砼标号不变仍为C75，聚苯乙烯泡沫仍为75mm，双层钢筋间、排距均由250mm 变为200mm，内/外层竖筋直径均为Φ22mm 不变，环筋由Φ25＠250 mm 变为Φ25＠200 mm。

表2 技术参数对照表

2）地质情况

根据地质资料和检查孔资料显示：-377.91m 至-382.46m（相对标高-404.61m 至-409.16m）厚度4.55m 为粉砂，-382.46m 至-420.51m（相对标高-409.16m 至-447.21m）厚度38.05m 为砂质粘土。

3）冻结情况

根据井筒冻结设计，掘砌至此标高井帮温度应达到-8℃，冻土入荒1.2m ～1.6m。通过现场实测，井帮温度在-13.2℃～14.8℃之间，冻土进入荒径3.3m ～3.4m，满足施工生产需要。井帮径向位移平均在1.1mm/h，底鼓6.25mm/h。

4）施工方案

由于-379.6m 此段地层处于砂层，虽然地质结构稳定，不易片帮，冻结温度及冻土进入荒径均已达到设计要求，但通过持续实测数据显示有小量井帮径向位移和底鼓现象，为减少井帮暴露时间，快速施工井壁浇筑砌碹工序，决定采用小模板二次变径施工方案。

图2 -269.6m 变断面切面图

5）循环时间统计

在施工人员充足，设备运转正常的情况下，变径施工第一段高自掘进开始至第二段高浇筑砼结束，共用时65 小时30 分钟，（其中钢筋变径段高循环用时30 小时，模板变径段高循环用时35 小时30 分钟）。

4.3 施工结论

1）冻结效果的好坏是保证井筒表土段冻结段外壁大断面变径施工速度的关键。首先冻结要满足施工安全要求，其次在安全不造成“片帮”前提下，考虑变径施工方案；

2）施工中要加强立井施工机械换作业线，合理组织劳动用工配备，满足工序转换运转顺畅，减少井帮暴露时间，确保循环时间；

3）收集井筒地质水文相关资料，通过现场实测与其相互比照，分析变径施工地层含水量和膨胀性等特点；

4）每段高实测井筒井帮径向位移、底鼓、井帮温度及冻土入荒等数据统计，严格按照建井手册及施工规范标准要求，确保在范围内进行变径施工。

5 结论

在立井井筒深厚表土层冻结段外壁大断面变径掘砌施工过程中，经几方面技术数据统计分析，得出：

1）在地质土层稳定，井帮温度及冻土入荒均达到设计要求，且揭露土层未发现井帮径向位移和底鼓现象情况，可采用液压金属大模板一次变径施工，此方案优点为整体循环时间较短，工序转换相对简单，提高冻结段外壁掘砌速度。缺点为掘进段高控制较高，井帮暴露时间较长，易发生片帮现象，由于片帮可能导致二次清底，再者由于整体模板一次变径完成，模板刃角未采用拆除跟换座底圈方式而采取更换大刃角形式，从而出现井壁接茬较大，段高控制合理可满足规范要求；

2）在地质土层稳定，井帮温度及冻土入荒均达到设计要求，但实际揭露地层出现井帮径向位移和底鼓现象情况时，建议采用液压金属小模板加块二次变径施工，此方案优点为掘进过程中井帮暴露时间较短，一般不会发生片帮现象，在合理段高范围内井帮和井底均开泄压槽，有效防止井帮位移和底鼓现象对成井井壁质量的影响，由于首次变钢筋段高将模板刃角拆除更换座底圈的施工方式，有效控制井壁接茬，更好的保证井壁质量。缺点为循环时间较长，工序转换繁琐，经济、劳动用工投资较大。

本文通过例举杨村煤矿主、副井深厚表土层冻结段外壁两次大断面施工中不同标高、不同地层、不同施工方案统计的技术参数进行分析，整理两套切实可行冻结段外壁变径施工方案，其成功经验可为其它井筒提供参考，也为今后类似的井筒施工积累了经验。