特殊地質條件下截滲工程方案的優化設計

類維強，安凱軍

（1.山東省水利勘測設計院，山東 濟南250013；2.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

1 工程概況

某煤礦是隸屬于陜西榆林能源集團有限公司的一個現代化礦井，規劃生產能力1000萬t/年。礦井擬采用斜井開拓方案，布置的4個井筒為主斜井、副斜井、進風立井及回風立井，其中主斜井井筒長1685 m，井筒傾角13°，井筒斷面呈城門洞型，凈寬5.8 m，凈高3.9 m，斷面凈面積20.1 m2。主斜井井筒施工需穿越一段流砂層，由于流砂層對應力變化非常敏感，在井筒開挖掘進過程中時常有片幫、井底冒砂和井壁掏空等問題發生，嚴重時會造成井筒偏斜、地面沉陷等，因而井筒在流砂層掘進中必須采取截滲等工程措施，確保井筒掘進施工安全。

2 場區工程及水文地質條件

2.1 工程地質條件

根據地質報告，礦井井筒區地表被現代風積沙和第四系薩拉烏蘇組所覆蓋。主斜井井筒傾角13°，長度約1685 m（含水平長度），井口為第四系全新統風積沙。穿越地層有第四系全新統風積沙、第四系上更新統薩拉烏蘇組、第四系中更新統離石組（黃土）、新近系上新統保德組（紅土）、侏羅系中統安定組、直羅組、延安組地層，地質剖面見圖1。其中穿越風積沙地層長度約27 m，穿越薩拉烏蘇組地層長度約74 m，穿越黃土地層長度約62 m。穿越紅土地層長度約24 m，然后進入基巖段，巖性主要為中粒砂巖、粉砂巖，其次為細粒砂巖，局部夾泥巖薄層，頂部穿越長度約60 m的風化巖，進入正常基巖段[1]。

圖1 地質剖面圖

2.2 水文地質條件

根據地下水的賦存條件、水力特征及含水層的縱向分布結構，將井筒區內含水層由上至下劃分為5層，各層情況介紹如下[2]。

①第四系上更新統薩拉烏蘇組及全新統風積砂孔隙潛水含水層（Q3s+Q4eol）：主要為灰褐色中細粒沙，灰白色、灰黃色細沙及粉細砂。含水層厚度8.23 m～17.79 m，平均厚度為11.29 m，滲透系數K=3.1 m/d～8.9 m/d。

②第四系中更新統離石黃土及第四系上新統保德組弱含水層（Q2l+N2b）：厚度 3.80 m～26.30 m，平均 11.10 m，滲透系數K=0.58 m/d。

③侏羅系中統安定組孔隙裂隙承壓含水層（J2a）：厚度為39.40 m～66.43 m，平均為57.23 m，滲透系數K=0.09 m/d～0.32 m/d。

④侏羅系中統直羅組孔隙裂隙承壓含水層（J2z）：厚度為76.60 m～126.52 m，平均112.14 m，滲透系數K=0.01 m/d～0.14 m/d，平均值為 0.08 m/d。

⑤侏羅系中統延安組第五段孔隙裂隙承壓含水層（J2y5）：含水層厚度為21.20 m～44.40 m，平均為32.80 m，滲透系數K=0.002 m/d～0.05 m/d，平均值為 0.004 m/d。

從各含水層抽水結果可見，第四系松散砂層透水性強，富水性弱～中等；土層富水性弱，但上部黃土層局部含沙量較大，并伴有砂層透鏡體，儲水條件較好；安定組頂部多以泥巖、粉砂巖為主，但大部風化，孔隙裂隙較發育，儲水條件較好，中部和底部為一套紫紅色、褐紅色巨厚層狀中、粗粒長石砂巖，富水性弱，但較好于直羅組，局部富水性接近中等；直羅組砂巖與泥巖、粉砂巖互層厚度大，以原生節理、層理為主要裂隙，富水性弱；安定組與直羅組承壓水頭較高，泥巖、粉砂巖抗風化能力弱。延安組段含水層水量微弱。各含水層預測井筒涌水量見表1。

表1 主斜井井筒涌水量預測一覽表

3 主斜井截滲方案的選擇與優化

3.1 截滲方案選擇與優化

目前井筒穿越流砂層的施工方法分普通法和特殊法，普通法施工有板樁法及降水法等，特殊法施工包括凍結法、沉井法及帷幕法等。凍結法是井筒不穩定表層土施工的常用方法，但存在需要大功率電源、夏季凍土墻易化、工程投資大等缺點，擬選用“帷幕+降水”的方案，考慮黃土層局部含沙量較大，并伴有砂層透鏡體，帷幕底部嵌入風化砂巖0.5 m~1.0 m，帷幕最大深度達。常用的截滲技術有水泥攪拌樁、高壓噴射灌漿以及地下連續墻技術等。水泥攪拌樁適用于粉土、壤土等地層，高壓噴射灌漿技術在20 m深度以內應用效果較為理想，因此采用地下連續墻技術營造截滲帷幕[3]。

由于井筒傾角為13°，若采用落地式帷幕，即將井筒入巖前水平投影范圍內周邊的地下連續墻底部均嵌入風化砂巖，雖然徹底阻斷了風化砂、黃土層與周邊的水力聯系，但截滲工程量較大，投資高。因此，又提出在帷幕中間增加隔墻的截滲方案，即在主斜井進入黃土層處增加一道橫向隔墻形成“日”字形的平面布置型式，井筒穿越淺部流砂段的帷幕采用懸掛式，帷幕底部嵌入黃土層3.0 m，井筒穿越深部黃土層段的帷幕采用落地式，帷幕底部嵌入粉砂巖0.5 m~1.0 m，見圖2~圖3。主斜井從井筒入土至井筒全斷面進入土層的施工段明挖施工，基坑支護采用“連續墻+鋼管內支撐”方案，該段地下連續墻需兼作基坑支護結構使用，墻體為鋼筋砼結構。另外，為加快在流砂中的施工速度，將井筒掘進方向的松散砂采用高壓旋噴樁進行固化。通過截滲方案進一步的優化，連續墻截滲帷幕面積比上一方案減少20%，工程總造價節省約12%左右。

圖2 主斜井地下連續墻帷幕布置

圖3 井筒橫斷面圖

3.2 地下連續墻設計

1）截滲墻體厚度

根據達西公式，地下連續墻墻體厚度B可按其破壞的水力坡降計算，即：

式中：B為防滲墻厚度，m；H為防滲墻承受的最大水頭，m；J允為允許的最大水力坡降，塑性混凝土取80。

經計算，B=0.42 m，地下連續墻采用液壓抓斗施工，考慮施工設備性能，連續墻厚度取0.6 m。

2）墻體材料及要求

砼墻體材料：砼等級為C30，采用不低于32.5級的普通硅酸鹽水泥，每方砼不少于350 kg/m3，W/C＜0.65；

砼墻體滲透系數：K＜i×10-7cm/s（i=1～5）。

3.3 高壓旋噴樁設計

1）旋噴樁固化范圍

旋噴樁固化范圍為截滲墻框格內沿主斜井掘進方向周邊的松散砂層，主斜井的頂部輪廓線以上3.0 m，底部輪廓線以下2.0 m。

2）旋噴樁設計

土體固化擬采用旋噴樁套接形式，梅花型布孔孔距暫定為1.5 m，排距1.4 m，采用三管法施工，旋噴樁樁徑1.5 m～1.7 m，凝結體R28=1.5 MPa～5 MPa。高壓噴射灌漿施工參數如下：高壓水排量Q=70 L/min～80 L/min,工作壓力P=36 MPa～40 MPa；水泥漿排量Q=80L/min～120L/min，密度γ=1.50g/cm3～1.70g/cm；壓縮氣流量Q=0.8m3/min～1.2m3/min，壓力P=0.6 MPa～0.8 MPa；提升速度，6 cm/min～8 cm/min；轉速，6 r/min～8 r/min。

4 地下水控制

地下水位要求降至開挖井筒底板以下1.0 m，降深隨井筒掘進長度的增大而逐漸增加，根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-2012），結合現場具體情況，采用井管井點降水方案。基坑降水總涌水量按潛水完整井公式計算：

式中：Q為基坑降水總涌水量，m3/d；K為滲透系數，m/d；H為潛水含水層厚度，m；sd為基坑地下水位的設計降深，m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m，可按計算，A為基坑面積，m2。

式中：Q為單井設計流量，m3/d；n為降水井數量。

經計算，基坑涌水量約為Q=1227.6 m3/d，共布設10眼降水井，井距10 m～15 m，井深22 m～45 m，布置在主斜井軸線上[4]。

5 結語

在設計主斜井截滲及降水方案時，仔細分析主斜井所在場區的工程水文地質情況，遵循“安全可靠、技術可行、經濟合理”原則，采用連續墻截滲、高壓旋噴樁固結配合降水等綜合處理措施解決井筒在流砂、透鏡體等特殊地質條件施工的難題，加快井筒施工速度，節省大量的人力、物力，降低工程造價，為類似工程的設計提供參考和借鑒。