斜井鎖口段快速施工與高效支護技術研究

王 杰，潘昭穎，吳秀儀

（1.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002；2.重慶市國能礦業權資產評估有限公司，重慶 401122）

1 引言

斜井是直通地面的傾斜坑道，是重要的地下工程之一，在地形地貌及巖層賦存等條件適合時，采用斜井施工有著投資省、工期較短、施工難度較小等優勢［1-3］，如隧道工程為加快施工速度而開鑿的輔助斜井、水利水電工程中的各種傾斜引水隧洞、礦山開發中開拓斜井等。當斜井井口布置在山區或丘陵地帶，洞口段往往覆蓋有表土層或強風化巖體。斜井洞口段是斜井的淺埋段，從斜井洞口位置到斜井埋深為2～2.5 倍自然冒落拱高度的位置。

2 洞口段的施工及支護技術措施現狀

目前洞口段的施工及支護技術措施主要有凍結法、固結灌漿法以及超前支護、小斷面分部開挖法等幾種。

2.1 凍結法

立井施工中應用凍結法工藝、加強支護的方式通過洞口段。當井筒穿過沖積層、松軟巖層，常采用凍結法開鑿立井井筒，其凍結深度穿過風化帶延深至穩定基巖。當凍結的圍巖體達到設計強度時，隨即開挖施工，支護形式為雙層鋼筋混凝土復合井壁，凍結法施工可使井筒安全穿越表土段，但存在凍結系統較復雜、施工工期較長、工程造價昂貴、適用范圍有限等特點［4-5］。

2.2 固結灌漿法

當井筒穿過表土段、強風化段、圍巖破碎段時，通過施工鉆孔，利用注漿設備將高標號的水泥漿液或化學漿液壓入巖體中，使之封閉裂隙，加強基巖的完整性、提高巖體強度、減少巖體的變形與不均勻沉陷，從而使井筒安全穿越洞口段。固結灌漿存在灌漿系統較復雜、支護成本較高的特點，特別是在圍巖破碎帶，節理、裂隙極為發育的地段，其灌漿量大幅提高。固結灌漿技術廣泛應用于加固工程中，技術相對成熟，但由于其施工過程管理不到位，容易造成工程失敗［6-8］。

2.3 超前支護、小斷面分部開挖法

將一系列鋼管沿井筒外輪廓線以一定傾斜角度打入開挖面前方的巖層，從而支撐來自井筒外側的圍巖壓力，然后在超前支護的保護下進行小斷面分部開挖，以此降低對圍巖的擾動。超前支護、小斷面分部開挖方式其施工工藝簡單、支護成本較低，但因支護強度有限，多適用于較穩定的圍巖體。同時因小斷面分部開挖，存在施工工期長的缺點［9-11］。

3 斜井鎖口段的快速施工與支護措施

當井筒洞口段埋深較淺時，上覆巖層風化較嚴重、巖體較為破碎，井筒施工后地面易塌陷，洞口外的山體受開挖影響易引發滑坡，并對井筒產生偏壓。因此洞口段施工，特別是表土段與基巖的過渡段的施工難度較大。為安全穿越斜井洞口段，首先在表土段、巖體破碎段與風化巖體段，采用超前支護、人工開挖，鎖口段采用鋪鋼筋網、架設格柵拱架及噴射混凝土的加強支護；鎖口段至基巖段采用鋪鋼筋網、架設鋼拱架及噴射混凝土的聯合支護方式，最后對鎖口段至基巖段全部澆筑鋼筋混凝土。

3.1 超前支護

井筒開挖面采用超前管棚加密支護。當斜井井筒斷面較小時可采用小直徑的管棚。小管棚直徑一般為φ32～50mm 范圍內，管長以3.5～5m 為宜，環向間距一般取0.3～0.5m，水平搭接長度1～1.5m，管棚與斜井掘進方向的夾角為5～10°

3.2 人工開挖

因過渡段圍巖不穩定，如采取鉆爆法施工，極易引起圍巖塌方，因此需采用人工短掘砌施工，掘砌段距離不得大于1m。用人工開挖0.3～0.6m 而后進行永久支護。

3.3 鎖口段加強支護

人工開挖后立即進行支護。架設3～5 榀格柵拱架、安設鎖腳管棚、噴射混凝土，與超前管棚聯成一體，形成加強支護段。格柵拱架間距為0.3～0.5m；鎖腳錨管直徑32mm、長為4m 的，鎖腳錨管與邊墻的夾角為60°；每榀格柵拱架用連接筋連接。采用加強支護，從而保障鎖口段圍巖穩定，有效防止因圍巖破碎、自承能力差而發生大面積塌方的現象。

3.4 鎖口段到基巖段聯合支護

鎖口段到基巖段因圍巖體從強風帶、弱風化帶逐步過渡到基巖段，井筒圍巖體由不穩定逐步過渡到穩定。這段井筒支護工藝可采取金屬網、鋼拱架、混凝土的聯合支護。井筒開挖后鋪金屬網、架設鋼拱架，同時噴混凝土支護進行初期支護，拱架的間距一般取0.5～0.8m。當井筒開挖至基巖約5～8m 后，從開挖面向上進行關模澆筑鋼筋混凝土，混凝土厚度為0.2～0.4m。

井筒掘進至圍巖穩定段5～8m 后，隨即采用常規的施工工藝、支護方式進行施工。

4 工程應用

涼山州某小型煤礦副斜井，斜井設計傾角為15°，斜井洞口處位半山腰部，表土層約20m，其中有近10m 的粘土、泥沙、沙夾石，近10m 不穩定基巖；斜井掘進斷面為14.2m2，屬于小斷面斜井。該副斜井穿過表土層逐步進入表土段與基巖的過渡段時，副斜井的施工與支護難度很大，為安全穿越斜井洞口段，同時保障完工后斜井的長期穩定性，需對該段的施工與支護進行系統設計 。

4.1 超前支護

在掘進面，采用直徑32mm、長為4m 的管棚進行超前支護，管棚的環向間距為0.3m，水平搭接長度為1m，管棚與斜井掘進方向的夾角為5°。

4.2 人工開挖

因斜井洞口段表土層有近10m 的粘土、泥沙、沙夾石，近10m 不穩定基巖。表土段與基巖的過渡段，圍巖極不穩定。故采用人工短掘砌施工，掘砌段距離為0.3m。

4.3 鎖口段加強支護

人工開挖后立即進行支護，鋪鋼筋網、架設3榀格柵拱架、安設鎖腳錨管、噴射混凝土，與超前管棚聯成一體，形成鎖口段的加強支護。格柵拱架的間距為0.3m，每榀格柵拱架2 用直徑為22mm的連接筋連接；鎖腳錨管的直徑32mm、長為4m，鎖腳錨管與邊墻的夾角為60°，每榀格柵拱架安設8 根鎖腳錨管5。采用加強支護，保障鎖口段圍巖的穩定。

圖1 鎖口段加強支護示意圖

圖 2 井筒頂部支護剖面圖

4.4 鎖口段到基巖段聯合支護

鎖口段到基巖段巖體從強風帶、弱風化帶逐步過渡到基巖段，井筒圍巖體由不穩定逐步過渡到穩定。井筒開挖前，采用直徑32mm、長為4m 的管棚進行超前支護，管棚的環向間距為0.5m。井筒開挖0.6m 后采用鋼拱架混凝土的聯合支護。先鋪金屬網、架設鋼拱架，而后噴混凝土8 支護進行初期支護。鋼拱架是用15kg 軌道加工而成，剛拱架的間距為0.6m。

當井筒開挖至基巖5m 時，從開挖面向上井筒全斷面關模澆筑鋼筋混凝土，混凝土厚度為0.3m。

4.5 安全措施

井口工作范圍設置柵欄，人員進出地點安裝柵欄門；斜井洞口安設阻車器、檔車欄、信號裝置，從而保障斜井井口段的安全施工。

5 結論

斜井施工相比于立井施工，在技術與經濟上都有著一定的優勢，而在其鎖口段的支護對于施工速度及安全等方面極為重要。斜井鎖口段的快速施工與支護技術有如下幾點優勢：

（1）施工成本低、施工工期短：采用超前支護管棚、鋼筋網、格柵拱架、噴射混凝土層對斜井鎖口段進行加強支護，與圍巖凍結法、固結灌漿法施工相比，其施工成本大幅降低。

（2）施工工藝簡單，現場施工人員易掌握：采用管棚進行超前支護、格柵拱架對鎖口段進行支護，現場施工人員易掌握、操作。

（3）對圍巖的擾動程度小：鎖口段采用采用人工短掘砌施工方式，對圍巖擾動程度小，開挖后的井筒斷面形狀較鉆爆法施工的斷面規整，井筒圍巖較穩定。

（4）適用范圍廣，易推廣：施工設備少、工藝簡單、支護技術易操作。同時支護參數可根據斜井工程地質實際情況選擇相應的參數，尤其適合在小斷面斜井的洞口段施工中易推廣應用。