超深豎井永久混凝土井塔鑿井與凍結平行作業研究

劉 寧

（中煤礦山建設集團有限責任公司，安徽 合肥 230071）

礦山豎井在前期的建井工程施工中，需要設計布置臨時鑿井系統，根據臨時鑿井井架的不同形式，衍生出不同的施工方案。傳統的工藝布置為先期I-V型鋼結構臨時井架，待鑿井作業完畢，再施工永久混凝土井塔，造成占用井口時間長、設備和資金占用量大、工序轉換頻繁、管理難度大的缺點。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平行作業的方式，具有重要的現實意義。

1 工程概況

濱海礦業副井井筒設計深度1326m，井徑6.5m，凍結法鑿井，設計凍結深度82m，井塔結構形式為現澆鋼筋混凝土框架剪力墻結構，設計外形尺寸為21.5m×17.0m，提升機大廳層標高+35.0m，總高度為50m。

本工程副井井筒設計施工深度深，屬超深井掘砌施工，機械化施工水平要求高。豎井建設工程包含土建、凍結、礦建、安裝等專業領域，存在多專業平行交叉作業，工程安全管理、現場協調難度大，對施工單位現場管理水平和綜合施工能力要求較高。同時，井筒地處海邊，地下水礦物質含量較高，深部地溫高，受潮汐影響的含鹽地下水對凍結施工、井壁混凝土澆筑、工作人員施工、施工機械設備高效運轉等方面均有較大的影響。

2 施工總體規劃

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

（1）組織土建工程施工隊伍進場施工井口的混凝土井塔外圍樁基，同時由凍結單位進行井口范圍內凍結鉆孔的施工。井口外的地面凍結站及溝槽、礦建穩絞等大臨設施相關籌備工作，與土建樁基工程平行施工。

（2）土建井塔施工完畢樁基、承臺等基礎工作，進行至鑿井所需混凝土井塔主體結構平臺施工結束后，交由礦建隊伍進行鑿井天輪平臺、翻矸臺安裝，形成鑿井施工大臨設施。與此同時，井口外的凍結站安裝調試、礦建穩絞相關準備工作在井塔鑿井所需平臺土建工程施工完畢前完成，待井塔鑿井設施安裝前，開啟凍結站進行凍結。

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

（4）土建井塔繼續進行上部混凝土結構施工，同時，礦建豎井轉入下部井筒的正式掘砌作業。凍結站開機進行維護凍結，保證凍結段的豎井施工安全。

3 施工工藝

3.1 豎井凍結施工

3.1.1 凍結采用主圈孔加輔助孔的凍結方案

主圈孔采取長短腿布置。長腿至凍結深度，深82m；短腿過強風化帶，深54m；輔助孔過表土層第一層粉質粘土層，深15m。

在考慮了凍土的發展速度和凍結壁設計厚度、強度、巖石凍結以及施工時的安全放炮距離等因素后，副井主圈孔開孔間距確定為1.09m，至荒徑距離為1.2m。

凍結孔數48個，設計2個水文孔、3個測溫孔。

3.1.2 加強措施

（1）針對海水潮汐及周圍養殖場抽水影響，設計增加一圈輔助孔以加強凍結壁的厚度設置及封水效果，輔助孔開孔間距確定為1.96m，距荒徑距離為0.7m。

（2）防止含鹽海水影響凍結效果，采取加大鹽水流量的措施，確保凍結壁早交圈。凍結管選用Φ140×5mm。配備LG25L20SY型雙機雙級螺桿式冷凍機兩臺，配備SWL-2010B型蒸發冷一臺及相關水源井水泵及清水泵。

3.2 土建混凝土井塔施工

副井井塔基礎采用鉆孔灌注樁，深度50m，樁基直徑800mm，根數29根。承臺梁頂預計標高-2.0m，高度1.5m。井塔軸線尺寸為21.5m×17m，層數六層（含屋頂），高度50m，結構形式為鋼筋砼框架剪力墻結構，中間有柱，無變截面。

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

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常規方法支設模板砌筑。

基礎采用長螺旋鉆機成孔的鉆孔灌注樁，現場混凝土澆筑采用商品混凝土，垂直運輸設置一臺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鑿井系統，主提升采用JKZ-5.0/22新型鑿井專用提升機（設計最大靜張力400kN，配備2×1600kW電機），配8.0/6.0m3吊桶（8.0m3吊桶提升高度可達900m），副提升采用JKZ-3.5×3/20提升機配4.0/3.0m3吊桶，提升矸石、人員及物料。混凝土井塔鑿井設施立面布置圖如圖1所示。

圖1 混凝土井塔鑿井設施立面布置圖

為確保施工安全，井筒中布置三層鑿井吊盤，上層為懸吊裝置并增設保護裝置，下層盤上設置一臺新型抓巖機出矸。6臺JZ-40/1500WX變頻控制鑿井穩車懸吊吊盤，采用四臂豎井全液壓鑿巖鉆機（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JZ-25/1300鑿井穩車懸吊，DX-4.0/3.0m3底卸式吊桶下放混凝土。動力、信號等電纜均懸掛在鋼絲繩上，壓風、供水管井壁固定，排水管井壁固定，水泵電源電纜由一臺JZ-16/1000鑿井穩車懸吊，并在井筒中部設置轉水站。新型液壓豎井鉆機電源電纜由一臺JZ-16/1000鑿井穩車懸吊。

前期吊盤上布置DG85-80×12臥泵排水，后期施工時在井筒中下部-700m中段馬頭門處設置中間轉水站，安設2臺DG85-80×12型臥泵接力排水。

該項目為金屬礦山井筒，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對旋風機配Φ800mm鐵質風筒供風，另配Φ800mm鐵質風筒備用。深部施工時，開啟FBD-NO7.1型3×30kW三級對旋風機進行加強供風。為確保供風穩定，備齊同等能力的備用風機或電機。

4 主要技術措施與經驗

（1）工程應選擇大型專業礦建施工企業承建，并應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范疇，有較豐富的全階段連續施工組織能力，盡可能減少對外協作需要，具有全面的、系統性的組織和管理能力。

（2）工程施工應選擇科研能力強、對口科研成果豐富并且成果可直接用于本工程的施工企業承建。針對本工程的特點，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行井筒內布置，能針對性地解決超深井施工中的獨特問題，能確保深井掘砌、提升、懸吊、運行安全。

（3）豎井井筒較深，施工中應對吊桶快速運行中的穩繩擺動現象進行深入研究，從多方面采取有效措施解決提升吊桶在穩繩中間位置高速通過時水平擺動幅度過大問題，確保吊桶提升的安全。

（4）井筒地處海邊，針對地下水礦物質含量較高的特性，應對井筒水質進行及時檢測，加強與設計院溝通，必要時優化凍結站凍結方案，調整混凝土井壁結構和混凝土添加劑配比，確保井壁質量，嚴格按照規范及設計圖紙進行施工。

（5）豎井工程靠海較近，應對施工單位提出較高的防風、防汛、冬季防凍及設備防腐性要求。工廣場地為沙灘，鑿井施工的穩絞基礎布置時要采取加固措施。

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

5 結論

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，實現了施工中凍結、土建、鑿井的平行交叉作業，改變了傳統的施工工藝，建井工期節省半年以上。尤其是在北方冬季寒冷土建無法施工的地區，此種工藝可避免工程冬季停工的影響，有著較高的推廣應用價值。

在濱海豎井凍結段鹽水凍結中，采取了針對性的凍結孔布置、調整鹽水流量、加大設備配備等措施，工程施工中創新使用了高強度三層鑿井吊盤、新型大直徑5m鑿井變頻提升機，研制了國內最大容積的8m3矸石吊桶和4m3混凝土吊桶、新型抓巖機、液壓傘鉆、40t鑿井穩車等一系列配套的新型鑿井裝備，實現了超深孔大循環的鑿井爆破工藝，大大提升了施工效率，確保了超深豎井的順利施工。