綜掘機和整體模板臺車在凍結斜井的應用

張玉杰

(河南國控建設集團有限公司，河南 鄭州 450009)

目前，在我國礦山建設中斜井工程的施工方法和工藝已經很成熟，采用手抱鉆打眼炮掘配拼裝模板支護的施工工藝，這種工藝具有工藝簡單、施工設備少、成本低的特點，被廣泛采用。但是這種方法存在施工進度低、勞動強度大、巷道成型較差等缺點，不適合在巖層松散、富水的地質條件下的礦建工程建設使用，多年來這些不足一直未有大的改善，制約著工程建設，需要改進上述施工工藝。經過不斷摸索，找出了新的方法，綜掘機掘進配全斷面整體模板臺車在實際應用中的表現得到了肯定，這種施工方法具有施工進度快、勞動強度低、混凝土澆筑巷道成型好、圍巖破壞小等特點[1-3]。

陜西省神木市升富礦業有限公司副斜井凍結工程，釆用普通鑿井法進行施工。明槽段采用地面旋噴樁+預注漿加固地層方法施工了38 m，后因出水無法施工。根據水文地質資料以及結合鄰近礦井井筒的施工情況，釆用普通鑿井法施工難以完成礦井工程的建設，決定調整建設方式采用凍結法斜井施工。合適的施工工藝對工期和工程質量產生很大的影響，傳統的炮掘和拼裝模板支護工藝，簡單可靠，但是不能滿足工期的要求。礦井建設初期，對采用的施工方法進行了選擇，經多方考察研究決定采用綜掘機配備全斷面整體移動模板臺車的施工工藝[4-5]。在實際建設施工檢驗中，這種施工方法在升富礦副斜井建設中表現出速度快、巷道成型光滑、質量可靠的特點，取得了顯著效果。

1 工程概況

陜西省神木市升富礦業有限公司升富煤礦位于陜西省的北部，距神木市較近，位于市區西北方向，屬陜西省神木市錦界鎮管轄。副斜井掘砌工程總長度1 700 m，掘進寬7 500 mm、掘進高6 650 mm，凈寬5 450 mm、凈高4 350 mm。井筒上段釆用凍結法施工，下段釆用普通鑿井法施工，凍結段斜長1 500 m，傾角6°，目前在亞洲相同的煤礦斜井凍結掘砌工程的長度排在前列。

在斜井井筒掘砌工程施工中，根據工程實際情況制定措施，克服了斜井斷面大、支護工藝復雜、凍結斜井不能滿足快速掘進需要等諸多困難。在凍結段和基巖段掘砌施工采用綜掘機開挖和裝渣，配合錨桿支護和全斷面整體移動模板臺車支護施工，安裝除塵風機降塵[6]，取得了良好的施工效果。模板臺車在巷道的布置如圖1所示。

圖1 模板臺車在巷道的布置Fig.1 Layout of the formwork trolley in the roadway

2 水文地質

由地質報告可知各含水層抽水結果，第四系松散砂層潛水富水性弱，風化巖段厚度較大，巖芯破碎，裂隙發育，富水性中等；直羅組砂巖厚度大，以原生節理、層理為主要裂隙，富水性中等；延安組段含水層粉砂巖及砂質泥巖互層，裂隙發育微弱，富水性弱。

據水質化驗，第四系松散砂層潛水、直羅組及延安組地下水水質均偏堿性，礦化度較小，為淡水。井筒涌水量計算見表1。

表1 井筒涌水量計算Tab.1 Calculation of wellbore water inflow

3 副斜井凍結段施工方案

副斜井為分區段凍結方案，凍結段掘進時進行掛網和架設鋼骨架，在掘進工作面后巷進行外壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，距工作面60 m位置進行內壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，每次鋪底長度6 m(含兩側墻體高各0.3 m)，在掘進工作面后66～76 m，利用6 m長模板臺車進行內壁混凝土二襯的平行、交叉作業施工方案。

3.1 機械化配套方案

機械化配套方案見表2。

表2 施工機械一覽Tab.2 List of construction machinery

3.2 副斜井凍結段施工工藝

3.2.1 凍結段掘進

副斜井凍結段施工采用1臺EBZ260型綜掘機，進行凍結面的開挖、運渣，裝載至WC5J防爆無軌膠輪車直接外運出井，實際施工中這種施工工藝體現了巷道圍巖破壞作用小、安全靈活，運輸簡單、施工快速的優點，施工時當凍結段掘進至凍結管位置時，將凍結管割除并用悶板將端頭堵住，也可將部分凍結管預留作為混凝土輸送管用，根據施工進度提前將井筒中間部位的凍結管內鹽水排出，進行掛網并架設鋼骨架，模板臺車配置2臺(1臺外壁全斷面模板臺車，1臺內壁全斷面模板臺車)，巷道掘進長度不超過1 m 進行一次支護，鋪設鋼筋網架設工字鋼棚。

在距掘進工作面20 m位置進行外壁混凝土鋪底，每次鋪底長度為6 m，掘進工作面26～38 m段，利用6 m外壁全斷面模板臺車進行外壁拱部和墻體混凝土砌筑。

為保證施工安全及加快施工進度，采取了內、外壁支護施工平行、交叉作業施工方案，在距工作面44～68 m，利用6 m內壁全斷面模板臺車進行內壁和底板砌筑，永久支護完成的區段20 d后混凝土強度滿足支護要求，可停止該區段凍結工程。

工程掘進時掘進機截割頭在凍結工作面切割時，表現的效果良好，綜掘機液壓系統經閥組控制傳動各部件，經齒輪減速機輸出強大扭矩，截割巖層沖擊力較小，凍結后的砂巖剝離干凈無黏結。工作面多為砂巖，切割硬度較小，綜掘機截割頭在施工面由左下進行掏槽，按“Z”形從左向右切割，循環向上，使截割頭“Z”形軌跡對整個巷道斷面進行有規律的切割。進刀深度不超過550 m為宜，第1次截割完成，使截割過的巷道斷面參數接近設計參數，然后進行第2次修整截割，從巷道的左右下部進刀均可，但要注意不可過度截割，修整截割至設計參數，切割的渣石落入綜掘機鏟板的鏟板上，由鏟板星輪裝巖裝置連續運轉，將渣石裝入綜掘機第1臺刮板運輸機、橋式膠帶轉載機，轉載至防爆無軌膠輪車運出礦井。

3.2.2 凍結段整體模板臺車的使用

(1)綜掘機完成巷道掘進開挖，臨時支護施工采用錨網索噴護，永久支護施工采用整體移動模板臺車混凝土澆筑支護施工技術，在距掘進工作面20 m位置進行外壁混凝土鋪底和部分墻體砌筑，每次鋪底長度為6 m(含兩側墻體高各0.1 m)，在掘進工作面后66～76 m，利用模板臺車進行內壁混凝土二襯的平行、交叉作業施工，完成混凝土內壁澆筑。

(2)整體移動模板臺車，是為各種平硐或緩坡巷道等的混凝土澆筑施工制造的專用設備，表現出支模迅速、自動脫模功能，襯砌表面光滑成型準確，施工周期短的特點。模板臺車的操作較為復雜，具體可分為臺車脫模、臺車行走、臺車立模等程序。全斷面模板臺車設備分為臺車、棧橋2部分，臺車長度6.2 m，斷面寬5.4 m，利用鋼模板拼接好巷道襯砌形狀，設置支撐結構用以抵抗模板傳遞的力；棧橋長40 m，有效凈跨徑 26 m，由前引橋、主橋、后引橋、前后橫移機構及自動走行小車等部件組成。臺車是平硐和緩坡巷道混凝土支護施工建設中重要的輔助施工設備，因為巷道參數不同，其對應襯砌臺車也不同，具有唯一性。

(3)整體移動模板臺車的操作程序為：①臺車脫模。注漿完成混凝土凝固一定時間后，進行脫模，操作液壓系統，先使模板臺車側模板脫離襯砌面，收起頂支撐千斤頂及模板限位裝置，操作人員操作遙控操作盒，發出信號，接收裝置收到訊號控制相應的換向閥，接通液壓油路伸縮油缸收縮，使臺車支撐面脫離混凝土表面。②臺車行走及立模。模板臺車完成脫模后，操作液壓卷揚機牽引模板臺車前進至下一工作位置，將模板固定，收起前后引橋和棧橋支腿，操作液壓卷揚機牽引棧橋前進至下一工作位置，支起棧橋引橋、支腿，模板定位進行混凝土澆筑。③混凝土澆筑。立模完成之后，應校驗與設計參數是否符合，并進行調整修整，誤差在允許范圍內可進行注漿。混凝土澆筑時，先從模板臺車下部注漿窗口進行澆筑，混凝土澆筑至注漿窗口時，關閉封嚴窗口，然后從上一排注漿窗口進行注漿，循環往復，直至整個斷面澆筑完成。

反復循環立模、注漿、脫模、行走的工作過程，完成模板臺車的整個作業程序如圖2—圖5所示。

圖2 液壓脫模Fig.2 Hydraulic demoulding

圖3 液壓移模Fig.3 Hydraulic shift

圖4 棧橋前移Fig.4 Trestle forward

圖5 調整模板支模Fig.5 Adjust template support

澆筑混凝土可使用商混或在副斜井硐口附近安裝混凝土攪拌站拌制混凝土，利用廢棄凍結管下放至工作面附近，由HBMD-15/8-30S型混凝土輸送泵輸送混凝土入模。

3.2.3 凍結管的處理

副斜井凍結管沿井筒延伸方向布置，共布置5排凍結管，中間3排孔穿過井筒，2排孔在井筒范圍以外，距井壁1.5 m，凍結斜井工程分為明槽段和暗硐段。為確保掘進施工安全，采取的措施：①明槽段施工，將開挖斷面內地面布置的鹽水管等管路進行拆除，輪廓線外的2排凍結管保留，維持凍結。明槽開挖前關閉凍結管閥門，抽凈凍結管內鹽水，截割斷面內凍結管。②暗硐段施工，掘砌至該凍結區域前，提前關閉該區域掘砌范圍內凍結管，拔出供液管，并回收管內鹽水，割除該區域凍結管，割管的同時，做好掘進前方的下一列凍結管的停凍、排空和拔管等工作。凍結管應從荒徑位置割平凍結管口，用厚10 mm鋼板焊接封堵，外壁澆筑時，一同將凍結管澆筑，確保井壁質量。為防止井壁與凍結壁間化凍造成壁后竄水，采用封頭孔處理技術。

4 斜井凍結段防治水

副斜井凍結段設計為雙層井壁，通過井壁夾層注漿達到堵水的效果，夾層注漿可以充填內、外層井壁之間存在的縫隙，同時充填外層井壁接茬縫及由于壓力產生的外壁裂隙。

注漿時間一般選在井壁夾層凍結壁解凍前，應在井壁與凍結壁間溫度為0～4 ℃時進行，這樣能確保井壁夾層注漿效果，根據實際經驗，套砌內壁結束后即可開始夾層注漿。漿液為單液水泥漿，上行式注漿方式，斜長每30～50 m為一注漿段高，注漿孔為五花布置，孔深進入外壁100 mm；注漿壓力終壓P=H/100+1.3 MPa，水灰比為1.00～0.75，水泥為P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥。當遇到漏漿時，可調整漿液濃度或斷續注漿。

5 過斷層及地質構造帶施工

為了保證工程過斷層及地質構造帶的施工安全，可根據實際揭露圍巖的穩定情況采取措施：①超前導硐邊刷邊支法；②管棚注漿法；③超前錨桿支護法，超前支護2.5～3.0 m，以防止頂板冒落；④采取適當加密錨桿間排距或架設金屬支架、增加錨索等綜合支護措施，同時調整掘進參數快速通過地質構造帶。

6 結語

在凍結斜井探索采用綜掘機掘進開挖，2臺全斷面模板臺車前后支護施工的工藝，工人的勞動強度大為降低，使得施工進度加快。在凍結斜井施工現場發生數次斜井停掘的現象，即凍結進度低于掘進速度，掘進工程等待凍結進度。原因是制定凍結工程工期時，未預計到礦建掘進施工的速度大于凍結速度，凍結工程工期滯后礦建掘進工期，造成了礦建工程窩工，否則斜井成巷成績還能進一步提高。這提示后類似工程施工應注重凍結方案優化，應合理制定凍結工程工期，使之能夠與礦建工程有序配合銜接，滿足礦建施工進度的需要。綜掘機配備整體移動模板臺車施工工藝，克服了以往鉆爆施工法鑿巖機進眼困難、掘進慢、支護困難的弱點，在施工中表現出了施工速度快、機械化程度高、勞動強度低以及整體性和抗震性好、混凝土結構成型準確、密實光順、大幅度提高工作效率等優點。該技術在國內煤礦凍結斜井實踐中尚處于推廣階段，升富煤礦凍結副斜井井筒施工中，創造了凍結斜井掘進和砌碹成巷80 m/月的最好成績。