超深廢石堆積層豎井井頸結(jié)構(gòu)型式探討

郭相參

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

1 前言

1.1 工程地質(zhì)條件

擬建通風井位于廢石堆積層內(nèi),井筒設計凈直徑4.5 m。根據(jù)工勘資料,揭露地層主要為廢石填方及其下部太古界三屯營組古老變質(zhì)巖。上部堆積層厚度約80 m,以廢石為主,粒徑大小不一,分選性差,大者超過500 mm,小者0.5 mm;下部堆積層厚度約16 m,以強風化黑云混合片麻巖碎屑,局部夾大塊碎石,堆積層總厚度約96 m。堆積層之下的強風化混合花崗巖厚度約6.6 m,中粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖心呈碎塊～碎渣狀,極其破碎,風化裂隙十分發(fā)育,水蝕、溶蝕、銹斑明顯。強風化層之下巖層依次為中等～微風化混合花崗巖、微風化輝石斜長巖、混合花崗巖等?？偟膩碚f,擬建通風井位于當?shù)氐罐D(zhuǎn)向斜上盤一翼,遠離向斜核心區(qū),受斷層影響甚微,工程地質(zhì)勘探未遇較大規(guī)模構(gòu)造破碎帶。場地地震基本烈度為7 度,基本地震加速度為0.15 g。

擬建場地的堆積層深度大,回填時間較短,結(jié)構(gòu)松散不密實,承載力低,自穩(wěn)能力很差,鑿井期間圍巖不穩(wěn)定,易塌方。井頸段巖層自上而下依次為①廢石堆積層、②強風化黑云混合片麻巖碎屑堆積層、③強風化混合花崗巖、④中等～微風化混合花崗巖。各巖層的物理力學參數(shù),具體見表1。

表1 井頸段各巖層物理力學參數(shù)

根據(jù)規(guī)范[1]要求,井頸應進入穩(wěn)定基巖以下2～3 m,結(jié)合上述擬建場地工程地質(zhì)地層條件,通風井井頸深度為96 m +6.6 m +2 m = 104.6 m,取105 m。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)影響范圍內(nèi)無大的地表河流,通風井擬建場地的地下水主要接受大氣降水補給,補給途徑單一。井頸段堆積層結(jié)構(gòu)松散,孔隙率大,透水性好;強風化混合花崗巖風化裂隙較發(fā)育,貫通性一般,為透水～弱富水潛水含水層?？辈煦@孔終孔穩(wěn)定水位60 m,水質(zhì)為屬低礦化、微硬水～硬水、微咸水,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性?？辈靾龅氐貙觾?nèi)無有害氣體和放射性物質(zhì)。

2 井頸工程難點分析

根據(jù)擬建通風井井位處復雜的工程地質(zhì)條件,認為該通風井井頸結(jié)構(gòu)設計和施工方面有以下幾個難點:

(1)由廢石及黑云混合片麻巖碎屑組成的廢石堆積覆蓋層厚度大,巖體質(zhì)量級別為Ⅴ級,工程地質(zhì)性能很差,屬于散體結(jié)構(gòu),受擾動時巖石易塌落和掉塊。針對這種穩(wěn)定性及自穩(wěn)能力差的地層,傳統(tǒng)的設計理念已無法滿足工程要求,必須結(jié)合擬采用的施工技術(shù),尋求經(jīng)濟合理、安全可靠的新設計思路,并根據(jù)實際施工情況不斷優(yōu)化,進行動態(tài)調(diào)整,力求井頸全生命周期內(nèi)的安全與穩(wěn)定。

(2)在這種超深且不穩(wěn)定的復雜地層中進行豎井井頸施工難度極大,開挖時圍巖易坍塌,難以形成合理的井筒荒徑,且井壁與圍巖兩介質(zhì)間的界面粘結(jié)強度很低,井壁“脫褲子”概率很大,施工質(zhì)量無法保證。堆積層不密實,透水性好,暴雨季節(jié)井壁水壓力大,對井壁防水抗?jié)B能力要求高。

(3)目前特殊地層的施工技術(shù),如凍結(jié)法、雙層井壁法、地面(或工作面)預注漿、混凝土帷幕法、沉井法等,受制于技術(shù)復雜、成本高、工期長、適用局限性等不利因素,在該井頸建設中均難以達到預期的效果,因此,需研究經(jīng)濟安全的新施工技術(shù)來解決這一難題。

(4)由于堆積層尚未完全固結(jié),當受到擾動時,地層會產(chǎn)生不均勻沉降,嚴重時,將導致鑿井設備設施及廠房等基礎傾斜變形,甚至會造成基礎開裂破壞,廠房坍塌等事故,嚴重威脅施工質(zhì)量及安全。因此,需采取加固地基、提高基礎強度等技術(shù)措施[2]以保證鑿井期間基礎的安全性,降低基礎不均勻沉降帶來的施工風險。

3 井頸結(jié)構(gòu)研究

3.1 井頸結(jié)構(gòu)型式分析

按照傳統(tǒng)的設計理念,提出了單層井壁+單壁座井頸結(jié)構(gòu),具體如圖1所示。為簡化施工工藝,采用一段式等厚度井頸設計,設計要求施工時根據(jù)揭露的實際圍巖穩(wěn)定性情況,采取必要的有效加固措施,防止發(fā)生井壁“脫褲子”,同時井壁采用噴錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土支護。但在該通風井施工準備期間,為能按時破土動工及節(jié)省建井成本,業(yè)主決定嘗試采用普通鑿井法中的短掘短砌、快速支護工藝施工該通風井井頸。在施工過程中支護錨桿鉆孔塌孔現(xiàn)象頻發(fā),砂漿錨桿施作困難,現(xiàn)場決定將砂漿錨桿改為摩擦型錨桿,解決了錨桿鉆孔塌孔問題,但堆積層中的孤石增加了錨桿施作難度和工作量,同時強行穿透孤石施作錨桿的施工振動會增加松散圍巖垮塌風險。在處理掌子面孤石的正常掘進過程中,井壁壁后圍巖局部出現(xiàn)松動塌方,壁后出現(xiàn)空區(qū),施工被迫停止。

圖1 單壁座井頸圖

井頸結(jié)構(gòu)是基于圍巖與井壁之間具有一定的摩阻力或黏結(jié)強度且其能撐掛井壁而進行設計的,即需按設計要求在鑿井前對松散圍巖進行有效的加固處理,對應的處理方法有地面(或工作面)預注漿、混凝土帷幕法等。但堆積層中的廢石粒徑大小不一,局部夾大塊碎石,易造成鉆孔偏斜、塌孔卡鉆。且堆積層結(jié)構(gòu)的松散性及強透水性,使得漿液擴散范圍難控制,很難獲得預期的圍巖加固效果,同時超深的特性也制約著上述方法的經(jīng)濟使用。經(jīng)向多家單位咨詢,若采用上述方法加固圍巖,增加投資多,基建資金壓力大,無法承受,因此需尋求新的技術(shù)方案及相應的井頸結(jié)構(gòu)設計方案。

目前在深度超105 m 的復雜地層中建井的礦山極少,沒有可參考的類似案例。為降低建井成本,確保工程質(zhì)量及工期,業(yè)主多次組織設計、施工、監(jiān)理等多家單位研究對策,提出了改進型工作面預注漿的施工技術(shù)方案,即將砂漿錨桿支護和預注漿加固相結(jié)合,利用中空自進式注漿錨桿工作面預注漿加固圍巖體,采用快速短掘短支,視揭露的圍巖情況局部適時再增加錨網(wǎng)支護。現(xiàn)場在堆積層內(nèi)進行了注漿試驗研究,根據(jù)揭露的漿液擴散效果,評估了該方法的可行性及可控性風險,修正了理論注漿參數(shù)。這一施工技術(shù)不僅解決了鉆孔塌孔問題,還實現(xiàn)了圍巖的有限穩(wěn)定及漿液量的有效控制,改善圍巖條件及鑿井作業(yè)條件,降低了圍巖塌方風險及建井成本。針對這一施工技術(shù),設計方面及時調(diào)整了井頸結(jié)構(gòu)型式,具體如圖2所示,仍采用單層井壁,在井口增設環(huán)形承臺,承臺以下設多道雙錐形壁座的結(jié)構(gòu)方案,井壁仍采用噴錨網(wǎng)+雙層鋼筋混凝土支護,施工時支護錨桿用中空自進式注漿錨桿替代,承臺、壁座、鋼筋協(xié)同承載井壁自重,可有效防止施工過程中井頸“脫褲子”,為井頸的順利施工提供了技術(shù)保障。壁座的道數(shù)需根據(jù)堆積層特性及支護參數(shù)等因素綜合確定。

圖2 多壁座井頸圖

3.2 井壁厚度

根據(jù)廢石堆積層結(jié)構(gòu)特性,圍巖對地層側(cè)壓力無分擔作用[3-4],地層水土合壓力全部作用在井壁上。按松散體理論計算,將表1中參數(shù)代入秦氏公式,并附加地震作用產(chǎn)生的附加土壓力,可得井壁側(cè)壓力設計值q=2 070 kPa,按C30 級鋼筋混凝土井壁的厚壁圓筒理論及橫向穩(wěn)定性[5-6]計算井壁初厚度d=0.44 m,取d=0.5 m。按均布荷載作用下的井壁圓環(huán)承載力及最小配筋率計算井壁配筋,環(huán)向鋼筋為20@250,豎向鋼筋為20@300。按單根管樁理論驗算井壁結(jié)構(gòu)地震水平承載力[7],滿足要求。鑒于井頸段的圍巖特性及施工安全等原因,對井頸段增加0.1 m 厚的錨噴網(wǎng)支護,錨桿直徑為20 mm,長度為1.8 m,間排距為1 m,18 根/圈。

3.3 壁座道數(shù)確定

3.3.1 不計側(cè)摩阻力

壁座的道數(shù)與承臺地基承載力特征值、井壁摩擦力、井壁支護參數(shù)等有關。環(huán)形承臺與井筒為同心圓,取承臺內(nèi)半徑為rn=2.85 m,外半徑為rw=4.25 m。由此可計算承臺的凈承載面積為S=π(r2w-r2n) =π×(4.252-2.852) =31.23 m2。根據(jù)表1可知,堆積層第①層的承載力特征值fak=170 kPa,假設地層受力均勻,則承臺地基承載力為F=Sfak=31.23 ×170 =5 309.1 kN。

若圍巖具有一定的自穩(wěn)能力及強度,以圍巖和井壁間的摩阻力即可避免井壁“脫褲子”,因此摩阻力是井壁豎向承載力的重要內(nèi)容之一。該廢石堆積層結(jié)構(gòu)松散,穩(wěn)定性差,圍巖與井壁間的粘結(jié)強度低,基于此,在研究該通風井井頸結(jié)構(gòu)時,可忽略圍巖與井壁之間的摩阻力。

研究井頸結(jié)構(gòu)時,支護錨桿對井壁自重的支撐力應考慮。為滿足注漿工藝要求,支護錨桿用中空注漿錨桿A32 mm ×7 mm ×3 m 替代。注漿錨桿由普通無縫鋼管加工而成,其主要以抗剪能力來吊掛井壁,單根錨桿的抗剪強度為Fv=Smfyv=π(162-92) ×125 ×10-3=68.72 kN。若對井壁圍巖進行注漿,則加固后的圍巖承載力提高,則注漿錨桿的支撐力按照抗剪能力考慮,足以保證井壁穩(wěn)定不“脫褲子”;若不注漿,則注漿錨桿的支撐力按孔壁圍巖承載力進行計算,而孔壁所受的壓力主要集中在錨桿孔口段,范圍為錨桿長度的1/3[8],假設該段錨桿孔壁圍巖均勻受壓,則以第①層承載力進行計算,即fm=Smfyv=1/3 ×3 ×0.032 ×170 =5.44 kN。為安全起見,按不注漿計算,則每米井筒注漿錨桿對井壁的支撐力為Fm=nfm=18 ×5.44 =97.92 kN。

該通風井井頸段井壁總厚度為0.6 m,取鋼筋混凝土容重為γ=25 kN/m3,則每米井壁自重為G=π(r2n-r20)hγ=π(2.852- 2.252) × 1 × 25 =240.33 kN。故在不考慮圍巖與井壁間摩阻力的情況下,環(huán)形承臺可支撐的井壁高度為l=F/(G-Fm) =5 309.1/(240.33-97.92) =37.28 m。若從建成后運行期間的井壁安全來考慮,則壁座的道數(shù)m=L/l=105/37.28 =2.82,取m=3,即井頸段井壁應設置3 道壁座,分別在井口設承臺,井壁中部及底部各設一道雙錐形壁座,且其須具有不低于承臺的承載力。

3.3.2 考慮側(cè)摩阻力

堆積層注漿試驗效果表明,注漿加固后實現(xiàn)有限穩(wěn)定的圍巖具有一定的自穩(wěn)能力及強度,能夠為井壁提供一定的豎向支撐作用,該支撐作用按井壁自重的20%考慮,錨桿的支撐力仍按不注漿考慮,井口承臺可支撐的井壁高度為l=F/(G＇-Fm) =5 309.1/[(240.33 × (1- 20%)- 97.92]=56.27 m,也即若從施工期間的井壁安全來考慮,每隔不超過56 m 設置一道同承載力的壁座即可保證井頸全生命周期的安全。

3.4 井頸結(jié)構(gòu)確定

綜上,井頸段采用100 mm 厚噴錨網(wǎng)+500 mm厚雙層鋼筋混凝土支護。分別在井口,井頸中部及底部各設一道雙錐形壁座,共同分擔井壁重量,防止井壁“脫褲子”。噴錨網(wǎng)支護不僅可以加固圍巖、預防塌方、增加圍巖井壁間摩擦力,還是施工安全的重要條件。井頸豎向及環(huán)向配筋有效保證了井頸的承載力。該井頸結(jié)構(gòu)的設計,實現(xiàn)了與施工技術(shù)的契合,自開工建設以來,施工順利,井頸完整性好,說明該井頸結(jié)構(gòu)與采用的施工技術(shù)的結(jié)合在超深廢石堆積層中取得了預期的效果。

4 施工建議

擬建場地堆積層密實性差,不穩(wěn)定性,透水性強,雨水回灌后對井壁產(chǎn)生較大的動水壓力,施工期間會造成圍巖塌方、流砂、淹井等事故,增加建井風險,故應選擇秋冬季節(jié)進行施工。根據(jù)井頸段擬采用的新施工技術(shù),編制超深堆積層專項施工方案及施工安全技術(shù)措施,提出施工中可能出現(xiàn)的疑難雜癥及突發(fā)事件的應急預案。加強施工前的技術(shù)交底及安全培訓,使班組人員熟練掌握新施工技術(shù)要點及流程,提高其預判突發(fā)事件的能力。施工時應嚴格按照專項施工方案進行,采取有效措施降低施工振動對圍巖的擾動,確保施工工序有序銜接,避免窩工、返工。

施工鑿井設備及廠房基礎前,需對地層進行預加固處理并對基礎進行配筋,提高基礎強度,避免因設備振動而造成基礎不均勻沉降,導致其開裂破壞,鑿井設備無法運轉(zhuǎn),廠房產(chǎn)生裂縫,傾斜,甚至坍塌事故。

編制變形監(jiān)測方案,施工時應隨時監(jiān)測設備基礎、井壁及圍巖變形情況,發(fā)現(xiàn)異常時需立即停止施工,撤離人員,對變形情況進行研判并及時采取針對性措施。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)擬建場地復雜的工程地質(zhì)條件,分析了通風井井頸在設計和施工方面的難點。

(2)結(jié)合擬采用的新施工技術(shù),及各巖層物理學參數(shù),對井壁結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究。

(3)豎井建設遇到這種超深復雜地層,對設計和施工都將產(chǎn)生很大的影響。設計方面,要緊密結(jié)合施工技術(shù),尋求經(jīng)濟合理的設計方案。施工方面,應提出安全可靠、經(jīng)濟可行的技術(shù)方案,并與設計及時溝通,實現(xiàn)設計與施工的完美契合。通過設計和施工采取的一系列措施,為該通風井建設順利進行提供了保證。