一种含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法

摘要

本发明提供一种含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法，属于井壁施工技术领域。该方法在上段井壁施工完成后，做下段井壁浇筑准备，安放并固定刃脚模板；对上段井壁的接茬处涂抹防水抗渗消缝涂层；在含水基岩冻结围岩内壁铺设功能性接触层；然后对冻结围岩施工径向钻孔，再施工竖向井壁钢筋和环向井壁钢筋；进而安装主体模板并固定；浇筑自修复抗渗混凝土材料形成自修复抗渗混凝土井壁，最后拆除竖向和径向张拉锚具，进入下一掘进段施工。该方法控制和降低了井壁混凝土的温度应力，消除或大大减少了井壁原生裂纹，增强了井壁接茬和混凝土自身的防水抗渗性能，增强和和发挥了围岩与井壁的共同抗渗和永久支护的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及井壁施工技术领域，特别是指一种含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法。

背景技术

随着社会发展，地下资源的开采深度越来越深，立井井筒建设的深度也越来越深，井筒遭遇的含水层也越来越深，层数也越来越多，立井井筒井壁承受的水压也越来越大，导致井筒井壁设计的厚度也越来越大，高抗渗井壁设计与施工技术难度也越来越大。

目前煤矿井筒基岩主要以冻结法凿井工法为主，最大冻结深度达到了950m，按现有煤矿立井井筒设计规范，含水基岩段衬砌(井壁)设计主要有以下两种类型和施工工艺：

1.双层钢筋混凝土井壁或带中间夹层的双层钢筋混凝土井壁。该井壁结构主体分内外层井壁，外壁是短段掘砌而成，段高一般是4～4.5m，普通斜面接茬，没有整体性防水性能；内壁一般采用至下而上的一次浇筑钢筋混凝土，浇筑前铺设防水板，并与内壁一起形成防水结构，内外井壁间还需要注浆，共体形成井筒的永久支护。设置塑料夹层板的目的除了防水外，是为了在浇筑内壁时解除外壁对内壁混凝土的温度约束，减少内层井壁的温度裂纹。

但此类井壁施工工艺的突出问题是井壁总厚度或者内层井壁厚度偏大，混凝土等级偏高，而井壁防水目的并没有达到，需要进行反复注浆。该类井壁的最大内层井壁厚度已经达到来的2.2m以上，井壁混凝土强度设计已经达到了C80～C110以上。但即使如此厚和强度等级如此高，也没有解决井筒漏水问题。

此类井筒的实际情况是：井壁裂纹多，井筒漏水依然很严重，还需要进行后期的壁间和壁后注浆，反复注浆，工期长，造价昂贵，技术经济性差。

2.第二种是新型单层井壁。该井壁是采用短段掘砌和钢板接茬的单层钢筋混凝土井壁。该井壁结构是针对我国上述带加塑料板夹层的双层钢筋混凝土井壁的厚度问题而提出的，但实践检验该类型井壁防水性能不足，钢板接茬位置的注浆效果也难以实施，井筒井壁长期反复注浆，导致井筒维护价格昂贵，实际上还达不到双层井壁的抗渗效果，影响到矿井生产，导致该类型井壁结构受限。

本发明是基于“流固”耦合和高水压围岩与井壁共同作用理论的研究成果基础上开发的，集井壁衬砌结构设计理论新发现、井壁新材料、井壁新结构、施工新工艺为一体的含水基岩冻结井筒的单层井壁设计及施工方法，解决我国深井基岩冻结的高水压围岩井壁抗渗问题。按本发明实施的井壁，厚度比现有设计降低20％以上，混凝土强度降低1～2个以上等级，井筒每百米井壁涌水量小于0.5～1m3/hour，无需反复注浆就能达到井筒验收合格标准，一次成功到底完成掘砌的井筒井壁施工方法和技术。

发明内容

本发明提供一种含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法，解决井壁抗渗耐高水压的技术难题，确保井筒井壁满足我国最新井筒施工质量规范中有关“井筒涌水量”的验收标准。

该方法包括步骤如下：

a.在井壁的上段井壁施工完成后，做下段井壁浇筑准备，安放并固定刃脚模板；

b.对上段井壁的接茬凿毛并清除浮渣，然后涂抹防水抗渗消缝涂层，其中，接茬采用斜面或Z型斜面；

c.在含水基岩冻结围岩内壁铺设功能性接触层；

d.在步骤c中功能性接触层铺设完成后，对冻结围岩施工径向钻孔，并在径向钻孔内部中心位置设置径向预应力管筋，径向预应力管筋一端深入围岩1200mm以上，径向预应力管筋的底端锚固，径向预应力管筋另一端预设孔口阀门，安装在井壁内缘，用于壁后注浆；

e.布置竖向井壁钢筋，竖向井壁钢筋与上段井壁的径向预应力管筋外露端处的螺纹套筒连接；在刃角模板处对径向预应力管筋外露端设置张拉锚具，并进行钢筋张拉至设定预应力值；

f.施工环向井壁钢筋，环向井壁钢筋与步骤e中的径向预应力管筋绑扎固定；径向预应力管筋与环向井壁钢筋、竖向井壁钢筋绑扎固定；

g.安装主体模板并固定，其中，浇筑抗渗等级在P12以上，且自修复抗渗的混凝土材料形成自修复抗渗混凝土井壁，在自修复抗渗混凝土井壁初凝前，对径向预应力管筋和竖向井壁钢筋施加预应力，并通过液压装置径向挤压混凝土，增强井壁与围岩的共同作用；

h.拆除竖向和径向张拉锚具，放张径向预应力管筋和竖向井壁钢筋，使自修复抗渗混凝土井壁产生预应力；

i.拆除刃脚模板和主体模板，进入下一掘进段施工；

j.当井筒冻结段短段掘砌井壁完成后，开始解除冻结，围岩冻结壁由表向内开始解冻融化，在冻结壁尚未融化透彻之前，地层原位水压尚未显现之时，通过温度监测掌控，及时通过预留埋设的径向预应力管筋，对裂隙含水围岩进行超细水泥粘土浆液注浆，形成裂隙围岩的注浆抗渗加固区。

其中，步骤b中涂抹的防水抗渗消缝涂层能够强化新旧混凝土的结合。

步骤b中防水抗渗消缝涂层厚度为1～2mm。

步骤c中功能性接触层为防渗抗渗层与保温层复合而成，其中，防渗抗渗层为酚醛和沥青复合而成的软板，厚度50mm～100mm，保温层为低温粘接保温材料；当冻结围岩表面凹凸不圆整时，先铺设粘土垫层，再铺设功能性接触层。

步骤d中的径向钻孔为下倾式钻孔，角度为水平面向下30°～45°，孔径为φ80～100mm；径向预应力管筋兼为注浆管，为30～50mm钢管或碳纤维管，径向预应力管筋管壁上带间距为60mm～180mm的φ3～10mm壁孔或袖阀管注浆管结构，在径向钻孔开口端部有100～300mm的封堵固定段，防止浇筑混凝土时水泥浆流入。

步骤b具体为：斜面凿毛、清除浮渣、涂抹防水抗渗消缝涂层，在竖向预应力和模板径向液压挤压下，使现浇井壁与上段井壁的接茬达到熔接效果，消除施工缝界面防水弱面的隐患。

井壁厚度设计控制在大体积混凝土定义的最小尺寸以内。

该方法施工得到的抗渗混凝土抗渗等级达到P12，P16，P24以上。

本发明技术关键如下：

1.在完成井筒短段掘进段高后，在含水地层段井壁，首先增设单层混凝土井壁与围岩之间的功能性接触层。该功能性接触层是由酚醛和沥青复合而成的软板，厚度50mm～100mm；低温粘接材料粘接到井筒井壁。为了确保功能性接触的实施效果，需要先在凹凸不圆整的岩面上铺设粘土垫层。

2.按设计深度和间距，在井壁围岩内布置φ80～100mm径向钻孔，钻孔内预设中心注浆管筋，并后与井壁环向和纵向钢筋绑扎相连。

3.安装井壁纵向和环向钢筋，按设计，将部分钢筋加粗满足至纵向预应力钢筋的要求。

4.按照符合井筒含水层埋深和水头要求设计，采用高性能自修复抗渗混凝土材料，混凝土抗渗等级达到P12，P16，P24以上。自修复抗渗混凝土就是采用和地下水矿物质相匹配的能存留在混凝土体内的Ca+游离化合物。

5.井壁厚度设计控制在国家大体积混凝土定义的最小尺寸以内，井壁混凝土强度和刚度满足与围岩的匹配设计，井壁与围岩共同抗渗和支护，满足基岩冻结井筒1200m以内深度的井壁混凝土的强度和抗渗要和耐久性要求。

6.采用斜面或Z型斜面的井壁接茬，接茬面涂抹能强化新旧混凝土结合的防水抗渗消缝的涂层厚1～2mm，外加迎水面的围岩上平铺膨润土防水材料垫层和功能性接触层。

7.通过竖向预应力钢筋，和径向注浆管筋，在井壁初凝前，实施井壁的竖向和径向预应力，确保井壁接茬达到高效粘接和防水抗渗性能，增强井壁与围岩的共同作用和支护能力。

8.注浆管筋，是30～50mm钢管或碳纤维管，管壁上带一定设计间距的φ3～10mm壁孔，在围岩钻孔的中心处设置，在钻孔端部有100～300mm封堵固定段，防止浇筑混凝土时水泥浆流入，钻孔底部锚固，可实施径向预应力。

9.在冻结壁解冻期间，在冻结壁内缘融化达到一定设计厚度时，通过预留埋设的径向注浆管筋，对井壁后围岩进行超细水泥粘土浆液，或化学注浆。

10.采用符合上述新技术和工艺的整体下放模板及接茬刃角模板。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，控制和降低了井壁混凝土的温度应力，消除或大大减少了井壁原生裂纹，增强了井壁接茬和混凝土自身的防水抗渗性能，通过预应力钢筋和径向注浆管筋，实施井壁与围岩的径向和竖向预应力，提高接茬混凝土和防水材料的终凝结合力和微观密实度，增强和和发挥了围岩与井壁的共同抗渗和永久支护的能力。

附图说明

图1为本发明的含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法施工的井壁结构实施例的立体结构示意图；

图2为本发明实施例中井壁结构的立体结构施工步骤图；

图3为本发明实施例中井壁结构的断面示意图。

其中：1-刃脚模板；2-接茬；3-冻结围岩；4-功能性接触层；5-径向钻孔；6-径向预应力管筋；7-竖向井壁钢筋；8-螺纹套筒；9-环向井壁钢筋；10-主体模板；11-自修复抗渗混凝土井壁；12-注浆抗渗加固区。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种含水基岩环境下的防水抗渗混凝土单层衬砌施工方法。

如图1、图2和图3所示，在具体实施过程中，本施工方法步骤如下：

a.上段井壁施工完成后，做下段井壁浇筑准备，安放并固定刃脚模板1；

b.对上段井壁的接茬2处斜面凿毛、清除浮渣，喷涂了能强化新旧混凝土结合的防水抗渗消缝涂层，其中，接茬2采用斜面或Z型斜面，防水抗渗消缝涂层厚为1～2mm；

c.在含水基岩冻结围岩3内缘铺设功能性接触层；功能性接触层4为防渗层与保温层复合而成，防渗层为酚醛和沥青复合而成的软板，厚度50mm～100mm，保温层为低温粘接保温材料；当井帮围岩凹凸不圆整时，需先铺设一层粘土垫层，以确保功能性接触层的实施效果。

d.功能性接触层4铺设完成后，对冻结围岩3施工径向钻孔5，径向钻孔5为下倾式钻孔，角度为水平面向下30°～45°，孔径为φ80～100mm，在径向钻孔5内部中心位置设置径向预应力管筋6；径向预应力管筋6为注浆管筋，为30～50mm钢管或碳纤维管，管壁上带一定设计间距的φ3～10mm壁孔，在钻孔口端有100～300mm封堵固定段以防止浇筑混凝土时水泥浆流入，另一端在钻孔底部被锚固；

e.施工竖向井壁钢筋7，竖向井壁钢筋7与上段井壁的竖向井壁钢筋外露端处的螺纹套筒8连接；在径向预应力管筋和所述竖向井壁钢筋外露端设置张拉锚具；

f.施工环向井壁钢筋9，环向井壁钢筋9与竖向井壁钢筋7绑扎固定；径向预应力管筋6与环向井壁钢筋9、竖向井壁钢筋7绑扎固定；

g.安装主体模板10并固定；浇筑自修复抗渗混凝土材料形成自修复抗渗混凝土井壁11，自修复抗渗混凝土材料为与地下水矿物质相匹配的、能存留在混凝土内部的Ca+游离化合物材料；在自修复抗渗混凝土井壁11初凝前，对径向预应力管筋6和竖向井壁钢筋7施加预应力，使上段井壁的接茬达到高效粘接和防水抗渗，并增强井壁与围岩的共同作用；

h.拆除竖向和径向张拉锚具，放张径向预应力管筋6和竖向井壁钢筋7，使得自修复抗渗混凝土井壁11产生预应力；

i.拆除刃脚模板1和主体模板10，进入下一掘进段施工；

j.短段掘砌到一定深度后，冻结围岩内缘解冻融化达到一定设计厚度时，通过预留埋设的径向预应力管筋6，对围岩3进行超细水泥粘土浆液注浆，形成注浆抗渗加固区12。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。