一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构及施工方法

摘要

本发明公开了一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构及施工方法，属于矿山立井建设领域。针对现有不良土层中立井井颈段施工繁琐和成本高的问题，本发明提供一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构，它包括设置在厚含水回填土层中的井筒，井筒荒径内开挖岩层，井筒净径与井筒荒径之间设有井壁，以井筒中心为圆心，沿井筒荒径外围设有一圈灌注桩，相邻两个灌注桩之间设有注浆孔，灌注桩顶部设有冠梁，井筒荒径与井壁之间设有锚网喷支护装置。本发明通过灌注桩、通过向注浆孔内进行注浆形成密实的墙连桩、冠梁和喷锚支护装置提高井颈段井壁承载力与强度。本发明的施工方法效率高，方便简单，能够实现井筒的快速掘砌。

说明书

技术领域

本发明属于矿山立井建设领域，更具体地说，涉及一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构及施工方法。

背景技术

地下采矿，立井是联系地下与地表的重要提升、通风、运输、排水及人员安全通道，井颈是井筒上部与地表直接相连的部分，直接承受井筒提升设施的全部荷载。因此，立井井颈结构必须具有足够的承载力和抗变形能力。现在立井井颈结构包括圆形井壁围筑的井筒，井壁外围四周是厚回填表土层。随着全球采矿业的迅速发展，地下采矿所占的比例越来越大，立井越来越深、穿过的地层越来越复杂。尤其是回填表土层构成复杂，表土段主要为素填土、淤泥质粘土和赤铁矿回填物，成松散地层，密度较差，渗水性强，在压力水或动力水作用下具有较强的流动性，容易引起井筒涌水和地表井口基础的不均匀沉降等灾害发生，损坏井筒设施，或人员伤亡，严重影响生产顺利进行。

现在立井井颈所在厚含水回填表土层的常规处置方法为换土法或冷冻法。换土法加固结构，首先全部挖除厚含水回填表土层，浇筑井壁结构，然后再分层回填均质土，存在缺陷是：地表开挖面积大，受周围已有建筑物的制约，很难进行大面积开挖；分层回填均质工期长，造价高。冷冻法加固结构，则是从地表钻一圈或两圈冻结孔至稳定岩层或井筒底部10m～20m，在冻结孔内全孔设置冻结钢管，在地表布置冷冻站，通过冻结钢管将制冷液循环输送至冻结孔底，从而达到冻结井筒周身围岩，达到防渗水加固围岩的目的，存在缺陷是：冷冻系统装备工期长、造价高、耗电量大。实践表明上述两种方法都存在工期长、造价高，严重影响生产的缺陷。寻求更为合理的井井壁结构迫在眉睫。

针对上述问题也进行了相应的改进，如中国专利申请号CN201710611082.7，公开日为2017年10月13日，该专利公开了一种不良地层中的立井井壁结构属于矿山立井建设。包括在不良地层中设置的井筒，特点是立井上部井颈段设置高喷帷幕桩井壁结构、基岩段设置定位靶向注浆段井壁结构和井壁，上下井壁结构同心、同径，紧密连接成一体，护卫井壁；井颈段高喷帷幕桩井壁结构以井筒中心为圆心，沿井筒荒径0.6m外围至少设置三圈首尾封闭的圆环形高喷帷幕墙，定位靶向注浆井壁结构，沿井筒荒径圆周2m外至少设置8个垂直地面的定位靶向注浆段，两者护卫着井壁。该专利的不足之处在于：需在井筒外围设置三圈高喷帷幕桩，施工周期长，造价高；且井壁结构需要设置内外双层，施工工序转换多，施工复杂。

又如中国专利申请号CN202010798924.6，公开日为2020年11月13日，该专利公开了一种富含孔隙水基岩地下连续盲槽注浆帷幕施工方法，属于矿山工程施工技术领域。本发明包括如下步骤：步骤1：环绕待开挖井筒的外围形成多个垂直孔；步骤2：从任一垂直孔的底部向相邻两垂直孔水平钻孔延伸，形成“U”型联通钻孔；步骤3：沿所述“U”型联通钻孔穿入金刚石绳索，通过绳锯切割形成深部地下盲槽；步骤4：重复步骤2～步骤3，形成筒状深部地下连续盲槽；步骤5：向筒状深部地下连续盲槽注浆，在深部地下富含孔隙水基岩段形成筒状地下连续水泥墙体。该专利的不足之处在于：施工繁琐，且井筒强度较差。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有技术不良土层中立井井颈段施工繁琐和成本高的问题，本发明提供一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构及施工方法。本发明中的厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构通过灌注桩、通过向注浆孔内进行注浆形成密实的墙连桩、冠梁和喷锚支护装置提高井颈段井壁承载力与强度，整体结构简单，易于实施。本发明中的施工方法使得施工效率高并且方便简单，能够实现井筒的快速掘砌，确保矿山的生产顺利进行，极大降低了人工成本和施工成本。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构，包括设置在厚含水回填土层中的井筒，井筒荒径内开挖岩层，井筒净径与井筒荒径之间设有井壁，以井筒中心为圆心，沿井筒荒径外围设有一圈灌注桩，相邻两个灌注桩之间设有注浆孔，灌注桩顶部设有冠梁，井筒荒径与井壁之间设有锚网喷支护装置。

更进一步的，沿井筒荒径外围0.5m处设有一圈灌注桩，灌注桩的直径不小于800mm，相邻两个灌注桩中心线之间的间距不大于1000mm。

更进一步的，灌注桩由钻机从地面垂直而下钻灌注桩孔，灌注桩孔内下放钢筋笼，再向钢筋笼内浇注灌注桩混凝土形成。

更进一步的，所述锚网喷支护装置包括设置在灌注桩内的锚杆孔，锚杆孔内设有锚固剂，锚杆的一端穿过井筒荒径所在圆面上的钢筋网片锚入锚杆孔内，同时向钢筋网片上喷射混凝土。

更进一步的，所述钢筋网片直径不小于6.5mm、钢筋网片中的网格间距不大于100mm×100mm；混凝土标号不小于C20、厚度不小于100mm。

更进一步的，注浆孔由钻机从地面垂直而下钻成，且注浆孔的深度大于灌注桩孔的深度。

更进一步的，在注浆孔位于地表以下0～5m范围内的内部设有孔口管，通过孔口管注入水泥-水玻璃双液浆；在注浆孔位于地表以下5～15m范围内的内部设有注浆花管，通过注浆花管注入水泥-水玻璃双液浆。

更进一步的，井壁为厚度不小于600mm、标号不小于C30的钢筋混凝土，钢筋混凝土内部布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

一种如上述任一项所述的厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构施工方法，包括以下步骤：

S1：按照设计坐标在地表标定出井筒中心点，根据井筒中心点和设计的井筒净直径和支护厚度标定出井筒净径和井筒荒径；

S2：沿井筒荒径外围施工一圈灌注桩孔，孔内浇注灌注桩混凝土形成灌注桩；

S3：在相邻两个灌注桩之间设置注浆孔，并且向注浆孔内注浆，将灌注桩连成一个整体形成一个环形的墙连桩；

S4：在灌注桩的顶部施工冠梁；

S5：在井筒设计的井筒荒径范围内自上而下开凿井筒，同时在灌注桩上开设锚杆孔，将锚固剂放置在锚杆孔内，锚杆穿过井筒荒径(3)所在圆面上的钢筋网片进入到锚杆孔内，随后向钢筋网片上喷射混凝土；

S6：自下而上连续浇注厚度不小于600mm的钢筋混凝土形成井壁；

S7：重复步骤S5和S6自上而下逐次开挖井筒、在灌注桩内固定锚杆同时向钢筋网片上喷射混凝土、浇注井壁钢筋混凝土，直至井颈底部；

S8：从井颈底部自下而上连续浇注井颈壁钢筋混凝土，直至井口地表；

S9：拆除施工装置，施工结束。

更进一步的，所述步骤S3具体包括如下操作：

S311：从地表垂直向下钻注浆孔，钻至地表以下10～15m时，向注浆孔内设有孔口管，注水泥-水玻璃双液浆固管；

S312：注浆结束24小时后用钻头进行复钻，钻至步骤S311中注浆孔的终止位置停止钻进，进行压水试验检查注浆效果；若注浆效果不理想则进行二次注浆、复钻与水压试验直至无漏水现象；

S313：无漏水现象后钻进至注浆孔深20m进行压水试验，检验10～20m段底层裂隙及含水情况，判断该段是否需要注浆；

S314：每10m为一段，反复注浆、压水试验至超过灌注桩孔深5m。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过在井筒荒径外围设有一圈灌注桩，灌注桩对井壁进行护卫，增强承载力、抗变形能力和防水能力，同时通过向注浆孔内进行注浆，将呈分隔设置的灌注桩连接成一个整体，形成一个环形密实的墙连桩结构，进一步对井壁进行护卫，加固井壁强度；并且在灌注桩顶部设有一圈冠梁，冠梁一方面对灌注桩进行加强作用，保证灌注桩的强度；另一方面加强对井壁的护卫作用；喷锚支护装置直接对井壁起到提高承载力的作用，整个结构简单，稳定可靠，井颈段井壁承载力与强度也都有着显著的提高；

(2)本发明沿着井筒荒径外围0.5m处设有一圈灌注桩，灌注桩设置距离过远不能很好的对井壁提高护卫作用；灌注桩设置距离过近则影响井壁施工，会后续操作带来不便；并且将灌注桩的直径设计成不小于800mm，相邻两个灌注桩中心线之间距离不大于1000mm，是为了考虑施工灌注桩时的定位误差和成桩的偏斜率，确保灌注桩能够成形，保证施工过程的顺利进行；

(3)本发明中的灌注桩是向灌注桩孔内放置钢筋笼，再向钢筋笼内浇注混凝土形成灌注桩，钢筋笼的设置是为了直接在笼内浇注形成钢筋混凝土灌注桩，提高灌注桩整体的承载力和抗载力；同时钢筋笼分段制作，便于施工；且钢筋笼由主筋和箍筋组成，主筋设置在箍筋内侧，保证钢筋笼的强度；

(4)本发明采用在灌注桩内开设锚杆孔，锚杆一端设有托盘，没有托盘的一端锚杆穿过井壁上的钢筋网片进入到锚杆孔内，锚杆的另一端托盘对钢筋网片起到一个压实作用，使得钢筋网片紧贴井筒荒径所在圆面，再向钢筋网片上喷射混凝土对井壁施工起到安全保障作用，同时对井筒荒径外的墙连桩结构起到支护作用，结构简单；并且对钢筋网片以及钢筋网片中的网格进行进一步的限定，进一步保证钢筋网片对井筒荒径外的墙连桩结构的支护作用且方便锚杆的穿过；

(5)本发明中将注浆孔的深度设计大于灌注桩孔的深度，进一步保证对井壁的护卫强度；并且在注浆孔位于地表以下的特定位置进行注浆，使得灌注桩成为一体结构，形成一个密实且承载力高的墙连桩结构；钢筋混凝土内部布置双层钢筋，使得形成的井壁承载力强，并且抗变形能力强，有效提高井壁的使用寿命；

(6)本发明中的施工方法施工效率高并且方便简单，能够实现井筒的快速掘砌，确保矿山的生产顺利进行，对井壁的护卫基本采用混凝土浇注形成，有效节省施工费用，无需使用复杂的支护结构，极大的降低了人力成本与施工成本，具有较高的使用前景和使用价值。

附图说明

图1为本发明灌注桩平面布置示意图；

图2为本发明墙连桩平面布置示意图；

图3为图2中A-A断面示意图；

图4为本发明冠梁平面布置示意图。

图中：1、井筒中心；2、井筒净径；3、井筒荒径；4、灌注桩中心线；5、钻孔中心线；6、井壁；7、冠梁；8、灌注桩；9、注浆孔；10、墙连桩；11、锚杆；12、钢筋网片；13、混凝土；14、不良土层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2、图3和图4所示，一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构，包括设置在厚含水回填土层中的井筒，本发明中的厚含水回填土层即是指不良土层14。井筒荒径3内开挖岩层，井筒净径2与井筒荒径3之间设有井壁6。以井筒中心1为圆心，沿井筒荒径3外围设有一圈灌注桩8，灌注桩8对井壁6起到护卫作用，增强井壁6的承载力、抗变形能力和防水能力。具体的，在井筒荒径3外围0.5m处设有一圈灌注桩8，灌注桩8是以灌注桩中心线4为基准，灌注桩中心线4是以井筒中心1为圆心，半径是井筒荒径3到井筒中心1的距离再加上0.5m为取值形成的圆，在灌注桩中心线4上等间距设若干个灌注桩8形成一圈灌注桩8。灌注桩8设置距离过远不能很好的对井壁6提高护卫作用；灌注桩8设置距离过近则影响井壁6的施工，会后续操作带来不便。相邻两个灌注桩8之间设有注浆孔9，通过向注浆孔9内注浆，将彼此没有关联的灌注桩8连接成一个整体，形成一个环形密实的墙连桩10，进一步对井壁6进行护卫，加固井壁6强度。具体的，注浆孔9也是以钻孔中心线5为基准，在钻孔中心线5上进行注浆孔9的设置，保证注浆孔9在一个圆上面，不会发生位置偏离，保证墙连桩10的形成稳固。灌注桩8顶部设有冠梁7，冠梁7也是以井筒中心1为圆心，沿着灌注桩8顶部呈圆周设置，且冠梁7为标号大于C30的钢筋混凝土浇筑而成。冠梁7的设置一方面对灌注桩8进行加强作用，保证灌注桩8之间连接的稳固性能，间接加强了墙连桩10的强度；另一方面进一步加强对井壁6的护卫作用，提高井壁6的承载能力及抗变形能力。在这里进行说明的是，井筒净径2是指井筒的内径圆线；井筒荒径3是指包含井筒厚度的外径圆线。

更进一步的，井筒荒径3与井壁6之间设有锚网喷支护装置。喷锚支护装置直接对井壁6进行一个支护作用，进一步保证井壁6在厚含水回填土层中的强度以及提高井壁6的使用寿命。具体的，喷锚支护装置包括设置在灌注桩8内的锚杆孔，锚杆孔内设有锚固剂，锚杆11的一端穿过井筒荒径3所在圆面上的钢筋网片12锚入锚杆孔内，同时向钢筋网片12上喷射混凝土13，这里进行说明的是，井筒荒径3所在圆面是指井筒荒径3所形成的一个圆面，并且锚杆11的一端是带有托盘的，不带有托盘的一端穿过钢筋网片12进入到灌注桩8内，锚杆11对灌注桩8起到加强作用，提高灌注桩8的强度。同时锚杆11通过托盘对钢筋网片12起到挤压作用，保证钢筋网片12能够紧密贴合在井筒荒径3所在圆面上，同时再向钢筋网片12上喷射混凝土13对井壁6起到支护作用，提高井壁6的强度。将钢筋网片12直径不小于6.5mm，过小则增加钢筋网片12的用量从而提高了成本，钢筋网片12中的网格间距不大于100mm×100mm，便于锚杆11的穿过；混凝土13标号不小于C20、厚度不小于100mm。

本发明中的一种厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构构思新颖，整体结构简单，稳定可靠，采用灌注桩8对井壁6进行护卫，增强井壁6的承载力和抗变形能力，堵水效果好；同时通过墙连桩10对灌注桩8起到加强作用，冠梁7对墙连桩10起到加强作用，喷锚支护装置使得立井井颈段井壁6在不良土层14中的强度高，稳定性强，同时使用寿命长，施工成本低，能够确保矿山的生产顺利进行，具有较高的使用前景。

实施例2

基本同实施例1，在本实施中灌注桩8的直径不小于800mm，相邻两个灌注桩8中心线之间的间距不大于1000mm，进行这样的设计是为了考虑到施工灌注桩8时的定位误差和灌注桩8成桩的偏斜率，确保灌注桩8能够顺利成形，保证施工过程的顺利进行。且灌注桩8的深度大于厚含水回填表土层的厚度，保证井壁6在厚含水回填表土层的强度，提高井壁6的使用寿命。更进一步的，灌注桩8由钻机从地面垂直而下钻灌注桩孔，灌注桩孔内下放钢筋笼，再向钢筋笼内浇注灌注桩混凝土形成，灌注桩混凝土标号大于C30，自下而上连续浇注形成灌注桩8。在灌注桩孔内进行放置钢筋笼，随后直接在钢筋笼内浇注灌注桩混凝土形成钢筋混凝土灌注桩，提高灌注桩8整体的承载力和抗载力。并且钢筋笼采用分段制作，即由若干个钢筋笼主体组成，每段钢筋笼主体长度不小于9m，便于施工；单个钢筋笼主体由主筋和箍筋组成圆柱形，所述箍筋为圆环形，所述箍筋直径不小于10mm，相邻两个箍筋间距不大于150mm，沿着灌注桩孔深度方向均匀设置，主筋直径不小于20mm，箍筋设置在主筋两端，主筋与主筋之间采用焊接，箍筋与箍筋之间采用绑扎的方式进行连接。连接稳固并且易于组装。

实施例3

基本同实施例2，在本实施中注浆孔9由钻机从地面垂直而下钻成，且注浆孔9的深度大于灌注桩孔的深度，进一步保证对井壁6的护卫强度。具体的，在本实施中注浆孔9的深度大于灌注桩孔深度5m，注浆孔9分为上部和下部，上部直径不小于133mm，下部直径不小于94mm，便于因不同地理位置对注浆孔9内注浆过程的顺利进行。在这里对上下部进行划分，以注浆孔9整体深度为基准，地表至位于地表以下15m范围内为上部，地表以下15m至注浆孔9底部为下部。

具体注浆操作如下：在注浆孔9位于地表以下0～5m范围内的内部设有5m×108m的孔口管，通过孔口管注入水泥-水玻璃双液浆；在注浆孔9位于地表以下5～15m范围内的内部设有2m×50m注浆花管，注浆花管在注浆孔9的侧面，通过注浆花管注入水泥-水玻璃双液浆。不同位置通过不同管子进行注浆，保证注浆过程的顺利进行同时提高注浆效率。

更进一步的，在本实施中井壁6为厚度不小于600mm、标号不小于C30的钢筋混凝土，钢筋混凝土内部布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。使得形成的井壁6承载力强，并且抗变形能力强，有效提高井壁6的使用寿命。

实施例4

一种如上述实施例1-4任一项实施例所述的厚含水回填土层中的立井井颈段井壁结构施工方法，包括以下步骤：

S1：按照设计坐标在地表标定出井筒中心点，根据井筒中心点和设计的井筒净直径和支护厚度标定出井筒净径2和井筒荒径3；

S2：沿井筒荒径3外围施工一圈灌注桩孔，孔内浇注灌注桩混凝土形成灌注桩8；具体的，灌注桩8的操作步骤如下：

S21：采用两台钻机对称钻灌注桩孔，孔位偏差不大于2cm，孔斜率不大于1％；钻灌注桩孔达到设计要求深度后，钻头提离灌注桩孔底30cm慢速空转换浆清孔；

S22：分段制作钢筋笼，制作完成后向灌注桩孔内下放钢筋笼，钢筋笼安放采用钻机吊放，在灌注桩孔口进行对接，每段钢筋笼对应主筋之间进行单面搭接焊，钢筋笼下放时缓慢、平稳，保证钢筋笼下放垂直度，钢筋笼下到设计深度后，井口采用钢筋绑吊；钢筋笼入灌注桩孔时，始终保持垂直状态，下放时保持平稳，避免碰撞灌注桩孔孔壁，禁止晃动和强行冲击下放钢筋笼；

S23：在钢筋笼中间内部安装导管，导管直径为Φ25cm，导管接头处加设橡胶“O”型垫圈，导管下放必须居中，导管下口距离灌注桩孔孔底200～300mm；

S24：下入导管后，重新测量灌注桩孔孔深，若沉渣超标，利用导管进行二次清孔，直到沉渣厚度≤10cm为止；

S25：采用商品砼，商砼强度等级为C30，要求搅拌站上料严格按配合比进行，搅拌时间≥90S，确保砼和易性，坍落度控制在180～220mm，并每棵桩留置两组砼试块；标养试块由搅拌站留取，同条件试块在工地制作；同条件试块制作完成放置在一个挖至地面下1.5m的深坑中，并在坑顶放置草苫子进行保温，并按时浇水养护；

S26：混凝土输送车将混凝土运至灌注桩孔孔口，检查砼合格证、检查砼方量；

S27：初灌量保证埋导管深度大于1米，整个灌注过程确保连续，每次拆卸导管时测量砼面高度，确保导管埋深2～6m，确保导管最小埋深不低于2m，防止出现断桩；混凝土通过导管底部口溜出、灌注，边灌注边向上提导管，提升导管时确保垂直起降，严禁碰挂钢筋笼；灌注桩8桩顶超灌不小于0.8m，以确保桩顶质量；

S3：在相邻两个灌注桩8之间设置注浆孔9，并且向注浆孔9内注浆，将灌注桩8连成一个整体形成一个环形的墙连桩10；步骤S3具体包括如下操作：

S311：从地表垂直向下钻注浆孔9，钻至地表以下10～15m时，向注浆孔9内设有孔口管，注水泥-水玻璃双液浆固管；

S312：注浆结束24小时后用钻头进行复钻，钻至步骤S311中注浆孔9的终止位置停止钻进，进行压水试验检查注浆效果；若注浆效果不理想则进行二次注浆、复钻与水压试验直至无漏水现象；

S313：无漏水现象后钻进至注浆孔9深20m进行压水试验，检验10～20m段底层裂隙及含水情况，判断该段是否需要注浆；

S314：每10m为一段，反复注浆、压水试验至超过灌注桩孔深5m。

S4：在灌注桩8的顶部施工冠梁7；具体的，冠梁7施工分钢筋安装和混凝土浇注两阶段进行具体施工工艺流程是：人工开挖土方→凿除桩头、整平桩顶→清洗、调直桩顶钢筋→测量放线→绑扎冠梁钢筋→立模→灌注混凝土→拆模→养护；

S5：在井筒设计的井筒荒径3范围内自上而下开凿井筒，同时在灌注桩8上开设锚杆孔，将锚固剂放置在锚杆孔内，锚杆11穿过井筒荒径3所在圆面上的钢筋网片12进入到锚杆孔内，随后向钢筋网片12上喷射混凝土13；

S6：自下而上连续浇注厚度不小于600mm的钢筋混凝土形成井壁6，钢筋混凝土标号不小于C30；混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm；

S7：重复步骤S5和S6自上而下逐次开挖井筒、在灌注桩8内固定锚杆11同时向钢筋网片12上喷射混凝土13、浇注井壁钢筋混凝土，直至井颈底部；

S8：从井颈底部自下而上连续浇注井颈壁钢筋混凝土，直至井口地表，钢筋混凝土为标号不小于C30，混凝土内布置双层钢筋，受力筋直径不小于20mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm；

S9：拆除施工装置，施工结束。

本发明中的施工方法施工效率高并且方便简单，能够实现井筒的快速掘砌，确保矿山的生产顺利进行，对井壁6的护卫基本采用混凝土浇注形成，有效节省施工费用，无需使用复杂的支护结构，极大的降低了人力成本与施工成本，具有较高的使用前景和使用价值。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。