井巷特殊施工(第五章 沉井法(节1-6))

第5章 沉井法
§1 概述
目前通用的淹水沉井，有壁后泥浆和壁后压气淹水沉井。 壁后泥浆淹水沉井，—般用水力掘进，压气排碴，壁后放置触变泥浆减阻。虽 增加了泥浆配制系统，封底固井施工也较复杂，但简易可靠，应用较广泛。 壁后压气淹水沉井，一班用抓斗或钻机掘进，壁后施放压缩空气减阻，可靠性 较高，可以人为控制，机动灵活，还可利用施放压气的不同顺序帮助纠偏。沉井结 束后，井壁与土层的固着力容易恢复。缺点是需要高压空气压缩机，耗费的管材较 多，有时气龛内的喷气孔容易堵塞。
第5章 沉井法
§2 沉井的结构
(一)刃脚的形状与规格 常用的有锐尖、踏面与钝尖三种形状。 1．锐尖刃脚。其夹角一般小于25o．锋利易切入土层，阻力较小。但不适 用于含砾、卵石的地层，强度稍小，易损坏。 2．踏面刃脚。阻力大，但稳定性较好，适用于松散而且无障碍物体的冲 积层 3．钝尖刃脚。强度大，适用于各种冲积层，煤矿沉井通常均采用圆弧形 钝尖刃脚。其夹角一般为30o，高3．0米左右。过高侧面阻力增大，过低易流 失泥浆。 刃脚外径比井壁外径略大一些，以便形成一个台阶，用于储存泥浆或作为 壁后压气的通道。台阶宽度以所穿过主要土层和减阻介质而定，通常采用壁后 压气减阻时为0．1米左右，壁后泥浆减阻时为0．2一0．3米。
第5章 沉井法
第5章 沉井法
§3 沉井下沉前的准备工作
三、套井施工 (一)套井的作用与规格 套井是预先在沉井外围作的一段直径略大于沉井的井筒。它的作用在于防 止沉井下沉过程中导致井壁外围土层的塌陷；为井架与井口建筑物保持一个完 整的地基；作为防止沉井偏斜或加压下沉的基台；套井与沉井间的环形空间可 作为触变泥浆的储浆槽或者壁后压气的出气口。因此，要求套井要有一定深度 和较大的稳定性。 为了便于防偏与纠偏，在套井口以下1—2米处(地下水位以上)，设置半米 宽的工作台阶，其结构应适当加强。 套井的深度，主要取决于距地表较近的粘土层位置与沉井的深度，一般取 8—15米。
第5章 沉井法
第5章 沉井法
§3 沉井下沉前的准备工作
沉井施工准备工作，大体有三个方面。 土建工程，有各种工业厂房、行政福利建筑、道路、水源井、排水沟渠与 设备基础等的修建； 机电安装工程，有各种机、电、提吊、掘进排碴、管线、照明与通讯设备 的安装与试运转； 井巷工程，包括井筒十字标桩的建立，套井施工，沉井刃脚加工、组装与 安放，测压测斜仪表元件的埋设，套井内一段沉井的浇筑，导向设施的安设等 等。
第5章 沉井法
§1 概述
(一)不淹水沉井 目前煤矿常用的不淹水沉井，有普通沉井、壁后河卵石沉井、壁后泥 浆沉井、震动沉井等。这几种施工方法大多采用人工掘进，吊桶提升，自 重下沉。工作面先挖超前小井，以便排除井内涌水。除普通沉井法外，其 他沉井壁后均放置减阻介质。通常井筒涌水量在每小时30吨左右、无承压 水，流砂层厚度在一米左右、又无粉细砂层，而且下沉深度较浅的沉井， 可以考虑采用不淹水沉井法施工。其缺点是适用范围受限制，安全较差。 (二)淹水沉井 淹水沉井的最大优点，是井内灌满水，平衡了井内外的水压差，只要 保证井内水位始终高于地下水位，一般不会发生涌砂冒泥的链锁反应。工 人不下井，在地面操作劳动条件好，作业安全，井壁质量较好，成本较低 。因此在沉井较深，涌水量大，流砂层厚以及不含有较大的砾卵石层的冲 积层，通常可采用淹水沉井法施工，我国已有30多个沉井采用该法建成。
第5章 沉井法
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第5章 沉井法
§2 沉井的结构
(三)刃脚的制造 刃脚规格质量的好坏，直接影响着下沉阻力的增加与导向能否垂直。因此 ，加工制作刃脚时应做到：刃脚各部位的直径，制作误差不得大于±15毫米； 刃尖水平面高低差不得超过±l0毫米，台阶、刃脚根部等处的水平度也应严格 要求；内外壁要平整光滑。刃脚内外壁表面的凹凸面高差，不得大于±15毫米 ； 外壁应具有一定的正锥度。为防止刃脚外壁出现倒锥，增大阻力，应将刃 脚外壁自下往上稍向壁内倾斜，形成正锥形状，以减少下沉时的摩擦阻力 刃脚各部件的加工，要预先制作模具。组装刃脚通常在井口附近进行，承 托台面要水平．焊接前要定位量测准确，对焊接时产生的温度应力和变形要注 意消除和校正。经过量测验收、记录各部位的误差、并标示出基准点后，方能 吊入井内。 刃脚混凝土，一般不低于300号。钢靴板上钻若干小孔，以利泄出混凝土 的自由水。刃脚处需预埋若干注浆管，待后期注浆时使用。 为保护泥浆层的完整，有时在刃脚外台阶边缘，安装0．5一0．7米高的胶 带围裙。
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§2 沉井的结构
(二)井壁构造 沉井井壁厚度，应根据下沉能力与强度计算确定。通常下沉深度在100米 以内的沉井，壁厚为0．7—1．0米；下沉深度大于100米时，壁厚为1．0—1． 2米。 为了能够及时向壁后输送触变泥浆，在井壁内均布4—8根直径为50毫米左 右的钢或塑料管，随井壁接高管路不断接长。在垂直输浆管下端连接环形配浆 管，其四周均布安设8—16个水平出浆管。环形配浆管应不少于两层，多在井 筒下部设置，分别与垂直输浆管连接。
第5章 沉井法
§3 沉井下沉前的准备工作
一、井筒检查扎 为了顺利施工，达到预期的效果，必须审视原始工程与水文地质资料的了 解与掌握。首先应在沉井中心位置，打一个井筒检查孔，确实摸清沉井穿过地 层的含水层数量、埋藏条件、涌水量、静水位、水头压力、与地表水的联系， 各土、岩层的埋藏条件、物理力学性质等，以便合理确定套井、沉井的深度与 井壁结构，选择施工方法、破土机具以及制定有效的施工措施等等。
第5章 沉井法
第5章 沉井法
§1 概述
二．沉井技术的发展及分类 随着科学技术的发展，沉井施工技术得到了不断地提高，施工工艺和机具 也在逐步改善。为了减少侧面阻力，相应试用了多级沉井、泥浆沉井、壁后压 气沉井(或叫气囊沉井、空气幕沉井)、震动沉井和河卵石沉井等；为了平衡井 内外的压力差，防止涌沙冒泥，创造了压气沉井与淹水沉井；为了加大下沉力 于是出现了载重沉井、假井壁沉井、千斤顶加载沉井以及压水裁重沉井等；为 了解决水下破土问题．先后采用了水力掘进、水力提升机(射水泵)、抓斗掘进 、压气排液器(也称空气吸泥机)和钻机破土等机具。 沉井法的应用，虽历史悠久且较广泛，但名称繁多，很不统一。为了标示 出各种方法的实质，按沉井淹水与否和其采用的减阻介质来命名以资区别，较 为适宜。至于加大下沉力的方法，以及选用何种机具破土等等，只作为沉井施 工的一种措施或者手段，可因地制宜使用，不因此而命名沉井法的名称。 沉井法通常分两大类，不淹水沉井和淹水沉井。
第5章 沉井法
§1 概述
一．普通沉井法存在的问题 初始的沉井，一般均采用砖、石作井壁，人在井底工作面挖掘，靠井壁自 重而下沉，沉井壁后不放置减少侧面阻力的介质。这样的施工方法，通常称为 普通沉井法。有时也叫人工自重沉井法。 普通沉井法极为简易，但下沉深度较浅，容易发生涌砂冒泥和井筒偏斜。 其原因，一是在沉井内排水，造成井内外水压差，井外流砂涌入井内，引起壁 后或地面塌陷，导致井筒偏斜或井壁断裂等事故；二是沉井下沉需要克服刃脚 下面土层的抵抗力（正面阻力）和井壁四周与土层接触的摩擦阻力（侧面阻力 ）。正面阻力取决于刃脚穿过土层的性质，而侧面阻力则主要取决于沉井下沉 的速度。下沉越深，侧面阻力越大，当下沉速度达一定值后，侧面阻力就成为 井壁能否下沉的决定性因素。有时，即使把刃脚下部土层全部挖空（正面阻力 完全克服），沉井也不下沉。因此，普通沉井法的适用范围受到了很大限制， 下沉深度一般在20m左右。
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第5章 沉井法
§2 沉井的结构
沉井由刃脚和井壁两部分组成。 一、刃脚 刃脚位于沉井最下端，其作用是：切入土层，破坏原状土的结构、克服沉 井正而阻力；封闭与阻止壁后流砂或泥浆涌入井筒内。因此要求沉井刃脚的结 构，应具有足够的强度。能承受住土层反力、侧压力，遇到大块卵石给与的剪 应力、局部压力以及突沉时产生的冲击力。
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§3 沉井下沉前的准备工作
二、沉井施工地面布置 在进行地面布置时，除了应遵守建井的一般原则外，尚须注意以下几点。 1．沉井施工与基岩段井筒施工的设备布置，应统——考虑，做到布局合 理、使用方便，管线短、变动少，互不干扰。 2．设备与建筑物应尽量布置在离井筒中心20米以外的地方，免受地面塌 陷的影响。个别建筑物需要市置在井口附近时，应加固其基础。 3．沉淀池与循环水池，应布置在广场低洼处，沉淀池的溢流水应能通过 水沟流到循环水池。 4．水源井应选择在离井筒80一100米之外。 沉井地面工艺布置见图5—l0。
第5章 沉井法
§1 概述
沉井法是在不稳定含水地层中开凿井筒的一种特殊方法。在井筒的设计位 置上，预先下沉—个封闭的带刃脚的圆筒形或椭圆形掩护支架，在建井工程中 称它为沉井； 在此沉井的保护下进行井筒施工。沉井边下沉．边下掘井筒。边在地面接 长沉井，直到下沉到设计深度。沉井在自重或在外荷载作用下下沉。这种方法 称沉井法。 它所需设备少，操作简单．作业安全，井壁质量高。因此．国内外不仅在 矿山，而且在其他地下工程，如桥墩基础、地下厂房、仓库、车站等工程中均 广泛采用。 据统计，仅煤矿建设中就有156个井筒是用沉井法施工的．1969年，在黄 县煤矿首次采用壁后泥浆减阻，把沉井技术推进到一个新水平。70年代，沉井 下沉深度突破了192.7m，井筒偏料率为6.9‰。日本沉井法施工，多采用壁后 压气减阻，下沉深度达200.3m，偏斜率为1‰。
壁后施放压缩空气减阻一壁后压气的作用壁后压气减阻是利用预先埋设在井壁中的管道与在外壁等距离设置的气龛向井壁周围施放压缩空气气体短暂地保留滞存于气龛中形成若干气垫气囊在气龛充满压气后多余的压气即沿着井壁向上扩散在沉井四周形成一圈气层气幕把土体与井壁隔开
第5章 沉井法
§1 §2 §3 §4 §5 §6 §7 §8 §9 概述 沉井的结构 沉井下沉前的准备工作 减小侧面摩阻力的方法 水下掘进 井壁施工 封底与固井 防偏、测偏与纠偏 沉井法的施工设计
第5章 沉井法
§2 沉井的结构
二、井壁 (一)井壁结构型式 沉井井壁的结构型式，应根据工程的需要来决定。 井壁平面形状，煤矿均用圆形，其它工程(如桥梁)，有双孔矩形或多孔矩 形等。 井壁竖直剖面分有内外等径、外等径内变径和外径径内等径等型式。 内外等径型式的径壁，一般多用于浅沉井。较深的沉井应采用外等径内变 径的结构型式，可减小径井壁体积，提高井筒断面利用率。既节省了材料，又 减少掘进工作量，而且不因井筒偏斜而影响在沉井内均匀破土。 井壁材料有整体现浇钢筋混凝土井壁、预制钢筋混凝土井壁、大型砌块、 钢或铸钢结构等。后两种有足够承载能力，国外曾采用。我国现时多采用整体 现浇钢筋混凝土井壁，通常均布置双层钢筋，混凝土一般不低于200号。钢筋 混凝土井壁结构。
第5章 沉井法
§2 沉井的结构
(二)刃脚结构 煤矿沉井常用的有钢刃脚与钢靴刃脚两种结构形式。实践证明，不穿钢靴 的刃脚，阻力大且易局部损坏。 1．钢结构刃脚 刃脚骨架用两排角钢或轻型钢轨焊接组成，刃尖一般采用15—24公斤／米 的钢轨制作。骨架内外侧均用10一16毫米厚的钢板全部围包焊牢。 钢结构刃脚强度大，整体性好，组装安放不易变形，施工质量规格能保证 。一般用于沉井深度大于百米以上的沉井。 2．钢靴刃脚 是在刃脚钢筋骨架下部，焊接上由钢板和钢轨或者圆钢组装而成的钢靴刃 尖。钢靴钢板高为0．5—1．0米，厚8—12毫米。刃尖用15公斤／米钢轨或者 18—28毫米圆钢。此种刃脚有一定强度，省钢材，缺点是立模较困难，且易变 形，影响刃脚的规格质量。 钢轨刃尖的刃脚，一般用于下沉深度在100米左右的沉井。圆钢刃尖的刃 脚，一般用于沉深50米左右的沉井
第5章 沉井法
§1 概述
(三)淹水沉井的实质和工序 淹水沉井法的实质，是在沉井井壁四周环形空间灌注触变泥浆或者施放压气， 使土层与井壁隔离开，以减少沉井下沉时的侧面阻力，井筒内灌满水，使井内外水 压保持乎衡，从而防止了涌砂冒泥以及地面塌陷；以预先在沉井外作好的套井为基 础，来防止和纠正沉井的偏斜；利用井壁下端的钢刃脚插入土层，靠井壁自重、水 下破土与压气排碴克服正面阻力而下沉。边下沉边在井口接长井壁，直到全部穿过 冲积层，使沉井刃脚坐落在基岩之上，再封底、注浆稳固井筒，转入基岩段井筒掘 进。 淹水沉井的施工顺序，是以壁后泥浆淹水沉井为例叙述的。测量工作在工序中 末列出，因为在各个工序中部包括有测量校验工作，应该按照设计要求和操作规程 ，严格执行，确保各个施工环节的规格质量。