第4章沉井法

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第一节 概 述
沉井法施工目前存在的最大问题是井筒的偏斜和下沉 速度不易控制，因而对垂直度要求较高的矿山立井工程 来说，可靠性较差，下沉深度也受到一定限制。
通常认为，在不含卵石、漂石，底部有隔水粘土层， 总厚度在100m左右的不稳定表土层中，选用沉井法施 工是适宜的。若涌水量小于30m3/h，流砂层较薄(1m 左右)，土层稳定，深度较浅(＜30m)，可考虑用排水 沉井的方法施工，若涌水量较大，表土层及流砂层较厚， 就要用淹水沉井法施工。矿山立井几乎都采用圆形断面， 又多采用淹水沉井的施工工艺，故本章主要介绍淹水沉
上述沉井技术均以沉井施工中具有特色的某种措施或手段 而命名。一般认为，以沉井淹水与否及采用减阻措施名称进 行分类和命名较为适宜。
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第一节 概 述
沉井法施工工艺简单，所需设备少，易 于操作，井壁质量好，成本较低，淹水沉井 时的劳动强度更低，操作也安全。出于具备 这些优点，国内外不仅矿山井筒施工采用， 而且许多地下工程，如大型桥墩基础、地下 厂房、仓库、车站等均广泛选用。
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沉井法是由古老的掘井作业发展完善而来的施工技术。随 着现代化施工机械和施工工艺的不断革新，沉井技术也日新 月异，先后涌现出多种沉井方式：为增加打井深度，出现了 多级沉井；为减小壁后侧面阻力，曾用过河卵石沉井、震动 沉井、泥浆沉井和气囊(即壁后释放压气)沉井；为防止涌砂 冒泥，用过压气沉箱法和淹水沉井法，以平衡井内、外的水 头压差；为加大下沉力还使用过各种加载方式的沉井，如假 井壁加载、千斤顶加载、甚至压水载重沉井。为解决水下掘 进、出矸，还研制了各种抓斗、钻机、水枪等破土设备和水 力提升机、压气排液器等出土机具。
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第二节 沉井施工工艺
由于刃脚体积大又较重，其钢结构部分大多 按图下料，加工后，在井口附近特备的工作台上 组装焊接。加工时应确保整体的规格质量，尤其 注意防止焊接变形和刃脚外壁形成倒锥现象。包 刃脚的钢板上应均布若干小孔，用以泄出混凝土 的自由水。为适应施工后期封底固井的需要，刃 脚内还应预埋若干注浆管路。
检查孔采用取芯钻进，岩芯要妥善保存，以利沉井施工过 程中随时对比分析，制定相应措施，解决所遇到的问题。
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(二)沉井施工的地面布置
除应遵守建井期间工业场地布置的一般原则外，还 要结合沉井施工工艺要求注意以下几点： （1）沉井施工与基岩段井筒施工的设备、管线布置要 统筹考虑，力求合理布局、使用方便、互不干扰、减 少变更。 （2）所有设备与建筑物，力求布置在距井筒中心20m 以外，以免受地面塌陷的影响。必须置于井口附近的 个别建筑物，应采用与锁口连结或用管桩等方法加固 其基础。 （3）淹水沉井时的泥浆沉淀池应布置在场地低洼处， 用沉淀的泥砂填补广场。沉淀池的溢流水应能经水沟 流回循环水池。 （4）水源井位置应距沉井100m之外，以免沉井施工受 降水漏斗的影响。
沉井井壁筑至套井上口标高并拆模后，要检查套井 内一段沉井井壁的中心线、圆度、外壁的垂直度以及 各测量转点的水平面，绘制套井与沉井相互位置测量 图，以便布置导向装置。
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第二节 沉井施工工艺
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(六)安装导向纠偏装置
导向装置是沉井防偏纠偏的重要手段，它既是沉 井下沉过程中的导向轨道，又是纠正沉井偏斜时的 施力支撑，故沉井下沉前必须安设好。通常采用八 组楔形导向木或滚动式导向装置均匀布置于沉井和 套井之间，也可将两种形式结合起来使用。导向装 置如图4—7所示。
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第二节 沉井施工工艺
旋转钻机是靠钻头上的刀齿作圆周运动将土 层挤切成泥砂或碎块，用压气排液器将其排出 井外。其设备组成与工艺过程类同于钻井法钻 机，仅钻机能力稍小而已。旋转钻机连续破土， 效率高，适用于各种地层，是淹水沉井中使用 较好、较广泛的破土机具。
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第二节 沉井施工工艺
沉井法的施工内容包括：施工准备工作、水下掘 进与出矸、井壁施工、封底与固井等项工作。
一、施工准备
从矿井建设的观点看，沉井的施工准备就是井筒 开工前的施工准备工作。它包括土建工程中修建各种 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；机电安装工程中的各种机械、电气、 提升吊挂、掘进排矸、管线、照明与通讯等设备的安 装及试运转，井巷工程中的施测定位、沉井与套井的 施工设计、套井施工、刃脚加工组装安放、套井内沉 井井壁的浇筑、导向纠偏设施的安装等等。施工准备 工作应包括如下一些内容：
则是向套井四周辐射4—8m的钢筋混凝土六角形框架结构，
它的覆盖面积大，可增强套井的稳定性，适用于不能座落
在粘土层上的套井或套井施工中出现涌砂，壁后有塌陷的
情况。因其结构复杂，耗材多，较少采用。套井及锁口施
工所用设备应与沉井施工选用设备统筹考虑。
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第一节 概 述
近几十年，由于沉井施工技术的不断发展，促使 下沉深度不断加大，我国用沉井法建成的煤矿立井 数量也在增加，据统计，迄今仅煤矿建井使用的沉 井已达156个井筒，其中淹水沉井占38个，累计下 沉深度约5km。一次沉井下沉深度量达192.78m， 井筒偏斜率仅为0.69％。日本用壁后喷射压气的淹 水沉井创造的下沉深度记录是200.3m，偏斜率为 0.1％。
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第二节 沉井施工工艺
(一)井筒检查孔
为了合理的确定套井与沉井的施工深度、结构形式和施工 方案，选择相宜的破土与排矸机具，制定有效的施工措施， 使沉井能达到预期的施工效果，通常在井筒施工位置打一个 井筒检查孔，以探明沉井将穿过的岩层赋存情况，各土层的 物理力学性质、倾斜方向，尤其要探清含水层的数量、埋藏 深度、厚度、涌水量、流速、流向以及与地表水的关系等。
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第二节 沉井施工工艺
套井上口要砌筑锁口，以利井口表土的稳定。套井锁口
的结构形式有法兰盘式和六角盘式(图4—5)：前者是在套
井上口周围1.2—2.0m范围内，构筑形似法兰盘的钢筋混
凝土圈梁，并与套井上口筑为一个整体，其结构简单，适
于套井座落于粘土层中，且壁后未发生塌陷的情况；后者
(四)刃脚制造与组装
刃脚是指沉井最下端的刀刃状部分，其作用是： 使沉井下沉时易切入土层，减少下沉的正面阻力； 防止壁后的流砂或泥浆翻入井内。常用钢轨、角钢、 圆钢与钢板等焊成骨架后充填混凝土的结构，以确 保足够的强度和刚度。刃脚外径略大于沉井井壁外 径，以形成储存泥浆或作为压气通道的台阶。用触 变泥浆减阻时的台阶宽度为0.2－0.3m，用壁后压 气减阻时，则为0.1m左右，台阶上镶有橡皮围裙， 防止减阻介质涌入井内。
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第二节 沉井施工工艺
(一)抓斗掘进
抓斗有单绳、双绳，双颚板、多颚板之分，都是靠 自重向下的冲击力来破坏土层结构，靠抓斗的提升闭 合抓取泥土并将土提出井外。它既可作为掘进与出土 的主要设备，也可专门用于抓取大块卵石或砾石的辅 助掘提设备。抓斗掘进工艺简单、耗电小，在30m左 右的浅井中可作为掘提的主要设备，但随着深度加大， 其效率将逐渐降低。为了避免提升时的旋转缠绳，又 易于抓取泥土，我国在淹水沉井施工时多选用单绳多 颚板抓斗，如图4—8所示。
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第二节 沉井施工工艺
(三)套井施工
套井是在沉井外围预先建造的直径稍大于沉井的一 段井筒。套井有三个作用： (1)防止沉井下沉过程中可能导致井壁四周的土层塌 陷，保护井架和附近建筑物的地基基础； (2)套井与沉井之间的环形空间可作为触变泥浆的贮 浆槽或沉井壁后压气的泄出通道。 (3)在上述环形空间内，安设导向装置或加载千斤顶， 以便利用套井作支承，对下沉中的沉井井壁进行导向、 纠偏或加大下沉力。
导向装置安装好并清理完井内外的杂物后，即可 向沉井内灌水、向壁后灌注泥浆、安装破土与出矸 机具等，经试运转后可正式下沉井筒与掘进。
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第二节 沉井施工工艺
二、水下掘进与出矸 淹水沉井的掘进与出矸工作必须在
水下靠机械完成。目前沉井施工所用水 下掘进机具有抓斗、钻机和水枪。除抓 斗掘进可直接将土排至地面外，其它掘 进方式，则多采用压气排液器出矸。
满足上述就位质量后，于套井井壁和钢靴之间用木柱与 木楔等距离的对称顶紧，防止变位。立模和浇注混凝土 时还应随时检查校核。
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第二节 沉井施工工艺
（五）套井内沉井井壁的制造
钢靴就位稳固后，即可绑扎、焊接钢筋、立刃脚斜 面模板、支撑排架，立井壁的内模和外模，并加钢筋 箍，穿以拉杆防止模板变位。在清除杂物后即可浇注 混凝土，一般刃脚部分混凝土强度等级不低于C30。 随着井壁的接长，井壁重力增大，应特别注意沉井的 下沉动向。一般拆模后要用砂土填塞刃脚斜面下部， 以增加正面阻力，阻止沉井下沉。
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第二节 沉井施工工艺
套井的施工方法取决于土层的地质和水文条 件：若地下水位低于套井深度，或涌水量小于 15m3／h，可用短段掘砌方法或人工挖土的排 水沉井法施工；当涌水量超过30m3／h，且套 井穿过的砂层厚度大于1m时，则要采用淹水 沉井法施工。用沉井法施工完的套井，要回填 部分砂土作为封底，且壁后应注浆稳固。
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第二节 沉井施工工艺
(二)钻机掘进
用于淹水沉井掘进的钻机有冲击钻和旋转钻 两种。
冲击钻是靠钻头自重往复冲击破坏岩土而完 成掘进工作。由于是靠重力，其掘进方向是铅 直向下，有利于沉井的垂直下沉。我国曾用过 简易冲击钻逐步扩孔穿过风化基岩与较硬的粘 土层。
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第二节 沉井施工工艺
焊好的钢靴最好整体吊放到套井基底的设计位置上， 只有在不具备提吊条件时，才采用分块吊放、井底组焊 的方法。钢靴就位前，需在套井井底铺设0.5m厚的碎石， 分次夯实厉后铺砂找平。钢靴就位质量直接影响沉井的 施工质量，为此要求： (1)钢靴形心必须与井筒中心重合，误差应小于2mm； (2)钢靴尖的平面必须放置水平，水平高差应小于3mm， 钢靴外壁要保持铅直，不得有倒锥现象。
井法。
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第一节 概 述
淹水沉井法的实质就是：在沉井井筒内灌满水，保持井 内外的水压平衡，防止从刃脚处涌砂冒泥及地表塌陷，以预 先作好的套井为支撑圈以防止和纠正沉井过程中的偏斜；在 井筒外壁的环形空间内灌注触变泥浆或施放压气，以隔离井 壁与土层，减少沉井侧面阻力；靠井壁自重，使刃脚插入土 层，经水下破土、排矸克服正面阻力使井壁不断下沉，边下 沉，边纠偏，边在井口接长井壁，直至井筒全部穿过冲积层， 使沉井刃脚座落于基岩上，在封底、固井之后，转入基岩段 普通方法掘进。
4 第 章 沉井法
第一节 概述 第二节 沉井施工工艺 第三节 沉井的防偏与纠偏 第四节 沉井法的施工设计
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第一节 概 述
沉井法是属于超前支护类的一种特殊施工方法。 其实质是：在井筒设计位置上，预制好底部附有刃 脚的一段井筒，在其掩护下，随着井内的掘进出土， 井筒靠其自重克服其外壁与土层间的摩擦阻力和刃 脚下部的正面阻力而不断下沉，随着井筒下沉，在 地面相应接长井壁，如此周而复始，直至沉到设计 标高。这种凿井方法称为沉井法。
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第二节 沉井施工工艺
根据刃脚穿过土层的性质，刃脚的夹角 可选用钝尖的(30°左右)或锐尖的(＜25°)， 若遇不含卵石、砾石的松软土层时，也可 用带有一定宽度踏面形式的刃脚。通常因 煤矿沉井深度较大，穿过土层较复杂，多 用外包钢板的钢结构刃脚，即所谓钢靴刃 脚，如图4—6所示。
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第二节 沉井施工工艺
套井的深度一般取8－15m。通常套井应座落于 稳定的粘土层中，并与其下部的砂层保持3m以上 的距离。套井与沉井的间隙取0.7－1m。套井的壁 厚则取决于施工方法：短段掘砌时为0.4－0.6m； 沉井法施工时则取0.6－0.8m。为便于导向和纠偏 的操作，可在套井井口下1－2m处(在地下水位之 上)设置0.5m宽的工作台。