类维强，安凯军

（1.山东省水利勘测设计院，山东 济南250013；2.山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

1 工程概况

某煤矿是隶属于陕西榆林能源集团有限公司的一个现代化矿井，规划生产能力1000万t/年。矿井拟采用斜井开拓方案，布置的4个井筒为主斜井、副斜井、进风立井及回风立井，其中主斜井井筒长1685 m，井筒倾角13°，井筒断面呈城门洞型，净宽5.8 m，净高3.9 m，断面净面积20.1 m2。主斜井井筒施工需穿越一段流砂层，由于流砂层对应力变化非常敏感，在井筒开挖掘进过程中时常有片帮、井底冒砂和井壁掏空等问题发生，严重时会造成井筒偏斜、地面沉陷等，因而井筒在流砂层掘进中必须采取截渗等工程措施，确保井筒掘进施工安全。

2 场区工程及水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据地质报告，矿井井筒区地表被现代风积沙和第四系萨拉乌苏组所覆盖。主斜井井筒倾角13°，长度约1685 m（含水平长度），井口为第四系全新统风积沙。穿越地层有第四系全新统风积沙、第四系上更新统萨拉乌苏组、第四系中更新统离石组（黄土）、新近系上新统保德组（红土）、侏罗系中统安定组、直罗组、延安组地层，地质剖面见图1。其中穿越风积沙地层长度约27 m，穿越萨拉乌苏组地层长度约74 m，穿越黄土地层长度约62 m。穿越红土地层长度约24 m，然后进入基岩段，岩性主要为中粒砂岩、粉砂岩，其次为细粒砂岩，局部夹泥岩薄层，顶部穿越长度约60 m的风化岩，进入正常基岩段[1]。

图1 地质剖面图

2.2 水文地质条件

根据地下水的赋存条件、水力特征及含水层的纵向分布结构，将井筒区内含水层由上至下划分为5层，各层情况介绍如下[2]。

①第四系上更新统萨拉乌苏组及全新统风积砂孔隙潜水含水层（Q3s+Q4eol）：主要为灰褐色中细粒沙，灰白色、灰黄色细沙及粉细砂。含水层厚度8.23 m～17.79 m，平均厚度为11.29 m，渗透系数K=3.1 m/d～8.9 m/d。

②第四系中更新统离石黄土及第四系上新统保德组弱含水层（Q2l+N2b）：厚度 3.80 m～26.30 m，平均 11.10 m，渗透系数K=0.58 m/d。

③侏罗系中统安定组孔隙裂隙承压含水层（J2a）：厚度为39.40 m～66.43 m，平均为57.23 m，渗透系数K=0.09 m/d～0.32 m/d。

④侏罗系中统直罗组孔隙裂隙承压含水层（J2z）：厚度为76.60 m～126.52 m，平均112.14 m，渗透系数K=0.01 m/d～0.14 m/d，平均值为 0.08 m/d。

⑤侏罗系中统延安组第五段孔隙裂隙承压含水层（J2y5）：含水层厚度为21.20 m～44.40 m，平均为32.80 m，渗透系数K=0.002 m/d～0.05 m/d，平均值为 0.004 m/d。

从各含水层抽水结果可见，第四系松散砂层透水性强，富水性弱～中等；土层富水性弱，但上部黄土层局部含沙量较大，并伴有砂层透镜体，储水条件较好；安定组顶部多以泥岩、粉砂岩为主，但大部风化，孔隙裂隙较发育，储水条件较好，中部和底部为一套紫红色、褐红色巨厚层状中、粗粒长石砂岩，富水性弱，但较好于直罗组，局部富水性接近中等；直罗组砂岩与泥岩、粉砂岩互层厚度大，以原生节理、层理为主要裂隙，富水性弱；安定组与直罗组承压水头较高，泥岩、粉砂岩抗风化能力弱。延安组段含水层水量微弱。各含水层预测井筒涌水量见表1。

表1 主斜井井筒涌水量预测一览表

3 主斜井截渗方案的选择与优化

3.1 截渗方案选择与优化

目前井筒穿越流砂层的施工方法分普通法和特殊法，普通法施工有板桩法及降水法等，特殊法施工包括冻结法、沉井法及帷幕法等。冻结法是井筒不稳定表层土施工的常用方法，但存在需要大功率电源、夏季冻土墙易化、工程投资大等缺点，拟选用“帷幕+降水”的方案，考虑黄土层局部含沙量较大，并伴有砂层透镜体，帷幕底部嵌入风化砂岩0.5 m~1.0 m，帷幕最大深度达。常用的截渗技术有水泥搅拌桩、高压喷射灌浆以及地下连续墙技术等。水泥搅拌桩适用于粉土、壤土等地层，高压喷射灌浆技术在20 m深度以内应用效果较为理想，因此采用地下连续墙技术营造截渗帷幕[3]。

由于井筒倾角为13°，若采用落地式帷幕，即将井筒入岩前水平投影范围内周边的地下连续墙底部均嵌入风化砂岩，虽然彻底阻断了风化砂、黄土层与周边的水力联系，但截渗工程量较大，投资高。因此，又提出在帷幕中间增加隔墙的截渗方案，即在主斜井进入黄土层处增加一道横向隔墙形成“日”字形的平面布置型式，井筒穿越浅部流砂段的帷幕采用悬挂式，帷幕底部嵌入黄土层3.0 m，井筒穿越深部黄土层段的帷幕采用落地式，帷幕底部嵌入粉砂岩0.5 m~1.0 m，见图2~图3。主斜井从井筒入土至井筒全断面进入土层的施工段明挖施工，基坑支护采用“连续墙+钢管内支撑”方案，该段地下连续墙需兼作基坑支护结构使用，墙体为钢筋砼结构。另外，为加快在流砂中的施工速度，将井筒掘进方向的松散砂采用高压旋喷桩进行固化。通过截渗方案进一步的优化，连续墙截渗帷幕面积比上一方案减少20%，工程总造价节省约12%左右。

图2 主斜井地下连续墙帷幕布置

图3 井筒横断面图

3.2 地下连续墙设计

1）截渗墙体厚度

根据达西公式，地下连续墙墙体厚度B可按其破坏的水力坡降计算，即：

式中：B为防渗墙厚度，m；H为防渗墙承受的最大水头，m；J允为允许的最大水力坡降，塑性混凝土取80。

经计算，B=0.42 m，地下连续墙采用液压抓斗施工，考虑施工设备性能，连续墙厚度取0.6 m。

2）墙体材料及要求

砼墙体材料：砼等级为C30，采用不低于32.5级的普通硅酸盐水泥，每方砼不少于350 kg/m3，W/C＜0.65；

砼墙体渗透系数：K＜i×10-7cm/s（i=1～5）。

3.3 高压旋喷桩设计

1）旋喷桩固化范围

旋喷桩固化范围为截渗墙框格内沿主斜井掘进方向周边的松散砂层，主斜井的顶部轮廓线以上3.0 m，底部轮廓线以下2.0 m。

2）旋喷桩设计

土体固化拟采用旋喷桩套接形式，梅花型布孔孔距暂定为1.5 m，排距1.4 m，采用三管法施工，旋喷桩桩径1.5 m～1.7 m，凝结体R28=1.5 MPa～5 MPa。高压喷射灌浆施工参数如下：高压水排量Q=70 L/min～80 L/min,工作压力P=36 MPa～40 MPa；水泥浆排量Q=80L/min～120L/min，密度γ=1.50g/cm3～1.70g/cm；压缩气流量Q=0.8m3/min～1.2m3/min，压力P=0.6 MPa～0.8 MPa；提升速度，6 cm/min～8 cm/min；转速，6 r/min～8 r/min。

4 地下水控制

地下水位要求降至开挖井筒底板以下1.0 m，降深随井筒掘进长度的增大而逐渐增加，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），结合现场具体情况，采用井管井点降水方案。基坑降水总涌水量按潜水完整井公式计算：

式中：Q为基坑降水总涌水量，m3/d；K为渗透系数，m/d；H为潜水含水层厚度，m；sd为基坑地下水位的设计降深，m；R为降水影响半径，m；r0为基坑等效半径，m，可按计算，A为基坑面积，m2。

式中：Q为单井设计流量，m3/d；n为降水井数量。

经计算，基坑涌水量约为Q=1227.6 m3/d，共布设10眼降水井，井距10 m～15 m，井深22 m～45 m，布置在主斜井轴线上[4]。

5 结语

在设计主斜井截渗及降水方案时，仔细分析主斜井所在场区的工程水文地质情况，遵循“安全可靠、技术可行、经济合理”原则，采用连续墙截渗、高压旋喷桩固结配合降水等综合处理措施解决井筒在流砂、透镜体等特殊地质条件施工的难题，加快井筒施工速度，节省大量的人力、物力，降低工程造价，为类似工程的设计提供参考和借鉴。