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1、2019/11/6,1,第4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,2019/11/6,2,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。,2019/11/6,3,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
2、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。 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。,2019/11/6,4,第一节 概 述,沉井法施工工艺简单，所需设备少，易于操作，井
3、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。,2019/11/6,5,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。,2019/11/6,6,第一节 概 述,沉井法施工目
4、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井法。,2019/11/6,7,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
5、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。,2019/11/6,8,2019/11/6,9,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
6、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：,2019/11/6,10,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
7、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。 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。,2019/11/6,11,(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
8、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。,2019/11/6,12,2019/11/6,13,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
9、。,2019/11/6,14,第二节 沉井施工工艺,套井的深度一般取815m。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0.71m。套井的壁厚则取决于施工方法：短段掘砌时为0.40.6m；沉井法施工时则取0.60.8m。为便于导向和纠偏的操作，可在套井井口下12m处(在地下水位之上)设置0.5m宽的工作台。,2019/11/6,15,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15m3h，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30m3h，且套井穿过的砂层厚度大于1m时，则要采用
10、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。,2019/11/6,16,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45)：前者是在套井上口周围1.22.0m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；后者则是向套井四周辐射48m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
11、沉井施工选用设备统筹考虑。,2019/11/6,17,2019/11/6,18,第二节 沉井施工工艺,(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0.20.3m，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。,2019/11/6,19,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
12、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46所示。,2019/11/6,20,2019/11/6,21,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。,2019/11/6,22,第二节 沉井施工工艺,焊好的
13、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。 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。,2019/11/6,23,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
14、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。 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。,2019/11/6,24,第二节 沉井施工工艺,(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
15、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47所示。 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。,2019/11/6,25,2019/11/6,26,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。,2019/11/6,27,第二节 沉井施工工艺,(一)抓斗掘进 抓斗有单绳、双绳，双
16、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48所示。,2019/11/6,28,2019/11/6,29,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。,2019/11/6,30,2019/11/6,31,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
