立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构、施工装置及方法与流程

技术领域：

本发明属于矿山立井建设，尤其涉及不良地层的立井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。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，表土为黏土层、或为黏土与碎石、矿石混层，土体呈松散状，不规则、不均匀，密实度低，分布大量孔隙、强度低、承载力低、透水性强，在含水与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。

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；分层回填均质土工期长，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，从而到达冻结井筒周身围岩，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。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构、施工装置及方法，结构简单、稳定、可靠、施工快速，能保证立井井颈的稳定性。

立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构，包括在厚含水回填表土层设置的立井，在井筒荒径线内开挖岩层，在井筒净径线与井筒荒径线之间浇筑井壁，其特点是，以井筒中心为圆心，沿井筒荒径线外围至少设置三圈首尾封闭的圆环形高喷帷幕墙，在井筒荒径线外0.6m设置第一圈高喷帷幕墙，在第一圈高喷帷幕墙外1.2～2m设置第二圈高喷帷幕墙，在第在二圈高喷帷幕墙外1.2～2m设置第三圈高喷帷幕墙，依次类推，护卫井壁，增强承载力、抗变形能力和防水能力；所述的高喷帷幕墙的厚度800～1000mm，深度大于厚含水回填表土层的厚度；所述的井筒内设注压水孔，进行注压水试验，高喷帷幕墙区设取芯钻孔，取岩芯判断墙体质量；所述的井壁由内壁和外壁构成，外壁为不小于300mm厚的钢筋混凝土，内壁为不小于600mm厚的钢筋混凝土。

进一步改进，所述的高喷帷幕墙由同一圈上的高喷帷幕桩连接构成，所述的高喷帷幕桩是采用三管高压旋喷技术将水泥浆喷注到预设的高喷钻孔内，凝固成圆柱状桩体，同圈的桩体与桩体相互重叠连接成一个圆环形高喷帷幕墙。

进一步改进，所述的高喷钻孔，是采用钻机从地面垂直往下钻成，深度大于厚含水回填表土层厚度，钻孔直径不小于130mm，两钻孔之间间距不大于0.9m；所述的水泥浆喷注入高喷钻孔并向周边扩充，成桩直径为800mm～1000mm，桩与桩之间有不小于100mm的重叠连接区。

进一步改进，所述的取芯钻孔为两个，在高喷帷幕墙区内对称设置，采用钻机从地面垂直往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径91mm，根据取出的岩芯判断高喷质量。

进一步改进，所述的注压水孔至少一个，在井筒净径线内设置，采用钻机从地面垂直往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径168mm，对钻孔进行压注水试验，检查高喷帷幕墙堵水效果。

进一步改进，所述的外壁混凝土标号不小于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。

进一步改进，所述的内壁混凝土标号不小于c30，混凝土内布置单层钢筋，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。

还提供一种高喷帷幕桩的井壁结构施工装置，其特点是该装置包括水泥罐、水箱、一级搅拌桶、二级搅拌桶、操作台、高压注浆泵、高压水泵、空压机、钻机和高喷台车构成，就近设在井筒附近或井筒上方；所述的水泥罐、水箱分别由水泥溜管、水管与一级搅拌桶连接，一级搅拌桶与二级搅拌桶由泥浆管连接，二级搅拌桶与高压注浆泵由水泥浆管连接，高压注浆泵、高压水泵、空压机分别由注浆高压管、高压水管、高压风管与高喷台车连接；所述的水泥罐、水箱、一级搅拌桶、二级搅拌桶、高压注浆泵、高压水泵、空压机、钻机、高喷台车由控制电缆与操作台电气连接。

还提供一种立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构施工方法，按如下步骤进行：

1、立井井颈段施工线标定

(1)、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线和荒径线；

(2)、在井筒荒径线外0.6m布置第一圈布置高喷帷幕桩钻孔，两钻孔之间间距不大于0.9m；

(3)、在第一圈高喷帷幕桩外再布置第二圈高喷帷幕桩钻孔，两钻孔之间间距不大于0.9m，第二圈与第一圈的圈距不大于1.2m；

(4)、在第二圈高喷帷幕桩外再布置第三圈高喷帷幕桩钻孔，两钻孔之间间距不大于0.9m，第三圈与第二圈的圈距不大于1.2m；

2、设置施工装置将水泥罐、水箱、一级搅拌桶、二级搅拌桶、高压注浆泵、高压水泵、空压机、注浆高压管、高压水管、高压风管、钻机、高喷台车和操作台就近设在井筒附近或井筒上方，并依次对相关设备进行连接；

3、施工第一圈高喷帷幕桩钻孔钻机间隔钻孔，每隔一孔钻一孔，深度大于厚含水回填表土层厚度，钻孔直径不小于130mm，孔位偏差不大于2cm,孔斜率不大于1％；

4、高压旋喷第一圈高喷帷幕墙隔孔喷注

(1)、制浆按设计比例，通过水泥溜管从水泥罐里放出定量的水泥，通过水管从水箱里放出定量的水送到带有高速搅拌机的一级搅拌桶，搅拌时间不小于30s后，将制备好的水泥浆液通过水泥浆管放入带有慢速搅拌机的二级搅拌筒内，缓慢搅拌；

(2)、高压输送二级搅拌筒内的水泥浆液通过水泥浆管连通至高压注浆泵，高压注浆泵将二级搅拌筒内的水泥浆液通过高压注浆管输送到高喷台车的钻杆，应用高压水泵将水通过高压水管输送到高喷台车的钻杆，应用空压机将空气通过高压风管输送到高喷台车的钻杆；

(3)高压喷注将高喷台车的钻杆下至高喷钻孔孔底，操作台通过控制电缆连接至高压高压注浆泵、高压水泵和空压机；启动操作台，送入符合要求的浆、气、水，水泥浆的比重不小于1.5，压力为0.2～1.0mpa，水流量为55～70l/min,；高压水的压力为34～38mpa、流量为60～80l/min；压缩空气的压力为0.6～0.8mpa、流量为0.8～1.2m³/min，待水泥浆液冒出孔口时，按设计的提升方式及提升速度自下而上提升钻杆，直至提升到设计的终喷高程停喷，水泥浆液凝固成圆柱形水泥桩；然后再对两桩之间的钻孔进行喷筑，形成桩桩部分重叠连成一体的高喷帷幕墙；

5、按步骤3施工第三圈高喷帷幕桩钻孔；

6、按步骤4高压旋喷第三圈高喷帷幕墙；

7、按步骤3施工第二圈高喷帷幕桩钻孔；

8、按步骤4高压旋喷第二圈高喷帷幕墙；

9、高喷质量检验

在第一圈与第三圈之间的高喷帷幕墙加固范围内的井筒中心对称位置随机选择两个位置，施工取芯钻孔，利用钻机从地面往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径91mm，根据取出的岩芯判断高喷质量；施工完毕，两个取芯钻孔用水泥浆全孔封堵；

10、压注水试验

在井筒净径线内随机选择一个位置作为压注水孔，利用钻机从地面往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径168mm，对钻孔进行压注水试验，检查高喷帷幕墙堵水效果；压注水试验完毕后，对施工完毕的压注水孔用水泥浆全孔封堵；

11、浇筑井筒井颈段外壁

在井筒设计的荒径线范围内自上而下逐次开挖井筒，浇筑混凝土，每次开挖深度不大于2m，然后浇筑井颈外壁钢筋混凝土，直至井颈底部；混凝土厚度不小于300mm，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，沿井筒中心线方向间距300mm布置；

12浇筑井筒井颈段内壁

从井颈底部自下而上连续浇筑井颈内壁钢筋混凝土，直至井口地表，混凝土厚度不小于600mm，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，间距厚度不小于300mm300mm；分部筋直径不小于20mm，沿井筒中心线方向间距300mm布置；

13、拆除施工装置，施工结束。

与现有技术相比，优点是构思新颖，结构简单，稳定可靠，采用高喷帷幕墙护卫井壁，增强承载力和抗变形能力，堵水效果好；施工快速，方便，能够实现井筒快速掘砌，节省费用，确保矿山生产安全顺利进行。

附图说明

下面对照附图对本发明作进一步说明。

图1立井井颈段高喷帷幕墙的井壁结构示意图。

图2是高喷帷幕墙立井井颈结构a-a断面示意图。

图3高喷钻孔布置示意图。

图4立井井颈段高喷帷幕墙井壁施施工装置配置示意图。

图中：1、立井井筒1.1、井筒中心线2、井筒净径线3、井筒荒径线4、外壁5、内壁6、回填表土层7、第一圈高喷帷幕桩钻孔8、第三圈高喷帷幕桩钻孔9、第二圈高喷帷幕桩钻孔10、第一圈高喷帷幕墙11、第三圈高喷帷幕墙12、第二圈高喷帷幕墙13、取芯钻孔14、注压水孔15、水泥罐16、水泥溜管17、水箱18、水管19、一级搅拌桶20、泥浆管21、二级搅拌桶22、水泥浆管23、操作台24、控制电缆25、高压注浆泵26、高压水泵27、空压机28、注浆高压管29、高压水管30、高压风管31、钻机32、高喷台车

具体实施方式

由图1、图2、图3可以看出，一种立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构，包括在厚含水回填表土层设置的立井井筒1，在井筒荒径线3内开挖岩层，在井筒净径线2与井筒荒径线之间浇筑井壁，以井筒中心1.1为圆心，沿井筒荒径线外围至少设置三圈首尾封闭的圆环形高喷帷幕墙，在井筒荒径线外0.6m设置第一圈高喷帷幕墙10，在第一圈高喷帷幕墙外1.5m设置第二圈高喷帷幕墙12，在第在二圈高喷帷幕墙外1.5m设置第三圈高喷帷幕墙11，依次类推，护卫井壁，增强承载力、抗变形能力和防水能力；所述的高喷帷幕墙的厚度850mm，深度大于厚含水回填表土层的厚度；所述的井筒内设注压水孔14，进行注压水试验，高喷帷幕墙区设取芯钻孔13，取岩芯判断墙体质量；所述的井壁由内壁4和外壁5构成，外壁350mm厚的钢筋混凝土，内壁700mm厚的钢筋混凝土。

由图1、图2、图3可以看出，所述的高喷帷幕墙10、11、12由同一圈上的高喷帷幕桩连接构成，所述的高喷帷幕桩是采用三管高压旋喷技术将水泥浆喷注到预设的高喷钻孔内，凝固成圆柱状桩体，同圈的桩体与桩体相互重叠连接成一个圆环形高喷帷幕墙。

由图1、图2、图3可以看出，所述的高喷钻孔7、8、9采用钻机31从地面垂直往下钻成，深度大于厚含水回填表土层厚度，钻孔直径150mm；所述的水泥浆喷注入高喷钻孔并向周边扩充，成桩直径为850mm，桩与桩之间有120mm的重叠连接区。

由图1、图2、图3可以看出，所述的取芯钻孔13为两个，在高喷帷幕墙区内对称设置，采用钻机从地面垂直往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径91mm，根据取出的岩芯判断高喷质量。

由图1、图2、可以看出，所述的注压水孔14，在井筒净径线内设置，采用钻机从地面垂直往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径168mm，对钻孔进行压注水试验，检查高喷帷幕墙堵水效果。

由图1、图2、图3可以看出，外壁4混凝土厚350mm，标号c30，混凝土内布置双层钢筋(图中未标注)，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

由图1、图2、图3可以看出，内壁5混凝土厚700mm，标号c30，混凝土内布置单层钢筋，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向布置，间距300mm。

由图1、图4可以看出，立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构施工装置，包括水泥罐15、水箱17、一级搅拌桶19、二级搅拌桶21、操作台23、高压注浆泵25、高压水泵26、空压机27、钻机31和高喷台车32构成，就近设在井筒附近或井筒上方；所述的水泥罐、水箱分别由水泥溜管16、水管18与一级搅拌桶连接，一级搅拌桶与二级搅拌桶由泥浆管20连接，二级搅拌桶与高压注浆泵由水泥浆管22连接，高压注浆泵、高压水泵、空压机分别由注浆高压管28、高压水管29、高压风管30与高喷台车连接；所述的水泥罐、水箱、一级搅拌桶、二级搅拌桶、高压注浆泵、高压水泵、空压机、钻机、高喷台车由控制电缆24与操作台电气连接。

立井井颈段高喷帷幕桩的井壁结构施工方法，按如下步骤进行：

1、立井井颈段施工线标定

(1)、按照设计坐标在地表标定出井筒中心点，根据井筒中心点1.1和设计的井筒净直径和支护厚度标定出井筒净径线和荒径线；

(2)、在井筒荒径线外0.6m布置第一圈布置高喷帷幕桩钻孔，两钻孔之间间距0.8m；

(3)、在第一圈高喷帷幕桩外再布置第二圈高喷帷幕桩钻孔9，两钻孔之间间距0.8m，第二圈与第一圈的圈距1.2m；

(4)、在第二圈高喷帷幕桩外再布置第三圈高喷帷幕桩钻孔8，两钻孔之间间距0.8m，第三圈与第二圈的圈距1.2m；

2、设置施工装置将水泥罐、水箱、一级搅拌桶、二级搅拌桶、高压注浆泵、高压水泵、空压机、注浆高压管、高压水管、高压风管、钻机、高喷台车和操作台就近设在井筒附近或井筒上方，并依次对相关设备进行连接。

3、施工第一圈高喷帷幕桩钻孔钻机间隔钻孔，每隔一孔钻一孔，深度大于厚含水回填表土层厚度，钻孔直径130mm，孔位偏差不大于2cm,孔斜率不大于1％；

4、高压旋喷第一圈高喷帷幕墙隔孔喷注

(1)、制浆按设计比例，通过水泥溜管从水泥罐里放出一定量的水泥，通过水管从水箱里放出一定量的水到带有高速搅拌机的一级搅拌桶，搅拌时间不小于30s后，将制备好的水泥浆液通过泥浆管放入带有慢速搅拌机的二级搅拌桶内，缓慢搅拌；

(2)、高压输送二级搅拌筒内的水泥浆液通过水泥浆管连通至高压注浆泵，高压注浆泵将二级搅拌筒内的水泥浆液通过高压注浆管输送到高喷台车的钻杆(图中未标注)，应用高压水泵将水通过高压水管输送到高喷台车的钻杆，应用空压机将空气通过高压风管输送到高喷台车的钻杆；

(3)高压喷注将高喷台车的钻杆下至高喷钻孔孔底，操作台通过控制电缆连接至高压高压注浆泵、高压水泵和空压机；启动操作台送入符合要求的浆、气、水，水泥浆的比重1.6，压力为0.6mpa，流量为60l/min；高压水的压力为36mpa，流量为70l/min；压缩空气的压力为0.7mpa，流量为1.0m³/min，待水泥浆液冒出孔口时，按设计的提升方式及提升速度自下而上提升钻杆，直至提升到设计的终喷高程停喷，水泥浆液凝固成圆柱形水泥桩；然后再对两桩之间的钻孔进行喷筑，形成桩桩部分重叠连成一体的高喷帷幕墙；

5、按步骤3施工第三圈高喷帷幕桩钻孔；

6、按步骤4高压旋喷第三圈高喷帷幕墙；

7、按步骤3施工第二圈高喷帷幕桩钻孔；

8、按步骤4高压旋喷第二圈高喷帷幕墙；

9、高喷质量检验

在第一圈与第三圈之间的高喷帷幕加固范围内的井筒中心对称位置随机选择两个位置，施工取芯钻孔，利用钻机从地面往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径91mm，根据取出的岩芯判断高喷质量；施工完毕，两个取芯钻孔用水泥浆全孔封堵；

10、压注水试验

在井筒净径线内随机选择一个位置作为压注水孔，利用钻机从地面往下钻成，深度大于高喷帷幕桩深度5m，钻孔直径168mm，对钻孔进行压注水试验，检查高喷帷幕堵水效果；压注水试验完毕后，对施工完毕的压注水孔用水泥浆全孔封堵；

11、浇筑井筒井颈外壁

在井筒设计的荒径线范围内自上而下逐次开挖井筒，浇筑混凝土，每次开挖深度1.8m，然后浇筑井颈外壁钢筋混凝土，厚度350mm，混凝土标号c30，直至井颈底部；混凝土内布置双层钢筋(图中未标注)，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向间距300mm布置；

12、浇筑井筒井颈外壁

从井颈底部自下而上连续浇筑井颈内壁钢筋混凝土，直至井口地表，厚度700mm，混凝土标号c30，混凝土内布置双层钢筋(图中未标注)，受力筋直径25mm，沿井筒周边布置，间距300mm；分部筋直径22mm，沿井筒中心线方向间距300mm布置；

13、拆除施工装置，施工结束。