立井井筒表土施工

 

立井井筒工程是礦井建設的關鍵工程。我國立井井筒的特點：井筒深度大、斷面積大、表土層厚、水文地質條件復雜。因此，導致施工難度大，施工技術復雜、施工工期長。雖然井筒工程量只占礦井建設工程量的5％左右，而施工工期卻往往占建井總工期的40％～50％，而且鑿井工程的總體布署，對后續工程會有很大影響。因此，提高立井施工機械化裝備水平，采用先進的施工技術，做好井內涌水的綜合治理，是加快鑿井速度，縮短鑿井工期，提高工程質量和工效的有效措施，也是加快礦井建設速度和縮短建井總工期的關鍵。

立井井筒一般要穿過表土與基巖兩個部分，其施工技術由于圍巖條件不同各有特點。表土施工方案選擇主要考慮工程的安全，而基巖施工主要考慮施工速度。

由于表土松軟，穩定性較差，經常含水，并直接承受井口結構物的荷載。所以，表土施工比較復雜，往往成為立井施工的關鍵工程。

近幾年來，我國立井施工技術和機械化裝備水平有了很大的提高。其中表土施工技術和施工水平也在不斷進步。但在施工中仍然存在一些薄弱環節，尤其是深厚表土層中立井井筒的施工方法比較單一，施工技術還存在一些問題，制約著立井井筒的整體質量，因此必須認真總結經驗，勇于創新，不斷推進深厚表土層立井井筒的施工技術。

在立井井筒施工中，覆蓋于基巖之上的第四紀沖積層和巖石風化帶統稱為表土層。由于表土層土質松軟、穩定性差、變化大，且一般均有涌水；又因接近地表，直接承受井口構筑物的荷載，因此，對立井井筒施工方案的選擇影響比較大。

表土通常是以土為骨架（主要是礦物和一些有機體），并和水、空氣組成三相體，由于各個煤田的地質和水文條件的不同，土的結構性質（礦物成分和顆粒大小）、含水量、水壓和滲透性，以及土層厚度和賦存關系等各項性能指標變化很大，反映在工程上的穩定性及施工時的難易程度差別也大。其中對土層穩定性起決定作用的是土質結構性質和含水情況，而水對土的穩定性影響是很大的，如井內涌水處理不當，不但影響施工速度和質量，往往造成井筒片幫、壁后空洞、地面塌陷，以至直接關系到施工的成敗。

按表土土質的結構性質，我國煤田表土層可歸納為以下四類：

（1）松散性土層。主要由礫（卵）石、砂和粉砂等非粘結性土質組成，顆粒間無粘聚力，呈松散狀態。土的顆粒愈大，透水性愈好，內摩擦力也愈大，其穩定性也增大。其中細粒砂土，在水量及水壓增大時呈流動狀態，穩定性很差，稱流砂，它是施工中最難處理的土層。

（2）粘結性土層。主要由粘土及含砂量少的砂質粘土組成。土層致密，均勻堅硬，塑性強，透水性少，含水量少，穩定性好。

（3）大孔性表土。主要由多孔性黃土組成，大多為粉土顆粒，含有大量膠結物（石鹽、石膏、碳酸鈣等鹽類）。在受水浸濕前，強度較高，壓縮性小，能保持直立的邊坡；但一遇到水，膠結物松解溶化，土層變軟，易于沉陷坍塌而失去穩定性。

（4）其它特殊土層。主要包括膨脹土和巖石風化帶。膨脹士主要由親水性礦物組成，具有吸水膨脹和失水收縮的特點，如膨脹性大的粘土等。沖積層與基巖的交界處，常夾有一層巖石風化帶。其巖層松散、強度低、透水性強，有的還遇水軟化、膨脹、崩解（如華東地區的紅層）。由于穩定性較差，在建井施工中，一般將它與第四紀沖積層一并考慮。

表土的物理力學性質，隨著含水程度的變化而改變，水對不同類型的顆粒成分和結構性質的影響也是不一樣的。水能使土變軟、液化，使顆粒間粘結力和內摩擦力減小，變成塑性或流動狀態；水在土中產生靜（動）水壓力，增強了土的流動性；含有自由堿、酸和鹽的水，對表土起化學作用；水量愈大，水壓愈大，浸水時間愈長，土的變形愈大，土的穩定性也愈差，所以在表土施工中對水的處理應特別重視。

工程中按表土穩定性將其分成兩大類：

（1）穩定表土層。包括含非飽和水的粘土層、含少量水的砂質粘土層，無水的大孔性土層和含水量不大的礫（卵）石層等。

（2）不穩定表土層。包括含水砂土、淤泥層、含飽和水的粘土、浸水的大孔性土層、膨脹土和華東地區的紅色粘土層等。

由于表土層并非單一土層，往往是不同性質土層的互層，對于表土施工，主要應考慮其中不穩定土層的施工方法和措施，因為這類土層將嚴重影響施工安全和施工速度。

 

第一節  立井井筒的鎖口施工

在井筒進入正常施工之前，不論采用哪一種施工方法，都應先砌筑鎖口，用以固定井筒位置、鋪設井蓋、封嚴井口和吊掛臨時支架或井壁。

根據使用期限，鎖口分臨時鎖口和永久鎖口兩類。永久鎖口是指井頸上部的永久井壁和井口臨時封口框架（鎖口框）；臨時鎖口由井頸上部的臨時井壁（鎖口圈）和井口臨時封口框所組成。

鎖口框一般用鋼梁（I20～I45）鋪設于鎖口圈上，或獨立架于井口附近的基礎上。梁上可安設井圈，掛上普通掛鉤或鋼筋，用以吊掛臨時支架或永久井壁。見圖5-1和圖5-2。

 

圖5-1  鋼結構簡易鎖口框	圖5-2  鋼木結構鎖口框
1－鋼梁；2－U形卡子；3－井圈；4－掛鉤； 5－背板；6－墊木	1－主梁；2－1＃副梁；3－2＃副梁；4－3＃副梁； 5－臨時井壁；6－灰土基礎

臨時鎖口的設計與施工應滿足下列要求：

（1）鎖口結構要牢固，整體性要好。

（2）鎖口梁一般要布置在同一平面上，各梁受力要均勻。；

（3）鎖口梁的布置應盡量為測量井筒時下放中、邊線創造方便條件。

（4）鎖口梁下采用方木鋪墊或磚石鋪墊時，其鋪設面積應與表土抗壓強度相一致。必要時，可用灰土夯實。墊木一般不少于三層，而且要鋪設平穩。墊木鋪設面積應與表土抗壓強度相適應。

（5）鎖口結構應有較強的承載能力，鎖口梁支撐點應與井口有一定距離。

（6）臨時鎖口標高盡量和永久鎖口標高一致，或高出原地表，以防洪水進入井內；

（7）在地質穩定和施工條件允許時，盡量利用永久鎖口或永久鎖口的一部分代替臨時井壁，以減少臨時鎖口施工和拆除的工程量；

（8）鎖口應盡量避開雨季施工，為阻止井口邊緣松土塌陷和防止雨水流入井內，除調整地面標高外，還可砌筑環行擋土墻及排水溝；

（9）矸石溜槽下端地面應有防止地面水流入井筒的措施。

 

第二節  立井井筒表土普通施工法

立井井筒表土段施工方法是由表土層的地質及水文地質條件決定的。立井井筒穿過的表土層，按其掘砌施工的難易程度分為穩定表土層和不穩定表土層。穩定表土層就是在井筒掘砌施工中井幫易于維護，用普通方法施工能夠通過的表土層，其中包括含非飽和水的粘土層、含少量水的砂質粘土層，無水的大孔性土層和含水量不大的礫（卵）石層等。不穩定表土層就是在井筒掘砌施工中井幫很難維護，用普通方法施工不能通過的表土層，其中包括含水砂土、淤泥層、含飽和水的粘土、浸水的大孔性土層、膨脹土和華東地區的紅色粘土層等。

根據表土的性質及其所采用的施工措施，井筒表土施工方法可分為普通施工法和特殊施工法兩大類。對于穩定表土層一般采用普通施工法，而對于不穩定表土層可采用特殊施工法或普通與特殊相結合的綜合施工方法。

立井表土普通施工法主要可采用井圈背板普通施工法、吊掛井壁施工法和板樁法。

一、井圈背板普通施工法

井圈背板普通施工法是采用人工或抓巖機（土硬時可放小炮）出土，下掘一小段后（空幫距不超過1.2m），即用井圈、背板進行臨時支護，掘進一長段后（一般不超過30m），再由下向上拆除井圈、背板，然后砌筑永久井壁，如圖5-3。如此周而復始，直至基巖。這種方法適用于較穩定的土層。

 

圖5-3  井圈背板普通施工法	圖5-4  吊掛井壁施工法
1－井壁；2－井圈背板；3－模板； 4－吊盤；5－混凝土輸送管；6－吊桶	1－井壁；2－吊掛鋼筋；3－模板；4－吊桶

二、吊掛井壁施工法

吊掛井壁施工法是適用于穩定性較差的土層中的一種短段掘砌施工方法。為保持土的穩定性，減少土層的裸露時間，段高一般取0.5～1.5m。并按土層條件，分別采用臺階式或分段分塊，并配以超前小井降低水位的挖掘方法。吊掛井壁施工中，因段高小，不必進行臨時支護。但由于段高小，每段井壁與土層的接觸面積小，土對井壁的圍抱力小，為了防止井壁在混凝土尚未達到設計強度前失去自身承載承能力，引起井壁拉裂或脫落，必須在井壁內設置鋼筋，并與上段井壁吊掛，如圖5-4。

這種施工方法可適用于滲透系數大于5m/d，流動性小，水壓不大干0.2MPa的砂層和透水性強的卵石層，以及巖石風化帶。吊掛井壁法使用的設備簡單，施工安全。但它的工序轉換頻繁，井壁接茬多，封水性差。故常在通過整個表土層后，自下而上復砌第二層井壁。為此，需按井筒設計規格，適當擴大掘進斷面。

 

圖5-5  地面直板樁施工法

1－外導圈；2－內導圈；3－板樁； 4－打樁機；5－軌道

三、板樁施工法

對于厚度不大的不穩定表土層，在開挖之前，可先用人工或打樁機在工作面或地面沿井筒荒徑依次打入一圈板樁，形成一個四周密封的圓筒，用以支承井壁，并在它的保護下進行掘進，圖5-5為地面直板樁施工法。

板樁材料可采用木材和金屬材料兩種。木板樁多采用堅韌的松木或柞木制成，彼此采用尖形接榫。金屬板樁常用12號槽鋼相互正反扣合相接。根據板樁入土的難易程度可逐次單塊打入，也可多塊并成一組，分組打入。對于木板樁一般比金屬板樁取材容易，制作簡單，但剛度小，入土困難，板樁間連接緊密性差，故用于厚度為3～6m的不穩定土層。而金屬板樁可根據打樁設備的能力條件，適用于厚度8～10m的不穩定土層，若與其它方法相結合，其應用深度可較大。

四、表土普通施工法的輔助工作

(一)表土施工提升工作

表土施工提升方式可采用簡易提升方式和標準鑿井井架構成的提升系統進行提升。簡易提升方式可采用三角架、簡易龍門架、帳幕式井架和汽車起重機等。

1.三角架

采用三根ф159的無縫鋼管，每根鋼管焊上一塊搭接鋼板，并聯接成一整體，管子底端焊一10mm厚的鋼板，用螺栓與基礎固定。三角架高度根據提升要求確定，一般不低于6m。使用1m³左右的吊桶，提升高度一般不應超過20m（小井可稍深些）。

2.簡易龍門架

它是由立柱和橫梁組成的門式框架（圖5-6），由于它的跨度可加大，對不同的井筒直徑有較大的適應性。它結構簡單，組裝拆卸方便，配以鑿井絞車和1.5～2m³左右的吊桶，可用于深度不超過40m的表土施工。

3.帳幕式井架

一般用鋼管或木材制成，它的基本結構為四柱型（圖5-7），根據荷載條件，在一面或數面加上斜撐，以增加其穩定性與承載能力。它既可吊掛提升設備，還可懸吊其它施工設備與管線，可適用于垂深80～100m左右的表土施工。

4.汽車起重機

汽車起重機是移動式的提升設備，機動靈活，不必另立井架，井口布置簡單。但它提升能力小，只能用于淺部的表土施工，常配以0.5～1m³的小吊桶，適用于深度不超過30m的井筒施工。

上述幾種提升設備的提升能力小，施工速度慢，安全性差。但其設備簡單，安拆方便，適用于表土承載能力低的淺部表土施工。

 

圖5-6  簡易龍門架	圖5-7  帳幕式井架
1－工字鋼；2、3、4、5－無縫鋼管骨架或支撐；6－吊桶	1－提升天輪；2－滑架；3－提升鉤；4－吊桶；5－拉條；6－方木；7－夾板；8－扁鋼拉板

當井口表土層條件允許、永久設備又能及時到貨時，可一次樹立永久井架，利用永久設備進行表土施工。它可省去臨時設備、設施的改裝時間，縮短施工工期。

(二)表土施工降水工作

井筒表土普通施工法中應特別注意水的處理，一般可采用降低水位法增加施工土層的穩定性。

1.工作面降低水位法

在不穩定土層中，常采用工作面超前小井或超前鉆孔兩種方法來降低水位。它們都是在井筒中用泵抽水，使周圍形成降水漏斗，變為水位下降的疏干區，以增加施工土層的穩定性。

 

圖5-8 工作面超前小井降低水位	圖5-9  工作面超前鉆孔降低水位
1－小鐵井；2－理想水位下降曲線；3－含水層；4－木盤；5－背板；6－井圈，7－吊掛井壁	1－吸水管；2－濾水管；3－棕皮麻繩； 4－碎石濾水層，a－兩臺水泵的合理間距

（1）工作面超前小井降低水位法  它是用小方木做成1.5×1.5m的方形筒或直徑為1.5～2.0m的鐵質圓形筒，用挖掘法或自重沉入土層中，筒的四周均有濾水孔槽，必要時可填入草袋，麻片等濾水物，用以防止周圍砂土隨水進入小井，吸入泵內，磨損水泵零件，見圖5-8。工作面超前小井的位置應與吊桶位置錯開，不要相互影響，并盡量靠近井筒中心。小井工作面一般超前井筒工作面1.5～2.5m以上。小井內吸水籠頭要經常注意清理。注意小井施工時土層的變化情況，并為大井施工提供資料。隨著井筒工作面的向下掘進、小井也要相應挖掘下沉，并保持井內及時排水。

（2）工作面超前鉆孔降低水位法  這種方法是在井筒偏中心位置，鉆兩個直徑為660mm的鉆孔至基巖，鉆孔間距相當于兩臺泵的合理間距。在鉆孔內下放濾水管，管外纏以棕皮、并加碎石用以濾水，如圖5-9所示。掘進時，工作面形成鍋底式或臺階式，每掘進1m將混凝土管打碎1m。吸水龍頭放在管內吸水，管內水平與工作面高差應大于0.5m。超前鉆孔的施工可采用地質鉆機，濾水管可采用1mm鋼板制作，也可用混凝土制作。注意鉆孔位置應和提升吊桶位置相互錯開，鉆孔應保證一定的垂直度。

工作面降低水位法由于超前小井或超前鉆孔降低水位的深度及范圍不大，故只適用于井筒斷面較小，厚度不大的不穩定土層，或作為表土施工方法的一種臨時降水措施。

2.井外疏干孔降低水位法

這種方法是在預定的井筒周圍打鉆孔，并深入不透水層，然后用泵在孔中抽水，形成降水漏斗，使工作面水位下降，保持井筒工作面在無水情況下施工進行施工，見圖5-10。

 

圖5-10  井外疏干孔降水法

1－井筒；2－疏干孔；3－地下水位線； 4－不透水層；5－理想水位下降曲線

井外疏干孔降水鉆孔直徑一般為100～250mm，可設3～6個，布置圈徑根據孔深及偏斜而定。要求鉆孔離井筒荒徑不小于2～5m，孔底應深入含水層以下3～10m，以便積存進入孔中的泥砂等物。

為防止鉆孔中的砂土進入泵內磨損零件及孔壁坍塌，疏干孔中需設置過濾器，表土層中常用的過濾器有以下兩類，一類是網狀或纏絲過濾器，另一類是礫石過濾器。

網狀或纏絲過濾器的基本結構如圖5-11所示，是由骨架、墊條、網子或金屬絲所組成，外面還焊有保護絲。骨架一般用鐵管打眼制成，眼孔一般為圓形，孔徑為10～20mm，成等邊或等腰三角形布置，孔隙率為20％～25％左右。墊條用直徑3mm的金屬絲為宜，其間距與過濾器外徑有關，以網子或纏絲不與管面接觸為原則。過濾網常為鋼絲或鐵絲網，網格最好按巖土顆粒累積百分含量確定（如細粒土可按累積百分含量達40％～60％的顆粒直徑決定）。這種過濾器型式適用于顆粒較大的礫石層或粗砂層。

 

圖5-11網狀過濾器	圖5-12  礫石過濾器
1－骨架；2－墊條；3－網子； 4－金屬保護絲	1－帶孔的疏干孔內套管；2－疏干孔外套管； 3－礫石過濾層

礫石過濾器為充填式礫石過濾器，如圖5-12所示。它是在雙層套管中間填入礫石組成。根據含水層的顆粒大小，礫石的粒徑可為1～20mm左右，對大顆粒巖土層，礫石也應選大顆粒的，這種過濾器直徑較大，鉆孔也相應加大，可適用于各種粒徑的土層。

井筒表土施工井外疏干孔降水常用深井泵或氣升泵（壓氣揚水器）排水。選擇深井泵的揚程應大于疏干深度，其排水能力不能小于單孔預計涌水量，泵的數量應考慮有10％～25％的備用量。這種泵因易進入砂土顆粒，零件磨損較大，運轉可靠性較差。

井外疏干孔降低水位法適用于透水性良好，含水豐富的含水層，巖土顆粒愈大，效果愈好。

五、表土普通施工方法的選擇

各種表土施工方法，都有各自的適用條件，而選擇施工方法最基本的依據是土層的性質。在不同的地質條件下，表土施工方法的選擇可歸納為下列幾點：

對于穩定土層，不論其埋藏條件如何，均可采用臨時支護的普通施工法；當采用短段掘砌時，可用吊掛井壁法。當工作面涌水在5～10m³/h時，應采用工作面超前小井降低水位，以增強工作面土層的穩定性。

對含水粗砂、砂礫和卵石層，其深度在百米以內，或淺部含有較薄的流砂層，都可用鉆孔降低水位法或工作面超前小井進行施工。

對于滲透性強、流動性小、水壓不大的砂層，或巖石風化帶，均可采用吊掛井壁法施工。

對于土層離地表在10～15m之內，厚度不超過4～6m，不含有粒徑大于50mm的礫石時，可用板樁法施工。

對于埋深不超過20m，厚度為2m左右的流砂層或淤泥層，且上下均有1.5m左右的穩定土層，可采用斜板樁施工法；其余可采用吊掛井壁，工作面配以超前小井降低水位法等綜合施工方法。

對于厚度為3～5m左右、水壓不大于0.1MPa、無大于100mm粒徑的礫石的流砂層或淤泥層，其底板有2m以上不透水的穩定土層時，可采用工作面沉井法通過，對其余土層采用吊掛井壁法施工。

對于裂隙較大，含水豐富的風化帶，可采用注漿法堵水封底。

對于深厚不穩定土層，一般要考慮表土特殊施工法。

對于穩定與不穩定的薄層交互賦存的土層，施工比較困難，宜全厚一并按不穩定土層來選擇施工方法。

由于各地土層情況變化很大，影響因素也多，在具體施工時，可根據上述原則，并參照鄰近地質條件相類同的礦區的施工經驗，靈活正確地選擇施工方法，安全可靠、快速經濟地通過表土層。

第三節  立井井筒表土特殊施工法

在不穩定表土層中施工立井井筒，必須采取特殊的施工方法，才能順利通過，如：凍結法、鉆井法、沉井法、注漿法和帷幕法等。目前以采用凍結法和鉆井法為主。

一、凍結法

凍結法鑿井就是在井筒掘進之前，在井筒周圍鉆凍結孔，用人工制冷的方法將井筒周圍的不穩定表土層和風化巖層凍結成一個封閉的凍結圈（圖5-13），以防止水或流砂涌入井筒并抵抗地壓，然后在凍結圈的保護下掘砌井筒。待掘砌到預計的深度后，停止凍結，進行拔管和充填工作。

凍結法鑿井的主要工藝過程有凍結孔的鉆進、井筒凍結和井筒掘砌等主要工作。

l.凍結孔的鉆進

為了形成封閉的凍結圈，先要在井筒周圍鉆一定數量的凍結孔，以便在孔內安設帶底錐的凍結管和底部開口的供液管。

凍結孔一般等距離地布置在與井筒同心的圓周上，其圈徑取決于井筒直徑、凍結深度、凍結壁厚度和鉆孔的允許偏斜率。凍結孔間距一般為l.2～l.5m，孔徑為200～250mm，孔深應比凍結深度大5～10m。凍結孔的圈數一般根據凍結深度來確定，表土較淺時一般采用單圈凍結，對于深厚表土可采用雙圈或三圈凍結。

 

圖5-13  凍結法鑿井示意圖

1－鹽水泵；2－蒸發器；3－氨液分離器；4－氨壓縮機；5－油氨分離器；6－集油器； 7－冷凝器；8－儲氨器；9－空氣分離器；10－冷卻水泵；11－節流閥； 12－去路鹽水干管；13－配液圈；14－凍結器；15－集液圈；16－回路鹽水干管； 17－井壁；18－凍結壁；19－測溫孔；20－水位觀測孔

2.井筒凍結

井筒周圍的凍結圈，是由冷凍站制出的低溫鹽水在沿凍結管流動過程中，不斷吸收孔壁周圍巖土層的熱量，使巖土逐漸冷卻凍結而成。鹽水起傳遞冷量的作用，稱為冷媒劑。鹽水的冷量是利用液態氨氣化時吸收鹽水的熱量而制取的，所以氨叫做制冷劑。被壓縮的氨由過熱蒸氣狀態變成液態過程中，其熱量又被冷卻水帶走。可見，整個制冷設備包括氨循環系統、鹽水循環系統和冷卻水循環系統三部分。

（1）氨循環系統

氣態氨在壓縮機中被壓縮到0.8～l.2MPa，溫度升高到80~120℃，處于過熱蒸氣狀態。高溫高壓的氨氣經管路進入氨油分離器，除去從壓縮機中帶來的油脂后進入冷凝器，在16～20℃冷卻水的淋洗下被冷卻到20～25℃而變成液態氨（多余液態氨流入貯氨器貯存，不足時由貯氨器補充）。

液態氨經過調節閥使壓力降到0.155MPa左右，溫度相應降低到蒸發溫度-25～-35℃。液態氨進入蒸發器中后便全面蒸發，大量吸收周圍鹽水的熱量，使鹽水降溫。蒸發后的氨進入氨液分離器進行分離，使未蒸發的液態氨再流入蒸發器繼續蒸發，而氣態氨則回到壓縮機中重新被壓縮。

（2）鹽水循環系統

在設有蒸發器的鹽水箱中，被制冷劑氨冷卻到-20～-25℃以下的低溫鹽水，用鹽水泵輸送到配液管和各凍結管內。鹽水在凍結孔內沿供液管流至孔底，然后沿凍結管徐徐上升，吸收周圍巖土層的熱量后經集液管返回鹽水箱，這種鹽水流動循環方式叫做正循環方式，其凍結壁厚度上下比較均勾，故常被采用。還有一種反循環方式，鹽水由原回液管進入凍結管緩緩下流，然后從原供液管返回集液管。反循環方式可加快含水層上部凍結壁的形成。

（3）冷卻水循環系統

用水泵將貯水池或地下水源井的冷卻水壓入冷凝器中，吸收了過熱氨氣的熱量后從冷凝器排出，水溫升高5～10℃。若水源不足，排出的水經自然冷卻后可循環使用。

3.凍結方案

井筒凍結方案有一次凍全深、局部凍結、差異凍結和分期凍結等幾種。一次凍全深方案的適應性強，應用比較廣泛。局部凍結就是只在涌水部位凍結，其凍結器結構復雜，但是凍結費用低。差異凍結，又叫長短管凍結，凍結管有長短兩種間隔布置，在凍結的上段凍結管排列較密，可加快凍結速度，使井筒早日開挖，并可避免下段井筒凍實，影響施工速度，浪費冷量。分期凍結，就是當凍結深度很大時，為了避免使用過多的制冷設備，可將全深分為數段（通常分為上下兩段），從上而下依次凍結。

凍結方案的選擇，主要取決于井筒穿過的巖土層的地質及水文地質條件、需要凍結的深度、制冷設備的能力和施工技術水平等。

4.凍結段井筒的掘砌施工

采用凍結法施工，井筒的開挖時間要選擇適時，即當凍結壁已形成而又尚未凍至井筒范圍以內時最為理想。此時，既便于掘進又不會造成涌水冒砂事故。但是很難保證處于理想狀態，往往整個井筒被凍實。對于這種凍土挖掘，可采用風鎬或鉆眼爆破法施工。

凍結井壁一般都采用鋼筋混凝土或混凝土雙層井壁。外層井壁厚度為400～600mm左右，隨掘隨進行澆注。內層井壁厚度一般為500～1000mm左右，它是在通過凍結段后自下向上一次施工到井口。井筒凍結段雙層井壁的優點是內壁無接茬，井壁抗滲性好；內壁在消極凍結期施工，混凝土養護條件較好，有利于保證井壁質量。

二、鉆井法

鉆井法鑿井是利用鉆井機（簡稱鉆機）將井筒全斷面一次鉆成，或將井筒分次擴孔鉆成。我國目前采用的多為轉盤式鉆井機，其類型有ZZS-l、ND-l、SZ-9/700、AS-9/500、BZ-l和L40/800型等。圖5-14為我國生產的AS-9/500型轉盤式鉆井機的工作全貌。

鉆井法鑿井的主要工藝過程有井筒的鉆進、泥漿洗井護壁、下沉預制井壁和壁后注漿固井等。

l.井筒的鉆進

井筒鉆進是個關鍵的工序。鉆進方式多采用分次擴孔鉆進，即首先用超前鉆頭一次鉆到基巖，在基巖部分占的比例不大時，也可用超前鉆頭一次鉆到井底；而后分次擴孔至基巖或井底。超前鉆頭和擴孔鉆頭的直徑一般是已固定的，但有的鉆機（如BZ-l鉆機）可在一定范圍內調整鉆頭的鉆進尺寸。這樣就可以選擇擴孔的直徑和次數。選擇的原則是，在轉盤和提吊系統能力允許的情況下，盡量減少擴孔次數，以縮短輔助時間。

鉆井機的動力設備，多數設置在地面。鉆進時由鉆臺上的轉盤帶動六方鉆桿旋轉，進而使鉆頭旋轉，鉆頭上裝有破巖的刀具可進行旋轉破碎巖石。為了保證井筒的垂直度，一般都采用減壓鉆進。即將鉆頭本身在泥漿中重量的30％～60％壓向工作面，使得刀具在鉆頭旋轉時可破碎巖石。

2.泥漿洗井護壁

鉆頭破碎下來的巖屑必須及時用循環泥漿從工作面清除，使鉆頭上的刀具始終直接作用在未被破碎的巖石面上，提高鉆進效率。泥漿由泥漿池經過進漿地槽流入井內，進行洗井護壁。壓氣通過中空鉆桿中的壓氣管進入混合器，壓氣與泥漿混合后在鉆桿內外造成壓力差，使清洗過工作面的泥漿帶動破碎下來的巖屑被吸入鉆桿，經鉆桿與壓氣管之間環狀空間排往地面。泥漿量的大小，應保證泥漿在鉆桿內的流速大干0.3m/s，使被破碎下來的巖屑全部排到地面。泥漿沿井筒自上向下流動，洗井后沿鉆桿上升到地面，這種洗井方式叫做反循環洗井。

 

圖5-14  鉆井機及其工作全貌

1－天車；2－鉆塔；3－吊掛車；4－游車；5－大鉤；6－水龍頭； 7－進風管；8－排漿管；9－轉盤；10－鉆臺；11－提升鋼絲繩； 12－排漿槽；13－主動鉆桿；14－封口平車；15－鉆桿；16－鉆頭； 17－二層平臺；18－鉆桿行車；19－鉆桿小吊車；20－鉆桿倉

泥漿的另一個重要作用，就是護壁。護壁作用，一方面是借助泥漿的液柱壓力平衡地壓，另一方面是在井幫上形成泥皮，堵塞裂隙，防止片幫。為了利用泥漿有效地洗井護壁，要求泥漿有較好的穩定性，不易沉淀；泥漿的失水量要比較小，能夠形成薄而堅韌的泥皮；泥漿的粘度在滿足排渣要求的條件下，要具有較好的流動性和便于凈化。

3.沉井和壁后充填

采用鉆井法施工的井筒，其井壁多采用管柱形預制鋼筋混凝土井壁。井壁在地面制作。待井筒鉆完，提出鉆頭，用起重大鉤將帶底的預制井壁懸浮在井內泥漿中，利用其自重和注入井壁內的水重緩慢下沉。同時，在井口不斷接長預制管柱井壁。接長井壁時，要注意測量，以保證井筒的垂直度。在預制井壁下沉的同時，要及時排除泥漿，以免泥漿外溢和沉淀。為了防止片幫，泥漿面不得低于鎖口以下1m。

當井壁下沉到距設計深度l～2m時，應停止下沉，測量井壁的垂直度并進行調整，然后再下沉到底，并及時進行壁后充填。最后把井壁里的水排凈，通過預埋的注漿管進行壁后注漿，以提高壁后充填質量和防止破底時發生涌水冒砂事故。

三、沉井法

沉井法是在不穩定含水地層中開鑿井筒的一種特殊施工法，屬于超前支護的一種方法，其實質是在井筒設計位置上，預制好底部附有刃腳的一段井筒，在其掩護下，隨著井內的掘進出土，井筒靠其自重克服其外壁與土層間的摩擦阻力和刃腳下部的正面阻力而不斷下沉，隨著井筒下沉，在地面相應接長井壁，如此周而復始，直至沉到設計標高。這種鑿井方法稱為沉井法。

沉井法是由古老的掘井作業發展完善而來的施工技術。隨著現代化施工機械和施工工藝的不斷革新，沉井技術也日新月異。沉井法施工工藝簡單，所需設備少，易于操作，井壁質量好，成本低，操作安全，廣泛應用于許多地下工程領域，如大型橋墩基礎、地下廠房、倉庫、車站等。目前在礦山立井井筒施工中普遍以采用淹水沉井施工技術為主。

 

圖5-15  淹水沉井法施工示意圖

1－井架；2－套井；3－觸變泥漿；4－沉井井壁； 5－壓風管；6－壓氣排液器；7－吸泥管； 8－排渣管；9－高壓水管；10－水槍

1.淹水沉井

淹水沉井是利用井壁下端的鋼刃角插入土層，靠井壁自重、水下破土與壓氣排渣克服正面阻力而下沉。邊下沉邊在井口接長井壁，直到全部穿過沖積層，下沉到設計位置。

淹水沉井施工如圖11-12所示，首先施工套井，然后在套井內構筑帶刃腳的鋼筋混凝土沉井井壁。套井的深度是由第一層含水層深度決定的，一般取8～15m。套井與沉井的間隙，一般取0.5m左右。

當鋼筋混凝土沉井井壁的高度超出地面高度后，用泵通過預埋的泥漿管將泥漿池中的泥漿壓入沉井壁后形成泥漿隔層和泥皮。泥漿和泥皮起護壁潤滑作用，同時減小了沉井下沉的摩擦阻力。沉井內充滿水以達到平衡地下水靜水壓力的目的，防止涌沙冒泥事故的發生。

淹水沉井的掘進工作不需用人工挖土，而是采用機械破土。通常可用鉆機和高壓水槍破土，壓氣排渣。在井深不大的礫石層和卵石層中，也可采用長繩懸吊大抓斗直接抓取提到地面的破土排渣方法。

采用這種施工方法，在我國的最大下沉深度已達到192.75m。日本利用壓氣代替泥漿，采用壁后充氣的淹水沉井法，最大下沉深度已達到200.3m。

2.普通沉井

當不穩定表土層厚度不超過30m時，也可以采用普通沉井法。此法在沉井外不用泥漿護壁，沉井內不充水，工人在沉井的保護下在井內直接挖土掘進。隨著挖土工作的進行，井壁借自重克服正面阻力和側面阻力而不斷下沉。隨著沉井的下沉，在地面不斷接長沉井井壁。在沉井的下沉過程中，要特別注意防偏和糾偏問題，以保證沉井的偏斜值在允許的范圍內。

當淹水沉井或普通沉井下沉到設計位置，井筒的偏斜值又在允許范圍內，應及時進行注

漿固井工作，防止繼續下沉和漏水。注漿前，一般需要在工作面澆注混凝土止水墊封底，

防止冒砂跑漿。如果刃腳已插入風化基巖內，也可以不封底而直接注漿。注漿工作一般

是利用預埋的泥漿管和注漿管向壁后注入水泥或水泥－水玻璃漿液。套井與沉井之間的

間隙，要求用毛石混凝土充填。

在不穩定表土層中施工立井井筒還可以采用注漿法、帷幕法以及其它特殊施工技術。井筒表土施工方法的選擇最基本的依據是土層的性質及其水文地質條件，采用特殊施工法，表土施工的工期長、成本高，但適應性強。一般應根據實際條件，靈活正確地選擇施工方法，以保證安全可靠、快速經濟地通過表土。