地下工程特殊施工技术研究

地下工程特殊施工技术研究

李坤鹏王警闫振伟

山东科技大学山东青岛266590

摘要：介绍复杂地层中地下工程特殊施工技术的进展和研究状况。在较浅表土和软岩以隧道工程、地铁工程为重点，深厚表土层中竖井工程为重点，介绍冻结法、钻井法、注浆法的科技成果。简介世界上一些著名的地下工程，展望特殊施工技术发展和应用前景。

关键词：地下工程；特殊施工技术；井巷工程

引言

复杂地层泛指不稳定的表土层和稳定的但裂隙发育的含水层。在这些地层中用常规技术建设地下工程常发生顶板、侧帮垮塌，涌砂冒泥，或大量涌水淹设工作面等事故，因此必须采用特殊施工技术（常称“特殊施工技术”或“特殊凿井”）。

对于深表土层或地压、水压较大的地层只能用改变客观条件类和机械破岩类施工技术，即人工冻结法和钻井法，在稳定的裂隙岩层中多用注浆法和冻结法。工程实践中可知，对地下水防涌效果好，对地层扰动小的特殊施工技术就愈有效，可靠性也高。考虑到煤矿复杂地层中的井巷工程多数处于深厚表土层，深部破碎地层与深风化带中，主要施工技术选择的是冻结法、钻井法以及注浆法，故该三项技术作为论述的重点。

1人工冻结法

采用人工制冷的方法，在进行地下工程掘进之前，地下工程的周围岩土需要冻结为冻土结构——冻结壁，该结构为封闭的，其作用为承受地压，防止地下水或沙石的涌入，采用冻结壁的保护效果辅助掘进与支护的施工方法称为人工冻结法。正是由于冻结壁的产生和存在，也带来一系列的新课题。40余年的工程经验和科技研究的进展，可分为三个阶段。

第一阶段从引进冻结法凿井至70年代，其特点是引用、学习、推广。这期间冻结法凿井多用于深200m以内的较浅表土层中（除河北省邢台矿外），对冻结壁的认识基本上是弹性的、小变形的、均质的圆筒状的人工冻土结构物。除施工后自然融化外，其余均与普通地层中井筒井壁施工相似。

第二阶段从70年代初开始，在淮南、淮北等矿区进行的大规模开发。深厚表土层覆盖这些矿区，表土段施工主要用冻结法和钻井法，由于表土层深厚、复杂、地压大，按计算所得冻结壁厚度在6～12m，甚至更大，而人们主观概念希望冻结壁厚度减小在4～6m。为在理论上找到依据，或加大冻土强度值，或采用第四强度理论，或采用前苏联学者维亚洛夫教授和扎列茨基教授把冻结壁作为理想弹塑性体的计算方法，希望冻结壁厚度计算值与以往经验值相近。工程实践中，由于冻结壁薄造成冻结壁径向变形加大，致使外层井壁在凿井中被压坏，或引发冻结管断裂造成盐水漏失致使冻结壁局部破坏，工作面上鼓严重，这些都严重影响工程进展和安全，甚至造成重大工程事故使工程失败，工程实践中认识到：简单的引用弹性或弹塑性理论，再作若干假设后求解的方法，不能反映工程客观实际，因而也不能解决工程问题。

此外，北京建井研究所还完成了无盐水冻结的研究、塑料供液管的研究、液氮冻结的研究、青海木里永冻土区煤田开发可行性的研究、移动式制冷机组的研究等。为了检测冻结效果，60年代北京建井研究所研制铜—康铜热电偶代替了落后的传统测试方法，80年代又研制成55第25卷第2期煤炭科学技术1997年2月功DSC-1型冻结壁声波检测仪及CWD-3型冻结壁温度采集与处理装置。

2钻井法

钻井法是用机械能破岩，利用流体静压保持岩帮稳定，借助流体循环清除岩屑，然后在流体中下放地面预制的支护的凿井法。它使地下作业地面化，凿井工程全面机械化。

1969年在淮北矿区朔里矿南风井试验钻井法凿井获得成功，之后该凿井法主要用于极硬岩中钻井和厚表土层中钻井。为地下核试验需要研制了在极硬岩（抗压强度180～240MPa）中钻大直径深井的钻井机，我国科技工作者自立更生攻克极硬岩钻进关，完成工艺流程试验和钻井参数试验研究，设计制造了极硬岩钻机，使用效果良好。填补了国内在极硬岩钻井的空白，技术水平跻身世界3强之列（美国、中国、前苏联）。钻井技术在民用中主要应用于厚表土层中煤矿建井。

至今用钻井法钻凿井筒50余个。最大钻进直径9.3m（淮南矿区谢桥矿西风井），最大成井直径7m（淮南矿区谢桥矿西风井，潘集三矿西风井等），最大钻井深度达508.2m（淮南矿区潘集三矿西风井，钻进直径9m）。钻井法的应用和发展与国防建设、矿山建井工程需要、机械制造工业水平的发展密切相关。我国先后设计不同性能钻机十余种。成熟的有SZ9/700型、AS—9/500型等。购进德国钻机L—40/800型。在极硬岩钻具和表层钻具研制、洗井系统和洗井液的制备与性能调控、护壁技术以及洗井液的固化处理技术都取得突破性进展，达到或接近国际先进水平。井壁地面预制、移运和在井口连接、下沉技术、壁后充填技术均日臻完善。

90年代以来，北京建井研究所致力于将钻井法凿井技术应用于解决城建、交通、水电等领域的技术难题，在桩基工程、软地基加固工程等方面都达到较高的水平。近年来组织完成了近5000m的反井工程，创造并保持着三项国内第一，即最深的直反井（直径1.4m、深316m）；最深的斜反井（直径1.4m、深240m、倾角50）；在300m深的冻结井筒内第一次穿过95m冻结段，钻成260m深直井。同时，成功地将反井技术与注浆技术结合起来，在北京十三陵抽水蓄能电站施工中起到了决定性的作用。并将研究所开发研制的反井钻机及工艺参与国际竞争，为土耳其硬煤公司成功地完成11个反井工程。

3注浆堵水与加固技术

注浆技术中主要问题是：①浆液中颗粒较大，对细裂缝不能注入；②注浆泵压力有限，至使浆液扩散范围达不到预期位置；③浆液固结后结石率低、充堵效果差；④浆液凝固时间不可控，影响该技术效果的发挥。50年，来科技工作者作了大量工作，取得丰硕成果。

a）浆液材料由单一成分的水泥浆或粘土浆发展到多种材料配制，因而改变了浆液性能适应工程要求。特别是凝结时间可调控，结石率提高到60%以上，甚至可达100%。

b）浆液材料由细颗粒（水泥、粘土）进展到溶液材料（俗称“化学浆液”）。例如MG—646，其粘度与水相同，即水可渗到之处浆液就可以注到其位，且结石率接近100%。这种浆液一般用在细裂缝或表土层中。属于这类浆液的还有：水泥—水玻璃浆、脲醛（尿素—甲醛）、聚氨酯（即氰凝）浆液等。

c）为适应注浆工艺需求研制YSB—300/20型注浆泵，2MJ—3m3/4MPa隔膜计量泵，专用混合器和止浆塞等专用设备。

在化学浆液方面北京建井研究所研制成功了丙烯酰胺类浆液，即MG-646化学浆液、尿醛树脂类、糠醛树脂类、聚氨脂类等浆液。为浅部含水砂层、壁内或壁后为流砂层条件下的注浆堵水工程探索出一条新路。

4巷道掘进方面特殊施工技术

北京建井研究所已经从事近40多年的岩巷掘进机械设备及相关检测仪器、仪表的研究。早在50年代就列项研究电动凿岩机，先后研制了巷道支架上梁机、风动凿岩机、斜井装岩机、平巷装岩机等。从1980年开始进行岩巷掘进机械化研究，随后，一直承担“六五”国家科技攻关项目，“七五”煤炭部重点项目，“八五”国家科技攻关项目，研制出了装岩机、钻车、胶带转载机等岩巷主要施工设备，并在系列化方面取得了长足进展，ZC系列装岩机已开发出6种型号。此外还承担了减速器、装岩机底盘、密封润滑履带、装岩机专用电机、凿岩机等元部件攻关任务。

在检测仪器仪表方面，研制了真空开关开距超程检测仪，ZCT-1、ZCT-2真空接触器综合测试台，真空接触器综合参数计算机采集系统。“侧卸装岩机履带行走部的研究”、“ZC3型侧卸装岩机的研制和密封润滑履带攻关”，获煤炭部科技进步二等奖。“以侧卸装岩机为主的岩巷机械化作业线”等获部科技进步三等奖。

5结论

综上所述，地下工程特殊施工技术研究正在日趋成熟，各种施工方法层出不穷，在施工过程中，应结合不同施工现场的情况进行选择性使用，各种方法结合性高，并且已经在之前的很多工程中的到广泛应用，优势和不足的情况都可以在之前的实例中获得，因此这些地下特殊施工技术应用范围会更加广泛和成熟。

参考文献：

[1]中国矿业学院.特殊凿井[M].北京：煤炭工业出版社，1981.

[2]路耀华，崔增祁.中国煤矿建井技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.

[3]崔广心.深厚表土层中的冻结壁和井壁[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998.

[4]崔广心.关于冻结壁几个问题的探讨[A].地层冻结工程技术和应用———中国地层冻结工程40年论文集[C].北京：煤炭工业出版社，1995.