第三、第四章：钻井、沉井法.doc

第三章 钻井法施工
钻井法是钻头刀具破碎岩石，用泥浆技能型洗井护壁和排渣，当井筒钻至设计直径和深度后，再进行永久支护的一种机械化凿井方法。
我国第一口煤矿钻井是69年元旦开始在淮北矿物局朔里南风井，（φ4.3m，H90m）
1984年在济西西风井钻井直径9,深度508.2m井筒。
钻井法所用机械——钻机：
国产：AS—9/500，洛阳矿山机械厂生产
国外：西德维尔特公司L40/80型，φ4m，φ8m，＝1000m，美国休斯公司生产钻头
一、工艺流程
立井钻机凿井的施工液分为三个基本工艺流程，即钻进，洗井，和支护。
1、钻进——钻机以钻头刀具连续破碎岩石，钻成井筒空间的工艺过程大直径井筒钻进，因受钻机设备能力的限制，多采用分级扩孔方式，即先钻进一个直径较少的超前钻孔至设计深度，然后再分数次逐级扩孔钻进到设计直径，φ3.0m，φ5.5m，φ9.0m。
2、洗井——泥浆

钻井过程中破碎下来的岩渣，用循环泥浆 压入地面——洗井，因泥浆充填整个井筒，还起到维护井帮的稳定作用，还可以冷却钻头的作用。
3、支护——当井筒钻进到设计直径和深度，完成全部钻井工作之后，将地面预制好的井筒移至井口，在泥浆中漂浮下沉井壁，最后再进行壁后注浆充填等工作。
二、钻井设备——以钻机为主体，分刀具，旋转，提吊，和洗井四大功能系统。
1、钻具系统——钻头，钻杆

钻头——由刀具，刀盘，中心管，加重块，
稳定器等部分组成。
钻杆——用以提吊钻头，传递扭矩作为输送
压气，循环泥浆和排出岩渣的通道。
2、旋转系统——产生和传递扭矩，使钻具旋转，钻头破岩的系统。
由转盘，主动钻杆组成。
转盘——在直流电机或液压马达驱动下，产生扭距，使钻头旋转，
主动钻杆——称为钻杆，安装在钻具的最上部，上与水龙头连接，下与一般钻杆连接，将转盘产生扭矩传递给钻杆。
3、提吊系统——由钻塔，绞车，复滑轮组，大钩等组成。
用于提吊起升和下下放钻具，支护时用于提吊下放井壁。
4、洗井系统——洗井系统，在钻井过程中，起到循环泥浆，冲洗井底和排除岩渣的作用，主要用水龙头，压气排液器等组成。
三、几点提示
1、泥包钻头——粘土层中钻进，切削下来的土石体及时排除，黏糊在钻头，刀具，刀盘上的现象，处理很麻烦，一般提钻到地面，由高压水冲洗。
2、减压钻进——为保证钻井的垂直度，使钻头处于半悬吊状态钻进，只有部分重量作用于工作面岩石上，这一钻进成减压钻进。
钻头重量的40～60％作用于岩石上。
4、井内落物——钻进过程刀具脱落，钻杆折断，钻头及风管等落井事故时有发生，应根据故障状况，选用夹具打捞工具及时打捞清除。
84年谢桥东2风井，钻杆折断，钻头调入井内，打捞6个月。
5、井壁预制——钻进同时在地面进行，量很大，井壁安装在井口进行，井壁为圆柱形钢筋混凝土或钢板钢筋混凝土结构。
6、下沉井壁——壁后注浆固井。
反井钻井—LM—200钻机

第四章 沉井法施工
§1、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壁，在其掩护下，随着开挖井内的掘进出土，井筒靠自重克服外壁与土层间的摩擦阻力和刃脚下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，直到沉到设计标高。

在地面上已浇沉井法 下沉时的沉井 沉井下沉到设计标高 封底后的沉井
沉井是修筑地下工程和深埋基础时，由古老的掘井作业发展而成的一种施工方法随着现代化施工机械和施工工艺的不断革新，沉井已逐步发展成为各类土层内，各种深埋地下工程构筑物维护结构的常用形式。为增加建井深度，出现了多级沉井，为减少壁后侧面阻力，曾用过河卵石沉井震动沉井，泥浆沉井，为防止涌砂冒泥，用过淹水沉井。
近几年来，由于沉井施工技术的不断发展，使沉井深度不断加大，煤矿沉井深度已达192.78m，曲阜单家村煤矿，沉井直径不断扩大，圆形沉井直径已达68m，平均面积约3600余m2，方形沉井为40×40m，面积约1600 m2。
一、沉井分类
（一）按平面形状划分：
沉井基本的平面形状为圆形或矩形两类。
1、圆形沉井
圆形沉井分单孔沉井，双壁沉井，及多孔沉井。

单孔沉井 双壁沉井 多孔沉井
这种沉井的受力情况好。
2、矩形沉井
矩形沉井又分为单孔、双孔及多孔沉井，

单孔沉井 双孔沉井 多孔格沉井
受力差，单建筑面积较圆形沉井更能得到合理利用。
（二）按竖直剖面划分
柱形，外壁阶梯形，内壁阶梯形。

柱形沉井 外壁单阶梯形沉井 外壁多阶梯形 内壁多阶梯形
1、柱形沉井——沉井井筒上下尺寸相同，优点：沉井下沉过程中，对沉井周围的土体扰动小，可较少沉井周围土方的坍塌，缺点：深度很深时，需把井壁做的很后，已增加重量助沉，不经济。
2、外壁阶梯形沉井——优点：可减少井壁与土之间的摩阻力，并可向台阶以上形成的空间内压送触变泥浆，缺点：不压送触变泥浆，沉井下沉时，对周围土体的扰动大。
因越接近地面，作用在井壁上的水，土水压力越小，为节省材料，井壁可逐段减荷。
3、内壁阶梯形沉井——当沉井附近有永久性建筑物时，为了减少沉井四周土体的扰动和坍塌，或因土质较软和沉井井壁自重较大，为了保持井壁与土之间的摩阻力，避免下沉速度过快，同时为了节省材料，需逐段减薄井壁，将阶梯设于井壁内侧。
二、沉井的一般结构
沉井的构造主要有：刃脚，井壁等组成。
1、刃脚——沉井井壁最下端作为刀刃状，故称作刃脚，其功用在于使沉井下沉时，建超土的阻力。
刃脚下面有一水平的支承面，称为刃脚踏面，踏面宽为b＝20～30cm，刃脚的侧面轮廓呈直角梯形，其倾斜角α≥45°，全平面高度h视井壁厚度而定。

一般采用角钢刃脚结构。
2、井壁——井壁厚度除考虑沉井结构强度和刚度需要外，应根据沉井能在足够的自重下顺利下沉的条件确定，一般先假设井壁厚度，然后进行配筋计算。
3、隔墙——根据使用和结构上的需要，在沉井井筒内可设置隔墙。
大型沉井往往不仅设置多道横向隔墙，同时液设置纵向隔墙，隔墙可以减少外井壁的受力计算跨度，增加下沉时的刚度。
4、井孔——沉井内设置了隔墙或竖向框架形成的柱子称为井孔，井孔尺寸除根据工艺要求外，从施工需要其宽度一般不宜小于3m。

§2、沉井制作
一、筑岛
在实际施工中，除在陆地上施工沉井外，还有在崖边或江心修建的泵房，桥梁墩台等沉井，在岸边或水深较浅时多采用人工筑岛，然后在岛面上制作沉井。
人工筑岛宜采用中砂，粗砂或砂夹砾石。
1、筑岛的高度H
筑岛的岛面高度，应从沉井开始制作到沉井开始下沉，这段施工期内可能出现的最高水位，高出0.5m以上，

式中：H——土岛总高度,m，Hˊ——土岛的实际填筑高度，m
G——沉井下沉前的自重，t，A——筑岛顶面的面积，m2
q——单位面积上施工活荷载，t/m2(堆放机械设备工具和人员的活荷载)，
1.7——土的容重，t/m3
2、岛面的护道宽度b

其中：——水中填土的内摩擦角。
有围堰时，b>1.50m,无围堰时，b>2.0m。

围堰筑岛 无围堰筑岛
3、筑岛分类
土岛，草袋围堰筑岛，板桩围堰筑岛等
①土岛——一般宜在水深较浅且流速不大时采用，水中边坡的坡度不应陡于1：2。
②草袋围堰筑岛——用草袋填装砂或土先堆围堰，然后再在围堰内填砂筑岛。

粘土心强的厚度一般为0.5～1.0m，堰顶宽度一般为2～2.5m。
水深<3.5m，流速在1～2m/s时采用。
③板桩围堰筑岛——在水深流急的河道中，因直接填筑土岛或草袋围堰困难时，可用板桩围堰筑岛。
板桩多为钢板桩，板桩一般在水上用打桩船施打。
二、基坑及砂垫层
1、基坑——陆地沉井时，应首先根据图纸技能型定位放线工作，并在沉井前开挖基坑，使沉井第一节井壁在基坑内制作。
基坑底部的平面尺寸，一般比沉井的平面尺寸大一些，即在沿井四周各加宽一根垫木长度以上，以保证垫木在必要时，能向外抽出，基坑开挖深度，视水文地质条件而定，一般1～
2m。
2、砂垫层——当沉井第一节制作高度较大时，因重量大，故常沿井壁四周边刃脚下铺设承垫木，以加大支承面积，当采用承垫木施工时，为了便于整平，支撑及下沉时抽出承垫木的需要，需在承垫下分铺设砂垫层。
①砂垫层的厚度计算
砂垫层厚度，视沉井的重量和地基土的承载力而定：

式中：——砂垫层厚度，m
——沉井单位长度重量，t/m
P——地基土承载力，t/m2
——承垫木长度，m
②砂垫层宽度
宽度应不小于井壁内外侧各有一根承垫木长度，
B≥b+2

式中：b——刃脚踏面宽度，m，b＝20～30cm
——承垫木长度，m

三、铺承垫木或无承垫木施工
沿井制作时是否需要铺设承垫木，应根据有关地基土的允许承载力和沉井第一次浇灌混凝土时冻结构重量确定。
1、有承垫木施工
当沿井制作高度较高，结构自重较大，而地基土又很差时，为了使沉井自重扩散道砂垫层及地基土上时，可考虑使用承垫木，以较少沉井对砂垫层及下卧层单位面积上的压力。
承垫木常用铁路上的标准枕木，规格16×22×250（厚×宽×长）。

2、无承垫木施工
为节约木料，并加快工程进度，特殊时，对于分节制作，一次下沉的沉井。由于沉井自重较大，承垫木的材料强度，往往不能满足，这时多采用无承垫木沉井，而在砂垫层或地基上，先铺一层素混凝土垫层，其厚度一般为5～15cm，因太薄，容易压碎，太厚对沉井下沉不利。

式中：h——混凝土垫层厚度，m
——沉井第一节单位长度重量，t/m
R——砂垫层的允许承载力，10t/m2
b——刃脚踏面的宽度，m

§3、沉井下沉
沉井下沉主要是通过从沉井内用机械或人工方法均匀除土，消除或减少沉井刃脚下的正面阻力，有时也同时采用减少井壁外侧的摩阻力的办法，使沉井依靠自身重量逐渐低从地面沉入地下。
沉井下沉的施工方法有：机械抓土人工配合或人工挖土的排水明挖法下沉。
一、抽除承垫木
抽除承垫木是沉井下沉施工中关键的工序之一，此项工作突击性大，劳动强度高，不论沉井大小，一般均要求在2～4小时内全部抽除。
抽除承垫木时，应保证沉井下沉的均匀性，并使其下沉量最小，一般采用间隔抽除法，先抽沉井四角，再抽跨中，应向沉井外侧抽除为宜，并在抽除同时，向井内回填砂土，使沉井稳定。
二、沉井排水及人工挖土下沉
当沉井所穿过的土层透水性较差，渗水量不大，或虽然沉井所穿过的土层透水性强，渗水量大，但排水不致产生流砂现象时，应采用将沉井内积水排干，采用明挖法下沉。
劳动条件好，挖土准确，下沉速度均衡，若土层中有障碍物易于发现和清除，沉井发生偏斜也易于纠偏， 应尽量采用此法。
沉井排水，分井内排水和井外降水，井内排水是用各种类型水泵从井内抽水，井外降水主要采用井点降水以降低附近区域的地下水位，使沉井锅底无水。
1、井外降水——在井外四周开挖小型水井，以降低地下水位的方法。

2、井内排水
当含水层为均质土层时，沉井内深水量计算
Q＝kHvq
式中：Q——沉井井内深水量，m3/h
K——渗透系数， m/h,
粘土K<0.1，
含粘土细砂，K＝10～15
含粘土中砂，K＝20～25
含粘土粗砂，K＝25～50
纯粗砂，K＝60～75
H——地下水位在沉井底的深度，m
V——刃脚周长
q——单位渗流量
当含水层为非均质土层时，仍用上式，但K值应为各土层渗透系数的加权平均值。

式中：、——各层土的渗透系数与厚度。
选排水设备时，宜选用1.5Q排水能力，
Q<20m3/h 手压或潜水泵
Q＝20～60m3/h 潜水泵或离心泵
Q>60m3/h 多台潜水泵或离心泵
3、人工挖土
当承垫木抽除后，即可准备下沉沉井，这时沉井井壁四周无序受力，沉井的下沉系数很大，刃脚下面回填砂一旦挖除，沉井立即下沉。下沉中随侧面摩擦力的增加，下沉速度越来越慢，需挖土来促使下沉，挖土应采用对称分层下挖。

在软土中下沉 较坚硬的土层中下沉 坚硬土层中下沉
三、机械挖土下沉
沉井机械挖土下沉，多采用履带吊车和抓铲。
1、抓铲机械
W1—100型；W1—50型；抓斗容积分别为1.0 、0.5 m3

四、水力机械下沉
在沉井下沉施工中，实现水力机械化，即用高压射水冲碎土层后，用水力吸泥机将泥浆及土的碎块排出井外，使沉井下沉。

§4、沉井封底
当沉井下沉到设计标高，待其基本稳定以后，即可进行沉井的封底工作。封底分干封底和水下封底两种。
1、排水施工时的干封底
当采用明挖法施工时，沉井至设计标高后，为了确定沉井稳定，防止日后继续下沉，应进行封底工作。封底前，应在工作面设置集水井，以排除井内集水。并铺设碎石滤水层，然后浇注混凝土封底。

2、不排水施工时的水下封底
当采用不排水沉井时，可采用垂直导管线浇注水下混凝土封底。
施工时，在井内垂直放入数根φ200～300mm钢制导管，管底距井底土面30～40cm，浇注时，要求导管底部始终插入混凝土内，随着浇注，随拔导管，当混凝土厚度达到设计要求时，将上面混凝土铺平，结束沉井工作。
对于泥浆沉井封底后，还需对井壁与土层间进行注浆充填工作。
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