牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道破裂治理方案研究

王炳文,李文臣,葛 震,劉小龍

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

冀中能源張礦集團(tuán)牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道工程坐落在山坡人工填土地基之上，由于工程設(shè)計(jì)前未進(jìn)行地質(zhì)勘察，施工時(shí)又未對(duì)填土地基及時(shí)進(jìn)行處理，風(fēng)道磚砌墻體出現(xiàn)嚴(yán)重變形和開裂，導(dǎo)致風(fēng)道漏風(fēng)，影響風(fēng)井正常使用功能。雖采取外墻鉚掛鋼絲網(wǎng)噴漿、內(nèi)設(shè)矩形工字鋼支架等措施對(duì)回風(fēng)道墻體進(jìn)行修復(fù)和加固，但收效甚微，墻體破壞加劇。為此，牛西礦委托有關(guān)單位對(duì)該礦風(fēng)井回風(fēng)道工程進(jìn)行治理。

1 工程概況

牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道基礎(chǔ)，采用MU10普通燒結(jié)磚和M7.5水泥砂漿砌筑，下設(shè)規(guī)格為370×240D的圈梁。回風(fēng)道墻體采用無(wú)配筋磚砌體結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)33.2m ，其中坡面段長(zhǎng)14.2m、平面段長(zhǎng)19.0m，外形尺寸3.64m×4.82m，凈斷面2.9m×2.9m，回風(fēng)道內(nèi)地面以上凈高2.90m。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總長(zhǎng)25.0m，寬11.5m，鋼混框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)標(biāo)高為-5.27m。工程地質(zhì)鉆孔資料表明，風(fēng)井場(chǎng)地地表以下6.6～12.7m均為凝灰?guī)r回填土。這部分回填土主要來(lái)自風(fēng)井基建過(guò)程中排出的碴石和地表剝離物，具有結(jié)構(gòu)松散、組成成分不均勻、欠固結(jié)、承載能力低、變形量大等特點(diǎn)。

2 風(fēng)道破裂機(jī)理分析

地表移動(dòng)觀測(cè)和沉降變形分析表明，導(dǎo)致回風(fēng)道墻體開裂破壞的原因主要有三方面[1]。

1) 填土地基的不均勻沉降變形。牛西礦風(fēng)井場(chǎng)地屬山區(qū)地貌，回風(fēng)道基礎(chǔ)坐落于人工填土地基之上，填土層厚且埋深差異大。隨著服務(wù)時(shí)間增長(zhǎng)，填土固結(jié)將導(dǎo)致風(fēng)道地基發(fā)生不均勻沉降變形。此外，山區(qū)地表水下滲，使填土長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，還將發(fā)生附加的濕陷變形。回填土的固結(jié)沉降變形和濕陷變形將引起填土地面大面積下沉，當(dāng)不均勻沉降量過(guò)大時(shí)，將導(dǎo)致風(fēng)道墻體變形而產(chǎn)生附加應(yīng)力。當(dāng)附加應(yīng)力超過(guò)砌體結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，回風(fēng)道磚砌墻體出現(xiàn)裂縫。

2) 回風(fēng)道磚砌墻體結(jié)構(gòu)剛度不足。回風(fēng)井風(fēng)道墻體采用無(wú)配筋磚砌體結(jié)構(gòu)，抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度弱，對(duì)地基不均勻沉降敏感。此外，風(fēng)道墻體為單邊墻結(jié)構(gòu)，地表段長(zhǎng)達(dá)20m，未設(shè)任何水平拉梁和構(gòu)造立柱，缺乏整體結(jié)構(gòu)性，抗彎曲變形和水平變形能力差。當(dāng)填土地基不均勻沉降導(dǎo)致墻體內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超過(guò)磚砌體結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度較弱的回風(fēng)道墻體開裂。

3) 潛在的邊坡滑移。風(fēng)井回風(fēng)道東北側(cè)正對(duì)一條邊坡匯水溝，地表水在坡前平臺(tái)低洼處匯集。由于未能及時(shí)疏干地表積水，造成地表水下滲，不僅加速了地基填土的固結(jié)沉降變形和濕陷變形，而且地表匯水和積水下滲還可能誘發(fā)山體滑坡。山坡土體局部出現(xiàn)的張性裂隙，說(shuō)明這種可能性的存在。

3 風(fēng)道破裂治理方案

3.1 方案初選

導(dǎo)致牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道墻體破裂的諸因素中，地基填土不均勻沉降變形是主要致因，磚砌墻體剛度不足是直接原因，而地表積水下滲則是潛在因素，風(fēng)道破裂治理應(yīng)圍繞此三方面進(jìn)行。在選擇治理方案時(shí)，應(yīng)充分考慮：① 立風(fēng)井承擔(dān)礦井80%的通風(fēng)任務(wù)，回風(fēng)道地基加固應(yīng)不影響礦井正常生產(chǎn)；② 回風(fēng)道墻體為無(wú)配筋磚砌體結(jié)構(gòu)，抗拉抗剪強(qiáng)度差，對(duì)地基不均勻沉降變形敏感，在加固風(fēng)道地基的同時(shí)，應(yīng)加固風(fēng)道磚砌墻體；③ 地表積水下滲，不僅加速填土地基的固結(jié)沉降變形和濕陷變形，還可能誘發(fā)山體滑坡，地表疏干排水有助于改善風(fēng)道填土地基和山坡坡體的穩(wěn)定。

根據(jù)既有建筑結(jié)構(gòu)加固“上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基”共同作用的理念，從建(構(gòu))筑物整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用“微型樁注漿加固+外套鋼筋混凝土框架板墻”聯(lián)合處理方案，綜合治理牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道破裂。該方案包括三方面內(nèi)容：① 采用鋼管樁地面高壓雙液注漿加固風(fēng)道填土地基，提高地基填土承載能力，削弱或消除地基不均勻沉降變形；② 采用鋼筋混凝土框架板墻加固風(fēng)道磚砌墻體，形成“砌體-鋼筋混凝土”組合墻體，提高墻體剛度和抗變形能力；③ 地表構(gòu)建蓄水沉淀池與排水明溝，疏干排水，防止地表水下滲。

3.2 風(fēng)道加固設(shè)計(jì)

牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道加固設(shè)計(jì)方案的實(shí)施分兩步：先進(jìn)行風(fēng)道填土地基的高壓注漿加固，待地表變形穩(wěn)定之后再進(jìn)行風(fēng)道墻體結(jié)構(gòu)的加固。

3.2.1 風(fēng)道地基高壓雙液注漿加固

采用“水泥+水玻璃”高壓雙液注漿加固風(fēng)道填土地基[2-3]。水泥為P.S.A 32.5，水泥漿水灰比0.7，現(xiàn)場(chǎng)攪拌，隨攪隨用；水玻璃模數(shù)2.4～2.8，濃度40B′e；水泥漿與水玻璃混合漿液的體積比為1∶1～2。采用臥式工程地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，注漿鉆孔Φ100mm，鉆孔間距1.5m、排距0.5m，孔深視地基填土層厚度確定，一般取8～12m。沿回風(fēng)道外圍輪廓布置兩排鉆孔，如圖1所示。

注漿管采用4″～6″無(wú)縫鐵管，填料采用粒徑為2～5mm的細(xì)石子，設(shè)計(jì)注漿影響半徑為0.6～1.0m。注漿壓力控制在0.6MPa～1.5MPa，每延米注漿量約為0.5m3。采用二次高壓注漿，在第一次注漿達(dá)到飽和后停止注漿，待2～3 h后再進(jìn)行二次補(bǔ)漿。先進(jìn)行風(fēng)道基礎(chǔ)最外一排孔注漿，注漿鋼管采用定向單管全長(zhǎng)注漿；再進(jìn)行基礎(chǔ)外第二排孔注漿。注漿采用雙管，長(zhǎng)管為全長(zhǎng)花管，短管為開口管。均采取跳孔間隔注漿，不得依次注漿，注漿施工時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)沉降觀測(cè)。

3.2.2 風(fēng)道墻體加固

回風(fēng)道墻體因地基填土不均勻沉降變形而產(chǎn)生張開裂縫，在對(duì)墻體進(jìn)行加固之前，應(yīng)先進(jìn)行墻體裂縫修補(bǔ)。牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道墻體裂縫的處理，應(yīng)在填土地基注漿加固處理結(jié)束，待地基沉降變形趨于穩(wěn)定之后再進(jìn)行，避免修補(bǔ)后可能再次出現(xiàn)開裂。設(shè)計(jì)采用壓力灌漿修補(bǔ)法處理回風(fēng)道磚砌墻體裂縫，先用加有促凝劑的水泥砂漿嵌縫，待封閉層砂漿達(dá)到一定強(qiáng)度后，用0.2MPa～0.5MPa的壓縮空氣檢查通道泄漏程度，然后再自下而上進(jìn)行壓力灌漿，灌漿壓力控制在0.2MPa左右。全部灌注完成后，停30min后再進(jìn)行二次補(bǔ)灌，以提高灌漿密實(shí)程度。

圖1 回風(fēng)道基礎(chǔ)注漿布孔平面圖

磚砌墻體結(jié)構(gòu)自身剛度不足，是導(dǎo)致牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道墻體開裂的主要因素之一，墻體表面噴射鋼筋混凝土加層，可提高磚砌體結(jié)構(gòu)抵抗橫向彎曲變形的能力[4]；增設(shè)鋼筋混凝土扶壁柱(立柱)，可提高磚砌墻體抵抗縱向位移變形的能力。回風(fēng)道墻體采用噴射鋼筋混凝土板墻進(jìn)行單面加固，加固面為風(fēng)道外壁，鋼筋直徑6mm，間距200mm，單排雙向配置，外表保護(hù)層厚度30mm，并與風(fēng)道墻體錨筋綁扎牢固；面層噴射C20細(xì)石混凝土，噴射厚度為80mm。鋼筋混凝土立柱間距3.0m，斷面尺寸260mm×200mm，主筋為4根Φ14mm的鋼筋；立柱頂聯(lián)梁斷面尺寸200mm×200mm，主筋為4根Φ14mm的鋼筋，側(cè)面與墻面和頂板用植筋連接(圖2)。

圖2 回風(fēng)道墻體加固立面圖

原回風(fēng)道地基不足以支撐新增鋼筋混凝土加層和鋼筋混凝土扶壁柱的自重載荷，這部分載荷可通過(guò)增設(shè)微型樁(鋼管樁)來(lái)支撐(圖3)。鋼管樁采用無(wú)縫鋼管，Φ105mm，壁厚3mm，長(zhǎng)度12m，樁端置于穩(wěn)定巖層。現(xiàn)狀地面打樁，管內(nèi)灌注C20細(xì)石混凝土，樁頂錨入承臺(tái)長(zhǎng)度≥10cm。墻體加固施工前，應(yīng)先將施工面土方開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，待基礎(chǔ)承臺(tái)澆灌完后再進(jìn)行回填夯實(shí)，回填至頂板下2.4m處，保證基礎(chǔ)梁有50cm厚的覆蓋土，地面還應(yīng)做100cm寬的散水。

圖3 回風(fēng)道墻體加固剖面圖

3.3 邊坡疏排水工程設(shè)計(jì)

牛西礦回風(fēng)井場(chǎng)地平均坡度13°～14°，存在發(fā)生滑坡的可能性，尤其在多雨雪季節(jié)，山坡匯水和坡前積水下滲，不僅降低了邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致坡體抗滑穩(wěn)定性下降，而且還加劇了風(fēng)道填土地基的濕陷變形和不均勻沉降變形，致使風(fēng)道墻體出現(xiàn)開裂破壞。因此，山坡地表水的“截、排、疏”，將是牛西礦立風(fēng)井邊坡治理的首選方案。

牛西礦回風(fēng)井山前地表排水系統(tǒng)，主要由開口蓄水沉淀池和排水明溝組成。山前截水采用蓄水沉淀池，沉淀池前緣擋墻距現(xiàn)有毛石擋墻2.5m，采用厚370mm的磚砌擋墻，池底板鋪設(shè)厚100mm的C15素混凝土墊層。池水通過(guò)Φ300mm的混凝土預(yù)制管排入毛石擋墻下的排水明溝。

4 結(jié)語(yǔ)

從建(構(gòu))筑物整體結(jié)構(gòu)出發(fā)，采用“微型樁注漿加固+外套鋼筋混凝土框架板墻”加固牛西礦立風(fēng)井回風(fēng)道工程，微型樁高壓雙液注漿加固風(fēng)道填土地基，外套鋼筋混凝土框架板墻加固回風(fēng)道磚砌體結(jié)構(gòu)，并引入鋼筋混凝土扶壁柱、鋼

筋混凝土承臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)道工程的整體加固。為解決坡前積水下滲誘發(fā)的場(chǎng)地不均勻沉降變形和可能的山體滑坡，采用“截、排、疏”進(jìn)行風(fēng)井邊坡治理。

[1] 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京). 張礦集團(tuán)牛西礦業(yè)分公司立風(fēng)井回風(fēng)道破裂分析與防治課題研究報(bào)告[R]. 北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京), 2011.

[2] 李柏春, 許清. 注漿加固飽和性砂土地基的方法探討[J]. 西部探礦工程, 2008(6):35-36.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院. 既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].JGJ 123-2000.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

[4] 宋彧. 工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)與加固[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2005.