高壓旋噴注漿技術(shù)在副井施工中的應(yīng)用

王衛(wèi)生

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

高壓旋噴注漿技術(shù)在副井施工中的應(yīng)用

王衛(wèi)生

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

贊比亞國(guó)謙比西市東南副井井筒下掘至強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖階段出現(xiàn)了大面積垮塌，對(duì)下部施工帶來(lái)了很大的困難。為保證下部施工順利進(jìn)行，采取了工作面高壓噴預(yù)注漿措施，并取得了預(yù)期的效果。分析了井筒壁垮塌的原因，介紹了工作面預(yù)注漿的設(shè)計(jì)與施工工藝，得出該類(lèi)型礦山建設(shè)階段的相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

井筒掘進(jìn)；高壓旋噴注漿；工作面預(yù)注漿

1 工程概況

贊比亞謙比西東南礦體副井位于謙比西礦區(qū)東南6 km MUKULUMPE農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，該副井井筒凈直徑7.2m，井口砼面標(biāo)高1235.05m，井筒深度1120m。

當(dāng)副井井頸段施工至井深21.5m處繼續(xù)向下掘進(jìn)時(shí)，遇強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，圍巖極不穩(wěn)定。施工井深至23.5m時(shí)，井筒南側(cè)由于側(cè)壓力出現(xiàn)垮落，當(dāng)掘至井深31.5m出現(xiàn)如同井深23.5m時(shí)，相同的情況。砼壁后形成非常大的空洞，給下步施工造成很大的安全隱患。

由于沒(méi)有東南礦體副井范圍內(nèi)的地質(zhì)鉆孔資料，只能是依據(jù)距副井100m處的主井的地質(zhì)鉆孔施工。資料顯示該段位于第四系黏土以下的強(qiáng)風(fēng)化帶中，巖性為泥質(zhì)巖與泥質(zhì)白云巖互層，呈灰色，風(fēng)化后呈磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。主要礦物成分為粘土礦物，含白色斑點(diǎn)狀高嶺石及泥質(zhì)巖風(fēng)化角礫，偶見(jiàn)石英。強(qiáng)風(fēng)化巖呈泥質(zhì)砂土狀，裂隙不發(fā)育且多被泥質(zhì)充填，弱風(fēng)化裂隙薄且不發(fā)育。該段巖層遇水易膨脹，呈流塑淤泥，粘性較強(qiáng)，井壁圍巖向井筒內(nèi)部擠壓，壓力較大，垮塌嚴(yán)重，工程地質(zhì)條件極差，施工條件極惡劣。

根據(jù)資料，該段位于第一含水層中，為第四系風(fēng)化裂隙潛水。由含礫砂質(zhì)粘土組成，透水弱含水，直接覆蓋于風(fēng)化裂隙帶之上，無(wú)明顯隔水層。含水層富水性取決于風(fēng)化裂隙的發(fā)育程度及巖性和風(fēng)化程度，預(yù)測(cè)最大涌水量100m3/d即4.17m3/h。

2 初遇強(qiáng)風(fēng)化層時(shí)采用的施工方法

東南礦體副井作為通風(fēng)行人井，對(duì)其井建工程的安全性、準(zhǔn)確性、可靠性和容錯(cuò)率高低等具有很高要求。因此必須安全可靠地通過(guò)此風(fēng)化層，以確保下步施工可以順利進(jìn)行。

2.1 運(yùn)用“短掘短砌”技術(shù)

當(dāng)時(shí)正值雨季剛結(jié)束，周邊河流儲(chǔ)水充沛，地下徑流補(bǔ)給水豐富，導(dǎo)致地表滲水和圍巖裂隙出水加大。施工井深至23.5m時(shí)，井筒南側(cè)由于側(cè)壓力出現(xiàn)垮落，垮落厚度達(dá)1m，寬度6m，高度7m。在井筒23.5m以下段施工過(guò)程中也出現(xiàn)局部垮落，采用“短掘短砌”技術(shù)，順利通過(guò)。

當(dāng)掘至井深31.5m出現(xiàn)如同井深23.5m相同的情況，東西偏南側(cè)近半個(gè)井筒，砼壁后形成空洞。砼壁后的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖遇水形成泥糊狀向下部擠壓，從砼壁后向井筒中心擠壓。

當(dāng)準(zhǔn)備對(duì)該段進(jìn)行快速通過(guò)時(shí)，從開(kāi)挖到背板和螺紋鋼支護(hù)到澆砼完成，才將擠壓出來(lái)的泥糊清理完成，又對(duì)其用木板，鋼管、螺紋鋼及槽鋼、角鋼進(jìn)行支護(hù)，過(guò)了約8h后，這些背板用的材料全部被擠壓變形移位。

3 施工后期井壁加固處理方案

3.1 支護(hù)后發(fā)生地表沉降的主要因素

井壁封閉支護(hù)后不久又發(fā)現(xiàn)在地表南偏東距鎖口盤(pán)約6m處出現(xiàn)長(zhǎng)約8m、寬約50mm的裂縫，北偏西有長(zhǎng)約2m、寬約5mm的裂縫。經(jīng)業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察，認(rèn)為造成地表開(kāi)裂的原因主要是井筒長(zhǎng)期排水造成水位下降，破壞了上部土體的原始狀態(tài)，從而引起了地表沉降，地表回填土沉降及井筒圍巖松軟垮幫也是影響地表沉降的因素之一。

3.2 采取壁后充填與工作面預(yù)注漿前的準(zhǔn)備工作

針對(duì)井壁加固封閉效果不佳以及地表發(fā)生沉降等情況，為了及時(shí)高效地通過(guò)此風(fēng)化層，決定采取壁后充填注漿與工作面預(yù)注漿等加固措施。

1.3調(diào)查所得資料采用EpiData3.0軟件進(jìn)行的數(shù)據(jù)錄入,應(yīng)用SPSS17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,率的比較采用x2,檢驗(yàn)水準(zhǔn)=0.05。

(1)井底設(shè)濾水層與集水濾水盒。按現(xiàn)場(chǎng)涌水量、井筒斷面，依據(jù)建井工程手冊(cè)中濾水層厚度計(jì)算公式計(jì)算得濾水層厚度為0.4m，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，取濾水層厚度為1.0m。

根據(jù)井筒涌水量、現(xiàn)有潛水泵的排水能力及止?jié){墊澆筑過(guò)程中潛水泵排水的可靠性等因素，設(shè)置2套Φ325×12×2500mm無(wú)縫鋼管制作的集水濾水盒。

(2)澆筑砼止?jié){墊。考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件及注漿終壓，結(jié)合相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，止?jié){墊選用強(qiáng)度等級(jí)C30的砼，澆砼高度1m。止?jié){墊澆筑前，為防止砼砂漿流入濾水層，在石子濾層上面鋪設(shè)一層彩條雨布。

3.3 壁后加固充填注漿

止?jié){墊澆好后養(yǎng)護(hù)7 d，實(shí)施井深23.5～31.5m段井筒壁后加固充填注漿及濾水層密實(shí)注漿。漿材選用純水泥漿，漿液配比為1∶0.6～1∶2，盡量用濃水泥漿，以注漿泵能注入為準(zhǔn)。

注漿孔采用YT－24鑿巖機(jī)打眼，鉆孔直徑Φ38mm，眼深3m；注漿管選用Φ38mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)3m。鉆孔為垂直于井壁面扇形、并沿井筒周邊均勻布置，水平間距1m、層間距1m。如圖1所示。

4 高壓旋噴注漿技術(shù)應(yīng)用

壁后充填密實(shí)注漿結(jié)束后，開(kāi)始止?jié){墊以下的工作面預(yù)注漿。考慮到強(qiáng)風(fēng)化層巖石的性質(zhì)以及注漿方案的可行性等因素，選擇高壓旋噴注漿法。

圖1 壁后注漿孔布置示意

4.1 高壓旋噴注漿的原理

高壓旋噴注漿技術(shù)就是先鉆孔至注漿工作面以下一定深度后，利用高壓注漿泵使?jié){液壓入孔內(nèi)，形成20～40 MPa高壓噴射流，不斷切割破碎巖體，破壞強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖。當(dāng)噴射流的動(dòng)壓超過(guò)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土粒便從巖體中剝落下來(lái)與漿液攪拌混合。并按一定的漿土比例和質(zhì)量大小有規(guī)律的重新排列，漿液凝固后，便在巖體中形成一個(gè)固結(jié)體，以提高其抗剪強(qiáng)度、改善土的變形性質(zhì)，使其在上部結(jié)構(gòu)荷載直接作用下不產(chǎn)生破壞或過(guò)大的變形。且邊噴射邊以一定速率往上提升，最終在鉆孔周?chē)纬晒探Y(jié)后能承載一定負(fù)荷的水泥結(jié)石圓柱體，達(dá)到加固巖體和隔離滲水的作用。

高壓旋噴注漿的加固范圍與多種因素相關(guān)。與噴射壓力和高壓噴射孔的直徑成正比，與注漿鉆桿的提升速度、巖體的抗剪切強(qiáng)度以及水泥漿液的粘稠度成反比。

4.2 高壓噴射樁的布置與注漿參數(shù)的選擇

根據(jù)井筒斷面大小，結(jié)合目前掌握的含水層特點(diǎn)，暫定孔數(shù)24個(gè)。高壓旋噴樁采用單排布置，單管法旋噴，樁徑取0.7m，孔間距0.8m，要求0～4m不用噴，實(shí)際段高噴射長(zhǎng)度10m。樁位沿井筒中心6.2m均勻布設(shè)，共設(shè)計(jì)高壓旋噴樁24根，總樁長(zhǎng)624m。鉆孔沿井筒內(nèi)圈周邊均勻布置，鉆孔全部為徑向斜孔，傾斜角度大約為5.7°。

鉆孔開(kāi)孔圈直徑為6.2m，即距離井筒凈斷面輪廓線內(nèi)0.5m；終孔圈直徑為12.2m，即鉆孔終孔超出井筒凈斷面輪廓線外3.0m。樁眼布置圖如圖2所示。

平均水灰比取1.5∶1，其他材料配比根據(jù)材料性能和實(shí)際條件現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

4.3 插管作業(yè)和旋噴施工

施工前應(yīng)先進(jìn)行高壓清水切割與氣舉反循環(huán)處理，作用是為了對(duì)軟弱夾層的頂?shù)装宄浞智懈畈⒖變?nèi)粉渣清理干凈。考慮到本次旋噴注漿的對(duì)象是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖的軟弱層位，因此選用76型旋轉(zhuǎn)振動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行單管旋噴。鉆機(jī)需平置于牢固堅(jiān)實(shí)的地方，鉆桿(注漿管)對(duì)準(zhǔn)孔位中心，偏差不超過(guò)10 cm，打斜管時(shí)需按設(shè)計(jì)調(diào)整鉆架角度。

圖2 鉆孔布置

在插管時(shí)，為防止泥砂堵塞噴嘴，必須做到邊射水邊插管，同時(shí)水壓力必須控制在不大于1 MPa內(nèi)，如果壓力太高就可能將孔壁射塌。

主要機(jī)具的選擇如表1所示。

下噴射管前，應(yīng)進(jìn)行地面試噴并調(diào)準(zhǔn)；下入拆卸噴射管時(shí)，應(yīng)采取措施防止噴嘴堵塞，高壓注漿時(shí)，噴嘴下至高壓旋噴注漿設(shè)計(jì)深度，應(yīng)先按規(guī)定參數(shù)送漿進(jìn)行駐噴一段時(shí)間，然后開(kāi)始高壓旋噴注漿。施工流程如圖3所示。

注漿前應(yīng)向孔內(nèi)壓注清水，提高裂隙的可注性，并準(zhǔn)確測(cè)定鉆孔的水壓、單位涌水量。注漿壓力以15～25 MPa為宜，太小加固范圍滿足不了要求，太大可能會(huì)產(chǎn)生漏漿或滲漿；漿液流量為100～200 L/min，以確保漿石充分混合加固；提升速度40 cm/min；旋轉(zhuǎn)速度10～15 r/min。注漿擴(kuò)散半徑應(yīng)不小于30 cm。漿液選擇以單液水泥漿為主，主要為425型硅酸鹽水泥漿。高壓噴射注漿參數(shù)選擇如表2所示。

表1 主要注漿機(jī)具

圖3 注漿工藝流程

表2 高壓噴射注漿參數(shù)

5 效果評(píng)測(cè)

運(yùn)用高壓旋噴技術(shù)進(jìn)行工作面預(yù)注漿后，井筒內(nèi)巖體密實(shí)加固效果明顯。經(jīng)注漿后的探查孔探查表明，井筒斷面內(nèi)巖石固結(jié)完全，垮塌位置漿液充填豐富，無(wú)明顯出水孔，堵水堵漏效果顯著。具備下一步井筒下掘施工條件。

6 結(jié) 語(yǔ)

贊比亞謙比西銅礦東南礦體副井工程豎井井筒下掘至23.5m時(shí)，遇強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)白云巖，發(fā)生側(cè)翼的大面積垮塌，后下掘至31.5m遇到同樣的塌方情況，且垮塌的巖石遇水后形成難以清理的泥糊，對(duì)下部施工造成很大的困難，雖多次采用鋼板等剛性材料進(jìn)行強(qiáng)行支護(hù)加固，但都收效甚微。后來(lái)不得不進(jìn)行工作面預(yù)注漿，以確保下部巖石不再出現(xiàn)同樣的垮幫事故。此次注漿作業(yè)中很多技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)值得借鑒，尤其是運(yùn)用高壓旋噴注漿技術(shù)對(duì)垮幫后的工作面進(jìn)行注漿密實(shí)處理，并對(duì)注漿工藝進(jìn)行了改進(jìn)，為此類(lèi)礦山強(qiáng)風(fēng)化含水巖層井建施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1]陳幸福.高壓旋噴注漿技術(shù)在地基補(bǔ)強(qiáng)工程中的應(yīng)用[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，1993(s1).

[2]李莉玲，陳飛燕.高壓旋噴注漿技術(shù)在地基加固中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2009(09).

[3]付 強(qiáng).探討如何運(yùn)用高壓旋噴注漿技術(shù)加固高速公路軟基[J].沿海企業(yè)與科技，2010(07).

[4]GBJ213－90.礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

2015-09-08)

王衛(wèi)生，男，安徽潛山人，高級(jí)工程師，碩士研究生，Email:tlzdwws2008＠126.com。