煤礦立井鉆井法過(guò)松散含水砂層預(yù)加固技術(shù)研究

崔明遠(yuǎn)，王海波，魯海濤，黃久源，聶華超

(平煤建工集團(tuán)特殊鑿井工程有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)逐漸成為煤炭建設(shè)的重點(diǎn)，而西部地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性也給煤炭建設(shè)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和課題。西部新建煤礦的進(jìn)、回風(fēng)井多設(shè)計(jì)為立井井筒，在井筒表土段施工中多遇到深厚含水砂層、淤泥層等松散不良地質(zhì)條件，對(duì)工程安全施工造成較大影響[1，2]。目前立井施工多采用鉆井法、凍結(jié)法和地面預(yù)注漿等特殊鑿井工法來(lái)解決表土段施工難題，其中鉆井法因采用泥漿護(hù)壁，對(duì)松散不穩(wěn)定的含水復(fù)雜地層和流沙層及圍巖穩(wěn)定性差的地層都很適應(yīng)；凍結(jié)法在復(fù)雜地層井筒施工中具有很大的優(yōu)勢(shì)，但也會(huì)給工程帶來(lái)凍脹、融沉等災(zāi)害；地面預(yù)注漿適用于沖積層不厚、裂隙發(fā)育且潛水流速不大的弱含水地層，其應(yīng)用性較窄[3-5]。特殊鑿井工法中的鉆井法在立井井筒松散層施工初期仍可能會(huì)出現(xiàn)井筒鎖口承重失穩(wěn)和造成鉆井施工中井筒上部松散層擴(kuò)徑甚至塌幫[6]，針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，基坑工程中通常采用高壓旋噴樁、鋼板樁、咬合樁等加固措施來(lái)確保施工安全，但高壓旋噴樁相較于以上幾種加固措施具有施工靈活、造價(jià)較低、環(huán)保高效等優(yōu)勢(shì)，且對(duì)于井筒環(huán)形施工加固帷幕更容易施工和控制，并且目前MJS工法(全方位高壓噴射)的出現(xiàn)使高壓旋噴有效加固更深，效果更可靠[7，8]。本文針對(duì)可可蓋煤礦中央進(jìn)風(fēng)立井井筒鉆井法施工中遇到的地表第四系較厚松散含水砂層，根據(jù)實(shí)際情況，借鑒建筑、市政工程常用的MJS旋噴樁施工技術(shù)，對(duì)松散砂層采取MJS旋噴樁帷幕加固的施工方案，保證了立井鎖口和鉆進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定性，為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)。雖然MJS旋噴樁在建筑、市政、道路等領(lǐng)域有較成功的應(yīng)用案例，但應(yīng)用到西部地區(qū)煤礦立井井筒尚屬首次，本文也為復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山建井提供新的解決途徑。

1 工程概況

榆橫礦區(qū)可可蓋煤礦位于陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))北部，坐落于毛烏素沙漠南緣，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量1000萬(wàn)t。井田地表全部被第四系松散層所覆蓋，其中該煤礦中央進(jìn)風(fēng)立井井筒設(shè)計(jì)為鉆井法施工，井筒鉆井直徑8.5m，深度538.5m。井筒表土段第四系松散砂層厚度61.1m，含水層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙3.5m和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組細(xì)砂層37.94m、亞砂土19.67m，井筒第四系松散砂層統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。尤其是上部細(xì)砂層成松散狀，地下水位埋深淺，涌水量大且滲水性能良好，臨近礦井松散層涌水量能達(dá)到1365m3/h[9]，為井筒鎖口的穩(wěn)定性和井筒鉆井法施工中上部穩(wěn)定帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此在鉆井施工前需對(duì)松散砂層進(jìn)行加固，以保證鉆井過(guò)程中井筒鎖口穩(wěn)定不發(fā)生沉降、松散層不塌幫。

表1 井筒第四系松散砂層統(tǒng)計(jì)

2 咬合樁加固松散層遇到的問(wèn)題

本工程前期因考慮加固體強(qiáng)度和深度，借鑒立井井筒過(guò)不穩(wěn)定松散層超前臨時(shí)支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采用的松散層加固方案是咬合帷幕樁[10]，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)30m，樁徑1.2m，強(qiáng)度C25，素混凝土樁和鋼筋混凝土樁相互咬合。先在樁位附近施工試驗(yàn)樁，使用全套管鉆機(jī)配合沖抓斗鉆進(jìn)施工。試驗(yàn)樁鉆進(jìn)10m后沖抓斗便不能將細(xì)砂抓出孔內(nèi)，其效率極其地下。經(jīng)分析原因如下：一是地下水位埋深淺(地表以下3.73m)且地層全為細(xì)砂；二是沖抓斗封閉性差，抓取細(xì)砂上提過(guò)程中細(xì)砂被水沖出抓斗。考慮到旋挖鉆機(jī)回轉(zhuǎn)斗的封閉性，確定采用“全套管鉆機(jī)+旋挖鉆機(jī)”聯(lián)合施工方法。

在使用該方案施工第二根素混凝土樁的過(guò)程中，鉆進(jìn)中出現(xiàn)了砂層抱管現(xiàn)象，全套管鉆機(jī)壓管困難，采用了加黏土調(diào)泥漿的措施最終鉆進(jìn)至終孔并澆筑混凝土；在施工第一根鋼筋混凝土樁的過(guò)程中，套管鉆進(jìn)至18～20m時(shí)再次出現(xiàn)了壓管困難，全套管鉆機(jī)明顯負(fù)荷過(guò)大且速度緩慢，只得靠套管提升再下放緩慢鉆進(jìn)，最終因全套管鉆機(jī)能力達(dá)到極限且地面出現(xiàn)了局部塌陷而停止施工。經(jīng)分析，該區(qū)域砂層含水且過(guò)度松散對(duì)咬合樁套管形成了強(qiáng)大的圍抱力造成了套管鉆進(jìn)困難；不斷上提套管，使旋挖面與套管下緣的保護(hù)砂層減少，造成流砂從鉆孔底涌進(jìn)套管內(nèi)，外部砂層受到擾動(dòng)從而使地面局部塌陷。同時(shí)也提出改進(jìn)施工工藝：在套管鉆頭上鉆孔、焊螺旋筋、用調(diào)制的泥漿增加潤(rùn)滑性，但通過(guò)試驗(yàn)，結(jié)果均收效甚微。

事實(shí)說(shuō)明，在本區(qū)域松散砂層中采用咬合樁施工工藝會(huì)出現(xiàn)套管鉆進(jìn)困難，從而使施工進(jìn)度緩慢，甚至造成塌孔、地陷而破壞地層結(jié)構(gòu)，不但達(dá)不到松散層加固的目的，而且為后期鉆井法施工埋下了無(wú)法預(yù)測(cè)的安全隱患。經(jīng)研究論證，最終選定了采用MJS旋噴樁對(duì)本區(qū)域松散含水砂層進(jìn)行帷幕加固的方案[11]。

3 MJS旋噴帷幕樁設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.1 MJS旋噴帷幕樁設(shè)計(jì)參數(shù)

MJS旋噴樁設(shè)計(jì)參數(shù)為：樁基環(huán)形布置，布置圈徑為10700mm，樁徑設(shè)計(jì)為1500mm，樁長(zhǎng)30m，引孔31m，共34根樁，相鄰樁基咬合513mm，咬合位置加固體寬度1129mm，如圖1所示?？紤]MJS旋噴帷幕樁對(duì)立井松散層加固是為了承受鉆井法施工設(shè)備與基礎(chǔ)對(duì)土體產(chǎn)生的載荷，因此對(duì)其進(jìn)行承載能力計(jì)算和模擬分析。

3.2 MJS旋噴帷幕樁承載能力計(jì)算與模擬分析

3.2.1 MJS旋噴帷幕樁加固體應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)井筒設(shè)計(jì)參數(shù)及地質(zhì)情況，可可蓋中央進(jìn)風(fēng)立井鎖口基礎(chǔ)采用矩形鎖口盤(pán)式結(jié)構(gòu)形式，由上部的鎖口盤(pán)和下部的擴(kuò)大井壁組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鎖口盤(pán)為矩形，外形尺寸寬26.5m，長(zhǎng)30.5m，擴(kuò)大井壁為環(huán)形，內(nèi)徑為12.2m，鎖口自重約為24160kN；上部布置鉆機(jī)、門(mén)式起重機(jī)軌道，下部布置封口平車(chē)軌道。鉆井設(shè)備自重約為12630kN。按照《樁基手冊(cè)》計(jì)算鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載[12]：

σ=(N+G)/F-σ1

式中，σ為鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載，kPa；N為作用在鎖口基礎(chǔ)上的豎直應(yīng)力，即鉆井設(shè)備自重，取12630kN；G為鎖口基礎(chǔ)自重，取24160kN；F為鎖口基礎(chǔ)的底面積，即鎖口盤(pán)外部矩形面積減去內(nèi)側(cè)擴(kuò)大井壁環(huán)形面積，F(xiàn)=691.35m2；σ1為鎖口基底處土自重荷載，這里為0。

經(jīng)計(jì)算，鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載σ=53.2kPa。

按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用擋土墻地壓公式計(jì)算加固體水平砂層地壓：

加固體內(nèi)側(cè)承擔(dān)的水平荷載，可以參考《采礦工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》中重液公式：σ3=γ泥漿×h=12h。式中，σ3為加固體內(nèi)側(cè)承擔(dān)的水平荷載，kPa；γ泥漿為加固體內(nèi)側(cè)泥漿比重，取12kN/m3[15]。

3.2.2 MJS旋噴帷幕樁承載能力模擬分析

使用ANSYS軟件solid185三維體單元建立有限元計(jì)算模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 有限元模型計(jì)算參數(shù)

1)根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，選取旋噴樁加固體1/4建立有限元模型，采用solid185三維體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，計(jì)算范圍內(nèi)加固體模型共計(jì)劃分23437個(gè)六面體單元，如圖2所示，計(jì)算模型按三維線彈性模型進(jìn)行計(jì)算[16]。

圖2 有限元三維荷載模型

2)有限元模型邊界條件。根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，約束加固體模型對(duì)稱(chēng)面法向位移，底部向上位移。外表面承擔(dān)凈水壓力荷載、土體側(cè)向主動(dòng)土壓力、鎖口及鉆井設(shè)備附加應(yīng)力、加固體內(nèi)表面承擔(dān)鉆井期間泥漿平衡壓力、鎖口盤(pán)頂部向下附加壓力、加固體自身重力、樁端向上承載力和樁外側(cè)摩擦阻力[17]。

3)有限元模型應(yīng)力及位移分部云圖如圖3所示。根據(jù)有限元計(jì)算，旋噴加固體最大壓應(yīng)力為1.24MPa，設(shè)計(jì)高壓旋噴加固體單軸抗壓強(qiáng)度1.5MPa，大于模擬計(jì)算旋噴加固體最大壓應(yīng)力，滿足要求。

圖3 有限元模型應(yīng)力及位移分部云圖

4 MJS旋噴帷幕樁施工工藝與質(zhì)量控制

4.1 設(shè)備選型

MJS工法是在原來(lái)高壓旋噴法的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的多孔管和前端強(qiáng)制吸漿裝置，實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)，并通過(guò)調(diào)整強(qiáng)制排漿量來(lái)控制地內(nèi)壓力，保持地內(nèi)壓力穩(wěn)定[18]。針對(duì)此工程，地表及MJS旋噴樁施工深度范圍內(nèi)均為第四系松散砂層，地下水位埋深淺，且現(xiàn)場(chǎng)樁基施工垂直度要求比較高，選用安曼180型引孔機(jī)，此機(jī)型可自動(dòng)調(diào)整施工水平和垂直度，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。采用YBM50型MJS旋噴主機(jī)(5t)，設(shè)備輕便且施工效率高，YBM50型噴漿機(jī)可承受60MPa壓強(qiáng)，可以滿足成樁樁徑及施工質(zhì)量要求。

4.2 施工參數(shù)

針對(duì)松散含水砂層的特殊地質(zhì)條件，MJS旋噴樁施工采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，水灰比1∶1，水泥漿液壓力40±2MPa，空氣壓力0.8～1MPa；空氣流量1.0～2.0m3/min；漿液流量85～100L/min，水流量50～75L/min，水泥摻入比按50%，提升速度按-30m至-15m不大于41mm/min，-15m至0m不大于48mm/min，全圓噴射[19，20]。樁身垂直度偏差不得超過(guò)1%[21]；MJS旋噴樁施工完成后要進(jìn)行表土開(kāi)挖觀測(cè)和取芯檢測(cè)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1.5MPa以上。

4.3 施工工藝

4.3.1 測(cè)量放線

施工前用全站儀測(cè)定旋噴樁施工的控制點(diǎn)，即井筒中心，并校對(duì)設(shè)計(jì)院移交的井筒十字中心線；根據(jù)樁位布置圖，用鋼尺和測(cè)線實(shí)地布設(shè)樁位，并用方木配合紅漆標(biāo)定位置，一樁一標(biāo)識(shí)，保證樁孔中心位置偏差小于50mm。

4.3.2 導(dǎo)墻施工

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工及布置，旋噴樁施工前進(jìn)行導(dǎo)墻施工，導(dǎo)墻設(shè)計(jì)為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度為C30，澆筑厚度0.3m，外圈直徑17.1m，內(nèi)圈直徑4.3m。MJS旋噴樁圈直徑10.7m。中心位置預(yù)留1.5m的導(dǎo)向槽，導(dǎo)墻面高出地面0.3m。

4.3.3 試樁施工

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，MJS旋噴樁要施工試樁3根；試樁的施工方法與MJS旋噴樁施工方法相同。試樁施工時(shí)通過(guò)帶壓力傳感器的前端總成密切監(jiān)測(cè)地內(nèi)壓力，壓力不正常時(shí)，根據(jù)情況調(diào)整排漿閥大小控制地內(nèi)壓力在安全范圍以?xún)?nèi)。試樁完成后，對(duì)試樁進(jìn)行開(kāi)挖檢驗(yàn)，開(kāi)挖深度地面以下2～3m，觀察檢驗(yàn)旋噴樁樁徑及相鄰樁之間的搭接效果，根據(jù)試樁情況來(lái)調(diào)整施工參數(shù)。

4.3.4 引孔施工

1)引孔施工前，應(yīng)首先在現(xiàn)場(chǎng)配置泥漿(泥漿比重1.15～1.25g/cm3)，在引孔時(shí)進(jìn)行泥漿護(hù)壁；校驗(yàn)鉆桿長(zhǎng)度，并用紅油漆在鉆桿旁標(biāo)注深度線，保證孔底標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)深度。

2)引孔鉆機(jī)就位后，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)平、對(duì)中，調(diào)整樁機(jī)的垂直度，保證鉆桿應(yīng)與樁位一致，偏差在50mm以?xún)?nèi)，鉆孔垂直度誤差不大于1%，引孔直徑300mm。鉆進(jìn)過(guò)程中隨時(shí)注意地層變化，對(duì)孔深、塌孔、漏漿等情況，要詳細(xì)記錄。

3)引孔終孔深度要大于旋噴深度1m，以滿足少量沉淀和噴嘴前端距離。終孔后將孔內(nèi)殘留物清理干凈，使用測(cè)斜儀器進(jìn)行終孔測(cè)斜，保證成孔垂直度偏斜不大于1%[21]，如偏斜過(guò)大要重新引孔。

4.3.5 MJS旋噴樁施工

1)MJS旋噴樁主機(jī)就位，連接電源、數(shù)據(jù)線、各路管線、鉆頭和地內(nèi)壓力監(jiān)測(cè)顯示器，確認(rèn)在鉆頭無(wú)荷載的情況下清零，管線連接確保密封，使管內(nèi)沒(méi)有空氣。檢查設(shè)備的運(yùn)行情況，確保主機(jī)、高壓泵、空壓機(jī)、泥漿攪拌系統(tǒng)、MJS管理裝置等都能正常工作，主機(jī)機(jī)架放置平穩(wěn)后開(kāi)始校零。

2)鉆桿下放，校正鉆桿垂直度，在引孔內(nèi)將鉆桿下放至設(shè)計(jì)深度30m，如果在鉆桿下放過(guò)程中下放困難，打開(kāi)削孔水進(jìn)行正常削孔鉆進(jìn)。對(duì)接鉆桿和鉆頭，對(duì)接時(shí)對(duì)接螺栓一定要對(duì)稱(chēng)擰緊，保證鉆桿垂直度；鉆頭到達(dá)預(yù)定深度后，開(kāi)始校零，使動(dòng)力頭“0”刻度、噴嘴、鉆桿上白線處于同一條直線，然后設(shè)定各工藝參數(shù)，包括擺噴角度、提升速度、回轉(zhuǎn)數(shù)等等，設(shè)定好之后，開(kāi)始旋噴施工。

3)旋噴之前先開(kāi)倒吸水流和倒吸空氣，在確認(rèn)排漿正常時(shí)，打開(kāi)排泥閥門(mén)，開(kāi)啟高壓水泥泵和主空氣空壓機(jī)。為保證樁底端的施工質(zhì)量，首先用水向上噴射100cm，壓力為20MPa，噴射時(shí)間5min，然后把水切換成水泥漿；開(kāi)啟高壓水泥泵時(shí)，壓力不可太高，應(yīng)逐步增壓，直到達(dá)到指定壓力，在水泥漿達(dá)到指定壓力并確認(rèn)地內(nèi)壓力正常后，鉆桿重新下放到位后開(kāi)始提升并旋噴施工。

4)施工時(shí)密切監(jiān)測(cè)地內(nèi)壓力，壓力不正常時(shí)，必須及時(shí)調(diào)整排漿閥大小控制地內(nèi)壓力在安全范圍以?xún)?nèi)；當(dāng)提升一根鉆桿后，對(duì)鉆桿進(jìn)行拆卸，需把水泥漿切換成水后方可拆卸，當(dāng)水泥漿泵壓力有下降趨勢(shì)，說(shuō)明水流已經(jīng)到達(dá)噴嘴位置，此時(shí)關(guān)閉水泥漿泵、主空氣、倒吸空氣和倒吸水流。旋噴提升到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)停止旋噴，提升鉆頭出孔口，清洗設(shè)備、注漿泵及輸送管路，然后使用吊車(chē)將鉆機(jī)移位[22]。

4.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)MJS旋噴樁必須具有強(qiáng)制排泥功能，相鄰樁體在強(qiáng)制排泥的時(shí)候，上一根樁水泥需滿足終凝時(shí)間條件，以防止對(duì)樁體的破壞；為保證MJS高壓旋噴樁施工質(zhì)量，采取跳樁施工方案，連續(xù)施工間距大于3個(gè)樁位，相鄰樁位施工間隔大于3d。

2)引孔施工時(shí)每鉆進(jìn)5m用水平尺測(cè)量機(jī)身水平和立軸垂直1次，以保證鉆孔垂直，終孔時(shí)使用測(cè)斜儀進(jìn)行終孔測(cè)斜，保證引孔垂直度偏斜小于1%。旋噴過(guò)程中也要注意測(cè)量鉆桿垂直度，確保旋噴樁帷幕加固體符合設(shè)計(jì)要求。

3)在旋噴施工過(guò)程中，旋噴均應(yīng)自下而上連續(xù)進(jìn)行。當(dāng)旋噴鉆桿不能一次提升完成，兩次旋噴注漿的搭接長(zhǎng)度至少要有50cm，以保證固結(jié)體的整體性和連接質(zhì)量要求，防止斷樁；如旋噴過(guò)程中出現(xiàn)塌孔，要重新引孔并旋噴。

4)MJS旋噴樁施工完成后，立井井筒要進(jìn)行鎖口開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4m，在這個(gè)過(guò)程中，要充分觀察旋噴施工效果，并留下影像資料，同時(shí)對(duì)樁體取芯送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，確保加固體強(qiáng)度和質(zhì)量。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)立井井筒松散含水砂層采用MJS旋噴樁進(jìn)行預(yù)加固處理，使立井井筒上部松散層形成了環(huán)形帷幕加固體，保證了井筒鎖口不發(fā)生不均勻沉降和大直徑井筒鉆進(jìn)過(guò)程中的上部穩(wěn)定。井筒鎖口在開(kāi)挖過(guò)程中，測(cè)量MJS旋噴加固體的樁徑、咬合寬度、水泥旋噴質(zhì)量均達(dá)到了預(yù)期要求，同時(shí)取芯檢測(cè)強(qiáng)度達(dá)到了2MPa，這也驗(yàn)證了MJS旋噴樁在松散含水砂層中施工具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。目前，該井筒已安全、順利鉆過(guò)了松散含水砂層，由此可見(jiàn)，MJS旋噴帷幕樁預(yù)加固技術(shù)可作為松散含水砂層預(yù)加固處理技術(shù)體系中的一種，對(duì)于西部地區(qū)煤礦立井建設(shè)意義重大，可在類(lèi)似條件下煤礦立井建設(shè)中推廣應(yīng)用。