高壓旋噴注漿技術(shù)在副井施工中的應用

王衛(wèi)生

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院， 北京 100083)

高壓旋噴注漿技術(shù)在副井施工中的應用

王衛(wèi)生

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院， 北京 100083)

贊比亞國謙比西市東南副井井筒下掘至強風化泥質(zhì)白云巖階段出現(xiàn)了大面積垮塌，對下部施工帶來了很大的困難。為保證下部施工順利進行，采取了工作面高壓噴預注漿措施，并取得了預期的效果。分析了井筒壁垮塌的原因，介紹了工作面預注漿的設計與施工工藝，得出該類型礦山建設階段的相關施工經(jīng)驗和技術(shù)。

井筒掘進；高壓旋噴注漿；工作面預注漿

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)場內(nèi)，該副井井筒凈直徑7.2m，井口砼面標高1235.05m，井筒深度1120m。

當副井井頸段施工至井深21.5m處繼續(xù)向下掘進時，遇強風化泥質(zhì)白云巖，圍巖極不穩(wěn)定。施工井深至23.5m時，井筒南側(cè)由于側(cè)壓力出現(xiàn)垮落，當掘至井深31.5m出現(xiàn)如同井深23.5m時，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風化帶中，巖性為泥質(zhì)巖與泥質(zhì)白云巖互層，呈灰色，風化后呈磚紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。主要礦物成分為粘土礦物，含白色斑點狀高嶺石及泥質(zhì)巖風化角礫，偶見石英。強風化巖呈泥質(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，井壁圍巖向井筒內(nèi)部擠壓，壓力較大，垮塌嚴重，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，直接覆蓋于風化裂隙帶之上，無明顯隔水層。含水層富水性取決于風化裂隙的發(fā)育程度及巖性和風化程度，預測最大涌水量100m3/d即4.17m3/h。

2 初遇強風化層時采用的施工方法

東南礦體副井作為通風行人井，對其井建工程的安全性、準確性、可靠性和容錯率高低等具有很高要求。因此必須安全可靠地通過此風化層，以確保下步施工可以順利進行。

2.1 運用“短掘短砌”技術(shù)

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

當掘至井深31.5m出現(xiàn)如同井深23.5m相同的情況，東西偏南側(cè)近半個井筒，砼壁后形成空洞。砼壁后的強風化泥質(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。

當準備對該段進行快速通過時，從開挖到背板和螺紋鋼支護到澆砼完成，才將擠壓出來的泥糊清理完成，又對其用木板，鋼管、螺紋鋼及槽鋼、角鋼進行支護，過了約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 支護后發(fā)生地表沉降的主要因素

井壁封閉支護后不久又發(fā)現(xiàn)在地表南偏東距鎖口盤約6m處出現(xiàn)長約8m、寬約50mm的裂縫，北偏西有長約2m、寬約5mm的裂縫。經(jīng)業(yè)主現(xiàn)場實地勘察，認為造成地表開裂的原因主要是井筒長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注漿前的準備工作

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

1.3調(diào)查所得資料采用EpiData3.0軟件進行的數(shù)據(jù)錄入,應用SPSS17.0軟件進行統(tǒng)計學分析,率的比較采用x2,檢驗水準=0.05。

(1)井底設濾水層與集水濾水盒。按現(xiàn)場涌水量、井筒斷面，依據(jù)建井工程手冊中濾水層厚度計算公式計算得濾水層厚度為0.4m，依據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，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){墊澆筑過程中潛水泵排水的可靠性等因素，設置2套Φ325×12×2500mm無縫鋼管制作的集水濾水盒。

(2)澆筑砼止?jié){墊?？紤]現(xiàn)場施工條件及注漿終壓，結(jié)合相關施工經(jīng)驗，止?jié){墊選用強度等級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7 d，實施井深23.5～31.5m段井筒壁后加固充填注漿及濾水層密實注漿。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。

注漿孔采用YT－24鑿巖機打眼，鉆孔直徑Φ38mm，眼深3m；注漿管選用Φ38mm無縫鋼管，長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)應用

壁后充填密實注漿結(jié)束后，開始止?jié){墊以下的工作面預注漿?？紤]到強風化層巖石的性質(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，破壞強風化泥質(zhì)白云巖。當噴射流的動壓超過土體結(jié)構(gòu)強度時，土粒便從巖體中剝落下來與漿液攪拌混合。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固結(jié)體，以提高其抗剪強度、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)生破壞或過大的變形。且邊噴射邊以一定速率往上提升，最終在鉆孔周圍形成固結(jié)后能承載一定負荷的水泥結(jié)石圓柱體，達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。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，暫定孔數(shù)24個。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，實際段高噴射長度10m。樁位沿井筒中心6.2m均勻布設，共設計高壓旋噴樁24根，總樁長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)材料性能和實際條件現(xiàn)場試驗確定。

4.3 插管作業(yè)和旋噴施工

施工前應先進行高壓清水切割與氣舉反循環(huán)處理，作用是為了對軟弱夾層的頂?shù)装宄浞智懈畈⒖變?nèi)粉渣清理干凈?？紤]到本次旋噴注漿的對象是強風化泥質(zhì)白云巖的軟弱層位，因此選用76型旋轉(zhuǎn)振動鉆機進行單管旋噴。鉆機需平置于牢固堅實的地方，鉆桿(注漿管)對準孔位中心，偏差不超過10 cm，打斜管時需按設計調(diào)整鉆架角度。

圖2 鉆孔布置

在插管時，為防止泥砂堵塞噴嘴，必須做到邊射水邊插管，同時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。

主要機具的選擇如表1所示。

下噴射管前，應進行地面試噴并調(diào)準；下入拆卸噴射管時，應采取措施防止噴嘴堵塞，高壓注漿時，噴嘴下至高壓旋噴注漿設計深度，應先按規(guī)定參數(shù)送漿進行駐噴一段時間，然后開始高壓旋噴注漿。施工流程如圖3所示。

注漿前應向孔內(nèi)壓注清水，提高裂隙的可注性，并準確測定鉆孔的水壓、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。注漿擴散半徑應不小于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 主要注漿機具

圖3 注漿工藝流程

表2 高壓噴射注漿參數(shù)

5 效果評測

運用高壓旋噴技術(shù)進行工作面預注漿后，井筒內(nèi)巖體密實加固效果明顯。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

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，遇強風化泥質(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，對下部施工造成很大的困難，雖多次采用鋼板等剛性材料進行強行支護加固，但都收效甚微。后來不得不進行工作面預注漿，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)驗值得借鑒，尤其是運用高壓旋噴注漿技術(shù)對垮幫后的工作面進行注漿密實處理，并對注漿工藝進行了改進，為此類礦山強風化含水巖層井建施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

[1]陳幸福.高壓旋噴注漿技術(shù)在地基補強工程中的應用[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1993(s1).

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

[3]付 強.探討如何運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收規(guī)范[S].

2015-09-08)

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