一種適用于煤矸石地層的注漿工藝

趙 冬

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速推進(jìn)，在各類復(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行地基加固的工程案例越來越多。袖閥管注漿工藝因其具有多方位、多次、定量、分段注漿的特點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外工程人員廣泛采用[1-4]。

在工程實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的袖閥管注漿工藝存在以下不足：

1)傳統(tǒng)袖閥管的PVC外管強(qiáng)度較低，在安設(shè)和注漿過程中易折斷。

2)注漿花管在分層注漿過程中上下移動(dòng)困難，導(dǎo)致注漿效率較低，甚至?xí)?dǎo)致注漿管斷裂，造成整個(gè)鉆孔報(bào)廢。

3)在易塌孔地層中實(shí)施袖閥管注漿工程時(shí)，傳統(tǒng)工藝施工時(shí)袖閥管安裝困難，極易發(fā)生袖閥管折斷或安裝不到位的現(xiàn)象。

4)傳統(tǒng)袖閥管的上下止?jié){塞在多次使用后易磨損，會(huì)導(dǎo)致注漿管內(nèi)部翻漿，無法達(dá)到多次分層注漿的目的。

針對(duì)以上問題，經(jīng)過多個(gè)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出一種適用于煤矸石地層的注漿工藝，可實(shí)現(xiàn)在破碎易塌孔地層多次分層分段注漿的目的。

1 破碎易塌孔地層條件下注漿工藝

1.1 袖閥管制作工藝

針對(duì)破碎易塌孔地層，本工藝可根據(jù)實(shí)際需要使用φ76 mm或φ48 mm的鋼質(zhì)袖閥管。袖閥管結(jié)構(gòu)主要有焊接鋼管或無縫鋼管外管、橡膠套、鋼質(zhì)堵頭、鋼管接頭(鋼管采用對(duì)焊連接時(shí)可不用)、上膠塞、下膠塞、注漿芯管、注漿花管等。

1)袖閥管：在鋼管上按間距30 cm～40 cm 垂直開兩組直徑為5 mm的射漿孔。

2)膨脹橡膠圈：應(yīng)在鋼管外壁射漿孔套上一層長(zhǎng)度約6 cm，厚度3 mm的膨脹橡膠圈(即袖閥)，兩端用鋼制卡環(huán)點(diǎn)焊牢固，點(diǎn)焊時(shí)不得損壞橡膠圈。管底采用專用堵頭封住，接長(zhǎng)可采用套管、焊接或螺紋連接。

3)上、下膠塞：選擇與鋼質(zhì)袖閥管內(nèi)壁相匹配的橡膠注水膠塞，橡膠注水膠塞由內(nèi)膠層、增強(qiáng)層、中膠層、外膠層組成。膠塞在承受內(nèi)部正向壓力下，管體長(zhǎng)度縮短，直徑變大呈膨脹狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)封堵功能。袖閥管和膠塞見圖1。

1.2 鉆孔成孔工藝

1)成孔設(shè)備：當(dāng)需要采取巖芯時(shí)，可采用XY-4型巖芯鉆機(jī)跟管鉆進(jìn)成孔法施工；當(dāng)不需要采取巖芯時(shí)，可采用全液壓錨固履帶式鉆機(jī)液壓沖擊跟管鉆進(jìn)成孔方法施工。

2)成孔方法：XY-4型巖芯鉆機(jī)或全液壓錨固履帶式鉆機(jī)成孔采用內(nèi)外套管跟管成孔。鉆孔至設(shè)計(jì)孔深，先將動(dòng)力頭與外套管松開，提升內(nèi)鉆桿，取出孔內(nèi)的全部?jī)?nèi)鉆桿，同時(shí)取出內(nèi)鉆頭，外套管留在孔內(nèi)保護(hù)孔壁，安裝袖閥管后再取出外套管。鉆孔過程中做好鉆孔記錄，包括掉鉆、減壓、增壓深度、孔深。

1.3 注漿工藝

注漿工藝可分為制備、置換套殼料，安放鋼質(zhì)袖閥管，拔出護(hù)壁套管、安裝上、下膠塞、注漿花管及注漿管，制備注漿漿液，注漿，封孔等步驟。

1)制備、置換套殼料：套殼料用水、水泥、膨潤(rùn)土按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的配比配制而成，成孔后立即通過鉆桿將孔內(nèi)泥漿置換成套殼料。套殼料在壓力的作用下，通過鉆桿進(jìn)入鉆孔底部，在孔口發(fā)現(xiàn)排出的泥漿中含有套殼料時(shí)，停止置換。

2)安放鋼質(zhì)袖閥管：在套殼料置換完成后要立即插入袖閥管。采用套管或焊接連接各節(jié)鋼質(zhì)袖閥管，袖閥管每節(jié)連接好后，依次下放到鉆孔中，直到孔底，下放時(shí)盡量保證袖閥管的中心與鉆孔中心重合。

3)拔出護(hù)壁套管：采用跟管鉆進(jìn)成孔工藝時(shí)，在袖閥管安裝到位后應(yīng)拔出護(hù)壁套管。

4)安裝上、下膠塞、注漿花管及注漿管：在套殼料齡期3 d～5 d 后，在袖閥管內(nèi)下入上下膠塞及注漿花管。注漿花管為鍍鋅管射漿孔間距為5 cm～10 cm，花管長(zhǎng)50 cm～100 cm，花管兩端設(shè)兩個(gè)變徑絲扣接頭，分別接上、下橡膠注水膠塞，上膠塞上接注漿鋼管，膠塞內(nèi)注水后膨脹，從而實(shí)現(xiàn)分段定向注漿的效果。

5)分層分段注漿：連接好注漿管路后，使用稀漿(或清水)加壓開環(huán)。在加壓開環(huán)過程中，一旦出現(xiàn)壓力突然下降，注漿量劇增，表示已經(jīng)開環(huán)。開環(huán)后即按設(shè)計(jì)配合比開始正式注漿。應(yīng)自下向上逐段進(jìn)行注漿，分段長(zhǎng)度為0.5 m～2 m，注漿過程中主要通過“聽聲音、看壓力、看注漿量”來判斷注漿的實(shí)施效果。注漿過程中，當(dāng)注漿超過預(yù)計(jì)注漿量不見升壓或吸漿量不下降時(shí)應(yīng)變換漿液濃度或添加速凝劑。

6)封孔：注漿結(jié)束后所有鉆孔均要封孔，嚴(yán)格按照鉆探規(guī)程的規(guī)定進(jìn)行封孔，并進(jìn)行封孔質(zhì)量檢查，在孔口埋設(shè)標(biāo)志，提出封孔報(bào)告。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

山西某煤礦原礦井水處理廠為適應(yīng)礦井生產(chǎn)，擬對(duì)礦井水處理廠進(jìn)行改擴(kuò)建。根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告，擴(kuò)建場(chǎng)地為煤矸石填埋，矸石回填層層厚2.10 m～17.40 m，由西北向東南層厚逐漸變薄，平均厚度12.47 m最大回填厚度約17.0 m，填料成分主要為煤矸石，粒徑及級(jí)配情況不詳；矸石回填層以下為褐紅色粉質(zhì)粘土(Q2)，勘察中該層未揭穿，具體厚度不詳。為了增強(qiáng)地基剛度，提高地基穩(wěn)定性，需對(duì)擬建建筑物地基進(jìn)行處理。

2.2 注漿加固方案

2.2.1鉆孔布置

在建筑物外邊線向外2.0 m布設(shè)一圈帷幕注漿孔，目的其一為將地基加固區(qū)與潛在著火區(qū)隔離，其二為防止?jié){液外流。建筑物下方布設(shè)一般注漿孔，采用4 m孔間距正三角形布置。鉆孔本工程共布置注漿孔258個(gè)，其中帷幕注漿孔82個(gè)，固結(jié)注漿鉆孔156個(gè)。帷幕鉆孔距基礎(chǔ)外邊線2.0 m向基礎(chǔ)外方向布設(shè)，孔間距2.7m，共計(jì)82個(gè)；固結(jié)注漿鉆孔采用正三角形布置，相鄰鉆孔間距4 m，共計(jì)156個(gè)。

鉆孔開孔孔徑不小于130 mm，進(jìn)入原狀土深度不小于1.0 m，鉆進(jìn)過程中遇塌孔鉆進(jìn)困難時(shí)可采用跟管鉆進(jìn)、泥漿護(hù)壁等方法確保成孔后能順利下入鋼質(zhì)袖閥管。所有注漿孔均按照先帷幕孔后固結(jié)注漿孔的順序進(jìn)行施工，宜分成兩序施工，必要時(shí)可分三序成孔注漿施工。

2.2.2袖閥管注漿參數(shù)

1)注漿材料。注漿材料主要采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、粉煤灰(Ⅱ級(jí))、水、速凝劑(水玻璃)等組成。

2)注漿參數(shù)。帷幕孔采用水泥粉煤灰復(fù)合漿液，固相比(水泥∶粉煤灰)為4∶6，內(nèi)部建筑物下一般注漿孔采用純水泥漿液，水固比為1∶1～1∶1.2。當(dāng)帷幕注漿孔注漿量較大時(shí)，可摻入水泥重量2%的速凝劑。

注漿前，應(yīng)將作原材的漿液配合比試驗(yàn)(配合比分別為1∶1；1∶1.1；1∶1.2)。試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包括單位漿液的各骨料的含量、凝結(jié)時(shí)間、漿液比重及結(jié)石率。

3)注漿壓力及擴(kuò)散半徑。注漿開始時(shí)先進(jìn)行壓水，注漿壓力孔口控制在不大于2 MPa～3 MPa。暫確定漿液擴(kuò)散半徑為5.0 m，實(shí)際施工中根據(jù)注漿效果進(jìn)行調(diào)整。

2.2.3終止注漿標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)注漿壓力超過3.0 MPa，注漿量小于15 L/min，穩(wěn)定壓力時(shí)間達(dá)到10 min～15 min時(shí)停止注漿；當(dāng)發(fā)生加固范圍的土體表面發(fā)生裂縫，并有漿液冒出地面時(shí)停止注漿；當(dāng)發(fā)生串漿或漿液漏失嚴(yán)重時(shí)停止注漿。

多次注漿間歇時(shí)間依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的漿液初、終凝時(shí)間確定，以不小于初凝時(shí)間，且不大于終凝時(shí)間為準(zhǔn)。當(dāng)注漿達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，該孔注漿結(jié)束。

2.2.4注漿效果檢測(cè)

1)勘探檢測(cè)：注漿施工結(jié)束28 d后，在場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)總數(shù)不得少于注漿孔總數(shù)的2%的檢測(cè)孔。在檢測(cè)孔成孔過程中進(jìn)行剪切波速試驗(yàn)及重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，以判斷被注漿加固后回填矸石層的均勻性和完整性。同時(shí)對(duì)檢測(cè)孔所取巖芯進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于0.6 MPa。

2)靜載檢測(cè)：JGJ 79—2012根據(jù)建筑地基處理技術(shù)規(guī)范第8.4.4條規(guī)定，換填及注漿加固處理后地基的承載力應(yīng)進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)，本工程靜載檢驗(yàn)要求數(shù)量應(yīng)不少于6個(gè)點(diǎn)。

3 結(jié)語

針對(duì)煤矸石地層松散破碎易塌孔的特點(diǎn)，通過改進(jìn)傳統(tǒng)袖閥管注漿工藝，介紹了一種適用于煤矸石地層的注漿工藝，在工程實(shí)踐中該工藝具有可靠性好、使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，取得了良好的效果，具有一定的推廣意義。