硫酸鹽侵蝕環(huán)境下斜井加固技術(shù)研究

楊 棟，許剛剛，劉 沖

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

1 工程概況和地質(zhì)條件

圖1 副斜井地質(zhì)剖面圖(m)

2 斜井加固技術(shù)

2.1 注漿材料的比選

表1 水泥膠砂試件的配合比

K=R液/R水

(1)

式中，K為抗蝕系數(shù)，當(dāng)小于0.8時(shí)，試件破壞；R液為硫酸鈉溶液中試件的抗折強(qiáng)度，MPa；R水為水中試件的抗折強(qiáng)度，MPa。

水泥膠砂試件侵蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，在0.6%的Na2SO4溶液中，隨著浸泡齡期的增加，粉煤灰摻入量為0%～30%的水泥膠砂試件抗蝕系數(shù)基本呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，摻入量為40%的水泥膠砂試件抗蝕系數(shù)整體上持續(xù)降低；同時(shí)，粉煤灰摻入量為10%～30%的水泥膠砂試件抗蝕系數(shù)明顯大于未摻入粉煤灰的試件，摻入量為40%的水泥膠砂試件在第7個(gè)月時(shí)，抗蝕系數(shù)開始小于未摻入粉煤灰的試件；長遠(yuǎn)來看，粉煤灰對水泥膠砂試件抗侵蝕能力影響較大，試件抗蝕系數(shù)從大到小依次為粉煤灰摻入20%、10%、30%、0%、40%。

圖2 水泥膠砂試件侵蝕試驗(yàn)抗蝕系數(shù)曲線

現(xiàn)場施工時(shí)，由于工期緊張，建設(shè)單位要求1個(gè)月內(nèi)加固治理；粉煤灰用量較大，采購與運(yùn)輸不便；并且粉煤灰摻入量為10%的水泥膠砂試件抗蝕系數(shù)較大(僅次于摻入量為20%)，抗侵蝕能力較強(qiáng)；而高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥的抗侵蝕能力強(qiáng)于普通硅酸鹽水泥。因此，受客觀因素制約，本次副斜井的注漿加固選用摻有I級(jí)粉煤灰10%的高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。

2.2 架設(shè)工字鋼井圈

根據(jù)副斜井井壁腐蝕粉化破裂程度，采用“井壁密集架設(shè)工字鋼井圈+雙層鋼筋網(wǎng)”支護(hù)，型鋼采用I16(160mm×88mm×6mm)工字鋼，間距800mm，井圈之間通過橫向連接鋼筋(環(huán)向間距1000mm)和工字鋼交錯(cuò)焊接；鋼筋網(wǎng)采用?8mm圓鋼，規(guī)格200mm×200mm。在圈后同步敷設(shè)2mm厚防水抗腐軟性材料及注漿管路，并預(yù)留30mm厚的防水抗腐蝕漿液填充區(qū)，進(jìn)行壁后注漿孔鉆孔施工，預(yù)留壁后注漿管，如圖3所示。

圖3 井圈修復(fù)加固井壁

井壁的修復(fù)加固采用由下而上的順序架設(shè)井圈，其表面進(jìn)行熱鍍鋅防腐處理。架設(shè)好后，開始噴射C25混凝土，水泥采用高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。噴射混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，通過預(yù)留注漿管路，對30mm厚的預(yù)留防水抗腐蝕漿液填充區(qū)進(jìn)行灌漿填充，材料為摻有10%的Ⅰ級(jí)粉煤灰的高抗硫酸鹽硅酸鹽水泥。該漿液凝固后形成具有一定強(qiáng)度的抗腐蝕防水層，對新形成的內(nèi)壁起到防水防腐作用，并與內(nèi)壁一起支護(hù)周圍巖土體。最后通過預(yù)留的壁后注漿管，對壁后空洞進(jìn)行填充加固，對壁后巖土體進(jìn)行固結(jié)加固，密閉腐蝕性水滲流通道的同時(shí)提高巖土體的力學(xué)性能。

2.3 井筒壁后注漿

本次井筒腐蝕段的治理采用全段壁后帷幕止水注漿工藝，為了增加地層的強(qiáng)度，選用無收縮雙液漿材料，材料配比見表2，其注漿范圍為井壁壁后1.5m，布孔間距為1.5m×1.5m，呈梅花型布孔。

表2 無收縮雙液漿材料配比

注漿應(yīng)控制好注漿壓力，其主要目的是保護(hù)井壁，防止因注漿壓力過大致使井壁混凝土發(fā)生壓裂甚至冒頂事故。注漿壓力可按式(2)確定：

(2)

式中，p為注漿安全壓力，MPa；D為井筒直徑，取井筒凈寬5m；H為井壁厚度，取0.5m；Rk為井壁的允許抗壓強(qiáng)度，Rk=Rn/n，其中Rn為井壁的極限抗壓強(qiáng)度，取14.2MPa，n為安全系數(shù)，取2。

通過上式計(jì)算，井壁注漿安全壓力不超過1.25MPa。同時(shí)，對巷道底部出水點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)流排放，減少水體對混凝土的持續(xù)腐蝕作用，并對已腐蝕損壞混凝土進(jìn)行清理修補(bǔ)。

2.4 混凝土的表面處理

為減弱新噴射的混凝土受外部環(huán)境的侵蝕，在混凝土表面涂一覆層進(jìn)行防護(hù)，提高其耐久性。本項(xiàng)目的表面防護(hù)采用硅烷浸漬法，材料為異丁烯三乙氧基硅烷，由于其小分子結(jié)構(gòu)易于滲入噴射混凝土內(nèi)部幾毫米，且與水泥反應(yīng)后在毛細(xì)孔壁上形成一層牢固的憎水屏障，可有效減弱硫酸根離子等有害物質(zhì)的擴(kuò)散滲入，防水透氣，從而在根源上封堵了混凝土的侵蝕路徑，提高了混凝土的耐久性。

另外，硅烷浸漬處理施工方便，可靠性高，采用普通的噴霧器噴灑至混凝土表面即可。噴灑時(shí)，噴霧器噴口須垂直于混凝土表面由下而上連續(xù)噴灑，使井壁至少有5s保持濕潤狀態(tài)。共噴灑2遍，時(shí)間間隔4h以上。

3 結(jié) 論

通過對腐蝕的斜井進(jìn)行修復(fù)加固，井筒的涌水量降低到4.6m3/h，且無明顯出水點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求，可見：

2)架設(shè)工字鋼井圈并敷設(shè)2mm厚防水抗腐軟性材料是修復(fù)加固腐蝕斜井最安全最可靠的方法之一，具有較大的推廣意義。

3)壁后帷幕止水注漿可使斜井周圍土層形成強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體，從而達(dá)到穩(wěn)定土層及止水的要求，但須控制好注漿壓力。

4)硅烷浸漬法可有效減弱硫酸根離子等有害物質(zhì)的擴(kuò)散滲入，提高混凝土的耐久性。