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白云巖階段出現了大面積垮塌，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驗和技術。

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農場內，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，遇強風化泥質白云巖，圍巖極不穩(wěn)定。施工井深至23.5m時，井筒南側由于側壓力出現垮落，當掘至井深31.5m出現如同井深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的地質鉆孔資料，只能是依據距副井100m處的主井的地質鉆孔施工。資料顯示該段位于第四系黏土以下的強風化帶中，巖性為泥質巖與泥質白云巖互層，呈灰色，風化后呈磚紅色，泥質結構，層狀構造。主要礦物成分為粘土礦物，含白色斑點狀高嶺石及泥質巖風化角礫，偶見石英。強風化巖呈泥質砂土狀，裂隙不發(fā)育且多被泥質充填，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，井壁圍巖向井筒內部擠壓，壓力較大，垮塌嚴重，工程地質條件極差，施工條件極惡劣。

根據資料，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

當時正值雨季剛結束，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，井筒南側由于側壓力出現垮落，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局部垮落，采用“短掘短砌”技術，順利通過。

當掘至井深31.5m出現如同井深23.5m相同的情況，東西偏南側近半個井筒，砼壁后形成空洞。砼壁后的強風化泥質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)現在地表南偏東距鎖口盤約6m處出現長約8m、寬約50mm的裂縫，北偏西有長約2m、寬約5mm的裂縫。經業(yè)主現場實地勘察，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調查所得資料采用EpiData3.0軟件進行的數據錄入,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。按現場涌水量、井筒斷面，依據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，依據計算結果，結合現場實際施工情況，取濾水層厚度為1.0m。

根據井筒涌水量、現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]現場施工條件及注漿終壓，結合相關施工經驗，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 高壓旋噴注漿技術應用

壁后充填密實注漿結束后，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，形成20～40 MPa高壓噴射流，不斷切割破碎巖體，破壞強風化泥質白云巖。當噴射流的動壓超過土體結構強度時，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體，以提高其抗剪強度、改善土的變形性質，使其在上部結構荷載直接作用下不產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后能承載一定負荷的水泥結石圓柱體，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的選擇

根據井筒斷面大小，結合目前掌握的含水層特點，暫定孔數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，其他材料配比根據材料性能和實際條件現場試驗確定。

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底板充分切割并將孔內粉渣清理干凈?？紤]到本次旋噴注漿的對象是強風化泥質白云巖的軟弱層位，因此選用76型旋轉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，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

5 效果評測

運用高壓旋噴技術進行工作面預注漿后，井筒內巖體密實加固效果明顯。經注漿后的探查孔探查表明，井筒斷面內巖石固結完全，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 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，遇強風化泥質白云巖，發(fā)生側翼的大面積垮塌，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同樣的垮幫事故。此次注漿作業(yè)中很多技術和經驗值得借鑒，尤其是運用高壓旋噴注漿技術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驗。

[1]陳幸福.高壓旋噴注漿技術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.高壓旋噴注漿技術在地基加固中的應用探討[J].中國高新技術企業(yè)，2009(09).

[3]付 強.探討如何運用高壓旋噴注漿技術加固高速公路軟基[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。