張 雁，田增林，曹海東，黨亞堃，王 海，李和平，韓 強

MJS工法在礫石層中的應用及成樁差異性

張 雁1,2，田增林1,2，曹海東1,2，黨亞堃1,2，王 海1，李和平1，韓 強1

(1. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安 710077)

在我國某露天煤礦截水帷幕建造過程中，由于受架空高壓線、地埋光纜、地埋排水管等多處障礙物影響，局部區(qū)域直接成槽工藝無法施工，因此，選擇可以“全方位”施工的MJS工法完成此類區(qū)段建造。MJS試樁結(jié)果表明，該工法在東西兩側(cè)卵礫石層施工區(qū)成樁質(zhì)量差異明顯，為查明成樁差異性原因，采用地質(zhì)勘探、重力觸探試驗和抽水試驗等方法，從礫石層厚度、礫徑、含砂量、地層密實度和含水層滲透能力等方面進行分析。結(jié)果表明，在礫石層厚度大、含砂量小、地層密實、含水層滲透性強的施工東區(qū)無法成樁，而在條件相反的施工西區(qū)成樁質(zhì)量符合要求。研究成果拓寬了MJS工法的應用范圍，對類似條件下MJS工法施工參數(shù)的選擇具有指導意義。

MJS工法；截水帷幕；抽水試驗；滲透系數(shù)；動力觸探試驗；密實度；露天煤礦

MJS工法[1-3](Metro Jet System，簡稱MJS)又稱全方位高壓噴射工法，是在傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝的基礎(chǔ)上，采用獨特的多孔管和前端裝置，實現(xiàn)孔內(nèi)強制排漿和地內(nèi)壓力主動監(jiān)測，大幅減少對環(huán)境的影響且進一步保證了成樁直徑和強度，可適用于水平、傾斜和垂直的旋噴注漿加固施工中[4]。由于其獨特優(yōu)勢，該工法除用于常規(guī)地基加固或基坑支護外[5]，還用于地下構(gòu)筑物保護，避開既有管線的加固[6]，隧道頂部先期加固[7-8]，地下隔離墻、受損止水帷幕[9]的修復等特殊區(qū)段施工。

影響MJS工法成樁質(zhì)量的關(guān)鍵因素是地層條件和水文地質(zhì)條件。實踐證明，MJS工法在淤泥、淤泥質(zhì)黏土、黏性土地層中應用較多，且具有較好的成樁質(zhì)量[10]，但在砂層或卵礫石層中應用的成熟案例不多。本文以MJS工法在礫石層中的應用為例，通過對比分析，研究不同地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下的成樁差異性。

1 工程背景

1.1 工程概況

我國某露天煤礦為減少礦坑疏排水量，沿礦坑外圍建造一截水帷幕[11-12]，主要施工工藝為地下防滲墻，但由于帷幕線局部需穿越架空高壓線、地埋光纜、地埋排水管路等多處障礙物，無法進行成槽施工，故將上述地段工藝變更為可以“全方位”施工的MJS工法。根據(jù)設計文件，帷幕線呈弧線形展布，高壓線、地埋光纜等障礙物橫穿帷幕線，因此，MJS工法的施工區(qū)域為東西兩側(cè)特殊區(qū)域，包括西區(qū)二工段和東區(qū)十工段(圖1)。

施工區(qū)地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為表土層(0.5 m)、細砂層(5~6 m)、卵礫石層(約15 m)和粉砂質(zhì)泥巖層(大于20 m)，其中卵礫石層為主要含水層，富水性強，是截水帷幕的目標層位。

1.2 施工方案

MJS工法形成的樁排式截水帷幕結(jié)構(gòu)如圖2所示，噴漿范圍為頂面固定標高+623 m至卵礫石層底板隔水地層1 m，主要噴漿地層為細砂層和卵礫石層。

設計引孔孔徑250 mm，噴射樁徑2.0 m，樁間距1.5 m，樁間搭接0.5 m，樁體為半圓形柱體。

圖1 MJS工法施工區(qū)域分布

2 試樁過程與結(jié)果

2.1 試樁參數(shù)

MJS工法在卵礫石層中應用較少，為保證成樁質(zhì)量，確定具體施工參數(shù)，首先在西區(qū)二工段和東區(qū)十工段各進行一次試樁試驗，試樁位置見圖1中標注，試樁參數(shù)見表1，兩次試樁試驗施工參數(shù)相同，設計樁徑2.0 m。

東側(cè)試樁長度34.0 m，西側(cè)試樁長度22.6 m，均為全孔段噴漿。

2.2 試樁結(jié)果

試樁結(jié)束后第4 d開始對東西兩側(cè)試樁進行取心，驗證成樁樁徑和質(zhì)量，分別在距離樁心0.95 m、0.55 m和0.25 m處取心，東側(cè)取心鉆孔編號QX1、QX2和QX3，如圖3所示；西側(cè)取心鉆孔編號QX1′、QX2′和QX3′，分布與東側(cè)相同。

東側(cè)3個鉆孔取心結(jié)果基本一致，具體如下：

0~9.3 m為砂層，柱狀水泥樁，有一定強度，成樁效果好；9.3~20.0 m為礫石層，孔口返漿物為砂礫與泥漿混合物，土黃色，未見水泥；20~ 27 m，孔口返漿物為砂礫土與泥漿混合物，棕紅色，未見水泥，巖心管內(nèi)為含礫黏土，含大量礫石；27~34 m，孔口返漿物為砂礫土與泥漿混合物，灰褐色，未見水泥，巖心管內(nèi)為泥巖，灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)。

西側(cè)3個鉆孔取心結(jié)果基本一致，具體如下：

圖2 地層結(jié)構(gòu)與帷幕結(jié)構(gòu)示意圖

表1 MJS工法半圓樁試樁參數(shù)

單位：m

0~10.0 m為砂層，柱狀水泥樁，有一定強度，成樁效果好；10.0~18.3 m為水泥樁，灰褐色，有一定強度，巖心為水泥、砂、礫石膠結(jié)物，礫石粒徑為1~3 cm，判定礫石層成樁效果好；18.3~22.6 m，黑灰色黏土，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖心呈柱狀，見水泥。

東西兩側(cè)部分巖心如圖4所示。

取心結(jié)果表明，東側(cè)在上部細砂層中全段為水泥樁，樁徑達2.0 m，滿足設計要求，但進入礫石層后不成樁且未見水泥，不滿足設計要求；西側(cè)則全孔成水泥樁，樁徑達2.0 m，滿足設計要求。

圖4 東西兩側(cè)部分巖心

3 成樁差異性分析

從地層結(jié)構(gòu)特征、地層密實度、水文地質(zhì)條件3方面分析成樁的差異性。

3.1 地層結(jié)構(gòu)

通過地質(zhì)勘探成果可知，東側(cè)試樁區(qū)礫石層厚度大(平均17.7 m)、礫徑大(3~5 cm)、含砂量小(約7%)；西區(qū)試樁區(qū)礫石層厚度小(平均8.3 m)、礫徑小(1~3 cm)、含砂量大(約20%)。兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)特征如圖5所示。

礫徑越大，造成噴漿越不均勻，但地層中的砂層與水泥漿混合更有利于形成樁體，因此，東西兩側(cè)地層結(jié)構(gòu)差異是影響成樁質(zhì)量的主要因素之一。

圖5 東西兩側(cè)試樁區(qū)地層結(jié)構(gòu)特征

3.2 地層密實度

圓錐動力觸探試驗是用一定質(zhì)量的重錘，以一定高度的自由落距，將標準規(guī)格的圓錐形探頭貫入土中，根據(jù)打入土中一定距離所需的錘擊數(shù)，從而判定其密實度。圓錐動力觸探試驗的類型可分為輕型、重型和超重型3種，其中重型動力觸探適用于砂土和卵礫石層[13]，與試驗區(qū)地層相符，故本次采用重型動力觸探。

西側(cè)動探起始標高為–17.9 m，東側(cè)動探起始標高為–14.5 m，動探測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 東西兩側(cè)動探試驗測試數(shù)據(jù)

注：表中63.5 =·’63.5；為修正系數(shù)。

根據(jù)GB50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定，重型動力觸探密實度63.5分類見表3。

根據(jù)表3可知，西側(cè)礫石層密實度為稍密，東側(cè)礫石層密實度為密實，兩者明顯不同。密實地層條件下，對MJS工法而言，加大了切割、破碎地層的難度，進而不利于漿液的噴射和擴散。

表3 重型動力觸探密實度分類

注：表中錘擊數(shù)為綜合修正后的平均值。

3.3 水文地質(zhì)條件

采用潛水完整井抽水試驗，分別對西側(cè)和東側(cè)施工區(qū)進行抽水，計算含水層滲透系數(shù)，評價水文地質(zhì)條件的差異性。

滲透系數(shù)計算公式為：

其中，影響半徑計算公式為：

式中：為滲透系數(shù)，m/d；為抽水量，m3/d；w為水位降深，m；w為抽水井半徑，m；0為含水層厚度，m；為影響半徑，m。

抽水試驗數(shù)據(jù)和通過迭代法求得的滲透系數(shù)計算結(jié)果見表4。

由抽水試驗結(jié)果可知，東側(cè)礫石層滲透系數(shù)為80.60 m/d，西側(cè)礫石層滲透系數(shù)為8.28 m/d，東側(cè)地下水滲透性遠大于西側(cè)；較好的滲透性造成漿液無法在孔內(nèi)停留，快速隨地下水流失。

表4 抽水試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果

3.4 不成樁施工區(qū)的工藝調(diào)整

綜合上述分析可知，由于東側(cè)礫石層厚度大、礫徑大、含砂量小、地層致密、地下水滲透性好等，造成MJS工法在礫石層中不成樁，達不到建造止水帷幕墻的技術(shù)要求。因此，為確保截水帷幕質(zhì)量，對該區(qū)施工工藝變更為鉆孔咬合樁工藝。

咬合樁是樁與樁之間相間施工、相鄰樁之間部分圓周相嵌形成的具有良好防滲作用的整體連續(xù)圍護結(jié)構(gòu)[14-15]。樁內(nèi)澆筑材料可采用混凝土、水泥–粉煤灰等防滲材料。由于該工法施工效率低，近年來大規(guī)模應用的不多，但在地鐵、隧道、地道等施工場地小、圍護強度要求高的工程中仍有應用[16-17]。

設計樁徑1.0 m，咬合0.3 m，樁間距0.7 m，如圖6所示，施工順序為A1→A2→B1→A3→B2→…。B1樁施工時切割相鄰的A1、A2樁相交部分實現(xiàn)咬合，如此往復。咬合樁形成樁排式截水帷幕，從而實現(xiàn)截水目的。

圖6 鉆孔咬合樁截水帷幕設計方案

工程實施后，采用取心法驗證了成樁質(zhì)量(圖7)，礫石層中樁體密實、完整，達到設計要求。

圖7 鉆孔咬合樁質(zhì)量取心驗證

4 結(jié)論

a. MJS工法在卵礫石層中的應用不多，實際試樁結(jié)果表明，在一定條件下，MJS工法在礫石層中可形成滿足樁徑要求的水泥樁體；無法成樁區(qū)可采用鉆孔咬合樁工法進行替代。

b.地層結(jié)構(gòu)、礫石礫徑、地層密實度和礫石層透水性等是影響成樁質(zhì)量的主要因素。礫徑大、地層密實、滲透性好的地層條件不利于MJS工法成樁。

c.研究成果拓寬了MJS工法的應用范圍，對類似條件下MJS工法施工參數(shù)的選擇具有指導意義。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

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Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference

ZHANG Yan1,2, TIAN Zenglin1,2, CAO Haidong1,2, DANG Yakun1,2, WANG Hai1, LI Heping1, HAN Qiang1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

During the construction of water cutoff curtain in an open-pit coal mine in China, parts of the grouting groove couldnot be constructed due to many obstacles such as overhead high-voltage wire, buried optical cable and buried drainage pipe, and MJS construction method was chosen instead to build the cutoff curtain. The results of MJS pile tests show that the quality of piles formed by this method was obviously different in the construction area of gravel layer on the east and west sides. By the methods of geological exploration, gravity penetration test and pumping test, this paper makes a comparative analysis of gravel thickness, gravel diameter, sand content, formation compactness and permeability of aquifer. The results show that the pile can not be formed in the east construction area with thick gravel layer, small sand content, dense stratum and strong permeability, while the pile forming quality met the requirements in the west construction area where the conditions were opposite. The research results broaden the application scope of MJS construction method and have guiding significance for the selection of construction parameters under similar conditions.

MJS construction method; water cutoff curtain; pumping test; permeability coefficient; dynamic penetration test; compactness; open-pit coal mine

TD265.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.023

1001-1986(2020)02-0147-05

2019-08-29；

2019-12-16

天地科技股份有限公司創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項項目(2019-TD-MS014)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2019-XAYMS11)

Special Project of Science and Technology Innovation and Entrepreneurship Fund of Tiandi Science and Technology Co. Ltd.(2019-TD-MS014)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS11)

張雁，1983年生，男，河南鄭州人，博士，副研究員，從事礦井水害防治工作. E-mail：94384251@qq.com

張雁，田增林，曹海東，等. MJS工法在礫石層中的應用及成樁差異性[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：147–151.

ZHANG Yan，TIAN Zenglin，CAO Haidong，et al. Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：147–151.

(責任編輯 周建軍)