崔明遠，王海波，魯海濤，黃久源，聶華超

(平煤建工集團特殊鑿井工程有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著國內(nèi)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，西部地區(qū)逐漸成為煤炭建設(shè)的重點，而西部地區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性也給煤炭建設(shè)帶來了新的挑戰(zhàn)和課題。西部新建煤礦的進、回風(fēng)井多設(shè)計為立井井筒，在井筒表土段施工中多遇到深厚含水砂層、淤泥層等松散不良地質(zhì)條件，對工程安全施工造成較大影響[1，2]。目前立井施工多采用鉆井法、凍結(jié)法和地面預(yù)注漿等特殊鑿井工法來解決表土段施工難題，其中鉆井法因采用泥漿護壁，對松散不穩(wěn)定的含水復(fù)雜地層和流沙層及圍巖穩(wěn)定性差的地層都很適應(yīng)；凍結(jié)法在復(fù)雜地層井筒施工中具有很大的優(yōu)勢，但也會給工程帶來凍脹、融沉等災(zāi)害；地面預(yù)注漿適用于沖積層不厚、裂隙發(fā)育且潛水流速不大的弱含水地層，其應(yīng)用性較窄[3-5]。特殊鑿井工法中的鉆井法在立井井筒松散層施工初期仍可能會出現(xiàn)井筒鎖口承重失穩(wěn)和造成鉆井施工中井筒上部松散層擴徑甚至塌幫[6]，針對此類問題，基坑工程中通常采用高壓旋噴樁、鋼板樁、咬合樁等加固措施來確保施工安全，但高壓旋噴樁相較于以上幾種加固措施具有施工靈活、造價較低、環(huán)保高效等優(yōu)勢，且對于井筒環(huán)形施工加固帷幕更容易施工和控制，并且目前MJS工法(全方位高壓噴射)的出現(xiàn)使高壓旋噴有效加固更深，效果更可靠[7，8]。本文針對可可蓋煤礦中央進風(fēng)立井井筒鉆井法施工中遇到的地表第四系較厚松散含水砂層，根據(jù)實際情況，借鑒建筑、市政工程常用的MJS旋噴樁施工技術(shù)，對松散砂層采取MJS旋噴樁帷幕加固的施工方案，保證了立井鎖口和鉆進過程中的穩(wěn)定性，為類似工程提供經(jīng)驗。雖然MJS旋噴樁在建筑、市政、道路等領(lǐng)域有較成功的應(yīng)用案例，但應(yīng)用到西部地區(qū)煤礦立井井筒尚屬首次，本文也為復(fù)雜地質(zhì)條件下礦山建井提供新的解決途徑。

1 工程概況

榆橫礦區(qū)可可蓋煤礦位于陜西省陜北侏羅紀煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))北部，坐落于毛烏素沙漠南緣，設(shè)計年產(chǎn)量1000萬t。井田地表全部被第四系松散層所覆蓋，其中該煤礦中央進風(fēng)立井井筒設(shè)計為鉆井法施工，井筒鉆井直徑8.5m，深度538.5m。井筒表土段第四系松散砂層厚度61.1m，含水層為第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙3.5m和第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組細砂層37.94m、亞砂土19.67m，井筒第四系松散砂層統(tǒng)計情況見表1。尤其是上部細砂層成松散狀，地下水位埋深淺，涌水量大且滲水性能良好，臨近礦井松散層涌水量能達到1365m3/h[9]，為井筒鎖口的穩(wěn)定性和井筒鉆井法施工中上部穩(wěn)定帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此在鉆井施工前需對松散砂層進行加固，以保證鉆井過程中井筒鎖口穩(wěn)定不發(fā)生沉降、松散層不塌幫。

表1 井筒第四系松散砂層統(tǒng)計

2 咬合樁加固松散層遇到的問題

本工程前期因考慮加固體強度和深度，借鑒立井井筒過不穩(wěn)定松散層超前臨時支護經(jīng)驗，采用的松散層加固方案是咬合帷幕樁[10]，設(shè)計樁長30m，樁徑1.2m，強度C25，素混凝土樁和鋼筋混凝土樁相互咬合。先在樁位附近施工試驗樁，使用全套管鉆機配合沖抓斗鉆進施工。試驗樁鉆進10m后沖抓斗便不能將細砂抓出孔內(nèi)，其效率極其地下。經(jīng)分析原因如下：一是地下水位埋深淺(地表以下3.73m)且地層全為細砂；二是沖抓斗封閉性差，抓取細砂上提過程中細砂被水沖出抓斗?？紤]到旋挖鉆機回轉(zhuǎn)斗的封閉性，確定采用“全套管鉆機+旋挖鉆機”聯(lián)合施工方法。

在使用該方案施工第二根素混凝土樁的過程中，鉆進中出現(xiàn)了砂層抱管現(xiàn)象，全套管鉆機壓管困難，采用了加黏土調(diào)泥漿的措施最終鉆進至終孔并澆筑混凝土；在施工第一根鋼筋混凝土樁的過程中，套管鉆進至18～20m時再次出現(xiàn)了壓管困難，全套管鉆機明顯負荷過大且速度緩慢，只得靠套管提升再下放緩慢鉆進，最終因全套管鉆機能力達到極限且地面出現(xiàn)了局部塌陷而停止施工。經(jīng)分析，該區(qū)域砂層含水且過度松散對咬合樁套管形成了強大的圍抱力造成了套管鉆進困難；不斷上提套管，使旋挖面與套管下緣的保護砂層減少，造成流砂從鉆孔底涌進套管內(nèi)，外部砂層受到擾動從而使地面局部塌陷。同時也提出改進施工工藝：在套管鉆頭上鉆孔、焊螺旋筋、用調(diào)制的泥漿增加潤滑性，但通過試驗，結(jié)果均收效甚微。

事實說明，在本區(qū)域松散砂層中采用咬合樁施工工藝會出現(xiàn)套管鉆進困難，從而使施工進度緩慢，甚至造成塌孔、地陷而破壞地層結(jié)構(gòu)，不但達不到松散層加固的目的，而且為后期鉆井法施工埋下了無法預(yù)測的安全隱患。經(jīng)研究論證，最終選定了采用MJS旋噴樁對本區(qū)域松散含水砂層進行帷幕加固的方案[11]。

3 MJS旋噴帷幕樁設(shè)計驗算

3.1 MJS旋噴帷幕樁設(shè)計參數(shù)

MJS旋噴樁設(shè)計參數(shù)為：樁基環(huán)形布置，布置圈徑為10700mm，樁徑設(shè)計為1500mm，樁長30m，引孔31m，共34根樁，相鄰樁基咬合513mm，咬合位置加固體寬度1129mm，如圖1所示?？紤]MJS旋噴帷幕樁對立井松散層加固是為了承受鉆井法施工設(shè)備與基礎(chǔ)對土體產(chǎn)生的載荷，因此對其進行承載能力計算和模擬分析。

3.2 MJS旋噴帷幕樁承載能力計算與模擬分析

3.2.1 MJS旋噴帷幕樁加固體應(yīng)力計算

根據(jù)井筒設(shè)計參數(shù)及地質(zhì)情況，可可蓋中央進風(fēng)立井鎖口基礎(chǔ)采用矩形鎖口盤式結(jié)構(gòu)形式，由上部的鎖口盤和下部的擴大井壁組成，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鎖口盤為矩形，外形尺寸寬26.5m，長30.5m，擴大井壁為環(huán)形，內(nèi)徑為12.2m，鎖口自重約為24160kN；上部布置鉆機、門式起重機軌道，下部布置封口平車軌道。鉆井設(shè)備自重約為12630kN。按照《樁基手冊》計算鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載[12]：

σ=(N+G)/F-σ1

式中，σ為鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載，kPa；N為作用在鎖口基礎(chǔ)上的豎直應(yīng)力，即鉆井設(shè)備自重，取12630kN；G為鎖口基礎(chǔ)自重，取24160kN；F為鎖口基礎(chǔ)的底面積，即鎖口盤外部矩形面積減去內(nèi)側(cè)擴大井壁環(huán)形面積，F(xiàn)=691.35m2；σ1為鎖口基底處土自重荷載，這里為0。

經(jīng)計算，鎖口基礎(chǔ)向下的附加荷載σ=53.2kPa。

按照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》，采用擋土墻地壓公式計算加固體水平砂層地壓：

加固體內(nèi)側(cè)承擔(dān)的水平荷載，可以參考《采礦工程設(shè)計手冊》中重液公式：σ3=γ泥漿×h=12h。式中，σ3為加固體內(nèi)側(cè)承擔(dān)的水平荷載，kPa；γ泥漿為加固體內(nèi)側(cè)泥漿比重，取12kN/m3[15]。

3.2.2 MJS旋噴帷幕樁承載能力模擬分析

使用ANSYS軟件solid185三維體單元建立有限元計算模型，計算參數(shù)見表2。

表2 有限元模型計算參數(shù)

1)根據(jù)對稱性，選取旋噴樁加固體1/4建立有限元模型，采用solid185三維體單元進行有限元網(wǎng)格劃分，計算范圍內(nèi)加固體模型共計劃分23437個六面體單元，如圖2所示，計算模型按三維線彈性模型進行計算[16]。

圖2 有限元三維荷載模型

2)有限元模型邊界條件。根據(jù)對稱性，約束加固體模型對稱面法向位移，底部向上位移。外表面承擔(dān)凈水壓力荷載、土體側(cè)向主動土壓力、鎖口及鉆井設(shè)備附加應(yīng)力、加固體內(nèi)表面承擔(dān)鉆井期間泥漿平衡壓力、鎖口盤頂部向下附加壓力、加固體自身重力、樁端向上承載力和樁外側(cè)摩擦阻力[17]。

3)有限元模型應(yīng)力及位移分部云圖如圖3所示。根據(jù)有限元計算，旋噴加固體最大壓應(yīng)力為1.24MPa，設(shè)計高壓旋噴加固體單軸抗壓強度1.5MPa，大于模擬計算旋噴加固體最大壓應(yīng)力，滿足要求。

圖3 有限元模型應(yīng)力及位移分部云圖

4 MJS旋噴帷幕樁施工工藝與質(zhì)量控制

4.1 設(shè)備選型

MJS工法是在原來高壓旋噴法的基礎(chǔ)上采用獨特的多孔管和前端強制吸漿裝置，實現(xiàn)了孔內(nèi)強制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測，并通過調(diào)整強制排漿量來控制地內(nèi)壓力，保持地內(nèi)壓力穩(wěn)定[18]。針對此工程，地表及MJS旋噴樁施工深度范圍內(nèi)均為第四系松散砂層，地下水位埋深淺，且現(xiàn)場樁基施工垂直度要求比較高，選用安曼180型引孔機，此機型可自動調(diào)整施工水平和垂直度，滿足現(xiàn)場施工要求。采用YBM50型MJS旋噴主機(5t)，設(shè)備輕便且施工效率高，YBM50型噴漿機可承受60MPa壓強，可以滿足成樁樁徑及施工質(zhì)量要求。

4.2 施工參數(shù)

針對松散含水砂層的特殊地質(zhì)條件，MJS旋噴樁施工采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，水灰比1∶1，水泥漿液壓力40±2MPa，空氣壓力0.8～1MPa；空氣流量1.0～2.0m3/min；漿液流量85～100L/min，水流量50～75L/min，水泥摻入比按50%，提升速度按-30m至-15m不大于41mm/min，-15m至0m不大于48mm/min，全圓噴射[19，20]。樁身垂直度偏差不得超過1%[21]；MJS旋噴樁施工完成后要進行表土開挖觀測和取芯檢測，無側(cè)限抗壓強度應(yīng)達到1.5MPa以上。

4.3 施工工藝

4.3.1 測量放線

施工前用全站儀測定旋噴樁施工的控制點，即井筒中心，并校對設(shè)計院移交的井筒十字中心線；根據(jù)樁位布置圖，用鋼尺和測線實地布設(shè)樁位，并用方木配合紅漆標定位置，一樁一標識，保證樁孔中心位置偏差小于50mm。

4.3.2 導(dǎo)墻施工

根據(jù)現(xiàn)場施工及布置，旋噴樁施工前進行導(dǎo)墻施工，導(dǎo)墻設(shè)計為混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度為C30，澆筑厚度0.3m，外圈直徑17.1m，內(nèi)圈直徑4.3m。MJS旋噴樁圈直徑10.7m。中心位置預(yù)留1.5m的導(dǎo)向槽，導(dǎo)墻面高出地面0.3m。

4.3.3 試樁施工

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，MJS旋噴樁要施工試樁3根；試樁的施工方法與MJS旋噴樁施工方法相同。試樁施工時通過帶壓力傳感器的前端總成密切監(jiān)測地內(nèi)壓力，壓力不正常時，根據(jù)情況調(diào)整排漿閥大小控制地內(nèi)壓力在安全范圍以內(nèi)。試樁完成后，對試樁進行開挖檢驗，開挖深度地面以下2～3m，觀察檢驗旋噴樁樁徑及相鄰樁之間的搭接效果，根據(jù)試樁情況來調(diào)整施工參數(shù)。

4.3.4 引孔施工

1)引孔施工前，應(yīng)首先在現(xiàn)場配置泥漿(泥漿比重1.15～1.25g/cm3)，在引孔時進行泥漿護壁；校驗鉆桿長度，并用紅油漆在鉆桿旁標注深度線，保證孔底標高滿足設(shè)計深度。

2)引孔鉆機就位后，對鉆機進行調(diào)平、對中，調(diào)整樁機的垂直度，保證鉆桿應(yīng)與樁位一致，偏差在50mm以內(nèi)，鉆孔垂直度誤差不大于1%，引孔直徑300mm。鉆進過程中隨時注意地層變化，對孔深、塌孔、漏漿等情況，要詳細記錄。

3)引孔終孔深度要大于旋噴深度1m，以滿足少量沉淀和噴嘴前端距離。終孔后將孔內(nèi)殘留物清理干凈，使用測斜儀器進行終孔測斜，保證成孔垂直度偏斜不大于1%[21]，如偏斜過大要重新引孔。

4.3.5 MJS旋噴樁施工

1)MJS旋噴樁主機就位，連接電源、數(shù)據(jù)線、各路管線、鉆頭和地內(nèi)壓力監(jiān)測顯示器，確認在鉆頭無荷載的情況下清零，管線連接確保密封，使管內(nèi)沒有空氣。檢查設(shè)備的運行情況，確保主機、高壓泵、空壓機、泥漿攪拌系統(tǒng)、MJS管理裝置等都能正常工作，主機機架放置平穩(wěn)后開始校零。

2)鉆桿下放，校正鉆桿垂直度，在引孔內(nèi)將鉆桿下放至設(shè)計深度30m，如果在鉆桿下放過程中下放困難，打開削孔水進行正常削孔鉆進。對接鉆桿和鉆頭，對接時對接螺栓一定要對稱擰緊，保證鉆桿垂直度；鉆頭到達預(yù)定深度后，開始校零，使動力頭“0”刻度、噴嘴、鉆桿上白線處于同一條直線，然后設(shè)定各工藝參數(shù)，包括擺噴角度、提升速度、回轉(zhuǎn)數(shù)等等，設(shè)定好之后，開始旋噴施工。

3)旋噴之前先開倒吸水流和倒吸空氣，在確認排漿正常時，打開排泥閥門，開啟高壓水泥泵和主空氣空壓機。為保證樁底端的施工質(zhì)量，首先用水向上噴射100cm，壓力為20MPa，噴射時間5min，然后把水切換成水泥漿；開啟高壓水泥泵時，壓力不可太高，應(yīng)逐步增壓，直到達到指定壓力，在水泥漿達到指定壓力并確認地內(nèi)壓力正常后，鉆桿重新下放到位后開始提升并旋噴施工。

4)施工時密切監(jiān)測地內(nèi)壓力，壓力不正常時，必須及時調(diào)整排漿閥大小控制地內(nèi)壓力在安全范圍以內(nèi)；當(dāng)提升一根鉆桿后，對鉆桿進行拆卸，需把水泥漿切換成水后方可拆卸，當(dāng)水泥漿泵壓力有下降趨勢，說明水流已經(jīng)到達噴嘴位置，此時關(guān)閉水泥漿泵、主空氣、倒吸空氣和倒吸水流。旋噴提升到設(shè)計樁頂標高時停止旋噴，提升鉆頭出孔口，清洗設(shè)備、注漿泵及輸送管路，然后使用吊車將鉆機移位[22]。

4.4 質(zhì)量控制要點

1)MJS旋噴樁必須具有強制排泥功能，相鄰樁體在強制排泥的時候，上一根樁水泥需滿足終凝時間條件，以防止對樁體的破壞；為保證MJS高壓旋噴樁施工質(zhì)量，采取跳樁施工方案，連續(xù)施工間距大于3個樁位，相鄰樁位施工間隔大于3d。

2)引孔施工時每鉆進5m用水平尺測量機身水平和立軸垂直1次，以保證鉆孔垂直，終孔時使用測斜儀進行終孔測斜，保證引孔垂直度偏斜小于1%。旋噴過程中也要注意測量鉆桿垂直度，確保旋噴樁帷幕加固體符合設(shè)計要求。

3)在旋噴施工過程中，旋噴均應(yīng)自下而上連續(xù)進行。當(dāng)旋噴鉆桿不能一次提升完成，兩次旋噴注漿的搭接長度至少要有50cm，以保證固結(jié)體的整體性和連接質(zhì)量要求，防止斷樁；如旋噴過程中出現(xiàn)塌孔，要重新引孔并旋噴。

4)MJS旋噴樁施工完成后，立井井筒要進行鎖口開挖，開挖深度4m，在這個過程中，要充分觀察旋噴施工效果，并留下影像資料，同時對樁體取芯送實驗室檢測，確保加固體強度和質(zhì)量。

5 結(jié) 論

通過對立井井筒松散含水砂層采用MJS旋噴樁進行預(yù)加固處理，使立井井筒上部松散層形成了環(huán)形帷幕加固體，保證了井筒鎖口不發(fā)生不均勻沉降和大直徑井筒鉆進過程中的上部穩(wěn)定。井筒鎖口在開挖過程中，測量MJS旋噴加固體的樁徑、咬合寬度、水泥旋噴質(zhì)量均達到了預(yù)期要求，同時取芯檢測強度達到了2MPa，這也驗證了MJS旋噴樁在松散含水砂層中施工具有很強的適應(yīng)性。目前，該井筒已安全、順利鉆過了松散含水砂層，由此可見，MJS旋噴帷幕樁預(yù)加固技術(shù)可作為松散含水砂層預(yù)加固處理技術(shù)體系中的一種，對于西部地區(qū)煤礦立井建設(shè)意義重大，可在類似條件下煤礦立井建設(shè)中推廣應(yīng)用。