地面注浆（精选7篇）
地面注浆 篇1
赵固二矿回风立井净直径为5.2 m, 井口设计标高+81.5 m, 落底标高-638 m。采用冻结法施工井筒表土段和风化基岩段, 冻结深度为628 m。基岩段采用普通法施工, 深度为106.5 m。预计在二1煤层顶板垂深683.40～730.87 m处, 井筒涌水量为60 m3/h。为保证井筒基岩段掘砌施工时的安全, 在掘砌施工前, 决定对下部地层进行探水、注浆施工。
1地质及水文地质概况
(1) 工程地质。
井筒落底标高为-638 m, 井筒总深为719.5 m。井筒穿过的冲积层厚522.53 m, 基岩段强风化带厚68.3 m, 岩层主要由粗粒砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩、泥岩、粉砂岩组成;基岩段中风化带厚度10.7 m, 岩层主要由泥岩和粗粒砂岩组成;基岩段弱风化带厚度24.95 m, 岩层主要由砂质泥岩和粗粒砂岩组成;弱风化带以下主要以细粒砂岩、泥岩、破碎带、粗粒砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩为主, 裂隙发育。二1煤层见煤位置为730.87 m, 厚度6.01 m, 煤层倾角6°, 井筒不揭露。井检孔资料显示:井筒基岩段岩石岩性完整, 节理、裂隙局部发育, 岩石硬度系数为4～6, 属于第Ⅱ～Ⅲ级稳定、中等稳定岩层。
(2) 水文地质。
井检孔资料显示, 二1煤层上部砂岩裂隙承压含水层是风井井筒基岩段的主要含水层组。二1煤层顶板以浅50 m范围内的地层, 岩性由泥岩、砂质泥岩、砂岩等组成, 砂岩为主要含水层, 但砂岩裂隙一般不太发育, 富水性较弱, 地下水补给条件差, 以消耗静储量为主。根据流量测井资料, 预计井筒涌水量60 m3/h。
2注浆堵水方案
套内壁结束后先形成排水系统, 接着施工止浆垫, 并对上部10 m范围内井壁进行注浆加固, 然后采用ZDY650 (MK-3) 型煤矿全液压坑道钻机施工探水注浆孔, 根据设计要求进行工作面预注浆。
3注浆工程设计
3.1注浆起止深度及注浆方式
探水注浆段为119.5 m (610.0～729.5 m) , 根据井筒基岩段水文地质条件及钻探设备的施工能力, 采用2个段高进行探水注浆。第1探水注浆段高为73.4 m, 注浆起止深度为610～683.4 m, 注浆孔6个, 注浆压力为13.67～17.09 MPa;第2探水注浆段高为46.1 m, 注浆起止深度为683.4～729.5 m, 注浆孔6个, 注浆压力14.59～18.24 MPa。采用下行压入式注浆, 将上段已注过浆的裸孔经扫孔作为下段注浆的导管, 注浆终孔深度超过井筒落底深度10 m。
在钻孔钻进过程中, 当涌水量超过5 m3/h时, 要停止钻进, 先进行注浆堵水;当钻孔涌水量小于5 m3/h时, 可以恢复钻进至终孔。
3.2注浆钻孔的布置参数及施工顺序
注浆钻孔布置6个孔, 正北方向作为1#孔, 钻孔按顺时针编序号。注浆钻孔口距井壁0.5 m, 终孔超出井筒荒径距离2.0 m。施工时将钻孔分2组, 单号孔为第1组, 双号孔为第2组。先对第1组钻孔进行注浆, 封堵岩石大的裂隙, 再施工第2组钻孔, 封堵细小裂隙, 并作注浆质量检查孔。其中1#孔为初检孔, 主要检查水量和地层的岩性, 6#孔作为终检孔, 检查本次探水注浆的质量。
3.3注浆压力
注浆过程中, 封孔终压一般选取钻孔静水压力的2.0～2.5倍, 注浆压力为工作面进浆管处的压力, 前期封堵岩石大裂隙时注浆压力取低值, 后期针对岩石小裂隙注浆取高值。
注浆起止深度为610.0～683.4, 683.4～729.5 m, 注浆压力分别为13.67～17.09, 14.59～18.24 MPa。
3.4注浆材料及注入量
工作面预注浆选用普通单液水泥浆, 主要采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥掺入水泥质量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺配制而成。食盐和三乙醇胺起速凝早强作用。如岩性破碎、涌水量较大或吸浆量较大时, 采用双液浆或先期注单液浆最后注双液浆封堵;注浆后期视注浆效果压注化学浆液, 封堵孔隙水。
3.5止浆垫施工
止浆垫在套壁前已施工完毕, 混凝土强度等级为C80, 经计算止浆垫厚度取3.0 m (可以承受注浆最大压力) 。探水注浆施工前, 先对止浆垫上方10 m范围内的井壁进行注浆加固, 使止浆垫上部井壁与混凝土止浆垫共同承受注浆压力。
3.6埋设孔口管
井筒套壁结束后, 在距止浆垫上2.0 m的位置施工搭设工作平台, 而后埋设探水孔口管6个。孔口管长度取4.0 m, 露出止浆垫上口0.5 m。孔口管采用Ø108 mm×6 mm无缝钢管, 孔口上部焊接法兰以便连接注浆阀。中下部加工成倒鱼鳞结构。
埋设孔口管时, 将钻机按设计的方位、孔径、倾角固定在井壁上, 用Ø130 mm钻头钻进, 钻孔深度为4.5 m, 用压风将孔内岩粉吹净, 然后在钻孔内灌入2∶1水泥砂浆, 紧接着下孔口管, 孔口管上端露出止浆垫500 mm。1 d后, 用钻机扫掉孔口管内水泥砂浆, 并做压水试验, 压力控制在1.5倍静水压, 压水10～20 min不漏为合格。否则注双液浆进行加固孔口管, 重复以上操作, 直至合格为止。
3.7注浆孔施工
注浆钻孔采用煤矿全液压坑道钻机, 使用Ø50 mm钻杆、Ø75 mm钻头, 施工注浆钻孔时, 用清水作循环液。在打钻前, 要在孔口管上安设高压球阀, 以防止钻孔施工时含水层突水造成淹井事故。
打钻施工前要在井筒内搭设平台, 将钻机固定在井壁上。在钻孔施工过程中, 若钻孔涌水量超过5 m3/h, 或因岩石破碎塌孔等原因无法钻进时, 要停止打钻进行注浆。否则一直钻进, 直至设计终孔。
3.8注浆作业
(1) 注浆前准备工作。
注浆站安装2台注浆泵, 并设置清水池、水泥浆搅拌系统。注浆设备及管路必须进行试运转, 注浆系统要满足最大注浆压力和流量的要求。经试运转及耐压试验, 无异常后方可注浆。注浆孔钻进到既定深度后, 用清水冲孔 (破碎带不冲) , 直到返清水后, 进行注浆作业。注浆作业程序:接通输浆管路→压水试验→注浆→定量压清水→冲洗输浆管路→拆洗注浆泵→扫孔或钻进。
(2) 压水试验及注浆压力的调整。
注浆前要先对钻孔压水试验, 冲洗岩石裂隙中的充填物, 以提高浆液结石体与岩石裂隙面的黏结强度及抗渗能力, 并根据泵压及注入量对钻孔吸水量进行测定。
在注浆过程中, 注浆压力可分为初期、正常及终压3个阶段。根据注浆压力变化情况, 及时控制泵量, 调整浆液浓度及凝胶时间等, 使注浆压力平稳地升高, 直至达到注浆终压、终量, 并稳定20 min以上。
(3) 浆液的调配。
常用单液水泥浆水灰比及单液水泥浆配制见表1。注浆的初始浓度应根据已测定的单位钻孔吸水量进行选择 (表2) , 先稀后浓, 当浆液在裂隙沉析、充填阶段时, 若压力不升、进浆量也不减时, 应逐渐加大浓度。若压力上升快、进浆量减小, 为保证足够的注入量, 此时应依次降低浆液浓度。每更换一次浆液浓度, 一般持续20 min。
风险管理提供及时有效的服务。同时, 参加评价与风险有关的控制系统, 为企业管理层提供“经营风险在控制中”的保证;在推动控制自我评估的进程中, 内部审计人员对企业管理层组织状况加深了了解, 促进管理层各部门参加者对风险和控制自我评估的学习。企业运用控制自我评估的方法, 通过在企业控制系统中建立的人力资源结构, 增强了企业管理人员的内部控制能力, 可以产生数量少而效果好的控制, 从而有助于公司治理结构的完善和控制目标的实现。
地面注浆 篇2
1 模型试验
1.1 试验设计
结合工程实际, 本试验根据埋深不同的岩性组合来进行模型试验。试验由不同埋深的岩石组成7种不同的模拟岩层。注浆材料水灰比m、注浆压力p也选取7个值, 各因素取值如表1所示。
试验设计采用3种因素 (岩石渗透系数、注浆压力、水灰比) 7个取值的方式, 按照表2, 表3进行试验设计。由表3可知3种因素试验应采用表2中第2, 3, 4列来安排试验, 将采用的3种因素分别放在表3的后三列来安排试验。试验安排如表4所示。
1.2 试验分析
浆液扩散半径 (R) 、注浆体抗压强度 (P) 的试验数据如表所示。
根据表5的试验数据, 利用计算机对注浆压力 (p) 、注浆时间 (t) 、浆液水灰比 (m) 、岩石渗透系数 (k) 、孔隙率 (n) 分析, 得出影响注浆浆液扩散半径 (R) 的因素排列顺序由高到低的是:注浆压力 (p) 、岩石渗透系数 (k) 、注浆时间 (t) 、浆液水灰比 (m) 。影响注浆后的岩石抗压强度 (P) 的因素排列顺序由高到低的是:浆液水灰比 (m) 、注浆压力 (p) 、岩石渗透系数 (k) 、注浆时间 (t) 。由试验结果可以看出, 注浆压力必须满足小于地层的起劈压力, 因此说浆液的最大扩散半径是由地层本身结构决定的。从影响注浆后的岩石抗压强度的因素可以看出水灰比则占有明显的优势, 这是因为注浆浆液是在不改变注浆岩层的原有结构的情况下, 浆液排挤出岩层孔隙中的自由水和气体, 增强注浆后岩石整体性。
2 数值分析
2.1 压力及渗透系数变化分析
将不同的扩散半径、不同的初始浆液压力以及不同的渗透系数之间模拟结果的比较来对岩层注浆机理进行分析。可以发现初始压力的大小并不会影响到浆液压力分布的比例, 在相同扩散半径的情况下较高的初始浆液压力所产生的流速也较高, 如图1所示。
当初始浆液压力依然为0.04个单位, 渗透系数变为25的时候模拟结果见图2。可以发现, 渗透系数的改变也不会影响到浆液压力的分布, 两种不同的介质中, 浆液扩散到同一半径的浆液压力随半径的变化是一样的。
2.2 扩散半径变化分析
1) 浆液压力为4个单位, 扩散半径为5 m, 渗透系数为2.5时模拟结果如图3, 图4所示。
2) 浆液压力为4个单位, 扩散半径为15 m, 渗透系数为2.5时模拟结果如图5, 图6所示。
通过数值模拟可以看出, 模拟渗透注浆如采用水泥等粘时变流体作为浆液, 在扩散半径达到某范围后, 半径会迅速达到最大半径, 这个半径受岩石渗透系数, 浆液特性, 浆液流量等因素控制。
3 主要结论
1) 影响注浆浆液扩散半径 (R) 最主要因素是注浆压力 (p) , 最小是浆液水灰比 (m) 。扩散半径是由岩层原有结构决定的, 其次才是和浆液的性质、注浆工艺参数有关。
2) 影响注浆后的岩石抗压强度 (P) 最主要因素是浆液水灰比 (m) , 最小注浆时间 (t) 。注浆浆液不改变注浆岩层的原有结构, 通过增强注浆后岩石整体性, 提高注浆体强度。
3) 本次数值模拟只是将不同的扩散半径不同的初始浆液压力, 不同的渗透系数之间的模拟结果进行比较之后, 对岩层渗透注浆的机理进行了模拟分析, 没有考虑裂隙填充和劈裂注浆等过程。
4) 地面预注浆是一项综合性、系统性的工程, 工序多且复杂, 工期紧, 质量要求高, 施工有一定难度。因此, 应加强施工组织与管理, 不断优化施工设计, 严把各施工环节的质量关。
参考文献
[1]崔广心.相似理论与模型试验[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1990.
[2]王峰, 曹光宇.简明实验力学[M].北京:科学出版社, 1993.
[3]周国庆.特殊地层含水层注浆加固参数与井壁附加力关系的研究[D].徐州:中国矿业大学, 1996.
[4]沈季良, 崔云龙, 王介峰, 等.简明建井工程手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2003.
地面注浆 篇3
1 注浆堵水方案
对于回填段涌水的治理必须综合考虑多方面的因素, 选择合理的处理方法, 以保证科学性、经济性、实用性和可操作性。为避免注浆工程对井筒安装造成影响, 确定采用地面注浆方法加固明槽回填段, 封堵第四系潜水造成的井壁淋水, 使回填段矸石固结充填良好, 涌水量不大于1 m3/h。
1.1 注浆孔布置
根据斜井水文地质、明槽段开挖和回填矸石结构情况, 为使浆液尽可能饱满充填所有回填矸石裂隙, 选用了大密度浅孔注浆钻孔, 其布置见图1～2。
为保证注浆段与井筒下部基岩段固结成一体[3], 将地面从斜井井口沿井筒方向10～47 m段作为注浆段, 注浆控制最大垂深21 m左右, 控制最大斜长52 m。注浆孔按主斜井巷道中心线方向沿巷道拱基线及巷道荒断面向外0.5 m东西两侧分别布置3排孔, 排距为3.6 m。每排注浆孔孔间距为3.7 m, 斜井西面一排孔因涌水量偏大, 根据实际情况可以适当缩小孔间距。两侧的注浆孔深以进入巷道底板1.5 m为准, 中间一排注浆孔深要距离斜井顶帮不小于0.5 m。设计布置注浆孔共31个, 其中东西两排各布置11个钻孔, 中排布置9个钻孔, 钻孔最浅7.0 m, 最深20.8 m, 设计钻孔工程量382 m。
1.2 注浆材料选择
考虑到被注浆体为疏松回填矸石, 以及第四系潜水水位等因素, 为有利于回填段固结, 同时降低工程造价, 注浆材料采用以水泥—粉煤灰浆为主, 水泥—水玻璃双液浆为辅的浆液[4]。正常注浆时, 首先采用水泥—粉煤灰浆进行注浆, 在注浆过程中当地面或井壁上出现冒浆时再采用水泥—水玻璃双液浆进行注浆。水泥采用P.032.5级新鲜普通硅酸盐水泥。水玻璃采用模数为2.4～3.2、波美度为35～45的碱性水玻璃。
1.3 注浆主要参数选择
1.3.1 注浆压力
由于被注浆体为疏松回填矸石, 要使注浆后地面不发生鼓起和不对井壁造成破坏, 故采用低压注浆方法。根据经验, 每个注浆孔初期注浆压力定为0.3～0.5 MPa, 后期根据注浆孔深度等情况适当提高压力, 终压一般在0.8～1.5 MPa, 最大不超过2 MPa。
1.3.2 浆液扩散半径
由于在疏松体内进行低压注浆, 但有部分黏土掺于其中, 因此, 为保证注浆效果和质量, 将浆液扩散半径控制在2.5 m左右。
1.3.3 浆液配比
水泥—粉煤灰浆配比采用水∶ (水泥+粉煤灰) = (1～0.75) ∶1, 水泥和粉煤灰比例为1∶1.5;水泥—水玻璃双液浆开始时配比为1∶0.5, 后期调整为1∶0.3。
1.4 注浆量预计
按下式计算预计注浆量:
Q=nV (1+a)
式中:Q为预计注浆量, m3; V为计算注浆段体积, 取5 900 m3;n为回填段孔隙系数, 取0.10;a为浆液损失率, 取0.08。
经计算, 预计注浆量约为638 m3。
2 注浆工艺
考虑到疏松回填矸石等因素, 注浆采用边打孔边灌注的施工工艺。钻孔成孔后, 安设注浆管;建立地面注浆站系统。注浆孔上部用双液浆胶泥捣实封闭, 凝固后开始注浆。单孔注浆工艺流程见图3。
3 注浆施工
3.1 钻孔设备
为加快工程进度, 使用2台SGZ-150型钻机和1台DPP-100型汽车钻机同时钻进打孔, 泥浆护壁, 采用牙轮钻头钻进, 孔径为98 mm。
3.2 注浆设备及布置
选用2TGZ-60/210型双液调速高压注浆泵, 布置在注浆地点, 采用机械拌制浆液, 并安放3个0.5 m3的铁桶, 1个存放水泥浆, 1个存放清水, 1个存放水玻璃。注浆地点的供风、动力电缆、照明电缆利用井口原有的设施。
3.3 注浆
注浆管由Φ32 mm钢管加工 (3 m以下加工成花管, 以便浆液注入) 而成, 在3 m位置焊接上Φ90 mm短盘, 上部灌上砂浆, 下部悬空, 连接好高压管后即进行注浆。注浆过程中, 先注入水泥—粉煤灰浆;当地表和井筒内出现冒浆时调整浆液配比, 或注入水泥—水玻璃双液浆。在实际施工时, 根据现场条件、地质条件及井筒出水范围, 为使注浆充填加固效果更好, 对钻孔布置方案进行调整, 即西侧注浆孔适当进行加密, 局部孔间距由3.7 m改为2.5 m, 减少中排注浆孔数。
4 主要安全技术措施
施工前技术人员对斜井中心线和井壁荒断面进行测量放线, 按设计方案在地面确定孔位;运输、储存注浆材料的容器必须清理干净, 不留杂质, 以免损坏系统和管路;注浆前要用清水洗泵, 做耐压试验, 确认安全后方可注浆;注浆管牢固打入孔内, 封堵好孔口管, 尽量避免跑浆;每孔注浆结束后及时关闭孔口球阀, 以防倒浆;制浆人员必须按规定配比浆液, 将其放入储浆桶后要进行搅拌以防沉淀;注浆期间要做好原始记录, 随时对注浆效果进行评价, 做配比试验并做好记录, 对吸浆量进行分析;各注浆孔要达到设计孔位和终压, 并符合一定的注入量;指定专人观察现场及其周围的情况, 当发现浆液从地面冒出等漏浆、跑浆现象时, 立即停止注浆, 调整注浆压力和浆液配比。
5 完成工程量
工程于2010年1月30日开始, 2月12日完工, 共施工注浆孔30个, 累计钻孔施工量397.2 m, 注浆量约660 m3。使用水泥645 t, 粉煤灰450 t, 水玻璃164.09 t, 实际注浆终压为0.5～2.3 MPa。各注浆孔主要参数见表1。
6 注浆堵水质量检验
注浆结束后, 采用两种方法对注浆堵水质量进行检验。首先, 对斜井井口向下注浆后回填段斜长60 m范围内, 进行现场查看并实测剩余涌水量, 经72 h连续实测, 井筒涌水量一直稳定在0.8 m3/h左右, 井壁及底板无明显的淋水或渗水现象。其次, 在井筒东西侧中部各施工1个取芯检查孔, 深度控制到井筒底板下部1.5 m处。通过取芯发现, 井壁周围的回填土浆液充填胶结情况良好, 达到设计要求。
7 结语
实践证明, 采用地面低压注浆充填加固技术封堵回填段第四系潜水的方法是可行的, 其优点有:①通过形成帷幕, 隔断地下含水层与井筒的水力联系, 治理井壁淋水;②浆液充填岩层孔隙, 并与岩层形成结石体, 使井筒周围岩体处于稳定状态;③地面注浆施工与井筒安装平行作业, 节约施工时间。其成功的关键点是钻孔布置大密度、单双液浆相结合、采用低压力注浆。
对于类似工程施工建议要注意以下几个方面的问题:首先要取得详细准确的地质及水文地质资料, 查清注浆加固岩体裂隙发育特征和规律;其次要选择正确的注浆方案及浆液类别;在施工过程中要加强现场观察, 发现问题及时采取有效的应对措施。
摘要：朝川矿一井新施工胶带运输机斜井明槽段回填后, 第四系潜水通过疏松回填土渗漏涌入井筒内, 涌水量达35 m3/h左右。根据矿井安全生产和相关技术规定, 结合回填段回填矸石结构、固结程度、不同深度和注浆技术不断发展等情况, 在不影响井筒设备安装的情况下建立地面注浆站, 采用大密度浅孔、水泥—粉煤灰与水泥—水玻璃不同浆液、低注浆压力等技术, 对井筒疏松回填段进行注浆封堵, 使回填段渗水量降到1 m3/h以下, 取得了良好效果。
关键词：斜井明槽,潜水,低压注浆,封堵
参考文献
[1]王新军, 翟加文, 潘国营.朝川矿水文地质特点与防治水对策[J].煤矿安全, 2006 (5) :53-55.
[2]中华人民共和国煤炭工业部.煤矿井巷工程质量检验评定标准[S].北京:煤炭工业出版社, 1995.
[3]中华人民共和国建设部, 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.煤炭工业矿井设计规范[S].北京:中国计划出版社, 2005.
地面注浆 篇4
1 井壁破裂机制及常用治理方法
对于井壁破裂机制, 岩土工程界、采矿界以及相关领域的专家学者提出了竖直附加力、施工质量、构造运动等不同的假说[1,2,3,4], 其中竖直附加力说得到了大多数专家及学者认可。该假说认为:特殊地层含水层水位因采矿或非采矿活动而下降, 含水层的有效应力增大, 产生固结压缩, 引起上覆土体下沉。土体在下沉过程中, 由于接触摩擦对井壁产生向下的竖直附加力, 原井筒井壁设计时未认识也未考虑此力, 附加力对井壁作用自上而下累积到一定量值后, 混凝土井壁不能承受巨大的竖直附加力而破坏, 附加力是导致众多井筒井壁发生破裂的主要原因。崔广心、周国庆、杨维好等人为了揭示井壁的破裂机制, 采用室内大型模拟试验台, 模拟研究深厚表土层与井壁 (结构物) 之间的相互作用, 提出了著名的“竖直附加力理论”[5,6,7,8,9]。
针对井壁破裂问题, 广大科技工作者提出了多种治理方法, 如改善井壁结构、开卸压槽、地面注浆以及破壁注浆等。
由于疏排水导致含水层压缩是产生附加力的根源, 因此, 注浆加固含水层法是解决井壁破裂问题较根本和积极的措施, 在破裂井壁的治理中得到了广泛应用。
2 地面注浆加固地层法治理井壁破裂的机制
地面注浆加固地层法对井壁竖直附加力的缓释及抑制双重效应示意图见图1。图中横坐标表示含水层疏水时间t, 纵坐标是井壁附加力fn。
1—井壁破裂前fn—t关系;2—井壁破裂后、注浆前fn—t关系;3—考虑附加力缓释效应的fn—t关系;4—考虑抑制、缓释双重效应的fn—t关系。
假设井壁所能承受的极限附加力为fc, 由于含水层疏水降压造成了井壁附加力随时间延长而增加 (图中曲线1) ;tc时刻附加力达fc, 井壁遭受破坏, 井壁附加力降至fr (即残余附加力) ;由于疏排水的继续, 井壁附加力又以一定规律发展 (图中曲线2) ;若在t1时刻对含水层进行注浆加固, 因大量浆液的挤入使部分上覆地层向上位移或产生上移趋势, 井壁附加力得以缓释 (图中CE段) , 附加力减至fw;此时, 若不考虑注浆加固对阻碍含水层疏水的作用, 附加力将沿曲线3的趋势发展, 事实上部分含水层得以充填密实, 井壁附加力随时间增加的曲线斜率将产生变化 (曲线4) 。因此, 对含水层进行注浆加固有抑制附加力 (t时刻为d) 和缓释附加力 (t时刻为h) 的双重效应。从图中可以看出, 如不进行含水层的注浆加固且井壁抗附加力能力没有提高, 预测井壁将在t2时刻再次破坏;考虑注浆缓释效应后, 预测井壁将可能推迟至t3时刻破坏;若同时考虑抑制、缓释双重效应 (即实际可能的情况) , 井壁破坏时间将继续推迟。如果预测井壁破坏时间大于矿井降水影响终止时间, 则矿井生产期间井壁的安全将得以保证。
含水层注浆加固时将可能造成上覆土体的上移, 从而对井壁附加力产生缓释效应, 这对于井壁未来的安全无疑是有利的, 但同时也带来了注浆加固过程中井壁的安全问题, 如注浆范围或注浆工艺等参数选择不当, 浆液压力将可能造成井壁承受超过原始设计的不均匀水平压力而致使其径向处于不安全状态, 地层的上移若“缓释”附加力过度, 将可能使井壁竖直方向受拉而又对井壁安全构成威胁。因此必须通过实测监控技术, 及时调整注浆参数。
3 地面注浆加固地层技术的应用
3.1 工程概况
某矿副井竣工于1973年12月, 井筒净直径6.0 m, 深度462.10 m。表土段采用冻结法施工, 冻结段为普通双层钢筋混凝土井壁, 内壁厚400 mm, 外壁厚350 (400, 500) mm;基岩段为单层素混凝土井壁, 其厚度400 mm。井筒穿过的第四系表土层厚163 m, 主要由黏土、铝质黏土、亚黏土及砂砾层组成, 属冲积、湖泊相沉积, 整个表土层可分为4个含水层, 属第四系砂砾含水层, 含水量十分丰富。
2001年7月在对井筒的检查中发现, 在垂深161.5 m处井壁有破裂现象, 井壁东北角有1条微裂缝, 环向长1.5～2.0 m, 倾角3°左右, 呈拉裂特征。在垂深165 m左右发现井壁表面有混凝土片状脱落现象, 破裂段高度0.5～1.0 m, 环向近2/3贯通, 呈现竖向荷载作用下径向劈裂现象。
为了保证矿井的正常安全生产, 防止井壁破裂状况的进一步恶化, 经过方案比较, 决定采用地面注浆加固地层法对该副井进行治理。
3.2 地面注浆孔的布置及注浆参数的选择
根据该矿副井井筒穿过地层的地质资料, 考虑到含水层疏水沉降的重点在中、深部, 含水层加固范围为垂深80～170 m (深入基岩风化带6 m) , 地层总厚90 m, 含水层累计总厚38.82 m, 见表1。
在地面共施工8个注浆孔, 均匀布置在圈径为33 m的圆周上, 孔间距12.63 m。
注浆施工中采用上行分段、定时、定量、间歇式注浆。1次注浆量达到16～27 m3时停注, 待浆液凝固24 h后进行2次循环注浆。注浆加固距离6.6 m, 相对加固宽度12 m, 注浆孔口终压为4.0～5.0 MPa, 同时综合考虑井壁受力应变、地层沉降量、钻孔取样分析、浆液扩散的雷达检测等情况作为结束注浆的标准。
3.3 注浆效果分析
目前地面注浆效果的检测有多种方法, 常见的有:钻孔取岩心、声波探测和电磁法等。采用钻孔取岩心法较为直观可靠, 可对该矿副井的加固效果进行检测。注浆后5个岩心样品的部分力学指标测定结果见表2。
由表2可以看出, 注浆后土体的力学性能较注浆前有明显改善, 有些甚至提高1倍左右。
为了检测注浆效果, 同时对注浆前后井筒附近地表的沉降情况进行了观测。图2为注浆前后地面的沉降情况 (2002年观测) 。由图2可以看出, 刚注浆完毕, 井壁周围土层抬升比较明显, 但随着时间的推移, 浆液慢慢凝固, 浆液中水分扩散, 抬升量又有所下降, 累计结果表明, 注浆后较注浆前井筒附近的地表有较为明显的抬升, 由此可知, 井壁的竖直附加力得到了有效的缓释和抑制。
4 结语
按照分段、定时、定量、间歇性的原则对含水层进行注浆, 可以充填和挤实含水层, 提高其自身的承载能力, 减小含水层因疏排水而产生的压缩量, 从而减小上覆土层的下沉。同时, 浆液在井筒周围形成较完整的帷幕可以封堵漏水通道, 减少井壁破裂处的涌水。因此, 地面注浆加固井筒周围的含水层可以有效缓释和抑制井壁的竖向附加力, 达到防治井壁破裂的目的。但若加固参数 (如注浆压力、浆液浓度、注浆时间以及注浆范围控制等) 选择不当, 则不能有效地抑制井壁附加力的产生和增加, 难以保证加固后井壁的长期安全, 或导致施工工期延长, 治理费用增加。要使注浆加固地层法特别是地面注浆加固地层法能有效地应用到工程中, 尚需对加固范围的内外圈径、加固体高度、加固体强度与寿命, 以及相互间的关系等进行深入研究。
摘要：介绍了井壁的破裂机制及其常用治理方法, 阐述了注浆加固地层法治理井壁破裂的机制, 并对该方法在治理某矿副井井壁破裂的应用情况进行了分析与探讨。结果表明, 地面注浆加固井筒周围的含水层能够有效地改善井壁的受力状态, 加固后, 作用在井壁上的垂直荷载减少, 井壁的竖直附加力得到了有效的缓释和抑制, 地面变形与井壁受力实测趋势基本吻合, 达到了防治井壁破裂的目的, 有利于确保井壁的安全。
关键词：井壁破裂,竖直附加力,注浆,加固
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地面注浆 篇5
淮北矿业集团公司信湖矿位于安徽省涡阳县境内, 东距涡阳县城约14 km。矿井设计生产能力3.00 Mt/a, 矿井设计两个水平, 一水平标高为-960 m, 二水平标高-1 200 m。矿井服务年限为63 a, 其中一水平服务年限为32.5 a, 二水平服务年限37.2 a。矿井采用立井、主要石门、分组大巷、 分区通风、集中出煤的开拓方式。主井井筒净直径6.0 m, 用于井下煤炭提升并兼进风;副井井筒净直径8.1 m, 用于提升矸石及上下人员、设备、材料;回风井井筒净直径7.0 m, 主要用于矿井回风。
2 L型钻孔预注浆加固的提出
随着淮北矿区开拓深度逐步加深, 井巷道施工过程中面临的地质条件也越发复杂。特别是井筒、大硐室群、运输大巷等受大地压和断层破碎带等地质灾害严重威胁, 这不仅使施工难度加大, 还影响井巷及硐室的安全使用。深井建设中不时出现不同程度的马头门、巷道、硐室等掘进冒顶、坍塌问题[1], 生产过程中巷道变形严重、修复频繁, 停工停产造成重大安全隐患和巨大经济损失。
根据地面预注浆的延伸, 通过钻孔工序的改变, 将直孔、S孔调整为L钻孔[2], 对深井大断面软岩巷道采用地面L型孔预注浆的方法加固[3], 代替地面垂直孔注浆和井下工作面预注浆加固法。这样可以减少地面预注浆钻孔工程量, 避免井下预注浆加固对工期的占用, 同时提高注浆效果, 改善围岩力学性态, 简化后期支护形式, 减少二次修复, 确保相关巷道围岩稳定和支护安全。
3研究方案
3.1典型岩层可注性研究
针对淮北矿区典型岩层, 通过微观试验, 测得其矿物成分与微观结构, 分析其节理、裂隙分布规律;通过模型试验、数值分析, 研究不同浆液在岩层中的渗流机理, 揭示不同岩体结构的渗透规律和可注性。
3.2 L型钻孔地面预注浆加固理论研究
针对淮北矿区典型岩层, 以劈裂注浆为重点, 研究浆液在岩体劈裂过程中的能量变化机理, 揭示注浆压力、注浆量、裂隙、节理以及地应力与注浆扩散半径之间的关系;在节理、孔隙发育岩层中, 渗透注浆、充填注浆机理, 获得不同岩性下L型钻孔地面预注浆最佳参数。
3.3注浆材料研究
以水泥系和黏土系浆液为研究重点, 研究普通型水泥浆、粉煤灰水泥浆、超细水泥浆、黏土水泥浆、黏土浆的基本性能, 试验研究不同浆液对不同岩性的适应性、可注性, 获得不同浆液凝结时间、结石强度等基本性能。
3.4地面L型钻孔钻进工艺、钻具和高精度井眼轨迹控制技术研究
研究地面L型钻孔布孔方式以及钻压、钻速等钻井参数;根据煤矿地层特点, 优化水平井斜井段和水平段钻具组合;提出单弯单稳柔性钻具组合配合MND钻实现斜井段井眼轨迹连续控制, 复合钻进和滑动钻进交替使用, 保证斜井段井眼轨迹控制精度、控制技术;利用地质导向技术, 采用单弯双稳导向系统配合LWD复合钻进等相关技术, 形成水平段轨迹控制技术。
4工程设计
4.1工程概况
井底车场设计埋深999 m, 中央变电所和水泵房位于副井的东侧, 如图1所示。岩性主要为粉砂岩, 整体性较差, 裂隙发育, 距巷道顶板13 m处有1层0.4 m的煤线。巷道掘进过程中, 容易出现顶板掉块和片帮等事故。
4.2工程参数
综合注浆范围及扩散半径 (按8 m) 分析, 在巷道周围布置3个孔, 分别为1号孔、2号孔、3号孔。其中1、2号孔位于巷道上部, 对顶板进行加固;3号孔位于巷道下部, 对底板进行加固。施工时, 在地面布置2台钻机, 通过2个直孔段的施工, 进行3个分支孔钻进。施工顺序为2号孔、3号孔、1号孔孔, 其中3号孔为2号孔的分支孔。 根据加固巷道参数, 钻孔设计孔深1 400 m, 其中直孔段600 m, 造斜段590~605 m, 水平段200 m, 靶前位移350 m, 钻孔垂深990.5~1 002.5 m, 水平位移550 m, 顶角变化率为5°/30 m。中央变电所和水泵房进行注浆的参数及地面预注浆技术钻孔轨迹和钻孔落点如表1和图1所示。
5工程施工情况
1号钻孔于2011-12-08开工, 截止到2012-12-25, 该项目历时384 d, 总的钻孔工程量为3 606 m, 其中直孔段1 200 m, 造斜段1 806 m, 水平段600 m。注浆工程量为5 936.5 m3, 粘土水泥浆3 742 m3, 单液水泥浆192 m3, 水泥基浆2 002.5 m3。水平段最高注浆压力达22.5 MPa。由于采用地面L型钻孔预注浆, 泵房、变电所将“原二次锚网索注+ 浇灌支护”变更为二次锚网索, 巷道施工过程中未出现冒顶、坍塌问题, 工程月进度为65 m。
6结论
采用地面高压预注浆后, 巷道围岩的整体性和稳定性有了较大提高, 施工安全环境明显改善, 减少或杜绝了顶板事故;采用地面高压预注浆后, 巷道支护结构变得简单可靠, 避免了使用过程中的频繁修复, 矿井井下环境整洁, 减少了对安全、 生产的影响;采用地面高压预注浆后, 支护结构简单, 用工量减少180~262个/m, 节省材料费约2.5万元/m;采用地面高压预注浆后, 支护结构简单, 巷道掘进断面减小, 减少了施工排矸, 杜绝了修复排矸, 较好地保护了环境;该技术可以应用于煤层顶底板注浆加固、瓦斯治理、页岩气开采、矿井水害治理等领域。
参考文献
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地面注浆 篇6
水泥-水玻璃浆液是以水泥和水玻璃作为注浆的主要材料, 按设计的配合比同时加入浆液混合器内使其充分混合形成的双浆液。这种浆液不仅同时具有水泥浆液的优点和化学浆液的某些特性, 而且注浆深度可任意调节、浆液可控性好、凝胶时间可准确控制在几秒至几十分钟范围内等优点, 具有良好的社会效益和经济效益[1]。因而在各种灌浆、堵水工程中具有十分广泛的应用[2~5]。
安徽省煤田地质勘探公司第一勘探队在对安徽省淮南市淮南花家湖矿塌陷区进行堵水, 经分析决定采用水泥-水玻璃双液注浆做注浆帷幕进行堵水。水泥、水玻璃作为无机灌浆材料, 其具有结石体强度高、不污染环境等优点, 但是它的最大缺点就是胶凝时间短, 渗透性差[6]。虽然双液注浆技术已有很大的发展, 但现有工程还是多采用经验方法施工, 而且本工程是从地表向地下注浆堵水, 注浆高程大, 水泥、水玻璃等就地取材等原因, 因此, 我们对水泥-水玻璃浆液的凝结性能进行试验分析, 以确定合适的配合比, 便于现场应用。
1 水泥-水玻璃浆液凝固性能试验
水泥-水玻璃浆液基本性能主要表现为凝结时间、强度、抗渗性、安定性、抗冻性等[7]。本室内试验主要研究内容为水泥-水玻璃浆液的凝胶时间, 根据注浆工程的需要, 水泥-水玻璃注浆浆液主要有堵水和加固两方面的应用, 因本试验是为堵动水工程做室内试验分析, 所以要求浆液的凝结时间在短时间内能够达到一定的强度。
1.1 水泥-水玻璃浆液堵水加固机理[8]
当水泥浆液与水玻璃溶液按某一体积比例混合后, 则产生化学反应很快形成具有一定强度的胶质体, 反应连续进行, 胶质体强度不断增强, 转为稳定的结晶状态至凝固, 从而起到填塞裂隙, 截断水流, 加固土颗粒的作用。其反应如下:
水泥中硅酸三钙和硅酸二钙与水发生水化反应生成硅酸钙 (C-S-H) 和氢氧化钙 (Ca (OH) 2) 。水化反应可用下式表达:
水泥的水化产物水化硅酸钙呈胶质状态, 几乎不溶于水, 而生成的氢氧化钙很快与水玻璃反应, 反应过程如下:
反应连续进行生成具有一定强度的胶质体, 与被灌岩体胶结在一起, 其强度不断增加转化为稳定的凝固体, 从而达到灌浆加固堵水的目的。
1.2 水泥-水玻璃凝结性能试验
水泥-水玻璃浆液的凝胶时间在注浆施工时起着至关重要的作用, 对灌浆、堵水工程能否达到工程的预期效果起着决定性的作用。笔者通过对水泥-水玻璃浆液的凝固特性进行研究, 就不同水灰比条件下不同的水玻璃加量对浆液的凝结时间的影响规律进行试验分析, 选出适合本工程堵动水的合适配合比。
1.2.1 试验设备
电子天平 (精度0.1 g) 、秒表、量杯 (精度1 ml) 、维卡仪、养护模、标准养护机等。
1.2.2 试验材料选择
由于该项目提出应用水泥-水玻璃双液注浆进行地下堵动水工程。本着就近取材的原则, 试验过程中采用安徽省淮南市宏瑞建材科技有限公司生产的水玻璃, 模数为3.3, 浓度40°Be'和八公山牌水泥 (P.O 42.5) 。
1.2.3 凝结性能试验
水泥-水玻璃凝结性能试验是通过用不同水灰比的水泥浆和不同的水玻璃浆液用量混合凝固来测定初凝时间和终凝时间。由于本试验是为堵地下动水工程做试验分析, 要求凝结时间快, 所以所选的配合比按表1为基准进行。
/%
1.2.4 试验步骤
1) 取相应量的水泥、水玻璃试样, 按设计的配方配制水泥-水玻璃浆液, 并记录水泥浆全部加入水玻璃浆液中的时间作为凝结时间的起始时间;
2) 将试模的内侧涂适量机油然后放置在玻璃板上。同时把水泥浆、水玻璃浆液同时倒入试模并搅拌均匀, 振动数次并刮平;
3) 调整维卡仪, 让初凝试针在接触到玻璃板的同时指针对准刻度零点。测定时将试模放到试针下, 将试针调到与双液浆表面刚要接触时止住。拧紧止动螺丝1~2 s后, 突然放松, 让试针垂直自由地沉入双液浆。观察试针停止下沉的读数。
4) 试件在配制好后进行第一次测定, 以后隔一定时间测一次。临近初凝时, 每隔5 s测一次;临近终凝时, 每隔10 s测一次, 到达初凝和终凝时应立即重复测一次, 两次结论相同时才能定为初凝或终凝状态。在完成初凝时间测定后, 立即将试模连同浆体以平移的方式从玻璃板取下, 翻转180°, 直径大端向上, 小端向下放在玻璃板上。
5) 当初凝试针沉至距底板4 mm±1 mm时, 为双液浆达到初凝状态;由水泥全部加入水玻璃浆液中至初凝状态的时间为水泥的初凝时间, 用“s”表示;
6) 当终凝试针沉入试体0.5 mm时, 即环形附件开始不能在试体上留下痕迹时, 为双液浆达到终凝状态, 由水泥全部加入水玻璃浆液中至终凝状态的时间为水泥的终凝时间, 用“s”表示。
1.3 试验结果及数据分析
由室内试验得到水泥-水玻璃的凝结时间数据见图1~2。由图1~2可知:水泥-水玻璃浆液的初凝时间在5~30s之间变化, 浆液初凝时间变化不是很大, 但终凝时间变化较大;随着水泥-水玻璃体积比增大, 浆液的初凝时间是增加的、而终凝时间是逐渐减小的;在水泥浆-水玻璃体积比一定时, 水灰比越大, 初凝时间和终凝时间越长。这说明:过稀的水玻璃的浓度达不到加速水泥固结的目的;水玻璃浓度的变化对水泥的初凝速度影响不大;在一定水玻璃浓度范围内, 水泥的凝结时间变化不大;水泥凝结时间的总趋势是随着水玻璃浓度变小而增大。
工程中的注浆体主要是天然形成的岩石裂缝构造, 如果终凝时间过长会造成材料浪费, 并且达不到注浆的效果。但是注浆又要求有一定的扩散半径, 所以注浆中要求既要保证扩散半径又不能扩散太远, 这就要求浆液的初凝时间和终凝时间之间有一定的时间差。
在图1中表现出随着水玻璃用量的增加, 浆液的初凝时间是平缓增大的, 从图2中可以看出, 随着水玻璃的增大, 浆液的终凝时间逐渐缩短。由此可知, 在水玻璃用量较大的情况下, 初凝时间和终凝时间的时间差较短, 不利于浆液的扩散。因此没必要做水玻璃体积比更大的试验。而且水玻璃体积比在20%的时候, 浆液的终凝时间变化曲线有较大的转变, 水玻璃含量低于20%时, 浆液的初凝时间和终凝时间的时间差过大, 会造成材料的浪费。从以上分析可以看出, 在不同水灰比的水泥浆和不同的水玻璃体积比下, 浆液的初凝时间变化不大, 呈水平平缓上升的, 而水泥的终凝时间变化较大, 且有明显的拐点。在满足质量的同时, 应选择最为经济的配合比, 而在拐点附近选择浆液的配合比无疑是对施工最经济最有利的。
2 浆液配合比的确定
本工程为动水大高程地面双液注浆堵水工程, 采用从地面钻孔向地下注浆形成帷幕堵水及通过在工作面钻地质探孔和注浆孔, 再向孔内压注浆液, 浆液挤出注浆孔并挤出在其周围一定范围内的岩缝内的水, 保证围岩的裂隙被具有一定强度的混合浆体充填密实, 并与岩石固结成一体, 形成止水帷幕。在实际施工过程中, 浆液的配比一般没有一个固定的比例, 它与水量大小、岩石裂隙发育程度、注浆管路和注浆压力等因素有关。浆液配比的原则是:要使浆液凝固速度快, 水泥与水玻璃的比例应适当加大;相反, 要使浆液扩散距离远, 就必须减少水泥浆液与水玻璃的比例, 以减缓浆液的凝固速度。考虑工程的特点, 在保证工程质量的同时, 尽可能的节省工程材料的用量, 且考虑在施工操作过程中对参数选取时的范围变化等因素, 取水灰比为1∶1, 水玻璃体积比为20%的配合比。原因如下:
1) 在水灰比1∶1时浆液终凝时间变化曲线有拐点, 并且不同的水泥、水玻璃体积比下, 此浓度的初凝时间和终凝时间的时间差较为理想;
2) 该浓度下可以弥补施工中工人在现场稀释水泥浆的误差, 因为水泥浆稍浓或稍稀都不会使水泥浆的凝胶差 (初凝与终凝的时间差) 变化很大。
3 注浆施工
3.1 钻孔
钻孔位置要准确, 地表表层围岩松散的要设钢护筒, 孔径150 mm, 开孔要轻加压、慢速, 钻深10 m后转入正常钻速, 以保证开孔质量, 换钻杆时要检查钻杆是否弯曲, 有无损伤、中心水孔是否畅通等。第一根钻杆钻完后, 使用卡口钳子连接第二根钻杆, 依次接钻杆。在钻进过程中, 要随时掌握孔壁围岩变化, 护筒及时跟进, 防止坍孔卡钻。当孔深达到设计要求后, 钻杆退出, 用卡口钳或大扳手人工卡紧前杆, 钻机反转, 松开连接套卸下钻杆, 按同样方法依次全部拆卸钻杆推出孔外。
3.2 孔内下注浆管
注浆钢管孔内下直径108 mm钢管, 孔内注浆钢管下好后, 把套管取出, 对注浆管进行洗孔, 将孔内泥浆及钻渣清出, 确保注浆钢管孔壁与坍体 (土体) 畅通。连接注浆管路后, 先压水检查管路是否畅通, 设备状态是否正常。清孔后, 注浆顺序及原则为:先上后下, 施工先从注浆区上部向下部注浆;先稀后浓, 初、中期用水泥浆, 注浆终结前压力突然上升时, 单液浆改用水泥-水玻璃双液浆。注浆结束后, 拆卸各注浆器件, 全部清洗干净, 并对注浆泵进行检查保养。实践证明整治方案是行之有效的, 降低了排水费用, 保护了水资源。注浆施工图如图3所示。
3.3 作业方式
采用全孔一次性压注或间歇式压注。注浆压力一般为静水压力的2~3倍, 考虑到注浆区断层破碎及有坍体空隙, 初始压力一般较小, 甚至为零, 终压控制在4~6 MPa。浆液扩散半径15 m, 注浆速度控制在80~100 L/min。考虑到坍体部空隙率较大, 局部可能还有空洞, 遇到吃浆量很大、注浆压力上不去的情况, 以控制注浆量为主, 一般达到设计的注浆压力后, 稳定2~3 min即可停止注浆。在整个注浆过程中, 对注浆参数采取动态控制, 及时对注浆压力、水灰比、水玻璃的掺入比例、注浆速度、注浆量进行动态调整。当注浆压力较低、或压力增加缓慢、或注浆量远远大于标准注浆量时, 就应该决定是否调整浆液配合比、加大水玻璃的掺入量等。当注浆量小而压力迅速增加时, 则考虑是不是注浆管堵塞。
3.4 质量标准及注浆效果检查
要求注浆结石体7 d单轴抗压强度不小于5 MPa, 堵水率不低于85%。7 d钻孔取芯, 试件围岩固结岩石强度为5.2 MPa, 施工安全得到了保证。注浆后进行巷道内观察, 渗水量明显减少。地表水位明显上升, 地表居民生产及生活用水得到了恢复, 堵水率超过88%, 取得了良好的效果。
4 结论
花家湖煤矿巷道内渗透水造成排水费增加, 水资源的浪费, 采取了深孔注浆等施工措施, 实践证明整治方案是行之有效的, 不仅降低了巷道内的排水费用, 同时也保护了水资源, 此方法同时适用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工程的塌方处理整治, 也可用于富水断层带和软弱岩层的施工。
摘要：水泥-水玻璃在灌浆、堵水等工程中具有广泛的应用, 而浆液的凝胶时间对灌浆、堵水等工程的顺利进行起着直接的影响, 本文通过对不同水灰比、不同水玻璃用量的水泥水玻璃浆液的凝固性能进行试验分析, 选取适当的配合比浆液对安徽省淮南市某矿进行从地面向地下注浆堵水工程。
关键词：水泥-水玻璃浆液,凝固性能,注浆堵水
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地面注浆 篇7
娄底中兴液压件有限公司隶属于湖南知名民营企业———三一重工股份有限公司, 该公司3号厂房位于湖南省娄底市新坪街与吉新路交汇处西南侧、娄涟高等级公路北侧。由湖南省建设集团设计院设计, 委托湖南鑫湘工程勘察有限公司进行岩土工程详细勘察。厂房竣工后, 2008年10月26日, 公司职工发现厂房东侧配电房和办公用房地面填土塌陷开裂, 地面沉陷深度最大处20 cm左右。开裂塌陷面积约1 200 m2。出现该情况后, 甲方 (业主方) 即委托中国盐业勘察设计研究院针对开裂塌陷区进行了岩土工程勘察;又委托某单位于2009年2~3月进行3号厂房地面塌陷区处理方案设计和施工。
2 塌陷区水文工程地质条件及塌陷原因分析
2.1 场地位置、地形地貌
娄底中兴液压件有限公司3号厂房周围原始地貌特征表现为典型的构造剥蚀、低谷和丘陵地貌, 属丘陵地貌单元, 地势标高在94~100 m。厂房地面标高在118.5 m左右。
2.2 地层及岩性特征
根据中国盐业勘察设计研究院钻探工程揭示, 在地面开裂塌陷区、钻探深度范围内地层主要由人工填土、耕土、粉质黏土组成。现按新老顺序分述如下:
1) 人工填土 (1) (Qml) :主要为粉质黏土夹少量岩石碎块、碎石颗粒含量占5%~15%、粒径多为0.5~3.0 cm、呈黄褐色、褐黄色、灰色及杂色, 回填时进行过强夯处理, 含水量较低, 稍湿, 呈中密状。
在ZK2、ZK3、ZK8、ZK10、ZK15钻孔中不同深度发现有含水量较高的填土, 冲击钻进穿过该深度后未见地下水。含水率高, 呈饱和状态。填土中的水主要为大气降雨、生产生活用水渗入。
在勘察范围内均有人工填土分布, 最大厚度21.00 m, 最小厚度18.00 m, 平均厚度19.41 m。
2) 耕土 (2) (Qpr) :灰褐色、褐灰色, 稍湿, 可塑状。主要为黏性土, 局部含碎石块和砾, 含植物根系或腐殖质。分布在ZK4、ZK7、ZK8、ZK9、ZK10钻孔中。最大厚度2.80 m, 最小厚度1.00 m, 平均厚度1.68 m。
3) 粉质黏土 (3) (Qal+pl) :黄褐色、灰褐色, 稍湿、可塑~硬塑状, 主要由黏土、粉细砂组成, 局部含岩石碎块, 摇震无反应, 稍具光泽, 韧性中等, 干强度中等, 冲洪积成因, 工程地质钻孔未揭穿该层。
3 填土塌陷区下陷原因分析
3.1 填土地面塌陷的基本特征
根据实地观察, 中兴液压件有限公司3号厂房地面塌陷的范围分布在厂房的东北角 (如图1所示) , 沉陷最大在配电房, 裂缝发育方向基本上与厂房正轴线平行 (近东西向) , 裂缝连通长度大于12 m, 宽度2~15 mm, 密集度1~1.5条/m, 地面沉陷较小处见断续纵 (斜) 向裂缝。沉陷的深度最大20 cm以上, 配电房电缆沟砌体处横裂缝宽达6 cm。由于厂房主体基础均采用冲孔灌注桩, 桩端持力层为风化灰岩, 故厂房基础结构未受到破坏, 但地面沉陷对工厂生产影响大, 对地面破坏严重。
注:图中虚线所示为地基塌陷范围
3.2 塌陷区域岩土工程条件分析
根据湖南鑫湘工程勘察有限公司提供的岩土工程详细勘察报告, 3号厂房原始地貌为溶蚀低矮丘陵区, 塌陷区地形略有起伏, 主要由农田、水塘、水沟组成。原始地貌地表层有2~3 m的软土分布。标高在94~100 m。2007年11~12月初机械推填平整结束, 场地平坦, 标高在118.5 m左右。场地人工填土直接填在原始地貌地表层耕土和粉质黏土之上, 厚度在18.00~21.00 m。填土后采用强夯工艺对填土层分两级在标高114.5 m和118.5 m处进行了夯实处理。塌陷区域特点如下。
1) 根据现场踏勘, 填土塌陷区域内的厂房主体桩基础未发现沉降和桩柱移位情况。
2) 3号厂房塌陷区域存在淤泥及坡积粉质黏土等软弱下卧层。该下卧层为淤泥:灰褐色, 湿-很湿, 软塑-流塑状, 普遍含较多植物根系和腐植质, 层厚在1.5~3.0 m, 标贯击数2击;坡积粉质黏土:湿-稍湿、可塑, 标贯击数修正后平均值8.10击。
3) 3号厂房东侧塌陷严重处在配电房和办公用房、两房相隔一墙, 办公用房地面填土有被水浸泡的特征, 表层有失水固结的硬壳。
3.3 配电房和办公用房地面填土塌陷原因浅析
根椐湖南鑫湘工程勘察有限公司提供的《娄底中兴液压件有限公司3号厂房岩土工程详细勘察报告》和湖南科创高新工程检测有限公司对强夯地基工程进行检测的结果, 结合本次勘察成果。塌陷原因分析如下。
1) 雨水浸泡。3号厂房东向配电房和办公用房地面填土塌陷发现时间在2008年10月26日晚。当地10月25日下雨, 由于已建厂房屋顶排水管 (下水管) 道终出口正处在拟设办公用房东北角屋内, 使屋顶汇水直接流入室内 (塌陷区办公室) 填土层中, 填土受到水的浸泡后, 土体容重在一定的范围内变化的同时, 水对土体产生软化和润滑效应, 使土体骨架发生变形, 当与周围未受到地表水下渗浸泡的土体工程力学性质失去平衡时, 土体自身稳定超出极限后, 会瞬间产生塌陷。
2) 填土施工方案有缺陷。塌陷区域填土施工时未清除分布在该区域的耕土层, 该耕土层平均厚度在1.7 m, 呈湿-饱和, 可塑-软塑状。虽上部填土土质较好, 但由于填土层较厚, 在21.0 m左右, 仅分了两级强夯, 第一级强夯在塌陷区域标高114.5 m处进行, 显然夯击能量影响深度有限, 耕土当时含水率高, 在上部夯击重力的作用下, 受力面体积不能压缩, 而四周隆起, 呈“橡皮土”现象, 后期耕土中的水分逐步减少, 使耕土土体产生收缩, 在土体自重应力作用下产生土体局部塌陷, 也是原因之一。
4 塌陷区高压双液注浆加固治理方案
4.1 双液高压化学注浆的作用机理
采用水泥、水玻璃双液浆材, 通过双液注浆泵, 将双液浆材泵入到所要加固的土体中, 补强加固效应可视为由渗透、劈裂扩散、填充和挤密四部分组成, 浆液在压力作用下向钻孔周围土体中发生渗透、劈裂扩散。浆液包裹泥土团, 而土体间的孔隙、裂隙被水泥颗粒填充。水泥中的硅酸二钙发生水解和水化反应, 产生氢氧化钙。氢氧化钙与水玻璃发生反应, 生成细分散状的凝胶体———水化硅酸钙, 凝固后形成密实、水稳定性较好的水泥土固结体, 从而使地基挤密, 土体固结强度增高, 达到基础底板持力层承载力的设计要求。
4.2 注浆方案及施工工艺流程
按照软弱地基注浆加固设计施工的相关技术标准, 注浆采用孔口封闭一次性联合注浆, 即采用多孔同时注浆。注浆施工工艺流程确定为:放线定孔→钻孔→下管→注浆→提管→封孔→移孔→补孔注浆。如图2所示。
4.2.1 注浆钻孔布置与施工
钻孔采用YT—1型钻机带导水头成孔, 钻孔孔深分三种:20.0 m、15.0 m、10.0 m;采用跳打跳注, 孔间距2.0m×2.0 m;注浆孔直径60, 三种孔深的钻孔采用梅花形布孔, 相间分布 (见图3) 。注浆钻孔应严格按分序跳跃成孔施工。
4.2.2 浆液的配置
以普通硅酸盐水泥P.O.32.5和40”Be水玻璃为主要制浆材料, 水玻璃作为添加剂调节注浆液的初凝时间, 并根据现场浆液流动状态控制初凝时间。根据地基结构特性, 采用水灰比1∶0.7~0.85, 水泥浆液和稀释后水玻璃液体积比1∶0.39, 水泥与水玻璃的比例按照1∶0.18~0.25, 根据可注情况进行调配。注浆在达到提高原地层地基承载力到设计值的同时应尽量控制浆液的注入量, 应严密根据实际注入情况控制浆液的浓度以及水玻璃的掺配比。浆液浓度由稀到浓, 浆液浓度加大时, 适当加入缓凝剂。
4.2.3 固化注浆浆液变换
当注浆压力保持不变, 注入率持续减少时, 或当注入率不变而压力持续升高时, 不得改变水灰比。当某一比级浆液的注入量已达300 L以上或灌注时间已达1 h, 而注浆压力和注入率均无改变或改变不显著时, 应改浓一级。当注入率大于30 L/min时, 可根据具体情况越级变浓。
注浆过程中若孔内注浆量过大, 应加大水玻璃用量, 掺量10%~12% (水泥用量, 体积比) , 控制注浆用量。灌浆用水为业主方供应的自来水以及清洁无浊无显著酸性的天然水。
4.2.4 注浆顺序
注浆采用2TG2-60/210双液注浆专用泵, 采用孔口封闭一次型联合注浆, 即采用多孔同时注浆。采用跳打跳注。
4.2.5 注浆扩散直径
通过计算和类似工程的经验, 确定本注浆工程渗透直径为700~800 mm, 水泥浆体将地基土体劈裂, 充填入裂隙和孔隙中形成均匀的水泥土混合结实体, 结实体基本呈柱状。
4.2.6 注浆压力、注浆速度
注浆压力与地层的上覆厚度、浆液黏度, 注浆速度和注浆量等因素有关, 注浆中压力是变化的, 注浆压力严格控制, 喷射注浆压力控制在2~5 MPa;采用分级加压, 一次加压不超过0.2~0.4 MPa。
注浆速度控制在30~40 L/min。边坡土体松散、孔隙较大, 因为本边坡的吃浆量大, 因此边坡注浆和土钉孔注浆的注浆量较大, 应根据实际情况确定用浆量。
监测:监测的目的是检验处理的效果和预防意外。监测仪器要求使用精度为1mm的水准仪, 沉降观测点设置于房屋角点和适当位置。
4.3 特殊情况处理
1) 注浆过程中发生串浆时, 如串浆孔具备条件可采用同时进行注浆, 应一泵一孔, 否则应将注浆孔堵塞, 待注浆结束后, 串浆孔再进行扫孔、冲洗, 而后继续注浆。
2) 冒浆、漏浆处理:应根据具体情况采用低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆等方法进行处理。
3) 注浆工作因故中断后, 应及早恢复注浆, 否则立即进行钻孔冲洗, 而后恢复注浆。
5 结语
施工方在严格遵照上述设计要求对3号厂房塌陷地基进行高压双夜注浆加固处理后, 地基沉陷问题得以解决;笔者随同施工方代表就工程质量进行了多次回访调查, 据业主方反映, 加固处理多年后该处地基未再出现沉陷现象, 保证了厂房的正常使用功能。[ID:001233]
摘要：通过对位于湖南娄底的“三一重工”中兴液压件有限公司3号厂房地基工程地质条件的深入分析, 阐明了该厂房地面塌陷的主要原因。然后根据地面塌陷机理, 因地制宜地设计了水泥-水玻璃双液高压注浆法地基加固方案, 取得了理想的治理效果。提出的双液高压注浆法具体方案对处理同类型的地面沉陷问题具有一定的借鉴作用。
关键词：建筑技术,工程地质,地面沉陷,双液注浆,地基加固
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