超前预注浆施工

超前预注浆施工（精选8篇）

超前预注浆施工 篇1

1 工程概况

宜万铁路DK86+561～DK89+224堰家坪隧道位于湖北省长阳县榔坪镇, 全长2663m, 设计为双线隧道。全隧位于曲线半径为2500m的曲线上, 隧道设计纵坡为14.8‰和6‰。隧道围岩为奥陶系下统灰岩、泥质灰岩, 局部夹页岩, 节理较发育, 岩体较破碎, 结构松散, 稳定性差;且洞身位于01含水透水岩组与02+3裂隙弱含水弱透水岩组分界附近靠01侧的丰水区, 可能遭遇纵向、横向管道径流的承压水, 或承接来自该段南侧背斜山地分流的所有来水, 成为“集水廊道”, 易发生坍塌、冒顶、涌水、突泥灾害。

2 施工方案确定

2006年3月10日隧道开挖至DK88+996掌子面, 揭示从DK89+017断面开始的拱顶充填性溶洞延伸到拱脚位置, 即拱顶以下5M范围全部为溶洞充填物。充填物主要为土夹碎块石, 充填物较松散, 且充填物中渗水严重, 水流呈线状, 易坍塌, 溶洞底以下为灰岩岩体较破碎。采用水平钻孔探测, 该溶洞一直在向遂底延伸。根据超前地质预报, 原设计的采用超前锚杆纵向间距2m格栅拱架间距1m的支护体系已不能保证隧道的施工结构安全。为确保施工和结构安全, 提请设计变更确定对DK88+996掌子面前方26m采用φ108大管棚超前预注浆方案, 其他支护措施按宜万遂参03-20隧道围岩Vb级支护施工。

大管棚支护是在隧道开挖外轮廓周边上, 间隔一定的距离, 沿洞轴方向以一定的外插角钻孔、安设钢管, 然后进行超前注浆固结松散围岩的一种预支护措施。通过管棚注浆, 钢管与围岩紧密固结, 使隧道拱顶预先形成加固的保护环, 加固的保护环可以承受拱部的地面荷载和岩层重量, 在岩体开挖后架设拱型钢架支撑, 支撑拱架相互连接, 形成一个牢固的纵横棚状支护结构。由于钢管和围岩形成了一个固结的整体, 拱部变形变小, 传递给支护钢架的上部荷载大大减小, 从而保证了洞身开挖的安全。

3 施工设计

3.1 管棚设计参数。

钢管规格:热轧无缝钢管φ108*6mm, 节长3m, 6m。管距:环向间距40cm共布置36根。钢管轴线外插角1°。钢管施工误差:径向不大于20cm, 沿相邻钢管方向不大于10cm。隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%, 相邻钢管的接头至少错开1m。

管棚布置见右图:

3.2 注浆设计参数

3.2.1浆液材料及配比的确定。

根据工程地质条件和注浆目的以及各种浆液材料的渗透性、渗透系数, 注浆材料选用原则如下:

围岩裂隙发育, 可注性好的地层, 可采用普通水泥浆液或水泥-水玻璃浆液。粉细砂地层 (黏土含量低于2%) 或围岩裂隙发育一般、可注性一般的地层, 可采用超细水泥浆液或TGRM超细双液型水泥基特种注浆材料。含水、高压致密土体, 可采用HSC超细高早强型水泥浆液或化学浆液。

根据岩溶填充物松散的地质条件, 本工程选择普通水泥浆液;根据注浆试验的成果确定水泥浆水灰比为0.6:1～1:1。

3.2.2 注浆量的确定。

由于浆液的扩散半径与岩层裂隙很难精密确定, 根据隧道工程地质、水文条件以及所选择的注浆材料, 进行注浆量的估算。注浆量的估算按下式进行:Q=π*r2*L+π*R2*L*n*α*β

式中:Q—总注浆量;单位m3;

r—管棚管半径;本工程取0.054m;

R—扩散半径;本工程R取0.5m;

L—管长;本工程取26m;

n—围岩孔隙率;本工程为13%;

α—浆液填充系数 (0.7～0.9) ;本工程取0.8;

β—注浆材料损耗系数;本工程取1.15。

则单孔注浆量Q=π*0.054*0.054*26+π*0.3*0.3*26*13%*0.8*1.15=0.878m3

3.2.3 注浆压力的确定.

注浆压力是注浆施工中的重要参数, 它关系到注浆施工的质量以及经济效果。因此, 正确确定注浆压力与合理运用注浆压力有着重要的意义。注浆压力与岩层裂隙发育程度、浆液材料的粘度和凝胶时间长短等有关, 目前均按经验确定。本工程初压力取0.5-1.0Mpa, 终压取2.0～2.5Mpa。

4 超前管棚注浆施工工艺

管棚施工主要工序有掌子面封闭、施工管棚工作室、导拱施工、搭设钻孔平台、钻孔、安装管棚管、注浆。管棚施工工艺流程图如下。

4.1掌子面封闭

DK88+996掌子面停止掘进, 采用φ22mm砂浆锚杆 (L=3.5m, @1.1×1.1m) , φ8mm钢筋网 (20×20cm) , 喷20cm厚C20砼的锚、网、喷临时防护使临空面稳定。

4.2施工管棚工作室

应比设计断面大30～50cm, 工作室长度应满足钻机作业要求。在DK88+996～DK89+002段上台阶管棚范围扩挖80cm作为管棚工作室。在工作室范围内安装格栅钢架间距0.8m, φ8mm钢筋网 (20×20cm) , 喷20cm厚C20砼;钢架底脚落在溶洞底部的围岩上。每榀钢架底脚处打设8根5m长φ42mm锁脚锚管并注浆加固。

4.3导拱施工

工作室完成后施做导拱, 因管棚在松散溶洞填充体内穿过, 为提高钻孔的方向控制精度, 导拱尺寸确定为1cm×80cm (长×厚) , 延拱顶环向布置;采用C20砼浇注。将36根φ127×1.0mm导向钢管按照管棚设计的间距和外插角焊接在钢架上。导向管的外插角度控制是影响管棚施做质量的重要因素。钢管距拱顶过高会减弱支护效果;过低可能出现侵入隧道净空, 施工时须割除造成管棚支护无效。结合溶洞充填物的特性和管棚的长度, 外插角取1.5度。

4.4 搭钻孔平台安装钻机

4.4.1

作业平台采用钢管扣件按“井”字形搭设, 平台上铺设木板形成工作面, 准备好2m长的方木若干, 调整钻机高度。搭设前清理上台阶作业平台上的淤泥杂物, 确保钻孔平台落在实地、连接牢固、防止在钻孔时钻机摆动倾斜影响成孔质量。平台长度不得小于6m, 以便有足够的空间安装管棚钢管。

4.4.2

钻孔采用二台XY-2PCC地质钻机 (φ115mm钻头) 平行作业。钻机定位要求钻机与已设定好的孔口管方向平行, 采用经纬仪挂线、钻杆导向相结合的方法, 反复调整, 精确核定钻机位置, 确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。

4.5 钻孔施工

4.5.1

根据施工任务布置两台钻机钻孔施工, 一台由低孔位向高孔位钻进, 另一台由高孔位向低孔位钻进, 避免两台钻机互相影响。钻进时先低速低压, 等成孔2m后再根据地质情况逐渐调整钻速及风压, 钻进过程中要经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量, 及时处理钻机过程中出现的事故。当遇到充填物粘性变大, 排出的岩屑多为泥团时, 采用注浆机向孔中注入高压水, 与高压风混合将粘性碎渣吹出。当遇坚硬孤石不能钻进时, 采用冲击钻头冲击通过;当钻进过程遇特殊复杂地层, 不能钻进或难以成孔时, 采用预注浆加固后再钻进施工。

4.5.2

钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

4.5.3

钻进时产生孔斜超过允许范围 (钻孔平面误差径向大于20cm时) 、坍孔、卡钻时, 需补注浆后再钻进。

管棚钻孔允许偏差

4.5.4

认真作好钻进过程的原始记录, 根据每节段的钻进速度及孔口岩屑进行地质分析, 根据记录数据绘制地质剖面图和展开图, 为洞身开挖提供地质预测预报资料。

4.5.5

用φ127mm岩芯管进行扫孔, 清除孔内岩碴和顺通孔道。岩芯管长度不小于2.5m。如遇下管困难, 连续扫孔几次, 同时借助高压空气吹洗, 直到孔内清扫干净。

4.6 安装管棚钢管

钢管在专用的管床上加工好丝扣, 丝扣长15cm, 管间接头错开布置。导管四周钻设孔径10mm注浆孔 (靠孔口1m处的管棚段不钻孔) , 孔间距15cm, 呈梅花型布置。管头焊成圆锥形, 便于入孔。为使钢管接头错开, 加工钢管时将钢管进行钢节编号, 根据加工的钢管节搭配好并做好记录待用。

管棚顶进采用大孔引导和钻机顶进相结合的施工工艺, 即先钻大于棚管直径的引导孔 (φ127mm) , 然后用钻机边回转边顶进钢管。顶进困难时, 用锤击钢管或用钢管钳扭转钢管, 以取得较好的顶进效果。下管要及时、迅速, 以保证在钻孔稳定时将钢管送到孔底。钢管末端部可焊设挡圈并胶泥麻筋箍成楔形, 以便钢管顶进孔后其外壁与岩壁间隙堵塞严密。

4.7 注浆

4.7.1

安装好有孔钢花管后即对孔内注浆, 注浆后检查注浆质量, 浆液扩散半径不小于0.5cm。

4.7.2

水泥浆液由ZJ-400高速制浆机拌制, 选用两台BW-250/50型注浆泵进行注浆。

1.高速搅拌机;2.吸浆管;3.回浆管;4.进浆阀;5.泵;6.压力表;7.输浆管;8.快速接头;9.孔口压力力表;10.钢管接头;11.混合器;12.单向阀;13.三通;14.止浆塞;15.注浆孔

4.7.3

注浆施工要求。

(1) 注浆前在钢管中沿管壁安设φ15mm的PVC管至孔底, 在管尾处与堵浆塞排气孔相连接, 作为排气孔 (安设钢管盖和注浆阀门) ;注浆管与堵浆塞进浆孔相连, 堵浆塞与钢管间为丝扣连接。

(2) 注浆采用从孔口一次注入, 为使管内浆液饱满密实, 注浆时等排气孔有浆液流出, 进行终压注浆, 直至达到设计注浆压力或设计注浆量时终止, 然后关闭其阀门;一个孔段的注浆作业一般应连续进行直到结束, 不宜中断, 应尽量避免因机械故障、停电、停水、器材等问题造成的被迫中断。

(3) 注浆结束标准:单孔注浆量达到设计注浆量, 注浆压力达到设计终压力并终压不少于10分钟或注浆结束时的进浆量小于20L/min时, 可结束注浆;全段结束标准为所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注现象或浆液有效注入范围大于设计值。

(4) 注浆作业时若注浆量超限, 未达到压力要求, 应调整浆液浓度继续注浆, 直至符合注浆质量标准, 确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙浆液充填饱满。

(5) 注浆结束后及时清除管内胶凝浆液, 并用快硬水泥砂浆封闭管口, 以增强管棚的刚度和强度。

5 洞身开挖及管棚支护效果评价

注浆结束后采用上下台阶法开挖施工。超前小导管采用φ42mm钢花管, 壁厚3.5mm, 长3.5m, 管壁每隔15cm交错梅花型钻眼, 前段做成尖头便于打入。超前小导管按环向0.4m每根, 纵向2m每环, 梅花型布置。小导管外插角约5°。开挖施工后初期支护采用20#工字钢0.5m每榀, 3.5m长Ф22砂浆锚杆1.0m*1.0m (环×纵) , 20cm*20cmφ8钢筋网片, 喷射C20混凝土20cm。洞身开挖后对隧道洞身进行监控量测, 如下图 (以DK88+990断面为例)

2006年4月3日洞身开挖支护通过DK88+990断面。经过对围岩量测和拱顶下沉两个项目的检测DK88+990断面拱顶下沉于4月16日达到稳定累计下沉值为4mm;径向收敛值很小, 累计2mm。最终该管棚注浆段隧道拱顶下沉和洞身收敛曲线趋于缓和;判断该段围岩趋于稳定。而且从图中也可以看出经过管棚注浆后, 洞身开挖后围岩变形量很小;达到了预期的支护效果。

该段岩溶填充段从2006年3月28日开始洞身开挖, 到2006年4月26日全部施工通过, 未出现任何安全质量事故。

6 结束语

通过本工程的施工实例我们可以得出超前管棚预注浆施工方法是解决岩溶隧道软弱围岩的有效方法。超前管棚预注浆是利用管棚预注浆形成纵向支撑, 利用型钢钢架作为环向支撑, 共同组成一个联合支撑体系。该体系刚度较大, 能够有效限制围岩变形, 极大程度减少地表下沉和围岩坍塌, 增加隧道的施工安全。另外管棚注浆也有效的对洞身周边部分岩溶进行有效填充, 改变纵向、横向岩溶裂隙径流通过洞身部分, 对于岩溶隧道的突水突泥也有一定的预防作用。

摘要：本文结合宜万铁路堰家坪隧道出口段超前管棚注浆的施工, 着重介绍岩溶发育段隧道施工中的超前管棚注浆施工工艺控制。结合工程实践, 详细地介绍了超前管棚注浆的方案确定, 施工设计、施工工艺以及管棚支护效果评价等, 确保施工安全和隧道结构的稳定。对类似隧道施工有一定的借鉴作用。

关键词：岩溶发育,隧道,超前管棚,注浆

参考文献

[1]公路隧道设计规范. (JTG D70-2004) .

[2]关宝树.隧道工程设计要点集.北京:人民交通出版社.2003.

[3]黎爱清, 吕秀华.长大管棚施工工法[J].西部探矿工程, 2003.

[4]王毅才.隧道工程.北京:人民交通出版社.2000.

超前预注浆施工 篇2

【关键词】深孔注浆技术；过街通道；应用

引 言

随着城市发展日趋迅猛，城市道路交通渐现拥堵，过街通道显得尤为重要，但也因为交通极度繁忙、地下管线繁杂，给地下过街通道的建设带来了极大难度，暗挖工艺也就成了首选方案，而选用何种超前支护措施也就成了工程成败的关键，大管棚、小导管是地下工程的常用措施，但过街道工程一般都埋深较浅，大管棚很难做成功，小管超前支护刚性不足，这不得不进行一些新的选择，本文结合某复杂地质条件下的超浅埋大跨暗挖通道工程成功应用二重管深孔注浆超前支护技术实例，对相关参数、措施进行梳理总结，以期业界在类似工程能够有所借鉴。

1、工程概况

某过街通道位于一核心干道下，通道长55.5m，净宽10m，断面尺寸为12.5m*6.0m（宽*高），平顶直墙结构，分6部开挖。通道地面覆土2.8-3.3m，底板埋深10.3m，屬超浅埋暗挖通道，通道地质较差，地层自上而下为粉细沙、杂填土、砂砾、中粗砂、顶部穿越地段为杂填土，其中杂填土地层中含有钢筋混凝土、砖头、瓦块等。通道采用二重管深孔超前注浆支护，以保证既有地面交通正常通行。 详见图1.

2、工况分析及方案设计

本过街通道位于繁华街道下方，地面交通流量大、地下管线较多。地质条件极差，通过水平钻探发现杂填土中存在大量的砖头、瓦块、废弃材料等建筑垃圾，地层极不均匀，通道埋深非常浅，无法采用大管棚施工，围岩稳定性较差，而有些部位又硬需上设备破除，开挖时易出现塌方，必须对地层进行有效固结，施工安全才能有保障。鉴于地层的软硬不均，经过比选选用具有一定穿透能力的二重管深孔注浆工艺进行超前注浆加固改良土体，使杂填土及粉细砂层中的空隙充满浆液并使其固化，进而保证地层稳定，确保施工期间的施工及地面交通安全。

3、施工工艺流程

3.1 暗挖通道超前支护

暗挖通道采用二重管深孔注浆技术措施进行超前支护，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆。注浆参数如下：

注浆管：φ42×4.0mm，L=10/4m，注浆管前端做成锥形，注浆管间隔0.3m呈梅花形布设φ5mm的注浆孔，注浆管端头设置止浆阀。

水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥。

水玻璃：模度为2.8-3.2，浓度为30-38Be，。

双液浆比例：水泥水灰比为1：1，水泥浆：水玻璃体积比为1:0.6-1:1。

注浆压力为：0.3-0.8MPa

胶凝时间：30s-60s。

浆液扩散半径：0.35-0.6m 。

加固土体范围：开挖轮廓线外1.5m-2m。

注浆方式：分段后退式注浆，0.5-1m/段，6-10m/循环。

注浆填充率：砂层10-15%，杂填土35-40%。

3.1.1注浆施工工艺

二重管注浆施工工艺流程见下图2

3.2.1管线调查

管线调查简单的说就是在通道施工前对工地地下水管道进行调查，以防止在注浆的过程浆液无法顺管道走，还可防止引起管线不必要的变形。要重点调查的对象有地下市政给水系统、排水系统、燃气管线等。

3.2.2掌子面封闭处理

在开挖前采用小导管对拱部掌子面进行注浆加固，间距@80×80cm，梅花型布置，纵向3m/环。注浆前对掌子面进行喷射15cm厚C25混凝土进行封闭。注浆参数为：普通水泥浆水灰比：1：1～1.5：1，在施工中可依据现场情况适量调节。

3.2.3定孔位

开钻前，严格按照工前设计尺寸进行布孔作业，确保定位准确。

3.2.4钻孔

钻机定位、钻杆角度要准确，要求孔位偏差不大于2cm，入射角度偏差不大于1°；钻孔前调整钻杆的角度并对准孔位后，钻机不得移位及随意起降。钻设第一个孔时慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数，并密切观察溢水出水情况，出现大量溢水时，立即停钻，分析原因后再进行施工，避免对地下管线造成破坏。详见钻孔示意图3。

3.2.5配浆（制浆）

采用准确的计量工具，严格按照试验确定的配合比配料。两种浆液在注入前分别拌合均匀，并经常检查它们混合后的凝结时间是否符合设计要求。

3.2.6注浆

暗挖通道开挖净空尺寸为12.3m*6.15m（长*高），为保证地道在初期支护开挖过程中施工安全，防止地表较大沉降影响地面行车及地下管线安全，因此，对本工程开挖轮廓线顶部及边墙2m范围内进行注浆，注浆每10m为一个循环，注浆体搭接范围为1m，即开挖9m，预留1m加固体，然后打管对掌子面进行封闭处理，进行下一循环的注浆。首先用清水从注浆混合室的端点送出，确保畅通，将端点关闭进行横喷射切换。一般喷射速度8-20L/min。严格控制注浆压力，当压力突然上升或从孔壁溢浆，立即停止注浆，待查明原因后制定相应措施。每段注浆量严格按设计进行，跑浆时，采取封堵、间歇注浆等措施确保注浆量满足设计要求，注浆方式：分段后退式注浆，0.5-1m/段，6-10m/循环。

3.2.7封堵

所有阶梯喷射完毕后，对注浆孔用止浆阀或砂布等措施封堵。

4、注浆过程中出现的异常情况和处理方法

4.1及时查看注浆压力表位的情况

保证压力表要在可以控制的系数内，要施工过程中就要不断的查看压力表表位，注浆表压过高或过低都没办法满足施工要求，如表压力位过快降低，需要查看是不是有跑浆的情况发生；压力表位过快升高，更要及时查看注浆设备是否出故障或者被注浆管堵塞。

4.2根据实际地层有效调配前控制胶凝时间

在注浆的过程中，注浆效果直接体现在注浆量的多少，从比较常用的方法来说，采用的注浆方式一般用隔孔注入，这样能使注浆孔之间不会产生互扰，同时有效的互补先前的未注满浆孔和后续注浆孔，来提高浆液扩散的有效性；根据现场加固土体土层的现状对注浆胶凝的时间要求也不尽相同，一般来说杂填土层要将水泥浆比例调低，因为它含水量较小，从而可以达到胶凝时间延长的效果，反之若砂层中含较大水量时，要把水泥浆比例调小，有效减少胶凝时间点，总的来讲，双液浆的调配控制着胶凝时间，施工过程中一定要按照不同地层进行有效调配及控制。

4.3掌子面跑浆

注浆中需认真观察掌子面变化情况，由于浆液的进入会引起地层变化，在掌子面封闭薄弱的部位可能会跑浆，这时需要对掌子面及时封闭处理，同时注浆工作需间断进行，以保证浆液有效进入地层。

5、注浆效果检查

要做好顶部土体开挖安全隐患的排除，最直接的办法就是做好注浆。比较实用的注浆效果鉴别可以通过实际开挖的钻孔检查、监测数据的通道、理论分析等手段进行排查。

①理论分析法

对施工现场注浆量进行分析汇总，通过实际注浆量与设计理论注浆量进行分析对比，得出单根管注浆量，进而得出单根管注浆扩散半径，通过对比分析结果得出单根管注浆扩散半径为0.5m，与设计的0.35-0.6m相近，达到预期效果。

②实际开挖及钻孔检查

从通道实际开挖效果来看，二重管注浆效果明显，浆液扩散相互连通，层状分布均与，同时对注浆可能存在薄弱的部位进行钻芯取样，取芯结果显示浆液固结体强度达到2MPa，达到预期效果。

③通道监测数据分析法

施工前，在通道上方埋设共计35个沉降观测点，在注浆前通道开挖支护过程中对地表沉降监测点变化率较大，注浆后对监测数据明显减小并趋于稳定状态，其最大沉降量控在允许范围之内。

6、二重管深孔注浆效果评价

采用二重管深孔注浆通过对通道顶部及边墙复杂地层进行加固，由于设备遇建筑垃圾有一定的穿透能力，确保布孔的均匀性，从揭露情况看，固结非常均匀，未出现坍塌现象，有效保证保证了工程的顺利进行，进而保证地下管线及路面交通安全。

7、结论与讨论

二重管深孔注浆工艺能够较好的解决了复杂地层的固结问题，为本工程的顺利实施提供了保障，鉴于本文，希望对从事超浅埋暗挖隧道施工的同仁，在今后施工中提供有用的借鉴。

虽然二重管深孔注浆工艺在本工程中取得了较好的固结效果，但仍有不少还需提升或改进的地方，如设备在工作面移动极不便利，是否可有更为轻便的、动力足够设备替代；二重管深孔注浆技术虽作为超浅埋暗挖通道中超前支护的重要手段，但因各工程地质条件不尽相同，布孔、选材、配比亦不尽相同，少量的几篇文章很难囊括，仍值得进一步研究与探索，建立广泛共享的“数据库”。

参考文献

[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术.人民交通出版社,2010.5.

[2]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].隧道建设,2006,26(5):1-4.

[3]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].安徽教育出版社,2004.

[4]董志友.市政道路下大断面平顶隧道浅埋暗挖施工应注意的问题[J]，科技情报开发与经济,2005,15(16):286-287.

[5]申传胜,王宏.管棚支护在浅埋暗挖人行过街地道中的应用 [J].山西建筑,2007,33(3):281-282.

[6]王建平.小导管注浆预支护技术在城市浅埋暗挖隧道的应用[J]，河北建筑工程学院学报,2003,21(1):55-56.

[7]五一,张先峰.软土地层中采用浅埋暗挖法修建人行地道[J],城市道桥与防洪,2003,5(3):77-79.

[8]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[9]徐伟，苏宏阳，金福安.土木工程施工手册,2002.12.

[10] 北京城乡建设委员会.地下铁道工程施工及验收规范[S].北京:中国计划出版社,2004.

超前预注浆施工 篇3

关键词：涌水,预注浆,阻水

1 工程概况

输水隧洞工程某标段, 主洞全长29.4km, 总投资8亿多元。主洞包括钻爆段和TBM段两部分, 其中钻爆段长度14km。某支洞位于山坡上, 山体较缓, 自然坡度约21°, 坡积物较厚, 厚度约2~4m, 支洞长1577m。采用钻爆法开挖, 成洞断面尺寸为5500×5500, 坡度为19%。在施工过程中, 在支洞里程1+460.4处, 在掌子面右拱肩出现股状涌水, 超过设计排水量, 不到1天时间, 就淹没洞长50m, 对现场施工造成了严重的影响。经五方现场会议确认, 计划对涌水处进行深孔超前预注浆处理, 经超前预注浆或经超前探孔探水满足开挖条件实施开挖后, 若仍有个别出水点呈股状或线状出水, 则采取补注浆对地下水进行封堵。

2 涌水地质情况分析

洞室岩性主要为新太古混合花岗岩 (Ar2Wgn) , 无规模较大的断层通过, 成洞条件较好。以微风化为主, 节理较发育, 节理面多微张~闭合, 多平直光滑, 一般无填充。岩体完整性差~较完整, 局部较破碎, 一般为镶嵌结构~块状结构, 属中硬~坚硬岩。

该支洞洞线区域范围内水文地质条件较为简单, 地下水储藏类型主要为基岩裂隙水。已开挖洞段地下水多成渗水~滴水状态, 局部呈线状流水状态。但此涌水处裂隙水较为发育, 且为压力水, 可从探孔中往外喷出5~6m, 危险性极大。由于现场毫无防备, 此次涌水对设备造成了极大损坏。

3 涌水处理方案

注浆分两部分, 一是先进行深孔超前预注浆, 二是开挖完成后, 对深孔周边预注浆局部效果不满意地段, 在隧道开挖轮廓线外进行径向止水注浆[1,2]。

3.1 注浆段长和注浆孔的布置

根据钻机性能, 选用每循环注浆段长15米。深孔周边预注浆就是要使浆液扩散到注浆深孔周边预范围内的所有岩层裂隙中, 所以注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则, 据此根据设计注浆孔数量以隧道中轴为中心呈伞形布置, 布置方式如图1所示。

3.2 注浆方式[3]

先注外圈, 后注内圈, 同一圈由下往上、左右交替间隔施作 (如图1) , 钻一孔注一孔, 后序孔检查前序孔的注浆效果。

采用分段前进式注浆或全孔一次压入式注浆。当钻孔过程中未遇见泥夹层或涌水, 就一钻到底, 全孔一次压入式注浆;在钻孔过程中遇到泥夹层或涌水, 立即停止钻孔, 采取注一段钻一段的分段前进式注浆方法, 直至终孔。

3.3 注浆参数的选择

每循环注浆长度15m, 开挖11m, 预留4m作为止浆岩盘, 可避免每个注浆循环浇筑混凝土或喷射混凝土作为止浆墙这道工序, 可以加快施工进度。第一次注浆喷射混凝土作为止浆墙。

注浆压力是注浆的主要参数, 它对浆液的扩散范围、岩层裂隙充填的密实程度及注浆效果的好坏起着决定性的作用, 所以必须有足够的注浆压力克服静水压力和地层阻力, 方能达到注浆目的。注浆压力取静水压力的2~3倍, 根据试验段成果, 取灌浆压力为0.3~0.6~0.9~1.2~1.5MPa逐级增加。

浆液配比是决定注浆效果的一个关键因素。根据浆液凝结时间和灌注难易程度, 由试验段成果得出, 灌浆浆液按由稀到浓的原则, 逐级改变, 采用3:1、2:1、1:1、0.5:1四个等级, 初始浓度采用3:1。制浆机转速1200~2000r·min-1, 浆液搅拌时间2~3min。

根据探孔预测结果, 决定是否采用孔口管。对探孔预测水压较高 (P≥1.0MPa) 且水量较大 (Q≥20m3·h-1) 的区域, 采用孔口管注浆, 否则采用止浆塞止浆方式注浆。

3.4 后注浆止水布置

节理裂隙阻水灌浆钻孔布置是根据现场情况在节理两侧随机布孔, 所有孔必须打至裂隙处, 孔深3.5m, 孔径Φ40mm。布孔方式如图2所示。

4 结束标准

全部注浆孔注浆完成后, 在主要出水点附近设检查孔, 测孔内涌水量或进行压水实验, 若满足设计要求, 则可以开挖, 否则进行补注浆[4]。单孔结束标准:注浆压力逐步升高至设计终压, 并继续注浆10min以上;注浆结束时的进浆量小于0.4L·min-1;检查孔涌水量小于0.2L·min-1;检查孔钻取岩芯, 浆液充填饱满。全段结束标准:所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注现象;注浆后检测涌水量, 小于1m3·m-1·d-1;浆液有效注入范围大于设计值;预测岩体经注浆后可在开挖后保证洞壁稳定。

5 异常处理

5.1 串浆:

如几个孔出现串浆, 串浆孔又具备灌浆条件时, 可同时进行灌浆。否则应封闭连通孔中的灌浆塞阀。

5.2 灌浆中断:

灌浆应连续进行, 如因故中断, 应及早恢复灌浆, 否则应根据实际情况, 对钻孔进行冲洗或扫孔后恢复灌浆, 恢复灌浆的压力可采用中断前的数值。

5.3 若掌子面小裂隙漏浆, 先用水泥浆浸泡过的麻丝填塞裂隙, 并调整浆液配比, 缩短凝胶时间;若仍跑浆, 在漏浆处采用普通风钻钻浅孔注浆固结;若掌子面前方8米范围内大裂隙串浆或漏浆, 采用止浆塞穿过该裂隙进行后退式注浆。

5.4 若注浆压力突然增高, 则只注纯水泥浆或清水, 待泵压恢复正常时, 再进行浆液注浆。

若压力不恢复正常, 则停止注浆, 检查管路是否堵塞。

6 结语

综上所述, 此次涌水主要处理思路为先进行深孔超前预注浆, 再根据揭露围岩渗水情况进行径向注浆, 以确保开挖轮廓线一定范围内渗水量满足设计要求。下一循环开挖施工前, 在掌子面处施做5m探水孔, 在确保安全的情况下进行短进尺爆破作业。开挖段内无水或出水很小, 并且开挖后明显看到松散岩体被浆液胶凝, 岩体的完整性得到改善。由于前期涌水量较大, 在一定程度上影响了周边水井的用水, 可以看出此方案采用“以堵为主, 以排为辅”的涌水治理原则是正确的, 虽然涌水对工期和施工造成了影响, 但治理措施是可行的, 并且保护了当地的自然生态环境, 结果是成功的。

工程实践证明在地质构造复杂、裂隙水发育的围岩中, 采用深孔注浆堵水加固围岩, 在围岩破碎的情况下, 结合小导管超前、锚喷拱架联合支护措施是有效可行的。特别是能在一般方法难以治理的较大范围内固结围岩和堵水, 从而改善围岩的自稳条件, 效果明显, 创造出正常的作业环境。

参考文献

[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社, 2011.

[2]赵立波.尖山隧道涌水带注浆设计与施工[J].建筑施工, 2009 (6) :7-11.

[3]黄金伟.隧道特大涌水的治理方法[J].山西建筑, 2007, 33 (1) :333-334.

超前预注浆施工 篇4

矿井井下有毒有害气体除瓦斯外, 还有硫化氢 (H2S) 、一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、氮氧化物 (NOX) 、二氧化硫 (SO2) 等有毒有害气体。硫化氢是一种无色, 具有臭鸡蛋气味, 有剧毒的可燃气体, 矿井硫化氢的主要来源有:有机物腐烂、含硫矿物遇水分解从老空区和旧巷积水中放出, 爆破工作中产生等。H2S气体的最低沸点高于CO2、CH4、N2等气体, 煤对其具有很强的吸附能力。煤层赋存的大量硫化氢由于采用综掘机截割煤, 割煤速度快, 煤层破碎, 吸附状态转化为游离状态释放出来, 极易导致顺槽迎头及回风流中硫化氢气体超限, 硫化氢 (H2S) 比空气重 (相对密度为1.17) , 且极易溶于水而形成氢硫酸。地势低处危险性比高处大, 下风向硫化氢浓度大, 上风向则浓度低。硫化氢 (H2S) 具有强烈毒性, 能使人的血液中毒, 对眼睛、粘膜以及呼吸系统有强烈的刺激作用, 严重制约矿井安全生产。

2 工程概况。

新疆焦煤集团阜康气煤公司一号煤矿, 位于阜康市三湾乡。阜康一矿11A221工作面回风顺槽设计为矩形巷道, 设计掘进面积为14m2, 净断面积14m2, 掘进宽度4000mm, 巷道掘进高度3500mm, 支护方式为锚网支护。当巷道掘进至开口点65m处, 硫化氢平均浓度值为2ppm, 最大值49ppm。

3 施工方案。

《煤矿安全规程》规定硫化氢最高允许浓度0.0066% (6.6ppm) 。当硫化氢浓度超限后, 对作业人员造成巨大危害。考虑到硫化氢气体的物理、化学性质和危害, 采取加强通风、预注浆吸附、迎头溶解等措施共同降低煤层硫化氢含量。

3.1 通风。

(1) 根据掘进期间风量计算, 该工作面目前需风348m3/min, 实际风量560m3/min;目前工作面硫化氢平均浓度2ppm, 因此保证工作面实际供风量不低于500m3/min, 即可确保工作面硫化氢平均浓度在安全范围内; (2) 工作面风机实现“三专两闭锁”, 加强风机、风量、风筒的日常监管。

3.2 钻孔施工。

硫化氢气体易溶于水, 水与硫化氢溶解体积比为1:2.6, 硫化氢气体溶于水后生成氢硫酸, 能够和生石灰水溶液反应生成硫化钙和水;因此预先布置钻孔在预掘煤体内注入1%的生石灰水溶液可有效的溶解煤吸附的硫化氢。

根据现场实际及硫化氢涌出情况, 在11A221回风顺槽工作面迎头布置钻孔。硫化氢治理措施孔终孔横向间距为2m, 纵向间距1.88m, 顺槽左帮控制到巷道轮廓线外3m, 底板控制到巷道轮廓线外2m, 由于巷道沿煤层底板掘进, 右帮轮廓线落在煤层底板上, 故右帮控制到巷道轮廓线上, 沿巷道掘进方向控制50m。回风顺槽第一次治理在距开口65m处实施, 使用750D钻机施工钻孔。

3.3 预注浆施工。

待钻孔按照设计的施工参数施工完毕后, 使用2m长的4分镀锌管加装阀门, 镀锌管上捆扎马丽散进行封孔, 要求镀锌管外露10cm。使用注浆泵及注浆软管对钻孔注入1%生石灰水溶液。

3.4 掘进施工。

待硫化氢治理施工结束, 施工一验证钻孔, 用于测定工作面的瓦斯及硫化氢含量。若满足掘进要求, 则采用综掘机进行掘进施工, 在综掘机前方至煤壁间加装一道全断面喷雾, 巷道掘进时必须开启喷雾, 且将工作面、回风流的全断面喷雾均开启。

3.5 迎头溶解。

工作面应备足量的生石灰 (Ca O) , 每班接班时由施工队人员负责在巷道内抛洒一遍, 对于本班内新掘进段煤壁、落煤处及硫化氢异常区域及时抛洒, 使其溶解硫化氢气体, 降低其浓度。生石灰抛洒应覆盖落煤区域, 且应尽量向煤壁、巷帮抛洒。

4 技术特点分析

煤巷超前预注浆压注石灰水到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成性能稳定的硫氢化物或硫化物, 极大降低煤层硫化氢含量, 避免了综掘掘进时煤层赋存的大量硫化氢迅速转化为游离状态释放出来, 导致工作面迎头及回风流中硫化氢气体超限, 使工作面丧失了安全作业环境。所需用的主要设备操作简单、安全可靠、效率高, 所用材料来源丰富、价格低廉。节省了大量通风设施投入费用, 也避免了硫化氢气体排放所带来的环境污染。

结语

本次煤巷超前预注浆治理硫化氢气体, 注浆后综掘机恢复掘进, 65~115m掘进时未出现硫化氢超限现象。

实践证明, 煤巷超前预注浆治理硫化氢施工技术是煤矿过硫化氢富含区域一项比较实用、安全的技术。通过压注石灰水到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成性能稳定的硫氢化物或硫化物, 可极大降低煤层硫化氢含量, 大大提高了施工安全可靠性。

摘要：利用工作面打钻超前预注浆, 压注石灰水溶液 (或碳酸钠溶液) 到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成理化性能稳定的硫氢化物或硫化物, 工作面并备足量的生石灰, 抛洒迎头及巷道两帮, 综掘机前方至煤壁间加装一道全断面喷雾, 降低其逸出浓度, 同时加强通风, 多种举措, 降低煤层中硫化氢含量。

关键词：超前预注浆,石灰水溶液,降低硫化氢含量

参考文献

[1]煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2011.

超前预注浆施工 篇5

综合分析相关研究,超前预注浆加固在近距离双线地铁隧道的变形控制问题上取得了显著的成效。针对超前预注浆加固效果的深入性研究亦在众多文献中可见,台启民[6]在北京地铁6号线区间隧道工程中,对不同的施工方式进行了探究。探究结果表明超前深孔预注浆加固可以有效降低硐室和地表的变形位移。肖昌军[7]对北京地铁10号线劲松站粉细砂层的超前小导管渗透加固方案进行介绍;李永宽[8]在对青岛地铁3号线区间段进行研究分析时,提出超前小导管和超前预注浆加固地层等控制隧道和地层变形的控制措施,现场实测表明采用该控制措施,硐室、地层及周边建筑物均满足控制标准。

然而,在很多的工程建设中,超前预注浆加固大都凭经验进行设计、施工,存在着盲目性与一味的工程类比性,设计、施工不当要么造成支护不足引起变形破坏,要么则是支护过度造起材料和人力资源的浪费。因此,本文以北京地铁6号线北海北站至南锣鼓巷站区间作为工程背景,借助数值模拟软件MIDAS/GTS,首先验证数值模拟软件的可靠性,再而,基于数值模拟软件对近距离双线地铁隧道的超前预注浆加固技术进行进一步的优化探究。

1 工程概述

工程背景选用参考文献[6]中的北京地铁6号北海北站至南锣鼓巷站的修建区间,该线路交错重叠,由最终的双线并行,经不断的交错重叠,最终呈现出右线在下、左线在上的重叠状态,如图1所示。左线隧道为上坡走向,隧道中心埋深H1=-19.38~-16.38 m;右线隧道为下坡走向,隧道中心埋深H2=-19.38~-24.33 m;两交叠隧道中心连线中点埋深H3=-19.38~-20.36 m.在一个较为平稳的区间段内。隧道断面形状为马蹄形高×宽=6.5 m×6.2 m,结构形式为复合式衬砌结构。在两隧道并行段,隧道主要处于粉质黏土中,岩土层物理力学参数见表1。隧道采用台阶法进行施工[6],施工步序如图2所示,台阶开挖进尺为3~5 m。

2 数值模型软件可靠性验证

2.1 计算模型建立

在本次数值模拟中选用有限元分析软件MI-DAS/GTS。根据以往工程经验距掌子面距离较远的围岩其受硐室开挖的影响很小,当距离超过3倍硐跨时,该处围岩应力变化为5%以下。因此,在建模时模型边界计算范围可取3~5倍硐跨,为了简化计算,本模型选取末段断面1位置两隧道并行区间进行模拟计算,模型尺寸长×宽×高=120 m×30 m×60 m,共分23 840个单元、27 603个节点,模型上表面自由,其他五个面施加法向约束作为边界条件,建立数值计算开挖模拟支护模型如图3所示。

在本模型建立中进行相关合理简化:由于实际隧道地表高差范围较小,所以不考虑地表起伏且不考虑地表建筑物荷载,在该区间段内地下水贫乏且水位较深,对隧道施工影响很小,故不考虑地下水作用,各土层均匀水平层状分布,注浆加固区施工理想达到预期值,初支和加固区进行相应的等效弹性模量转换[9],详细模型计算支护参数见表2。

岩土层选用Mohr-Column本构模型,具体参数见表1,初期支护和超前小导管注浆加固采用板结构单元模拟,厚度均为0.3 m,注浆加固区采用改变实体单元属性进行模拟[10],注浆厚度为2.5 m,加固范围均为拱顶180°范围。施工步序如图2所示,采用先左后右隧道线路进行施工。

2.2 数值计算结果及验证

隧道开挖模拟支护模型如图3所示,竖直位移场模拟结果如图4所示,竖直位移场模拟结果与实际监测结果对比见表3。

采用有限元分析软件对隧道开挖支护过程进行模拟分析,得最大竖直位移在隧道顶部为22.6 mm,隧道底部最大隆起量为3.78 mm,与实际监测中竖向最大最小位移出现位置是一致的,而实际监测拱顶最大沉降位移为23.1 mm,底部最大隆起位移为4.3 mm,本文与其计算结果进行对比,拱顶沉降位移相对误差为2.16%,底部隆起位移相对误差为3.08%,由于主要考虑竖向位移特别是最大竖向位移变形产生的影响,所以经过二者相互对比,误差很小,验证了运用有限元软件模拟隧道的开挖支护是切实可行的,并为进一步的支护方案的优化提供依据。

3 方案优化及支护变形分析

3.1 预注浆加固范围优化

在地铁隧道开挖过程中,超前预注浆加固主要是为了通过提前注浆充填待开挖硐室周围土体,尤指上部土体[11]。在开挖前改变上部土体的物理力学参数,提高其弹性模量E、内摩擦角φ,黏聚力c,降低其泊松比μ,使得土体承载性能增强[12]。同时,预注浆区域会形成一个拱壳,这在一定程度上是起到外部承压拱的作用,使得周围土体塑性区范围变小,竖向位移大大降低,从而满足变形位移控制要求[13,14,15]。

对于超前预注浆加固,扩大注浆范围会增加超前支护体的安全可靠性,但同时经济性却降低,更主要的是由于注浆范围的盲目扩大,会增大施工难度,影响施工进度,因此在承压拱效应明显的情况下,应力求注浆范围更加合理明确。因此,以北京地铁6号北海北站至南锣鼓巷站的修建区间隧道为工程背景,在所有外部条件和施工条件一致的情况下,分别选择环向圆心角α为90°、80°、70°、60°、55°和50°的预注浆加固圈进行方案优化探究,预注浆加固圈环向圆心角α工况示意如图5所示。

不同环向圆心角α下,竖向位移等值线如图6所示,超前预注浆加固圈环向圆心角范围与拱顶下沉量曲线如图7所示。

由图6和图7可看出,随着预注浆加固圈环向圆心角范围的不断增大,拱顶下沉量逐渐降低,当环向圆心角2α>160°时,增大注浆圈圆心角范围,所带来的拱顶下沉量的改变已很小。当环向圆心角2α=110°时,最大拱顶沉降为29.8 mm,由于拱顶下沉量预警值为30 mm,且存在一些施工不确定性因素,所以综合考量,确定最佳预注浆加固范围在2α=120°~140°。

3.2 不同硐径条件下硐室周围土体变形特征

开挖硐室硐径和围岩变形量有着密不可分的联系[16],当硐径增大时,支护难度也随之增大,甚至在硐径增大到一定程度时,原支护方式将会失效。所以,为了探究硐径对原支护方式的硐室围岩变形量的影响,取原硐径D的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍进行数值仿真模拟,在采用原支护方案时,不同硐径条件下开挖硐室变形量如图8所示。

当硐径在原硐径D的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍时,最大变形位移量出现在拱顶,表现为拱顶下沉,下沉量分别为24.17 mm、29.01 mm、32.76 mm、45.99 mm、52.30 mm、60.42mm,由图8可看出,拱顶下沉量大于帮部最大缩进量和底部隆起量,因为只关注最大变形量,所以此处仅就拱顶变形进行分析。在1.3倍硐径之前拱顶下沉量呈线性增长趋势,但在1.2倍硐径时,拱顶下沉量接近于30 mm的预警值,原支护方式已经难以满足支护要求。

由此可见,随着硐径不断增大最大变形量亦不断增加,且在一定范围内是呈线性增长,当硐径增大超过一定范围时要对原支护方案进行重新论证。

3.3 不同埋深条件下硐室周围土体变形特征

以原支护方案、原硐室尺寸的开挖隧道为例,埋深分别为原埋深H的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍。得不同埋深条件下开挖硐室变形量如图9所示。

随着埋深不断增大,拱顶下沉量也是呈不断增大趋势,而底部隆起量和帮部最大缩进量则影响较小。当埋深为原埋深H的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍时,最大变形量亦为拱顶下沉,数值分别为23.06 mm、24.68 mm、26.11 mm、31.58 mm、39.60 mm、45.28 mm,呈逐渐增大趋势。当埋深在原埋深的1.4倍时,最大拱顶下沉量达到变形预警值,此时应增大支护强度、刚度或变更支护形式,因此随着硐室埋深的不断增大,应对原支护方案的可靠性进行重新评价,当埋深增大范围在一定区间内时,本文为1.3倍原埋深情况下,原支护方案依然有效,但增大程度超过该区间则会导致硐室变形超过预警值,应重新确定支护参数或方案。

4 结论与建议

(1)有限元分析软件在对地铁隧道进行模拟计算时,其计算结果误差在允许范围内,可以作为一种地铁隧道设计、施工过程中的辅助手段。

(2)超前预注浆加固对于控制地铁隧道的变形具有显著的作用,根据初始设计参数,借助数值模拟软件对超前预注浆的加固范围进行优化,以此来确定最佳支护范围为预注浆加固圈环向圆心角2α=120°~140°。

(3)通过减小预注浆加固范围可以达到节约材料、人力资源的目的,但不可以盲目的减小,预注浆加固范围存在一个最优值,减小范围超过该最优值,则会触及乃至超过预警值。

(4)不同硐径、埋深都会对原支护方案下的硐室变形产生影响,硐径与埋深增大量在一定范围内时,原支护方案亦可实现变形控制目的,但超出该范围则应增大原支护方案的强度、刚度,甚至重新进行支护方案的确定。

(5)由于篇幅所限,本文只分开考虑了单因素对隧道开挖支护所带来的影响,在以后工作中可把埋深、硐跨、加固范围等进行综合考虑,以探究多因素共同对开挖硐室产生的影响。

摘要：超前预注浆加固技术被广泛应用在双线交叠地铁隧道的开挖建设中,然而很多的工程多借助于工程类比经验或为求稳而过度加固施工,造成了严重的材料、人力资源浪费。鉴于此,依托北京地铁6号线区间隧道工程,借助数值模拟软件进行模拟。通过与实际监测数据相对比,验证了数值模拟具有相当的可靠性;而后利用数值模拟软件对原注浆加固范围进行优化,得出最佳预注浆加固范围在2α=120°140°,并探究在不同硐径、埋深条件下,开挖硐室的变形特征和原支护方案的适用性。

超前预注浆施工 篇6

1 井筒基岩水文地质特征

1.1 井检孔揭露基岩主要含水层水文地质特征

1.1.1 基岩风化带风化裂隙承压含水层 (Ⅱ)

风化带起止437.66~449.60 m, 强风化带厚度11.94 m, 孔深474.85~484.57 m, 为一层厚9.72 m的粗粒砂岩。该砂岩上部岩心较完整, 下部岩心破碎, 垂直裂隙发育, 线裂隙率4~7条/m, 与上部强风化带共同构成该段主要含水层。该层段抽水试验结果:q=0.009 L/ (s·m) , K=0.04 m/d, 水位标高+7.45 m, 水温24℃, 矿化度为6.2 g/L, p H值7.4, 水质类型为SO4-Na型水, 矿化度高, 水质差, 说明地下水交替缓慢, 预计井筒涌水量26 m3/h。

1.1.2 下石盒子组五煤组砂岩含水层 (Ⅱ1)

顶底板深度为484.95~621.48 m, 标高为-448.443~-584.973 m, 含水层厚度29.09 m (真厚) , 为细粒砂岩及粗粒砂岩, 其垂向裂隙发育, 被钙质充填。简易水文观测有明显消耗, 其深度为613.00~618.91 m, 消耗量为1.00~6.48 m3/h。井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.033 2 L/ (s·m) , 渗透系数0.113 6 m/d, 水位标高+12.417 m, 矿化度7 669 mg/L, 硬度1 089.46 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层[1]。K6砂岩为该段主要含水层, K6砂岩为中—粗粒石英砂岩, 常含石英及燧石砾石, 碎屑成分中石英占90%以上, 硅质胶结, 厚9.86~18.53 m, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为68.64 m3/h (其中K6砂岩涌水量占49.34 m3/h) 。

1.1.3 下石盒子组二、三煤组砂岩含水层 (Ⅱ2)

顶底板深度为679.25~781.32 m, 标高为-642.743~-744.813 m, 含水层厚度29.66 m, 岩性为细粒砂岩, 其裂隙发育, 方解石脉充填。简易水文观测未发现有明显消耗。此次井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.026 5 L/ (s·m) , 渗透系数0.091 2m/d, 水位标高+10.147 m, 矿化度7 513 mg/L, 硬度969.33 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层。K5砂岩为该段主要含水层, K5砂岩厚1.20~8.33 m, 浅灰—灰色, 细—中粒结构, 碎屑成分以石英为主, 长石为次, 硅、泥质胶结, 含菱铁质颗粒, 具大型斜层理, 层面含炭质, 下部含泥质包裹体, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为67.45m3/h (其中K5砂岩涌水量占23.87 m3/h) 。

1.2 预想井筒基岩水文地质特征

根据井检孔揭露基岩资料结合矿井地质勘探报告、三维地震报告以及永夏矿区已生产的六对矿井井筒施工时揭露的情况分析:主、副、风三井筒基岩段构造复杂、岩石破碎、裂隙发育、含水层多且富含水;主、风井筒施工时主要受K6砂岩含水层的影响, 基岩风化带和K5砂岩含水层次之;副井除受基岩风化带、K6、K5砂岩含水层影响外, 预计在K6砂岩含水层段遇到SF6断层, 断距为0~25 m, 岩石破碎。

2 大段高高压超前预注浆方案

井筒基岩段施工期间, 坚持“有疑必探、先探后掘”的施工原则[2];根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》要求, 单层涌水量在10 m3/h以上的含水层, 必须采用工作面预注浆通过。根据井检孔地质报告, 井筒基岩段含多层含水层, 其中将穿过2个水量较大的含水层组, 为了进行安全快速施工, 须对冻结段以下的井筒段实行工作面预注浆法通过 (140m段高、注浆压力为水压2~3倍) 。

工作面预注浆以封堵含水层孔隙、裂隙水, 增加破碎岩石强度构建井筒“隔水帷幕层”为目的[3]。在井筒内施工注浆孔, 地面建注浆站, 通过地面注浆泵和井壁吊挂无缝钢管, 将地面搅拌好的水泥浆液压入注浆孔含水层裂隙和构造破碎带中封堵裂隙水。

3 大段高高压超前预注浆工程设计

3.1 超前预注浆起止深度及注浆方法

以副井为例, 井筒复杂基岩段采用3个段高探水、注浆施工 (表1) , 全段下行压入式注浆。

注:结合井检孔资料。

3.1.1 注浆钻孔布置

(1) 注浆孔数N。

式中, D为井筒净径, 6.0 m;A为注浆孔与井壁距离, 0.5 m;L为注浆孔间距, 1.95 m。

代入数据计算得, N=8.05, 取8个 (图1) 。

(2) 径向角α。

α=arctan (S+A) /H

式中, α为钻孔在径向上与竖轴的夹角;S为终孔位置在径向上超出净径的距离, 取3.0 m (超出下部掘进荒径2.5 m) ;H为段高, 140/75 m。

代入数据计算得, α=1°26'/2°40'。

(3) 切向角。为解决钻孔控制范围内“竖向裂隙盲区”导致注浆效果差这一难题, 特设计钻孔切向倾角。钻孔切向倾角按照下式计算:

α1=arctan (s/h)

式中, α1为钻孔在切向上与钻孔径向斜距的夹角;s为注浆孔终孔位置间距离, 4.59 m;h为钻孔径向斜距, 141.25/75.13 m。

代入数据计算得, α1=1°52'/3°30'。

探水注浆孔布置参数见表2。

3.1.2 注浆孔施工顺序

注浆孔8个, 1#布置在正北方向, 按顺时针编钻孔序号 (图1) 。钻孔分2组交替施工, 1#、3#、5#、7#孔为第1组, 先行施工, 封堵大的裂隙;第2组2#、4#、6#、8#孔封堵细小裂隙及孔隙水, 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;8#孔作为终检孔, 检查本次探水注浆的质量。钻孔数量及布置方式应根据第1组探孔施工及注浆情况进行合理调整。

3.1.3 注浆压力

注浆压力是浆液在裂隙中流动、扩散充塞、压实的能量, 是控制浆液距离的重要因素之一, 根据地层情况, 注浆终压取含水层水压的2~3倍 (表3) , 注浆压力为工作面注浆压力表压力值, 前期封堵大裂隙注浆压力取低值, 后期小裂隙注浆压力取高值。

注:应根据注浆情况调整注浆孔数, 暂定8个。

3.1.4 注浆材料及注入量

(1) 注浆材料。前期注浆选用单液水泥浆封堵裂隙水, 采用P.O32.5R普通硅酸盐水泥浆液, 另掺入水泥质量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂, 外加剂起速凝早强作用, 加强注浆堵水效果。

(2) 水泥浆液注入量。水泥浆液注入量为:

式中, A为浆液消耗系数, 1.5;H为注浆段高, 140/75 m;R为浆液有效扩散半径, 10.5 m;β为浆液充填系数, 0.85;m为结石率, 0.85;η为裂隙率, 3.5%。

水泥浆液量及材料用量见表4。

3.2 混凝土止浆垫厚度计算及施工

3.2.1 混凝土止浆垫厚度计算

采用单级平底型混凝土止浆垫。混凝土设计标号为C60, 采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥配制, 另加混凝土早强减水剂。止浆垫厚度Bn按式 (1) 计算:

式中, P0为注浆终压, 各注浆段分别取14.7, 17.7, 22.6 MPa;[σ]为混凝土3~7 d抗压强度, 44.1MPa;r为井筒掘进半径, 4.0 m (井壁厚度加厚为1.0 m) ;k为安全系数, 取2.0。

根据计算结果, 各注浆段止浆垫有效厚度分别为3.87, 4.40, 5.30 m, 各注浆段止浆垫有效厚度分别取4.00, 4.50, 5.30 m;止浆垫有效厚度可根据混凝土强度及井壁厚度变化进行调整。施工时可以减小止浆垫有效厚度, 先加固止浆岩帽 (止浆垫下的岩帽厚度应不少于20 m, 每次段高预留20 m的超前距) , 使岩帽与混凝土止浆垫共同承受注浆压力。

3.2.2 混凝土止浆垫施工

为防止止浆垫与井壁间漏水漏浆, 要求止浆垫与井壁重叠0.5 m, 永久井壁以下止浆垫有效厚度不得小于设计厚度。混凝土由地面搅拌站配制, 经底卸式吊桶下井, 混凝土浇筑应连续施工, 加强振捣, 混凝土中可掺加早强减水剂;止浆垫上面避开孔口及罐底位置预留一个集水坑以备排水。

混凝土止浆垫施工前, 应做好上部井壁截水及下部围岩出水点导水工作, 确保止浆垫施工质量[4]。若工作面水量较大, 应施工滤水层止浆垫, 并在滤水层中埋设滤水箱 (厚8 mm钢板加工) , 滤水箱顶部焊接滤水管 (273 mm×8 mm) , 便于潜水泵排水。滤水层采用大粒径石子铺设, 滤水层的铺设厚度应保证其空间满足中间换泵时间 (10 min左右) 。

滤水层厚度A=tq/3.14βr2+0.25

式中, t为停泵时间, 一般取10 min;r为井筒荒半径;q为井筒工作面实际涌水量;β为碎石孔隙率, 取40%。

3.3 孔口管埋设

3.3.1 孔口管长度取值

根据《简明建井工程手册》要求, 孔口管长度应大于止浆垫厚度0.5 m以上, 止浆垫以上留0.3 m高度, 孔口管取值见表5。根据施工经验, 孔口管采用108 mm无缝钢管加工而成, 孔口上部焊接法兰以便与高压注浆阀连接, 中下部加工成倒竹节状。根据施工经验, 井筒注浆选用108 mm×5/6 mm无缝钢管, 孔口管长度现场根据止浆垫厚度、注浆深度及岩帽岩层特性合理选择。

3.3.2 孔口管埋设方法

第1组孔口管采用预埋的方式。将钻机按设计的方位、孔径、倾角安装固定在大模板上, 在清底后的工作面向下钻进5~10 m, 用压风吹净孔内岩粉, 下入108 mm注浆孔口管, 孔隙充填2∶1的水泥砂浆后, 然后浇注混凝土止浆垫;根据第1组孔注浆情况, 确定是否需要进行第2组孔施工, 需要施工时, 第2组孔口管则采用后埋的方式进行, 即直接在止浆垫上造孔埋设即可。

3.4 注浆孔施工

注浆钻孔采用2台ZDY650 (MK-3) 型液压钻机, 分别配50 mm钻杆及65/75 mm三芯钻头施工, 地面通过供水管直接供水打钻作循环水。在打钻前, 要在108 mm孔口管上安设12.5 mm高压球阀, 以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。

打钻施工是在打钻平台上进行的, 打钻平台距止浆垫2 m左右, 工作台固定在井筒施工的大模板或井壁上, 并卡好保险绳, 在平台上铺厚50 mm的木板 (用铁丝固定) 。钻进过程中, 若钻孔涌水量超过5 m3/h, 或因岩石破碎打不下去时停钻注浆, 否则一直钻进直至终孔。终孔时要核实钻具长度, 确保钻孔深度符合设计要求[5]。

3.5 注浆施工

3.5.1 准备工作

注浆站布置在井口附近, 站内安装XPB-90E型液压注浆泵 (注浆压力可达25.5 MPa) 2台, 并设置清水池、水泥浆搅拌系统。一级搅拌池利用井口搅拌机, 并在附近砌筑二级搅拌池, 采用普通108mm弹簧管将一级搅拌池内浆液放入二级搅拌池, 利用现有散装水泥罐直接上料。利用一路50 mm×6 mm无缝钢管作输浆管路, 输浆管路与注浆泵和孔口管之间用6.4 mm高压胶管连接。每次注浆结束后应及时清洗管路及注浆泵。

3.5.2 设备试运转

注浆设备及管路安装完毕必须进行试运转, 注浆系统应满足最大注浆压力和流量的要求, 试运转或耐压试验时设备应无异常响声。

3.5.3 注浆作业流程

浆液经搅拌系统搅拌后, 经注浆泵、输浆管和注浆孔口管进入受注岩层。

注前试验过程中, 视凝胶时间调整好浆液配比。每个孔注浆结束后, 必须用清水冲洗净注浆管路。当注浆孔钻到既定深度后, 先用清水冲孔 (破碎带不冲) 直到流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。

3.5.4 压水试验

注浆前进行压水试验, 冲洗岩石裂隙中的充填物, 提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力, 并根据泵压及注入量进行钻孔吸浆量的测定, 单位钻孔吸水量的计算公式为:

q=Q/H

式中, Q为最大压力时的流量;H为试验段的高度。

压水试验时, 应尽可能采用大泵量, 将压力值控制在本段注浆终压, 一般压水时间为20 min (破碎带压水时间缩短或不压水) , 精确测量并记录压水段高、流量和压力, 根据压水时间测定的单位钻孔吸水量确定注浆时浆液的起始浓度, 作为鉴定注浆效果的依据之一。

3.5.5 注浆压力调整

在注浆过程中, 注浆压力可分为初期、正常及终压3个阶段变化, 当初始浓度确定后, 根据注浆压力变化情况, 及时控制浆量, 调整浆液浓度及凝胶时间等, 使注浆压力平缓升高, 避免出现较大波动, 直至达到注浆终压和终量, 并稳定20 min以上。

3.5.6 浆液调配

单液水泥浆常用水灰比为2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1和0.5∶1, 单液水泥浆配制见表6。每次注浆的初始浓度根据压水试验测定的单位钻孔吸水量进行选择 (表7) ;注双液浆时, 水泥浆与水玻璃体积比例为1∶ (0.8~0.6) 。

每个钻孔注浆时, 初注用浓浆, 复注时逐渐降低浆液浓度, 但每次注浆时, 一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段, 若压力不升且进浆量也不减时, 应逐渐加大浆液浓度;反之, 若压力上升快且进浆量减少也快, 应依次降低浆液浓度;每间隔20 min更换一次浆液浓度。

3.5.7 注浆结束

当钻孔注浆达到结束标准, 或因裂隙较大, 虽未达到结束标准, 但为防止浆液扩散较远, 按预定的注浆注入量已达到要求, 可结束此次注浆。在结束注浆前, 需压注一定量的清水, 将管路中的浆液冲洗干净, 注入量为输浆管路和注浆孔容积的80%, 然后关闭孔口高压球阀, 打开放浆阀, 冲洗输浆管路。注浆结束标准:各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液水灰比不低于1∶1, 即1∶1浆液或更稀。

3.5.8 扫孔和复注

注浆结束后, 原则上在注浆段位置能托住钻就可扫孔, 一般需4~6 h;扫孔后进行压水试验, 当耗水量小于20 L/min时可不再注浆, 进行下一个钻孔的钻进, 否则应复注。

4 钻孔施工和注浆效果

以副井第2段高对K6砂岩含水层和断层破碎带超前预注浆施工情况和效果进行分析。

4.1 钻孔施工和注浆情况

原设计施工8个注浆钻孔, 根据主、副、风3个井筒第1段高超前预注浆施工情况, 调整设计增加钻孔密度, 由8个增加到12个, 为提高“隔水帷幕墙”阻水强度, 增加补孔和检查钻孔, 注浆材料先期为水泥加添加剂, 后期为化学浆, 进一步提高注浆效果 (图2) 。

该段高140 m, 共施工钻孔28个, 造孔进尺为7 349.3 m, 单液2 677.009 m3, 水泥1 277.63 t, 食盐6 265.45 kg, 三乙醇胺626.545 kg;化学浆68.392 t (表8) 。

4.2 注浆效果

各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 地面终压达18 MPa, 工作面注浆压力最大为24 MPa;注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液的水灰比不低于1∶1 (即1∶1浆液或更稀) 。浆液运移可见距离达50~100 m (副井注浆时在风井、主井见水泥化学浆渗出) , 浆液的注入量基本达到设计要求。

根据各钻孔最后一次扫孔结束单孔涌水量分析:Q≤1 m3/h的孔分别为:1#孔、补1#孔、2#孔、3#孔、补3#孔、4#孔、补4#孔、5#孔、补5#孔、6#孔、补6#孔、7#孔、8#孔、补8#孔、9#孔、补9#孔、10#孔、补10#孔、检3#孔、检4#孔;1 m3/h<Q≤2 m3/h的孔分别为:补2#孔、补7#孔、补11#孔、补12#孔;Q≥2 m3/h的孔分别为:11#孔、12#孔。

根据单孔涌水量推断, 下一步井筒施工分层揭露涌水量为2 m3/h, 不大于10 m3/h, 满足副井井筒基岩段正常掘砌条件。

5 井筒施工揭露情况

从井筒揭露的情况看:砂岩中竖向裂隙充填水泥胶结, 微细裂隙充满化学浆液呈白色;断层破碎带充填水泥, 水泥胶结破碎岩块形成完整的岩块;不同岩性岩层界面充满水泥和化学浆、呈灰白色;构建井筒“隔水帷幕层”较完整, 隔水效果较好, 掘进时井壁局部砂岩和破碎带微细裂隙有少量渗水外, 其他井壁揭露岩层岩石潮湿, 该段井筒涌水量0.7~0.9m3/h。掘进期间, 利于炮眼施工和光面爆破, 减少出岩量, 利于井筒浇筑混凝土并增加强度, 提高掘进速度 (正常月进100 m) , 井筒成型好。

6 结论

对岩石竖向裂隙发育、横向联通较差的砂岩高承压含水层和构造破碎的复杂基岩段采取大段高、高压井上下结合超前预注浆防水技术, 采用径向和切向倾角注浆钻孔消除控制范围内“竖向裂隙盲区”, 提高预注浆效果, 构建井筒“隔水帷幕墙”, 既加固了“破碎基岩”, 又消除了涌水给井筒施工带来的安全隐患, 可以实现“强基岩、干井筒”快速施工。

参考文献

[1]房佩贤, 卫中鼎, 廖资生.专门水文地质学[M].北京:地质出版社, 1990.

[2]武强.煤矿防治水手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2013.

[3]王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.

[4]王永红, 沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].北京:煤炭工业出版社.

超前预注浆施工 篇7

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

[1]张世东, 丁业元, 王颖.深井软岩巷道支护[J].建井技术, 2012, 33 (2) :4-7.

[2]张建军, 舒勇, 师俊峰.水平井技术发展及应用案例[M].北京:石油工业出版社, 2012:121-126.

超前预注浆施工 篇8

在矿山巷道施工中, 中空注浆锚杆有用于预支护的超前中空注浆锚杆和用于一般巷道复合式衬砌拱部的系统径向锚杆。主要应用于地质条件中等-良好的围岩永久系统支护和超前预支护, 该系统根据岩性不同情况可独立采用, 也可与注浆小导管、管棚等结合使用, 以取到最佳的支护效果。

中空锚杆的锚杆体采用中空设计, 杆体中孔作为钻进高压风水通道和注浆通道, 与实心杆体相比, 中空杆体设计可获得更好的刚度和抗剪强度。锚杆体外表面全长标准大螺距螺纹结构, 螺纹结构便于锚杆的切割和接长, 与光滑杆体相比增加了锚杆体与注浆材料的粘接面积从而提高了锚固力。中空注浆锚杆有以下几个特点: (1) 安装方便, 保证预应力施加能及时进行; (2) 主动张拉, 预应力可达50KN, 并可实现适当的超张拉; (3) 利用常规工具, 单人即可实现张拉操作; (4) 可通过中空杆体实现高压注浆, 改良围岩; (5) 从生产到安装的全程控制, 保证质量。

太钢峨口某铁矿I号回采地下负400米平巷施工中, 采用中空注浆锚杆成功地通过了软弱围岩段的施工, 收到良好的施工效果。该工程依据新奥法设计原理穿越Ⅱ类围岩段时, 采用了中空注浆锚杆和超前小导管复合支护, 属于S2-1支护类型;穿越Ⅲ类围岩段时采用了超前中空锚杆注浆和药剂锚杆复合支护, 属于S3-1支护。该项目中空注浆锚杆相关参数, S2-1:Φ25mm L=350cm中空注浆锚杆, 环向间距100cm, 纵向间距50cm, 呈梅花型布置;S3-1:Φ25mm L=500cm超前中空注浆锚杆, 环向间距80cm, 纵向间距320cm, 呈梅花型布置。

下面就结合工程实例 (如图1) , 介绍一下中空注浆锚杆在超前支护施工中的技术工艺、施工方法与施工注意事项。

2工艺流程

区别于普通的砂浆锚杆, 它将传统的先灌浆后锚固工艺改为先锚固后注浆, 注浆时压力可达数十公斤, 不但可以充填锚孔, 而且在裂隙发育的地区, 浆液在注浆压力作用下渗透进裂隙, 达到改善围岩结构的目的。

中空注浆锚杆施工工艺流程见图2。

2.1 施工方法

中空注浆锚杆由钢质涨壳锚头、中空注浆锚杆体、止浆塞、垫板、螺母组成。

锚杆制作:采用厂家生产的定型产品, 如WT、WTD系列, 锚杆由中空全螺纹杆体、排气管、锚头、止浆塞、垫板、螺母组成。见图3。

超前锚杆的施工按超前小导管的施工方法进行。中空锚杆由厂家订购, 汽车运至工作面。注浆在上台阶上人工现场拌制注浆液, 安装注浆机灌注浆液。在初喷混凝土后及时进行锚杆安装作业。检查锚杆孔是否畅通;检查空压机及其管路、风枪是否处于良好状态。

(1) 根据设计要求选定合理的钻机、注浆泵。例如本工程采用锚杆台车或风枪钻孔, 并用高压风清孔。一般情况下如查地质为黄土地层或煤层时采用煤矿螺旋钻成孔。

(2) 断面测量, 按设计要求画出钻孔位置。

(3) 钻机就位及按设计要求钻孔。

锚杆钻孔采用气腿式风枪等凿岩机械;当在土层中钻孔时, 宜采用干式排渣的回旋式钻机。钻孔前根据设计要求并结合围岩产状定出孔位, 作出标记;将钻头对准标定的位置, 尽可能使钻进方向垂直岩层结构面, 以便起到更好的加固作用。钻孔结束时, 保持锚杆外露段长度在10~15cm。钻孔应符合以下要求:

a、钻孔应圆而直, 钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直;

b、锚杆孔径应大于杆体直径15mm。

(4) 清孔、检查钻孔的倾斜度和方向。钻至设计深度后, 用水或高压风清孔, 确认畅通后卸下钻杆连接套。

(5) 按厂家提供的使用说明安装中空锚杆。将安装好锚头的中空锚杆和排气管同时插入孔内, 锚头上的倒刺立即将锚杆挂住。施工前应检查半成品、成品锚杆的类型、规格、性能等应符合设计要求和国家现行有关技术标准的规定。按进场的每批次随机抽样3%进行检验。检查其产品合格证、出厂检验报告并进行试验。

(6) 利用快速接头将锚杆和注浆机连接。开启注浆机器, 按照设计的注浆压力进行压力注浆。注浆采用挤压式注浆泵, 注浆浆液为30#水泥浆。用孔帽装配套将止浆塞通过锚杆外露端打入孔口30cm左右。检查注浆设备, 按配合比配制水泥浆, 开动注浆泵注浆, 直至浆液从孔口周边挤出或压力表已达设计压力值时终止。对于中空注浆锚杆, 注浆时孔口压力为0.7~1.0MPa, 达到压力时持续15min即可终止注浆。注浆完成后, 及时用水清洗注浆机及管路。

砂浆质量是中空锚杆质量控制的重点, 一定要控制砂浆的强度等级、配合比应符合设计要求。应进行配合比设计, 做砂浆强度试验。每一作业段应检查一次, 确保锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实。

(7) 安装垫板、螺母

待砂浆达到设计强度90%以上时, 再度拧紧螺母, 施加预应力。在所注浆液强度达到预定强度之后, 安装垫板 (200×200×10mm的A3钢板) , 使其紧贴岩面, 上紧杆端螺母, 使其产生一定的预应力, 起到更好的加固围岩的作用。锚杆与垫板应保持垂直, 并与喷射砼充分接触, 螺母务必拧紧。

2.2 施工注意事项

(1) 注浆过程中若出现堵管现象, 则分别对锚杆、注浆管、注浆泵进行检查。在检查之前, 首先减去注浆压力, 避免喷浆伤人。

(2) 锚杆钻孔到位, 止浆塞安装完毕, 待孔内气压恢复后, 用速凝水泥砂浆将止浆塞以外的钻孔充填密实, 以保证在注浆时浆液不致窜出。

(3) 锚杆安设后不得随意敲击, 其端部3天内不得悬挂重物。

(4) 锚杆末端尽可能与钢拱架或格栅钢架焊接在一起, 以便形成共同的受力体系。

2.3 技术及质量要求

(1) 中空锚杆单根母体抗拉断力应不小于180KN;锚杆锚固抗拔力:Ⅱ类围岩不小于80KN;Ⅲ类及以上围岩不小于100KN。

(2) 锚杆安设后每300根至少选择3根作为一组进行拉拔力试验, 围岩条件或原材料变更时另作一组。同组锚杆28天的抗拔力平均值应满足设计要求;每根锚杆抗拔力最低值不得小于设计值的90%。

(3) 锚杆安装允许偏差应符合下列规定。

a.锚杆孔的孔径应符合设计要求。

b.锚杆孔的深度应大于锚杆长度的10cm。

c.锚杆孔距允许偏差为±15cm。

d.锚杆插入长度不得小于设计长度的95%, 且应位于孔的中心。

e.锚杆孔的深度应大于锚杆长度的250px。

f.锚杆插入长度不得小于设计长度的95%。

g.锚杆孔的方向应符合设计要求。

h.锚杆垫板应与基面密贴, 锚杆应平直、无损伤, 表面无裂纹、油污、颗粒状或片状锈蚀。

(4) 质量控制措施。

a.必须进行岗前培训。

b.让操作者了解注意施作程序及标准。

c.开工前必须认真进行交底。

d.必须绘制锚杆布置图, 严格控制其位置。

e.控制砂浆的水灰比。

f.控制注浆压力和进浆量。

2.4 安全要求和措施

(1) 施工期间, 应对支护的工作状态进行定期和不定期检查。在不良地质地段应由专人每班检查。

(2) 暂停施工时, 应将支护直抵开挖面。

(3) 锚杆简易台架应安置应稳妥。

(4) 作业中如发生风、水、输料管路堵塞或爆裂时, 必须依次停止风、水、料的输送。

(5) 对锚杆支护体系的监控量测中发现支护体系变形、开裂等险情时, 应采取补救措施。当险情危急时, 应将人员撤出危险区。

(6) 若已锚地段有较大变形或锚杆失效, 立即在该地段增设加强锚杆, 长度不小于原锚杆长度1.5倍。

(7) 注浆工人必须带防护工具。

(8) 认真检查机具设备及线路, 避免漏电伤人。

(9) 机械司机严格按操作规程操作。

(10) 注浆工人与注浆泵司机必须协调好。

(11) 注浆完毕必须先关闭阀门, 再关注浆器。

(12) 注浆口不允许对人。

2.5 中空主浆锚杆施工组织

中空注浆锚杆施工要求与超前小导管施工类似。

(1) 作业组织

按每班计, 一般情况下的劳动力组织由如下组成:电工1人, 电焊工1人, 钻眼打管6人, 注浆泵司机1人, 注浆3人, 空压机司机1人。共计13人。

(2) 每班主要机械设备:风钻3台, 空压机1台, 注浆机1台, 浆液拌和机1台。

3 结语