郭行運(yùn),汪青倉,劉全輝,李翔宇

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

1 前言

陜西延長石油可可蓋煤礦中央進(jìn)、回風(fēng)立井采用鉆井法施工,井筒檢查孔顯示,井筒所處第四系層厚逾90 m,其中上部為風(fēng)積沙+薩拉烏蘇組松散砂層,厚度達(dá)61 m。鉆井法臨時(shí)鎖口基礎(chǔ)坐落在第四系松散砂層上,由于本地區(qū)松散砂層含泥量少、膠結(jié)性差,含水量大,在受力擾動失穩(wěn)的情況下易形成流砂,鉆孔可能發(fā)生塌孔風(fēng)險(xiǎn),鉆井施工前必須對松散砂層進(jìn)行加固處理。為確保鉆井的安全順利施工,需要采取特殊工法對流沙層進(jìn)行加固,經(jīng)論證比較,決定采用MJS 高壓旋噴咬合樁技術(shù)加固該深厚松散砂層。

可可蓋煤礦隸屬陜西延長石油礦業(yè)有限責(zé)任公司,井田位于榆橫礦區(qū)北區(qū),總面積179.42 km2,可采儲量12.39 億t,設(shè)計(jì)規(guī)模1 000 萬t/年,配套建設(shè)同等規(guī)模選煤廠,服務(wù)年限88.5年。礦井采用斜井開拓,移交時(shí)全井田共布置5 條井筒,在西部工業(yè)場地內(nèi)布置主斜井、副斜井,在中央風(fēng)井場地布置中央進(jìn)、回風(fēng)立井,在北一風(fēng)井場地布置北一回風(fēng)立井。礦井正常涌水量 1 120 m3/h,最大涌水量1 350 m3/h,水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。

中央進(jìn)風(fēng)立井、中央回風(fēng)立井均采用鉆井法施工,井筒設(shè)計(jì)垂深分別為513 m、517.5 m,井筒凈直徑均為6.0 m,鉆孔直徑8.5 m,采用泥漿護(hù)壁,泥漿比重1.18～1.27 g/cm3、黏度20～30 s、失水量≤20 mL/30 min、泥皮厚度≤2 mm。中央進(jìn)風(fēng)立井施工采用ZDZD/100 重型多用途全液壓工程鉆機(jī),該機(jī)設(shè)計(jì)鉆井深度650 m、鉆井直徑4～12 m、最大提升能力9 000 kN、動力頭扭矩1 000 kN·m、裝機(jī)功率960 kW、鉆機(jī)重量340 t、轉(zhuǎn)速0～12 r/min;中央回風(fēng)立井施工采用AD130/1000 型全液壓豎井鉆機(jī),該機(jī)設(shè)計(jì)鉆井深度1 000 m、最大鉆井直徑13 m、最大提升能力7 000 kN、動力頭扭矩600 kN·m、裝機(jī)功率1 050 kW、鉆機(jī)重量561 t、轉(zhuǎn)速0～22 r/min。井壁在地面預(yù)制,井筒上部井壁采用鋼筋混凝土,井筒深部井壁采用單層鋼板+鋼筋混凝土,混凝土強(qiáng)度等級C40～C70,壁厚600 mm。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)簡述

以中央回風(fēng)立井為例,井筒檢查孔地質(zhì)報(bào)告顯示,第四系厚度91.62 m,其中薩拉烏蘇組以上松散砂層層厚61.71 m,含風(fēng)積沙5.2 m、細(xì)砂50.5 m、亞砂土2.7 m、粉砂3.31 m。砂層結(jié)構(gòu)松散,工業(yè)場地內(nèi)全區(qū)分布,粒徑以0.5～0.075 mm 顆粒為主,巖性主要為中細(xì)砂,屬于松散～中密狀態(tài)、不良級配的均勻砂,自然坡角為39.3°(水上)、28.5°(水下)。地下水位5.75 m,井筒涌水量321 m3/d,含水層富水性中等,透水性能良好。砂層下是第四系離石組黃土層,厚度29.91 m,該地層巖性為棕黃色粉砂土、黏土,遇水黏性較大,易污手,手搓可成條,下部為類鈣質(zhì)結(jié)核層,底部見風(fēng)化洛河組基巖。具體見表1。

表1 中央回風(fēng)立井地質(zhì)柱狀圖第四系地層統(tǒng)計(jì)表

3 MJS 高壓旋噴工藝簡介

3.1 工藝原理及應(yīng)用范圍

MJS 高壓旋噴樁工法(Metro Jet System)又稱全方位高壓噴射工法[1],是從綜合角度出發(fā),將漿液加壓輸送、噴射、地層切割、混合、強(qiáng)制排漿、集中泥漿這一系列工序作為監(jiān)控對象,是一種能進(jìn)行水平地基加固和垂直360°全方位三維地基加固的施工方法,對于周邊環(huán)境及地基擾動影響微小,能實(shí)施大深度地基加固及水面下的施工。

MJS 高壓旋噴樁工法在傳統(tǒng)高壓噴射注漿工藝的基礎(chǔ)上,采用獨(dú)特的多孔旋噴管和前端造成裝置,實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地下壓力監(jiān)測,并通過調(diào)整強(qiáng)制排漿量來控制地內(nèi)壓力,從而大幅度減少對環(huán)境的影響,而地下壓力的動態(tài)調(diào)整也進(jìn)一步保證了成樁直徑。

MJS 高壓旋噴咬合樁施工技術(shù)即將MJS 高壓旋噴樁之間按一定的間距布置[2],使樁與樁之間的外緣有一定尺寸的交集,保證兩樁接茬處有足夠的咬合尺寸,使之聯(lián)成一道密閉的屏障。目前,MJS 高壓旋噴咬合樁技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地鐵、地下停車場、深基坑的圍墻加固及涌水處理施工中。

3.2 工藝流程

MJS 高壓旋噴工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

4 施工方案

4.1 施工設(shè)備配套選型

擬投入1 臺套MJS 高壓旋噴主機(jī)、1 臺引孔機(jī)、1 臺汽車吊機(jī)、2 臺泥漿泵及其他配套設(shè)備等。具體見表2。

表2 MJS 高壓旋噴施工設(shè)備配套選型

4.2 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 技術(shù)參數(shù)的確定

經(jīng)專家論證,井口鉆井設(shè)備載重應(yīng)力及擾動干擾隨著地層的深入而逐漸發(fā)散消失,當(dāng)松散層加固深度超過鉆井直徑3 倍以上時(shí),鎖口處地層集中應(yīng)力基本消除。設(shè)計(jì)MJS 旋噴咬合樁帷幕內(nèi)徑9.2 m,外徑12.2 m;單樁深度30.0 m,直徑1 500 mm,@988 mm,樁間咬合512 mm,搭接寬度1 129 mm,數(shù)量34 根;引孔直徑300 mm,引孔深度31 m。

樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度不低于1.5 MPa,采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比1∶1,水泥漿液壓力40 MPa,空氣壓力0.8～1 MPa;漿液流量85～100 L/min,空氣流量1.0～2.0 m3/min,水流量50～75 L/min,水泥摻入量750 kg/m3,全圓噴射。具體參數(shù)根據(jù)試樁情況可做調(diào)整。主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 主要技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4.2.2 技術(shù)參數(shù)驗(yàn)算

按鎖口本身及設(shè)備載荷計(jì)算鎖口壓力,按長圓管環(huán)向穩(wěn)定臨界壓力驗(yàn)算。

式中,σ為鎖口壓力,bar;Gmax為鉆機(jī)加鉆臺平車的重量,t;Qs為鎖口自重,t;S為鎖口盤的水平承載面積,m2。

式中,qlj為水泥旋噴樁帷幕環(huán)向穩(wěn)定臨界壓力,bar;E為旋噴樁砼體彈性模量,取3 ×105Pa;I為圓環(huán)截面慣性矩,m4;μ為砼體泊松比,取0.02;R為旋噴樁帷幕內(nèi)半徑,m;d為旋噴樁帷幕內(nèi)直徑,m;D為旋噴樁帷幕外直徑,m;

經(jīng)計(jì)算,qlj=4.9 bar,qlj＞σ,MJS 旋噴咬合樁帷幕環(huán)向承載力富余。

4.3 施工順序

采用引孔機(jī)按順序依次施工注漿引孔,隨后采用MJS 高壓旋噴機(jī)依次進(jìn)行旋噴樁的施工。MJS 高壓旋噴樁施工過程中必須具有強(qiáng)制排泥功能,相鄰樁體在強(qiáng)制排泥的時(shí)候,上一根樁水泥需滿足終凝時(shí)間條件(24 小時(shí))。為保證MJS 樁施工質(zhì)量,采取跳樁施工方案,樁位施工順序如圖2所示:1 號→9 號→18 號→27 號→2 號→10 號→19 號→28 號→3 號→11 號→20 號→29 號→4 號→12 號→21 號→30 號→5 號→13 號→22 號→31 號→6 號→14 號→23 號→32 號→7 號→15 號→24 號→33 號→8 號→16 號→25 號→34 號→17 號→26 號。

圖2 樁位施工順序圖

5 MJS 高壓旋噴快速施工技術(shù)

5.1 樁位放樣

施工前用全站儀測定旋噴樁施工的控制點(diǎn),即井筒中心,根據(jù)樁位布置圖,用鋼尺和測線實(shí)地布設(shè)樁位,并用方木定位,一樁一標(biāo)識,保證樁孔中心位置偏差不大于50 mm。

5.2 導(dǎo)墻施工

旋噴樁施工前需進(jìn)行導(dǎo)墻施工,導(dǎo)墻能為MJS施工機(jī)具提供作業(yè)平臺,同時(shí)起到鉆孔定位和導(dǎo)向的作用[3]。導(dǎo)墻設(shè)計(jì)為素混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級C30,澆筑厚度0.4 m,外圈直徑17.1 m,內(nèi)圈直徑4.3 m,中心位置預(yù)留寬1.5 m 的導(dǎo)向槽,MJS 旋噴樁圈直徑10.7 m。導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 導(dǎo)墻結(jié)構(gòu)圖

5.3 試樁

為確定現(xiàn)場施工參數(shù),驗(yàn)證實(shí)際旋噴后的咬合效果,檢查旋噴后地層的抗壓強(qiáng)度,需在正式旋噴施工前進(jìn)行試樁,然后根據(jù)試樁情況調(diào)整施工參數(shù),達(dá)到松散層最佳加固效果。

試樁布設(shè)位置在進(jìn)風(fēng)立井鎖口西側(cè)20 m 處。試樁3 根,直徑1 500 mm,長度30.0 m,樁間距988 mm,咬合512 mm;引孔直徑300 mm、深度31 m。跳打施工,先施工兩側(cè)的2 根,再施工中間的1 根。

試樁完成后,經(jīng)對試樁開挖及咬合部分鉆孔取芯檢驗(yàn),各項(xiàng)加固指標(biāo)符合設(shè)計(jì)值。

5.4 引孔施工

采用1 臺國產(chǎn)安曼HDL-180D1 型引孔機(jī)造孔,配備多孔鉆桿、三葉鉆頭[4],引孔直徑300 mm,保證引孔口徑大于旋噴管外徑100～200 mm、終孔深度大于開噴深度1.0 m;采用泥漿護(hù)壁,泥漿比重1.1～1.2 g/cm3。

造孔每鉆進(jìn)5 m 用水平尺測量機(jī)身水平和立軸垂直1 次,保證引孔垂直度偏差不大于1/300。

5.5 MJS 高壓旋噴樁施工

采用1 臺SI-50S-220-C 型日本產(chǎn)MJS 高壓旋噴樁機(jī)配合專用φ142 mm 多孔旋噴注漿管施工旋噴樁。采用360°擺噴施工,水泥漿液壓力40 MPa,漿液流量85～100 L/min,倒吸水壓力0～20 MPa,旋噴管提升速度不大于55 mm/min。施工過程中,通過各種控制措施,保證樁身位置誤差不大于50 mm,成樁直徑不小于設(shè)計(jì)直徑[5]。

施工步驟:對接旋噴管和鉆頭→旋噴管下放→校零、設(shè)定參數(shù)→孔底噴射→提升噴射→逐節(jié)拆除旋噴管→沖洗旋噴管→單孔噴射完畢。

為保證樁底部的施工質(zhì)量,孔底噴射時(shí),首先用清水向上噴射1 000 mm,壓力20 MPa,噴射時(shí)間5 min,然后把清水切換成水泥漿,旋噴管重新下放到孔底后開始向上正常噴射施工。

5.6 旋噴機(jī)移位

旋噴提升到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高時(shí)停止旋噴,將旋噴管提出孔口,清洗設(shè)備、注漿泵及輸漿管路,然后將旋噴機(jī)移位,依次循環(huán),直至將全部旋噴樁施工完畢[6]。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果

6.1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

MJS 高壓旋噴咬合樁施工采用兩班12 h 工作制,每班6 人,中央進(jìn)、回風(fēng)立井各布置1 臺引孔機(jī)和1 臺旋噴機(jī)施工,單井耗用水泥約1 580 t,平均每樁46.5 t,單井費(fèi)用約300 萬元。中央進(jìn)風(fēng)立井旋噴樁2021年5月6日開工、5月29日旋噴完畢,中央回風(fēng)立井旋噴樁2021年5月7日開工、5月30日旋噴完畢;中央進(jìn)、回風(fēng)立井各施工旋噴樁34 根,施工工期均為23 d,每臺MJS 高壓旋噴機(jī)平均日成樁1.5 根,達(dá)到了快速加固松散層的目的。而據(jù)測算,采用凍結(jié)法或深孔預(yù)注漿加固松散層,工期約需6 個(gè)月、3 個(gè)月,單井費(fèi)用約需1 000 萬元、800 萬元。

6.2 質(zhì)量檢測結(jié)果及應(yīng)用效果

1) 質(zhì)量檢測結(jié)果

采用文登GJ-150S 型鉆機(jī)+113 mm 鉆頭+108 mm 巖芯管,選擇旋噴樁加固圈內(nèi)28 d 旋噴樁樣品全深取芯,經(jīng)檢測,巖芯完整[7],單抽抗壓強(qiáng)度平均達(dá)2.2 MPa 以上,具體如圖4所示,符合設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

圖4 旋噴樁鉆芯取樣檢測結(jié)果

2)應(yīng)用效果

中央進(jìn)風(fēng)立井第四系松散層厚85.1 m,其中薩拉烏蘇組以上流砂層厚61.11 m,井筒于8月6日正式開鉆,8月14日鉆進(jìn)至薩拉烏蘇組底界,平均日進(jìn)尺7.67 m;中央回風(fēng)立井第四系松散層厚91.62 m,其中薩拉烏蘇組以上流砂層厚61.71 m,井筒于7月12日正式開鉆,7月21日鉆進(jìn)至薩拉烏蘇組底界,平均日進(jìn)尺7.05 m。經(jīng)超聲波測井,井筒偏斜度為零,泥皮厚度2 mm,井壁無坍塌現(xiàn)象。

7 施工中需注意的幾個(gè)問題

(1)引孔成孔質(zhì)量直接決定了高壓旋噴樁施工質(zhì)量,必須保證引孔中心與樁位中心誤差小于50 mm,垂直度誤差小于1/300。

(2)旋噴應(yīng)自下而上連續(xù)進(jìn)行,確保后臺水泥的連續(xù)供應(yīng)。若旋噴管不能一次提升完成,則兩次旋噴注漿的搭接長度至少應(yīng)保持200 mm 以上,以保證固結(jié)體的整體性和連接質(zhì)量要求[8],防止斷樁。

(3)每一孔的高壓旋噴注漿完成后,應(yīng)及時(shí)清洗多孔旋噴管和輸漿管路,防止因清洗不及時(shí)使?jié){液在輸漿管路中凝結(jié)沉淀,堵塞輸漿管路和噴嘴,影響下一樁的施工。

8 結(jié)論

(1)可可蓋煤礦立井井筒采用鉆井法施工,實(shí)現(xiàn)了全機(jī)械破巖、打井不下井本質(zhì)安全。施工過程中遇到的深厚流沙層通過引用MJS 高壓旋噴樁技術(shù)已得到有效解決,且技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本有著顯著的優(yōu)勢。

(2)煤礦建設(shè)工程是一項(xiàng)綜合技術(shù),應(yīng)結(jié)合國內(nèi)外最新科技發(fā)展成果來推動本行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。因此,跨界技術(shù)合作是一個(gè)有效途徑。