牛西礦立風井回風道破裂治理方案研究

王炳文,李文臣,葛 震,劉小龍

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)

冀中能源張礦集團牛西礦立風井回風道工程坐落在山坡人工填土地基之上，由于工程設計前未進行地質勘察，施工時又未對填土地基及時進行處理，風道磚砌墻體出現嚴重變形和開裂，導致風道漏風，影響風井正常使用功能。雖采取外墻鉚掛鋼絲網噴漿、內設矩形工字鋼支架等措施對回風道墻體進行修復和加固，但收效甚微，墻體破壞加劇。為此，牛西礦委托有關單位對該礦風井回風道工程進行治理。

1 工程概況

牛西礦立風井回風道基礎，采用MU10普通燒結磚和M7.5水泥砂漿砌筑，下設規格為370×240D的圈梁。回風道墻體采用無配筋磚砌體結構，總長33.2m ，其中坡面段長14.2m、平面段長19.0m，外形尺寸3.64m×4.82m，凈斷面2.9m×2.9m，回風道內地面以上凈高2.90m。風機基礎總長25.0m，寬11.5m，鋼混框架結構，基礎標高為-5.27m。工程地質鉆孔資料表明，風井場地地表以下6.6～12.7m均為凝灰巖回填土。這部分回填土主要來自風井基建過程中排出的碴石和地表剝離物，具有結構松散、組成成分不均勻、欠固結、承載能力低、變形量大等特點。

2 風道破裂機理分析

地表移動觀測和沉降變形分析表明，導致回風道墻體開裂破壞的原因主要有三方面[1]。

1) 填土地基的不均勻沉降變形。牛西礦風井場地屬山區地貌，回風道基礎坐落于人工填土地基之上，填土層厚且埋深差異大。隨著服務時間增長，填土固結將導致風道地基發生不均勻沉降變形。此外，山區地表水下滲，使填土長期處于飽水狀態，還將發生附加的濕陷變形。回填土的固結沉降變形和濕陷變形將引起填土地面大面積下沉，當不均勻沉降量過大時，將導致風道墻體變形而產生附加應力。當附加應力超過砌體結構的抗拉強度時，回風道磚砌墻體出現裂縫。

2) 回風道磚砌墻體結構剛度不足。回風井風道墻體采用無配筋磚砌體結構，抗拉、抗彎、抗剪強度弱，對地基不均勻沉降敏感。此外，風道墻體為單邊墻結構，地表段長達20m，未設任何水平拉梁和構造立柱，缺乏整體結構性，抗彎曲變形和水平變形能力差。當填土地基不均勻沉降導致墻體內部產生的拉應力和剪應力超過磚砌體結構的極限強度時，將導致抗拉強度較弱的回風道墻體開裂。

3) 潛在的邊坡滑移。風井回風道東北側正對一條邊坡匯水溝，地表水在坡前平臺低洼處匯集。由于未能及時疏干地表積水，造成地表水下滲，不僅加速了地基填土的固結沉降變形和濕陷變形，而且地表匯水和積水下滲還可能誘發山體滑坡。山坡土體局部出現的張性裂隙，說明這種可能性的存在。

3 風道破裂治理方案

3.1 方案初選

導致牛西礦立風井回風道墻體破裂的諸因素中，地基填土不均勻沉降變形是主要致因，磚砌墻體剛度不足是直接原因，而地表積水下滲則是潛在因素，風道破裂治理應圍繞此三方面進行。在選擇治理方案時，應充分考慮：① 立風井承擔礦井80%的通風任務，回風道地基加固應不影響礦井正常生產；② 回風道墻體為無配筋磚砌體結構，抗拉抗剪強度差，對地基不均勻沉降變形敏感，在加固風道地基的同時，應加固風道磚砌墻體；③ 地表積水下滲，不僅加速填土地基的固結沉降變形和濕陷變形，還可能誘發山體滑坡，地表疏干排水有助于改善風道填土地基和山坡坡體的穩定。

根據既有建筑結構加固“上部結構-基礎-地基”共同作用的理念，從建(構)筑物整體結構出發，采用“微型樁注漿加固+外套鋼筋混凝土框架板墻”聯合處理方案，綜合治理牛西礦立風井回風道破裂。該方案包括三方面內容：① 采用鋼管樁地面高壓雙液注漿加固風道填土地基，提高地基填土承載能力，削弱或消除地基不均勻沉降變形；② 采用鋼筋混凝土框架板墻加固風道磚砌墻體，形成“砌體-鋼筋混凝土”組合墻體，提高墻體剛度和抗變形能力；③ 地表構建蓄水沉淀池與排水明溝，疏干排水，防止地表水下滲。

3.2 風道加固設計

牛西礦立風井回風道加固設計方案的實施分兩步：先進行風道填土地基的高壓注漿加固，待地表變形穩定之后再進行風道墻體結構的加固。

3.2.1 風道地基高壓雙液注漿加固

采用“水泥+水玻璃”高壓雙液注漿加固風道填土地基[2-3]。水泥為P.S.A 32.5，水泥漿水灰比0.7，現場攪拌，隨攪隨用；水玻璃模數2.4～2.8，濃度40B′e；水泥漿與水玻璃混合漿液的體積比為1∶1～2。采用臥式工程地質鉆機鉆孔，注漿鉆孔Φ100mm，鉆孔間距1.5m、排距0.5m，孔深視地基填土層厚度確定，一般取8～12m。沿回風道外圍輪廓布置兩排鉆孔，如圖1所示。

注漿管采用4″～6″無縫鐵管，填料采用粒徑為2～5mm的細石子，設計注漿影響半徑為0.6～1.0m。注漿壓力控制在0.6MPa～1.5MPa，每延米注漿量約為0.5m3。采用二次高壓注漿，在第一次注漿達到飽和后停止注漿，待2～3 h后再進行二次補漿。先進行風道基礎最外一排孔注漿，注漿鋼管采用定向單管全長注漿；再進行基礎外第二排孔注漿。注漿采用雙管，長管為全長花管，短管為開口管。均采取跳孔間隔注漿，不得依次注漿，注漿施工時應及時進行基礎沉降觀測。

3.2.2 風道墻體加固

回風道墻體因地基填土不均勻沉降變形而產生張開裂縫，在對墻體進行加固之前，應先進行墻體裂縫修補。牛西礦立風井回風道墻體裂縫的處理，應在填土地基注漿加固處理結束，待地基沉降變形趨于穩定之后再進行，避免修補后可能再次出現開裂。設計采用壓力灌漿修補法處理回風道磚砌墻體裂縫，先用加有促凝劑的水泥砂漿嵌縫，待封閉層砂漿達到一定強度后，用0.2MPa～0.5MPa的壓縮空氣檢查通道泄漏程度，然后再自下而上進行壓力灌漿，灌漿壓力控制在0.2MPa左右。全部灌注完成后，停30min后再進行二次補灌，以提高灌漿密實程度。

圖1 回風道基礎注漿布孔平面圖

磚砌墻體結構自身剛度不足，是導致牛西礦立風井回風道墻體開裂的主要因素之一，墻體表面噴射鋼筋混凝土加層，可提高磚砌體結構抵抗橫向彎曲變形的能力[4]；增設鋼筋混凝土扶壁柱(立柱)，可提高磚砌墻體抵抗縱向位移變形的能力。回風道墻體采用噴射鋼筋混凝土板墻進行單面加固，加固面為風道外壁，鋼筋直徑6mm，間距200mm，單排雙向配置，外表保護層厚度30mm，并與風道墻體錨筋綁扎牢固；面層噴射C20細石混凝土，噴射厚度為80mm。鋼筋混凝土立柱間距3.0m，斷面尺寸260mm×200mm，主筋為4根Φ14mm的鋼筋；立柱頂聯梁斷面尺寸200mm×200mm，主筋為4根Φ14mm的鋼筋，側面與墻面和頂板用植筋連接(圖2)。

圖2 回風道墻體加固立面圖

原回風道地基不足以支撐新增鋼筋混凝土加層和鋼筋混凝土扶壁柱的自重載荷，這部分載荷可通過增設微型樁(鋼管樁)來支撐(圖3)。鋼管樁采用無縫鋼管，Φ105mm，壁厚3mm，長度12m，樁端置于穩定巖層。現狀地面打樁，管內灌注C20細石混凝土，樁頂錨入承臺長度≥10cm。墻體加固施工前，應先將施工面土方開挖至設計標高，待基礎承臺澆灌完后再進行回填夯實，回填至頂板下2.4m處，保證基礎梁有50cm厚的覆蓋土，地面還應做100cm寬的散水。

圖3 回風道墻體加固剖面圖

3.3 邊坡疏排水工程設計

牛西礦回風井場地平均坡度13°～14°，存在發生滑坡的可能性，尤其在多雨雪季節，山坡匯水和坡前積水下滲，不僅降低了邊坡巖土體的抗剪強度，導致坡體抗滑穩定性下降，而且還加劇了風道填土地基的濕陷變形和不均勻沉降變形，致使風道墻體出現開裂破壞。因此，山坡地表水的“截、排、疏”，將是牛西礦立風井邊坡治理的首選方案。

牛西礦回風井山前地表排水系統，主要由開口蓄水沉淀池和排水明溝組成。山前截水采用蓄水沉淀池，沉淀池前緣擋墻距現有毛石擋墻2.5m，采用厚370mm的磚砌擋墻，池底板鋪設厚100mm的C15素混凝土墊層。池水通過Φ300mm的混凝土預制管排入毛石擋墻下的排水明溝。

4 結語

從建(構)筑物整體結構出發，采用“微型樁注漿加固+外套鋼筋混凝土框架板墻”加固牛西礦立風井回風道工程，微型樁高壓雙液注漿加固風道填土地基，外套鋼筋混凝土框架板墻加固回風道磚砌體結構，并引入鋼筋混凝土扶壁柱、鋼

筋混凝土承臺，實現對回風道工程的整體加固。為解決坡前積水下滲誘發的場地不均勻沉降變形和可能的山體滑坡，采用“截、排、疏”進行風井邊坡治理。

[1] 中國礦業大學(北京). 張礦集團牛西礦業分公司立風井回風道破裂分析與防治課題研究報告[R]. 北京：中國礦業大學(北京), 2011.

[2] 李柏春, 許清. 注漿加固飽和性砂土地基的方法探討[J]. 西部探礦工程, 2008(6):35-36.

[3] 中國建筑科學研究院. 既有建筑地基基礎加固技術規范[S].JGJ 123-2000.北京：中國建筑工業出版社，2000.

[4] 宋彧. 工程結構檢測與加固[M]. 北京：科學出版社, 2005.