基于MSJ工法立井鉆井過深厚流沙層的應用研究

郭行運,汪青倉,劉全輝,李翔宇

(陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司,陜西 榆林 719000)

1 前言

陜西延長石油可可蓋煤礦中央進、回風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,其中上部為風積沙+薩拉烏蘇組松散砂層,厚度達61 m。鉆井法臨時鎖口基礎坐落在第四系松散砂層上,由于本地區松散砂層含泥量少、膠結性差,含水量大,在受力擾動失穩的情況下易形成流砂,鉆孔可能發生塌孔風險,鉆井施工前必須對松散砂層進行加固處理。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行加固,經論證比較,決定采用MJS 高壓旋噴咬合樁技術加固該深厚松散砂層。

可可蓋煤礦隸屬陜西延長石油礦業有限責任公司,井田位于榆橫礦區北區,總面積179.42 km2,可采儲量12.39 億t,設計規模1 000 萬t/年,配套建設同等規模選煤廠,服務年限88.5年。礦井采用斜井開拓,移交時全井田共布置5 條井筒,在西部工業場地內布置主斜井、副斜井,在中央風井場地布置中央進、回風立井,在北一風井場地布置北一回風立井。礦井正常涌水量 1 120 m3/h,最大涌水量1 350 m3/h,水文地質類型為復雜型。

中央進風立井、中央回風立井均采用鉆井法施工,井筒設計垂深分別為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。中央進風立井施工采用ZDZD/100 重型多用途全液壓工程鉆機,該機設計鉆井深度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、裝機功率960 kW、鉆機重量340 t、轉速0～12 r/min;中央回風立井施工采用AD130/1000 型全液壓豎井鉆機,該機設計鉆井深度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、裝機功率1 050 kW、鉆機重量561 t、轉速0～22 r/min。井壁在地面預制,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,混凝土強度等級C40～C70,壁厚600 mm。

2 工程地質及水文地質簡述

以中央回風立井為例,井筒檢查孔地質報告顯示,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,含風積沙5.2 m、細砂50.5 m、亞砂土2.7 m、粉砂3.31 m。砂層結構松散,工業場地內全區分布,粒徑以0.5～0.075 mm 顆粒為主,巖性主要為中細砂,屬于松散～中密狀態、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,下部為類鈣質結核層,底部見風化洛河組基巖。具體見表1。

表1 中央回風立井地質柱狀圖第四系地層統計表

3 MJS 高壓旋噴工藝簡介

3.1 工藝原理及應用范圍

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,將漿液加壓輸送、噴射、地層切割、混合、強制排漿、集中泥漿這一系列工序作為監控對象,是一種能進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,對于周邊環境及地基擾動影響微小,能實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高壓噴射注漿工藝的基礎上,采用獨特的多孔旋噴管和前端造成裝置,實現了孔內強制排漿和地下壓力監測,并通過調整強制排漿量來控制地內壓力,從而大幅度減少對環境的影響,而地下壓力的動態調整也進一步保證了成樁直徑。

MJS 高壓旋噴咬合樁施工技術即將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,使之聯成一道密閉的屏障。目前,MJS 高壓旋噴咬合樁技術已廣泛應用于地鐵、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 施工設備配套選型

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

表2 MJS 高壓旋噴施工設備配套選型

4.2 施工參數設計

4.2.1 技術參數的確定

經專家論證,井口鉆井設備載重應力及擾動干擾隨著地層的深入而逐漸發散消失,當松散層加固深度超過鉆井直徑3 倍以上時,鎖口處地層集中應力基本消除。設計MJS 旋噴咬合樁帷幕內徑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,數量34 根;引孔直徑300 mm,引孔深度31 m。

樁身設計強度不低于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。具體參數根據試樁情況可做調整。主要技術參數見表3。

表3 主要技術參數統計

4.2.2 技術參數驗算

按鎖口本身及設備載荷計算鎖口壓力,按長圓管環向穩定臨界壓力驗算。

式中,σ為鎖口壓力,bar;Gmax為鉆機加鉆臺平車的重量,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向穩定臨界壓力,bar;E為旋噴樁砼體彈性模量,取3 ×105Pa;I為圓環截面慣性矩,m4;μ為砼體泊松比,取0.02;R為旋噴樁帷幕內半徑,m;d為旋噴樁帷幕內直徑,m;D為旋噴樁帷幕外直徑,m;

經計算,qlj=4.9 bar,qlj＞σ,MJS 旋噴咬合樁帷幕環向承載力富余。

4.3 施工順序

采用引孔機按順序依次施工注漿引孔,隨后采用MJS 高壓旋噴機依次進行旋噴樁的施工。MJS 高壓旋噴樁施工過程中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(24 小時)。為保證MJS 樁施工質量,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

5.1 樁位放樣

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

5.2 導墻施工

旋噴樁施工前需進行導墻施工,導墻能為MJS施工機具提供作業平臺,同時起到鉆孔定位和導向的作用[3]。導墻設計為素混凝土結構,混凝土強度等級C30,澆筑厚度0.4 m,外圈直徑17.1 m,內圈直徑4.3 m,中心位置預留寬1.5 m 的導向槽,MJS 旋噴樁圈直徑10.7 m。導墻結構如圖3所示。

圖3 導墻結構圖

5.3 試樁

為確定現場施工參數,驗證實際旋噴后的咬合效果,檢查旋噴后地層的抗壓強度,需在正式旋噴施工前進行試樁,然后根據試樁情況調整施工參數,達到松散層最佳加固效果。

試樁布設位置在進風立井鎖口西側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,先施工兩側的2 根,再施工中間的1 根。

試樁完成后,經對試樁開挖及咬合部分鉆孔取芯檢驗,各項加固指標符合設計值。

5.4 引孔施工

采用1 臺國產安曼HDL-180D1 型引孔機造孔,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;采用泥漿護壁,泥漿比重1.1～1.2 g/cm3。

造孔每鉆進5 m 用水平尺測量機身水平和立軸垂直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MJS 高壓旋噴樁機配合專用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,成樁直徑不小于設計直徑[5]。

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

為保證樁底部的施工質量,孔底噴射時,首先用清水向上噴射1 000 mm,壓力20 MPa,噴射時間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 旋噴機移位

旋噴提升到設計樁頂標高時停止旋噴,將旋噴管提出孔口,清洗設備、注漿泵及輸漿管路,然后將旋噴機移位,依次循環,直至將全部旋噴樁施工完畢[6]。

6 技術經濟效果

6.1 主要技術經濟指標

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、回風立井各布置1 臺引孔機和1 臺旋噴機施工,單井耗用水泥約1 580 t,平均每樁46.5 t,單井費用約300 萬元。中央進風立井旋噴樁2021年5月6日開工、5月29日旋噴完畢,中央回風立井旋噴樁2021年5月7日開工、5月30日旋噴完畢;中央進、回風立井各施工旋噴樁34 根,施工工期均為23 d,每臺MJS 高壓旋噴機平均日成樁1.5 根,達到了快速加固松散層的目的。而據測算,采用凍結法或深孔預注漿加固松散層,工期約需6 個月、3 個月,單井費用約需1 000 萬元、800 萬元。

6.2 質量檢測結果及應用效果

1) 質量檢測結果

采用文登GJ-150S 型鉆機+113 mm 鉆頭+108 mm 巖芯管,選擇旋噴樁加固圈內28 d 旋噴樁樣品全深取芯,經檢測,巖芯完整[7],單抽抗壓強度平均達2.2 MPa 以上,具體如圖4所示,符合設計預期要求。

圖4 旋噴樁鉆芯取樣檢測結果

2)應用效果

中央進風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日鉆進至薩拉烏蘇組底界,平均日進尺7.67 m;中央回風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日鉆進至薩拉烏蘇組底界,平均日進尺7.05 m。經超聲波測井,井筒偏斜度為零,泥皮厚度2 mm,井壁無坍塌現象。

7 施工中需注意的幾個問題

(1)引孔成孔質量直接決定了高壓旋噴樁施工質量,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)旋噴應自下而上連續進行,確保后臺水泥的連續供應。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保持200 mm 以上,以保證固結體的整體性和連接質量要求[8],防止斷樁。

(3)每一孔的高壓旋噴注漿完成后,應及時清洗多孔旋噴管和輸漿管路,防止因清洗不及時使漿液在輸漿管路中凝結沉淀,堵塞輸漿管路和噴嘴,影響下一樁的施工。

8 結論

(1)可可蓋煤礦立井井筒采用鉆井法施工,實現了全機械破巖、打井不下井本質安全。施工過程中遇到的深厚流沙層通過引用MJS 高壓旋噴樁技術已得到有效解決,且技術經濟成本有著顯著的優勢。

(2)煤礦建設工程是一項綜合技術,應結合國內外最新科技發展成果來推動本行業技術進步。因此,跨界技術合作是一個有效途徑。