北风井地面基础沉降注浆加固技术研究

郑瑞良 赵 健 巩 金

（1.山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918；2.山东能源集团冲击地压灾害防治研究中心，山东 菏泽 274918）

风井是矿井的重要部位，随着地面基础沉降加剧，基础碎石垫层的固结可能使碎石垫层与基础间产生离层，如不进行治理，基础会继续发生下沉变形，由弹性变形发展到屈服变形，最终产生破坏，影响上部结构的稳定性，影响周围建筑物的使用安全，给矿井安全生产造成威胁。

1 基础沉降原因分析

北风井地面基础发生沉降的原因：（1）由于风井井筒采取冻结法施工，风井井口及风道基础的持力层位于冻结土上，随着冻结土逐渐融陷产生不均匀沉降造成建筑物结构裂缝；（2）风井周围的建构物（风道和通风机房等）处在粉质粘土中，原基础的碎石垫层和素填土密实度低，产生了固结变形，上覆的素填土随之下沉，造成基础不均匀下沉开裂。然后，雨水沿着已有的地面裂缝向素填土（粉土）下渗，在渗流作用下，素填土（粉土）流失，进一步加剧地面下沉开裂。

2 施工方案

由于基础土建施工过程中四周回填土的密实度小，孔隙比大，压缩模量小，在长期受水平力的情况下位移大，根据以往的注浆加固经验，通过对建筑物内侧及外侧附近填土（碎石垫层和素填土）进行注浆，充填密实填土的孔隙，以增强填土的密实性和承载能力，可取得理想的加固效果。

因此，采用地面垂直与斜插孔相结合的静压帷幕注浆方案，通过对地表以下土体进行花孔辐射型注浆处理，改善地层松散的性状，形成具有一定强度复合地基，从而达到降低岩土渗透性，减缓地表沉降的目的。

注浆加固顺序依次为：集中风道、风井井筒、风道安全出口（含混凝土平台）东西分支风道和通风机房。

2.1 注浆工程量

（1）注浆钻孔。立孔约97 个，斜插孔37 个。

（2）注浆量。水泥80t。详见表1。

表1 预计工程量一览表

2.2 注浆参数

2.2.1 注浆材料

选择以水泥单液浆为主。水泥选择P.O.32.5R普通硅酸盐水泥（袋装）。实际施工中，为增加水泥的密实性，必须控制和降低浆液的水灰比，水泥浆液水灰比选用范围一般为0.5:1~0.8:1。

浆液搅拌要求时间大于5min，放置时间不宜超过30min。

为方便操作、准确控制注浆参数，列出浆液浓度分级参见表2。

表2 浆液浓度分级

2.2.2 注浆加固范围评价

依据注浆理论和现场勘查，为确保建筑物基础及建筑物安全，浆液扩散半径取2.0m，为达到较好的注浆充填加固效果，施工步骤如下：

（1）采用注浆泵加压注浆，劈裂与渗透注浆相结合，注浆压力0.3~0.5MPa；

（2）注浆顺序先外后内，采取间隔注浆法，钻孔深度在注浆土层深度5m 时一次注全高；8~10m范围内采取二次（5m/段）分层注浆。

2.2.3 注浆孔的布置设计

注浆孔在均匀对称布置的基础上，根据建筑物及破坏程度不同，优化布设方式。

2.2.4 注浆工艺设计

为避免注浆土层扰动诱发建筑物破坏，应严格控制注浆压力，并采用注浆孔和溢流孔并行和跳孔间隔注浆方式进行。即：按照设计造孔3 个后，安装孔口管及阀门，在注浆孔注浆施工时应打开另外2 个溢流孔阀门，进行观察。

2.2.5 注浆压力测算

地表渗透注浆的好坏取决于渗透半径内体积土的孔隙充填程度，充填率越高，注浆的效果越好。

最大容许注浆压力:

式中：

h-注浆处以上土柱高度，m；

γ-注浆地基的天然重度，kN/m3；

σ-土的抗拉强度，kPa。

根据工程经验，一般软土地基中注浆需采用低压慢注的方式，孔口压力控制在0.3~0.5MPa 之间。

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为达到适位适量注入的目的，采用注浆压力结合钻孔试压成果计算反压力方式进行。

2.2.6 注浆量

在覆盖层不发生抬升的情况下, 单孔浆液注入量可按下式估算:

式中：

h-注浆段高度，m；

α-有效灌浆系数，取0.8~1.0；

1+β-损失系数，可取1.2~2.0。

单孔延米灌浆量Q1=0.4m3

灌浆总量约为Q=600×0.4=240m3

对于地层渗透注浆，现场应通过调节浆液浓度和注浆压力的变化来控制注浆量。初步估计并经工程经验分析校核，本次注浆加固工程预计需要：水泥80t。

现场施工时，注浆孔的布置、浆液更换及配比等均须根据工程实际情况进行调整，故最终材料实际消耗量会有所不同。

2.3 施工工艺

2.3.1 总体施工流程

总体施工流程为：定点→成孔及下管→下注浆管、浇铸孔口管→套孔→注浆（备料、拌制浆液）→终止注浆。施工工艺见图1。

图1 施工工艺流程图

2.3.2 注浆施工

本次地基处理采用的袖阀管注浆法，施工工艺见图2。

图2 袖阀管注浆工艺图

2.4 布孔设计

（1）风道安全出口：2 排/侧，出口两侧采取斜插孔，外围立孔布置。

（2）风井井筒周围因受到冻融影响土体扰动较大，采取三圈布孔。

（3）集中风道：首先对开裂采用砂石回填，并布置斜插注浆孔（进入风道混凝土底板以下土体1~2m）分层注浆，使之与底板结合紧密。2 排/侧，风道两侧采取斜插孔，外围立孔布置。

（4）分支风道：由于受到冻融影响较小，内排采取立孔和斜插孔相间的布孔方式，外围立孔布置。

（5）通风机房：外墙一侧采取立孔和斜插孔间隔布置，外围立孔布置。

详细布置见图3。

图3 注浆钻孔布置平面图

3 结束语

（1）现场累计完成注浆孔113 个，注水泥浆670t，与理论注浆量80t 有偏差。

（2）采用井筒地面注浆加固方案对第四系地层进行加固，有效解决了北风井地面基础下沉的问题，保证北风井正常运转，延长了使用年限。