MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性

张 雁，田增林，曹海东，党亚堃，王 海，李和平，韩 强

MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性

张 雁1,2，田增林1,2，曹海东1,2，党亚堃1,2，王 海1，李和平1，韩 强1

(1. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2. 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

在我国某露天煤矿截水帷幕建造过程中，由于受架空高压线、地埋光缆、地埋排水管等多处障碍物影响，局部区域直接成槽工艺无法施工，因此，选择可以“全方位”施工的MJS工法完成此类区段建造。MJS试桩结果表明，该工法在东西两侧卵砾石层施工区成桩质量差异明显，为查明成桩差异性原因，采用地质勘探、重力触探试验和抽水试验等方法，从砾石层厚度、砾径、含砂量、地层密实度和含水层渗透能力等方面进行分析。结果表明，在砾石层厚度大、含砂量小、地层密实、含水层渗透性强的施工东区无法成桩，而在条件相反的施工西区成桩质量符合要求。研究成果拓宽了MJS工法的应用范围，对类似条件下MJS工法施工参数的选择具有指导意义。

MJS工法；截水帷幕；抽水试验；渗透系数；动力触探试验；密实度；露天煤矿

MJS工法[1-3](Metro Jet System，简称MJS)又称全方位高压喷射工法，是在传统高压喷射注浆工艺的基础上，采用独特的多孔管和前端装置，实现孔内强制排浆和地内压力主动监测，大幅减少对环境的影响且进一步保证了成桩直径和强度，可适用于水平、倾斜和垂直的旋喷注浆加固施工中[4]。由于其独特优势，该工法除用于常规地基加固或基坑支护外[5]，还用于地下构筑物保护，避开既有管线的加固[6]，隧道顶部先期加固[7-8]，地下隔离墙、受损止水帷幕[9]的修复等特殊区段施工。

影响MJS工法成桩质量的关键因素是地层条件和水文地质条件。实践证明，MJS工法在淤泥、淤泥质黏土、黏性土地层中应用较多，且具有较好的成桩质量[10]，但在砂层或卵砾石层中应用的成熟案例不多。本文以MJS工法在砾石层中的应用为例，通过对比分析，研究不同地质与水文地质条件下的成桩差异性。

1 工程背景

1.1 工程概况

我国某露天煤矿为减少矿坑疏排水量，沿矿坑外围建造一截水帷幕[11-12]，主要施工工艺为地下防渗墙，但由于帷幕线局部需穿越架空高压线、地埋光缆、地埋排水管路等多处障碍物，无法进行成槽施工，故将上述地段工艺变更为可以“全方位”施工的MJS工法。根据设计文件，帷幕线呈弧线形展布，高压线、地埋光缆等障碍物横穿帷幕线，因此，MJS工法的施工区域为东西两侧特殊区域，包括西区二工段和东区十工段(图1)。

施工区地层结构自上而下依次为表土层(0.5 m)、细砂层(5~6 m)、卵砾石层(约15 m)和粉砂质泥岩层(大于20 m)，其中卵砾石层为主要含水层，富水性强，是截水帷幕的目标层位。

1.2 施工方案

MJS工法形成的桩排式截水帷幕结构如图2所示，喷浆范围为顶面固定标高+623 m至卵砾石层底板隔水地层1 m，主要喷浆地层为细砂层和卵砾石层。

设计引孔孔径250 mm，喷射桩径2.0 m，桩间距1.5 m，桩间搭接0.5 m，桩体为半圆形柱体。

图1 MJS工法施工区域分布

2 试桩过程与结果

2.1 试桩参数

MJS工法在卵砾石层中应用较少，为保证成桩质量，确定具体施工参数，首先在西区二工段和东区十工段各进行一次试桩试验，试桩位置见图1中标注，试桩参数见表1，两次试桩试验施工参数相同，设计桩径2.0 m。

东侧试桩长度34.0 m，西侧试桩长度22.6 m，均为全孔段喷浆。

2.2 试桩结果

试桩结束后第4 d开始对东西两侧试桩进行取心，验证成桩桩径和质量，分别在距离桩心0.95 m、0.55 m和0.25 m处取心，东侧取心钻孔编号QX1、QX2和QX3，如图3所示；西侧取心钻孔编号QX1′、QX2′和QX3′，分布与东侧相同。

东侧3个钻孔取心结果基本一致，具体如下：

0~9.3 m为砂层，柱状水泥桩，有一定强度，成桩效果好；9.3~20.0 m为砾石层，孔口返浆物为砂砾与泥浆混合物，土黄色，未见水泥；20~ 27 m，孔口返浆物为砂砾土与泥浆混合物，棕红色，未见水泥，岩心管内为含砾黏土，含大量砾石；27~34 m，孔口返浆物为砂砾土与泥浆混合物，灰褐色，未见水泥，岩心管内为泥岩，灰色，泥质结构。

西侧3个钻孔取心结果基本一致，具体如下：

图2 地层结构与帷幕结构示意图

表1 MJS工法半圆桩试桩参数

单位：m

0~10.0 m为砂层，柱状水泥桩，有一定强度，成桩效果好；10.0~18.3 m为水泥桩，灰褐色，有一定强度，岩心为水泥、砂、砾石胶结物，砾石粒径为1~3 cm，判定砾石层成桩效果好；18.3~22.6 m，黑灰色黏土，泥质结构，岩心呈柱状，见水泥。

东西两侧部分岩心如图4所示。

取心结果表明，东侧在上部细砂层中全段为水泥桩，桩径达2.0 m，满足设计要求，但进入砾石层后不成桩且未见水泥，不满足设计要求；西侧则全孔成水泥桩，桩径达2.0 m，满足设计要求。

图4 东西两侧部分岩心

3 成桩差异性分析

从地层结构特征、地层密实度、水文地质条件3方面分析成桩的差异性。

3.1 地层结构

通过地质勘探成果可知，东侧试桩区砾石层厚度大(平均17.7 m)、砾径大(3~5 cm)、含砂量小(约7%)；西区试桩区砾石层厚度小(平均8.3 m)、砾径小(1~3 cm)、含砂量大(约20%)。两侧地层结构特征如图5所示。

砾径越大，造成喷浆越不均匀，但地层中的砂层与水泥浆混合更有利于形成桩体，因此，东西两侧地层结构差异是影响成桩质量的主要因素之一。

图5 东西两侧试桩区地层结构特征

3.2 地层密实度

圆锥动力触探试验是用一定质量的重锤，以一定高度的自由落距，将标准规格的圆锥形探头贯入土中，根据打入土中一定距离所需的锤击数，从而判定其密实度。圆锥动力触探试验的类型可分为轻型、重型和超重型3种，其中重型动力触探适用于砂土和卵砾石层[13]，与试验区地层相符，故本次采用重型动力触探。

西侧动探起始标高为–17.9 m，东侧动探起始标高为–14.5 m，动探测试数据见表2。

表2 东西两侧动探试验测试数据

注：表中63.5 =·’63.5；为修正系数。

根据GB50021—2001《岩土工程勘察规范》中规定，重型动力触探密实度63.5分类见表3。

根据表3可知，西侧砾石层密实度为稍密，东侧砾石层密实度为密实，两者明显不同。密实地层条件下，对MJS工法而言，加大了切割、破碎地层的难度，进而不利于浆液的喷射和扩散。

表3 重型动力触探密实度分类

注：表中锤击数为综合修正后的平均值。

3.3 水文地质条件

采用潜水完整井抽水试验，分别对西侧和东侧施工区进行抽水，计算含水层渗透系数，评价水文地质条件的差异性。

渗透系数计算公式为：

其中，影响半径计算公式为：

式中：为渗透系数，m/d；为抽水量，m3/d；w为水位降深，m；w为抽水井半径，m；0为含水层厚度，m；为影响半径，m。

抽水试验数据和通过迭代法求得的渗透系数计算结果见表4。

由抽水试验结果可知，东侧砾石层渗透系数为80.60 m/d，西侧砾石层渗透系数为8.28 m/d，东侧地下水渗透性远大于西侧；较好的渗透性造成浆液无法在孔内停留，快速随地下水流失。

表4 抽水试验数据与计算结果

3.4 不成桩施工区的工艺调整

综合上述分析可知，由于东侧砾石层厚度大、砾径大、含砂量小、地层致密、地下水渗透性好等，造成MJS工法在砾石层中不成桩，达不到建造止水帷幕墙的技术要求。因此，为确保截水帷幕质量，对该区施工工艺变更为钻孔咬合桩工艺。

咬合桩是桩与桩之间相间施工、相邻桩之间部分圆周相嵌形成的具有良好防渗作用的整体连续围护结构[14-15]。桩内浇筑材料可采用混凝土、水泥–粉煤灰等防渗材料。由于该工法施工效率低，近年来大规模应用的不多，但在地铁、隧道、地道等施工场地小、围护强度要求高的工程中仍有应用[16-17]。

设计桩径1.0 m，咬合0.3 m，桩间距0.7 m，如图6所示，施工顺序为A1→A2→B1→A3→B2→…。B1桩施工时切割相邻的A1、A2桩相交部分实现咬合，如此往复。咬合桩形成桩排式截水帷幕，从而实现截水目的。

图6 钻孔咬合桩截水帷幕设计方案

工程实施后，采用取心法验证了成桩质量(图7)，砾石层中桩体密实、完整，达到设计要求。

图7 钻孔咬合桩质量取心验证

4 结论

a. MJS工法在卵砾石层中的应用不多，实际试桩结果表明，在一定条件下，MJS工法在砾石层中可形成满足桩径要求的水泥桩体；无法成桩区可采用钻孔咬合桩工法进行替代。

b.地层结构、砾石砾径、地层密实度和砾石层透水性等是影响成桩质量的主要因素。砾径大、地层密实、渗透性好的地层条件不利于MJS工法成桩。

c.研究成果拓宽了MJS工法的应用范围，对类似条件下MJS工法施工参数的选择具有指导意义。

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Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference

ZHANG Yan1,2, TIAN Zenglin1,2, CAO Haidong1,2, DANG Yakun1,2, WANG Hai1, LI Heping1, HAN Qiang1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

During the construction of water cutoff curtain in an open-pit coal mine in China, parts of the grouting groove couldnot be constructed due to many obstacles such as overhead high-voltage wire, buried optical cable and buried drainage pipe, and MJS construction method was chosen instead to build the cutoff curtain. The results of MJS pile tests show that the quality of piles formed by this method was obviously different in the construction area of gravel layer on the east and west sides. By the methods of geological exploration, gravity penetration test and pumping test, this paper makes a comparative analysis of gravel thickness, gravel diameter, sand content, formation compactness and permeability of aquifer. The results show that the pile can not be formed in the east construction area with thick gravel layer, small sand content, dense stratum and strong permeability, while the pile forming quality met the requirements in the west construction area where the conditions were opposite. The research results broaden the application scope of MJS construction method and have guiding significance for the selection of construction parameters under similar conditions.

MJS construction method; water cutoff curtain; pumping test; permeability coefficient; dynamic penetration test; compactness; open-pit coal mine

TD265.4

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.023

1001-1986(2020)02-0147-05

2019-08-29；

2019-12-16

天地科技股份有限公司创新创业资金专项项目(2019-TD-MS014)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2019­XAYMS11)

Special Project of Science and Technology Innovation and Entrepreneurship Fund of Tiandi Science and Technology Co. Ltd.(2019-TD-MS014)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2019XAYMS11)

张雁，1983年生，男，河南郑州人，博士，副研究员，从事矿井水害防治工作. E-mail：94384251@qq.com

张雁，田增林，曹海东，等. MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：147–151.

ZHANG Yan，TIAN Zenglin，CAO Haidong，et al. Application of MJS construction method in gravel layer and pile forming difference[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：147–151.

(责任编辑 周建军)