牛西矿立风井回风道破裂治理方案研究

2011-01-22王炳文李文臣刘小龙

中国矿业 2011年11期

王炳文,李文臣,葛震,刘小龙

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

冀中能源张矿集团牛西矿立风井回风道工程坐落在山坡人工填土地基之上，由于工程设计前未进行地质勘察，施工时又未对填土地基及时进行处理，风道砖砌墙体出现严重变形和开裂，导致风道漏风，影响风井正常使用功能。虽采取外墙铆挂钢丝网喷浆、内设矩形工字钢支架等措施对回风道墙体进行修复和加固，但收效甚微，墙体破坏加剧。为此，牛西矿委托有关单位对该矿风井回风道工程进行治理。

1 工程概况

牛西矿立风井回风道基础，采用MU10普通烧结砖和M7.5水泥砂浆砌筑，下设规格为370×240D的圈梁。回风道墙体采用无配筋砖砌体结构，总长33.2m ，其中坡面段长14.2m、平面段长19.0m，外形尺寸3.64m×4.82m，净断面2.9m×2.9m，回风道内地面以上净高2.90m。风机基础总长25.0m，宽11.5m，钢混框架结构，基础标高为-5.27m。工程地质钻孔资料表明，风井场地地表以下6.6～12.7m均为凝灰岩回填土。这部分回填土主要来自风井基建过程中排出的碴石和地表剥离物，具有结构松散、组成成分不均匀、欠固结、承载能力低、变形量大等特点。

2 风道破裂机理分析

地表移动观测和沉降变形分析表明，导致回风道墙体开裂破坏的原因主要有三方面[1]。

1) 填土地基的不均匀沉降变形。牛西矿风井场地属山区地貌，回风道基础坐落于人工填土地基之上，填土层厚且埋深差异大。随着服务时间增长，填土固结将导致风道地基发生不均匀沉降变形。此外，山区地表水下渗，使填土长期处于饱水状态，还将发生附加的湿陷变形。回填土的固结沉降变形和湿陷变形将引起填土地面大面积下沉，当不均匀沉降量过大时，将导致风道墙体变形而产生附加应力。当附加应力超过砌体结构的抗拉强度时，回风道砖砌墙体出现裂缝。

2) 回风道砖砌墙体结构刚度不足。回风井风道墙体采用无配筋砖砌体结构，抗拉、抗弯、抗剪强度弱，对地基不均匀沉降敏感。此外，风道墙体为单边墙结构，地表段长达20m，未设任何水平拉梁和构造立柱，缺乏整体结构性，抗弯曲变形和水平变形能力差。当填土地基不均匀沉降导致墙体内部产生的拉应力和剪应力超过砖砌体结构的极限强度时，将导致抗拉强度较弱的回风道墙体开裂。

3) 潜在的边坡滑移。风井回风道东北侧正对一条边坡汇水沟，地表水在坡前平台低洼处汇集。由于未能及时疏干地表积水，造成地表水下渗，不仅加速了地基填土的固结沉降变形和湿陷变形，而且地表汇水和积水下渗还可能诱发山体滑坡。山坡土体局部出现的张性裂隙，说明这种可能性的存在。

3 风道破裂治理方案

3.1 方案初选

导致牛西矿立风井回风道墙体破裂的诸因素中，地基填土不均匀沉降变形是主要致因，砖砌墙体刚度不足是直接原因，而地表积水下渗则是潜在因素，风道破裂治理应围绕此三方面进行。在选择治理方案时，应充分考虑：① 立风井承担矿井80%的通风任务，回风道地基加固应不影响矿井正常生产；② 回风道墙体为无配筋砖砌体结构，抗拉抗剪强度差，对地基不均匀沉降变形敏感，在加固风道地基的同时，应加固风道砖砌墙体；③ 地表积水下渗，不仅加速填土地基的固结沉降变形和湿陷变形，还可能诱发山体滑坡，地表疏干排水有助于改善风道填土地基和山坡坡体的稳定。

根据既有建筑结构加固“上部结构-基础-地基”共同作用的理念，从建(构)筑物整体结构出发，采用“微型桩注浆加固+外套钢筋混凝土框架板墙”联合处理方案，综合治理牛西矿立风井回风道破裂。该方案包括三方面内容：① 采用钢管桩地面高压双液注浆加固风道填土地基，提高地基填土承载能力，削弱或消除地基不均匀沉降变形；② 采用钢筋混凝土框架板墙加固风道砖砌墙体，形成“砌体-钢筋混凝土”组合墙体，提高墙体刚度和抗变形能力；③ 地表构建蓄水沉淀池与排水明沟，疏干排水，防止地表水下渗。

3.2 风道加固设计

牛西矿立风井回风道加固设计方案的实施分两步：先进行风道填土地基的高压注浆加固，待地表变形稳定之后再进行风道墙体结构的加固。

3.2.1 风道地基高压双液注浆加固

采用“水泥+水玻璃”高压双液注浆加固风道填土地基[2-3]。水泥为P.S.A 32.5，水泥浆水灰比0.7，现场搅拌，随搅随用；水玻璃模数2.4～2.8，浓度40B′e；水泥浆与水玻璃混合浆液的体积比为1∶1～2。采用卧式工程地质钻机钻孔，注浆钻孔Φ100mm，钻孔间距1.5m、排距0.5m，孔深视地基填土层厚度确定，一般取8～12m。沿回风道外围轮廓布置两排钻孔，如图1所示。

注浆管采用4″～6″无缝铁管，填料采用粒径为2～5mm的细石子，设计注浆影响半径为0.6～1.0m。注浆压力控制在0.6MPa～1.5MPa，每延米注浆量约为0.5m3。采用二次高压注浆，在第一次注浆达到饱和后停止注浆，待2～3 h后再进行二次补浆。先进行风道基础最外一排孔注浆，注浆钢管采用定向单管全长注浆；再进行基础外第二排孔注浆。注浆采用双管，长管为全长花管，短管为开口管。均采取跳孔间隔注浆，不得依次注浆，注浆施工时应及时进行基础沉降观测。

3.2.2 风道墙体加固

回风道墙体因地基填土不均匀沉降变形而产生张开裂缝，在对墙体进行加固之前，应先进行墙体裂缝修补。牛西矿立风井回风道墙体裂缝的处理，应在填土地基注浆加固处理结束，待地基沉降变形趋于稳定之后再进行，避免修补后可能再次出现开裂。设计采用压力灌浆修补法处理回风道砖砌墙体裂缝，先用加有促凝剂的水泥砂浆嵌缝，待封闭层砂浆达到一定强度后，用0.2MPa～0.5MPa的压缩空气检查通道泄漏程度，然后再自下而上进行压力灌浆，灌浆压力控制在0.2MPa左右。全部灌注完成后，停30min后再进行二次补灌，以提高灌浆密实程度。

图1 回风道基础注浆布孔平面图

砖砌墙体结构自身刚度不足，是导致牛西矿立风井回风道墙体开裂的主要因素之一，墙体表面喷射钢筋混凝土加层，可提高砖砌体结构抵抗横向弯曲变形的能力[4]；增设钢筋混凝土扶壁柱(立柱)，可提高砖砌墙体抵抗纵向位移变形的能力。回风道墙体采用喷射钢筋混凝土板墙进行单面加固，加固面为风道外壁，钢筋直径6mm，间距200mm，单排双向配置，外表保护层厚度30mm，并与风道墙体锚筋绑扎牢固；面层喷射C20细石混凝土，喷射厚度为80mm。钢筋混凝土立柱间距3.0m，断面尺寸260mm×200mm，主筋为4根Φ14mm的钢筋；立柱顶联梁断面尺寸200mm×200mm，主筋为4根Φ14mm的钢筋，侧面与墙面和顶板用植筋连接(图2)。

图2 回风道墙体加固立面图

原回风道地基不足以支撑新增钢筋混凝土加层和钢筋混凝土扶壁柱的自重载荷，这部分载荷可通过增设微型桩(钢管桩)来支撑(图3)。钢管桩采用无缝钢管，Φ105mm，壁厚3mm，长度12m，桩端置于稳定岩层。现状地面打桩，管内灌注C20细石混凝土，桩顶锚入承台长度≥10cm。墙体加固施工前，应先将施工面土方开挖至设计标高，待基础承台浇灌完后再进行回填夯实，回填至顶板下2.4m处，保证基础梁有50cm厚的覆盖土，地面还应做100cm宽的散水。

图3 回风道墙体加固剖面图

3.3 边坡疏排水工程设计

牛西矿回风井场地平均坡度13°～14°，存在发生滑坡的可能性，尤其在多雨雪季节，山坡汇水和坡前积水下渗，不仅降低了边坡岩土体的抗剪强度，导致坡体抗滑稳定性下降，而且还加剧了风道填土地基的湿陷变形和不均匀沉降变形，致使风道墙体出现开裂破坏。因此，山坡地表水的“截、排、疏”，将是牛西矿立风井边坡治理的首选方案。

牛西矿回风井山前地表排水系统，主要由开口蓄水沉淀池和排水明沟组成。山前截水采用蓄水沉淀池，沉淀池前缘挡墙距现有毛石挡墙2.5m，采用厚370mm的砖砌挡墙，池底板铺设厚100mm的C15素混凝土垫层。池水通过Φ300mm的混凝土预制管排入毛石挡墙下的排水明沟。