硫酸盐侵蚀环境下斜井加固技术研究

杨 栋，许刚刚，刘 冲

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

1 工程概况和地质条件

图1 副斜井地质剖面图(m)

2 斜井加固技术

2.1 注浆材料的比选

表1 水泥胶砂试件的配合比

K=R液/R水

(1)

式中，K为抗蚀系数，当小于0.8时，试件破坏；R液为硫酸钠溶液中试件的抗折强度，MPa；R水为水中试件的抗折强度，MPa。

水泥胶砂试件侵蚀试验结果如图2所示，在0.6%的Na2SO4溶液中，随着浸泡龄期的增加，粉煤灰掺入量为0%～30%的水泥胶砂试件抗蚀系数基本呈现先升高后降低的趋势，掺入量为40%的水泥胶砂试件抗蚀系数整体上持续降低；同时，粉煤灰掺入量为10%～30%的水泥胶砂试件抗蚀系数明显大于未掺入粉煤灰的试件，掺入量为40%的水泥胶砂试件在第7个月时，抗蚀系数开始小于未掺入粉煤灰的试件；长远来看，粉煤灰对水泥胶砂试件抗侵蚀能力影响较大，试件抗蚀系数从大到小依次为粉煤灰掺入20%、10%、30%、0%、40%。

图2 水泥胶砂试件侵蚀试验抗蚀系数曲线

现场施工时，由于工期紧张，建设单位要求1个月内加固治理；粉煤灰用量较大，采购与运输不便；并且粉煤灰掺入量为10%的水泥胶砂试件抗蚀系数较大(仅次于掺入量为20%)，抗侵蚀能力较强；而高抗硫酸盐硅酸盐水泥的抗侵蚀能力强于普通硅酸盐水泥。因此，受客观因素制约，本次副斜井的注浆加固选用掺有I级粉煤灰10%的高抗硫酸盐硅酸盐水泥。

2.2 架设工字钢井圈

根据副斜井井壁腐蚀粉化破裂程度，采用“井壁密集架设工字钢井圈+双层钢筋网”支护，型钢采用I16(160mm×88mm×6mm)工字钢，间距800mm，井圈之间通过横向连接钢筋(环向间距1000mm)和工字钢交错焊接；钢筋网采用∅8mm圆钢，规格200mm×200mm。在圈后同步敷设2mm厚防水抗腐软性材料及注浆管路，并预留30mm厚的防水抗腐蚀浆液填充区，进行壁后注浆孔钻孔施工，预留壁后注浆管，如图3所示。

图3 井圈修复加固井壁

井壁的修复加固采用由下而上的顺序架设井圈，其表面进行热镀锌防腐处理。架设好后，开始喷射C25混凝土，水泥采用高抗硫酸盐硅酸盐水泥。喷射混凝土达到设计强度后，通过预留注浆管路，对30mm厚的预留防水抗腐蚀浆液填充区进行灌浆填充，材料为掺有10%的Ⅰ级粉煤灰的高抗硫酸盐硅酸盐水泥。该浆液凝固后形成具有一定强度的抗腐蚀防水层，对新形成的内壁起到防水防腐作用，并与内壁一起支护周围岩土体。最后通过预留的壁后注浆管，对壁后空洞进行填充加固，对壁后岩土体进行固结加固，密闭腐蚀性水渗流通道的同时提高岩土体的力学性能。

2.3 井筒壁后注浆

本次井筒腐蚀段的治理采用全段壁后帷幕止水注浆工艺，为了增加地层的强度，选用无收缩双液浆材料，材料配比见表2，其注浆范围为井壁壁后1.5m，布孔间距为1.5m×1.5m，呈梅花型布孔。

表2 无收缩双液浆材料配比

注浆应控制好注浆压力，其主要目的是保护井壁，防止因注浆压力过大致使井壁混凝土发生压裂甚至冒顶事故。注浆压力可按式(2)确定：

(2)

式中，p为注浆安全压力，MPa；D为井筒直径，取井筒净宽5m；H为井壁厚度，取0.5m；Rk为井壁的允许抗压强度，Rk=Rn/n，其中Rn为井壁的极限抗压强度，取14.2MPa，n为安全系数，取2。

通过上式计算，井壁注浆安全压力不超过1.25MPa。同时，对巷道底部出水点进行导流排放，减少水体对混凝土的持续腐蚀作用，并对已腐蚀损坏混凝土进行清理修补。

2.4 混凝土的表面处理

为减弱新喷射的混凝土受外部环境的侵蚀，在混凝土表面涂一覆层进行防护，提高其耐久性。本项目的表面防护采用硅烷浸渍法，材料为异丁烯三乙氧基硅烷，由于其小分子结构易于渗入喷射混凝土内部几毫米，且与水泥反应后在毛细孔壁上形成一层牢固的憎水屏障，可有效减弱硫酸根离子等有害物质的扩散渗入，防水透气，从而在根源上封堵了混凝土的侵蚀路径，提高了混凝土的耐久性。

另外，硅烷浸渍处理施工方便，可靠性高，采用普通的喷雾器喷洒至混凝土表面即可。喷洒时，喷雾器喷口须垂直于混凝土表面由下而上连续喷洒，使井壁至少有5s保持湿润状态。共喷洒2遍，时间间隔4h以上。

3 结 论

通过对腐蚀的斜井进行修复加固，井筒的涌水量降低到4.6m3/h，且无明显出水点，满足设计要求，可见：

2)架设工字钢井圈并敷设2mm厚防水抗腐软性材料是修复加固腐蚀斜井最安全最可靠的方法之一，具有较大的推广意义。

3)壁后帷幕止水注浆可使斜井周围土层形成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到稳定土层及止水的要求，但须控制好注浆压力。

4)硅烷浸渍法可有效减弱硫酸根离子等有害物质的扩散渗入，提高混凝土的耐久性。