MJS工法在砾石层中的应用及成桩差异性_张雁.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China Abstract 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 was chosen instead to build the cutoff curtain. The results of MJS pile tests show that the quality of piles ed by this was obviously different in the construction area of gravel layer on the east and west sides. By the s of geological exploration, gravity penetration test and pumping test, this paper makes a comparative analysis of gravel thickness, gravel diameter, sand content, ation compactness and permeability of aquifer. The results show that the pile can not be ed in the east construction area with thick gravel layer, small sand content, dense stratum and strong permeability, while the pile ing quality met the requirements in the west con- struction area where the conditions were opposite. The research results broaden the application scope of MJS construc- tion and have guiding significance for the selection of construction parameters under similar conditions. Keywords MJS construction ; water cutoff curtain; pumping test; permeability coefficient; dynamic penetration test; compactness; open-pit coal mine 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 ChaoXing 148 煤田地质与勘探 第 48 卷 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56 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 Fig.1 Distribution of the area of MJS construction 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 09.3 m为砂层，柱状水泥桩，有一定强度， 成桩效果好；9.320.0 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； 2734 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 ChaoXing 第 2 期 张雁等 MJS 工法在砾石层中的应用及成桩差异性 149 图 2 地层结构与帷幕结构示意图 Fig.2 Schematic stratum and curtain structure sketch 表 1 MJS 工法半圆桩试桩参数 Table 1 Parameters of semi-circular pile test of MJS con- struction 项 目 参数值 项 目 参数值 桩径/m 2 垂直度误差 ≤1/200 水灰比 1︰1 水泥掺量/ 40 水泥浆压力/MPa 40 提升速度/cmmin–1 5 主空气压力/MPa 0.50.8 水泥浆液流量/Lmin–1 100 主空气流量/m3min–1 1.02.0 步距行程/cm 2.5 倒吸水压力/MPa 520 步距提升时间/s 30 倒吸水流量/Lmin–1 2050 转速/rmin–1 34 地层压力系数 1.31.6 水泥浆喷嘴/mm 3.0 单位m 图 3 取心位置分布 Fig.3 Distribution of coring locations 010.0 m 为砂层，柱状水泥桩，有一定强度， 成桩效果好；10.018.3 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 13 cm，判定砾石层成桩效果好；18.322.6 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 Fig.4 Core photo of apart of cores taken from the east and west sides 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35 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13 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 Fig.5 Stratigraphic structural characteristics of pile testing areas at the east and west sides 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。 ChaoXing 150 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 Table 2 Test data of dynamic exploration at the east and west sides 区域 贯入次数 贯入度/cm 累计贯入度/cm 锤击数 N63.5/击 校正后 N’63.5/击 校正后均值 地层 1 10.0 10.0 4 3.08 2 10.0 20.0 5 3.85 3 10.0 30.0 6 4.62 4 10.0 40.0 12 8.40 西侧 5 10.0 50.0 20 11.40 6.27 砾石 1 2.0 2.0 50 25.00 东侧 2 1.8 3.8 50 25.00 25.00 砾石 注表中 N63.5 αN’63.5；α 为修正系数。 根据 GB500212001岩土工程勘察规范中 规定，重型动力触探密实度 N63.5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 Table 3 Classification of density of heavy dynamic penetration 重型动力触探锤击数 N63.5 密实度 重型动力触探锤击数 N63.5 密实度 N63.5≤5 松散 10＜N63.5≤20 中密 5＜N63.5≤10 稍密 N63.5＞20 密实 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 0www 0.372 lg 2 QR K HSSr   1 其中，影响半径计算公式为 w0 2RSKH 式中K 为渗透系数，m/d；Q 为抽水量，m3/d；Sw 为水位降深，m；rw为抽水井半径，m；H0为含水 层厚度，m；R 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 K 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 Table 4 Pumping test data and calculation results 区域 井半径 rw/m H0/m 抽水量 Q/m3d–1水位降深 Sw/m影响半径 R/m 回归渗透系数 K/md–1 西侧 0.15 8.34 158.4 2.37 39.40 8.28 东侧 0.12 14.18 325.2 0.22 14.87 80.60 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 ChaoXing 第 2 期 张雁等 MJS 工法在砾石层中的应用及成桩差异性 151 幕，从而实现截水目的。 图 6 钻孔咬合桩截水帷幕设计方案 Fig.6 Design scheme of water cutoff curtain with secant pile 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 Fig.7 Verification of quality coring of bored pile 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。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 张子新，李佳宇. MJS 法地基处理技术综述与应用[J]. 土木建 筑与环境工程，2017，3961–11. ZHANG Zixin，LI Jiayu. Review and applications of MJS tech- niques for ground improvement[J]. Journal of Civil and Envi- ronmental Engineering，2017，3961–11. [2] 余暄平. 国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势[J]. 城市道 桥与防洪，2006，74185–189． YU Xuanping. Development state and tendency of high-pressure spun-jet technology at home and abroad[J]. Urban Roads Bridges Flood Control，2006，74185–189. [3] 张帆. 二种先进的高压喷射注浆工艺[J]. 岩土工程学报， 2010，32增刊 2406–409. ZHANG Fan. Two advanced jet grout s[J]. Chinese Jour- nal of Geotechnical Engineering，2010，32S2406–409. [4] 朱明诚. 立井工作面承压水流沙层保浆旋喷注浆帷幕支护技 术[J]. 煤田地质与勘探，2009，37447–49. ZHU Mingcheng. Jet grouting curtain supporting technology for shaft heading face through quicksand layers with confined wa- ter[J]. Coal Geology Exploration，2009，37447–49. [5] 刘源，张可能，刘创，等. 复杂岩溶地区 CFG 桩与高压旋喷 桩复合地基的应用[J]. 煤田地质与勘探，2015，43475–78. LIU Yuan，ZHANG Keneng，LIU Chuang，et al. Application of composite foundation treated with CFG pile and jet grouting pile in karst area[J]. Coal Geology Exploration，2015，43475–78. [6] 朱小龙， 向克勤. MJS 工法桩在虹桥地下空间联络通道建设中 的应用[J]. 施工技术，2014，43增刊 182–83. ZHU Xiaolong，XIANG Keqin. Application of MJS in the construction of connecting passage of Hongqiao underground space[J]. Construction Technology，2014，43S182–83. [7] 陈仁朋，张品，刘湛，等. MJS 水平桩加固在盾构下穿既有隧 道中应用研究[J]. 湖南大学学报自然科学版，2018，457 103–110. CHEN Renpeng，ZHANG Pin，LIU Zhan, et al. Application study of MJS horizontal column reinforcement in shield tunnel- ing[J]. Journal of Hunan UniversityNatural Science，2018， 457103–110. [8] 梁利，李恩璞，王庆国，等. MJS 工法在轻轨车站换乘通道中 的工程实践[J]. 地下空间与工程学报，2012，81135–139. LIANG Li，LI Enpu，WANG Qingguo，et al. Practice of MJS in light railway inter change passage construction in Shanghai[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engi- neering，2012，81135–139. [9] 王中兵. MJS 工法在中厚砂层超深止水帷幕施工中的应用[J]. 建筑施工，2018，403334–336. WANG Zhongbing. MJS construction applied to super deep waterproof curtain construction in medium thick sand layer[J]. Building Construction，2018，403334–336. [10] 余立新. MJS 及 RJP 高压旋喷桩加固机理及成桩质量研究[D]. 淮南安徽理工大学，2016. YU Lixin. Strengthening mechanism of MJS and RJP high pres- sure rotary jet grouting pile and the quality of pile ing[D]. HuainanAnhui University of Science Technology，2016. [11] 张雁. 露天煤矿截渗减排新技术[J]. 露天采矿技术，2017， 32645–47. ZHANG Yan. New technology of cutting off seepage channel and reducing water drainage in open-pit coal mine[J]. Opencast Mining Technology，2017，32645–47. 下转第 160 页 ChaoXing 160 煤田地质与勘探 第 48 卷 [13] BEHNAM Y B，DANIAL J A，MOHD FOR M A. Strength characterization of shale using Mohr-Coulomb and Hoek-Brown criteria[J]. Measurement，2015，63269–281. [14] BOZORGZADEH N，ESCOBAR M D，HARRISON J P. Comprehensive statistical analysis of intact rock strength for re- liability-based design[J]. International Journal of Rock Mechan- ics and Mining Sciences，2018，106374–387. [15] 李斌， 许梦国， 刘艳章. 临界状态围压在岩石强度准则改进中 的应用[J]. 岩土力学，2016，372390–398. LI Bin，XU Mengguo，LIU Yangzhang. Application of critical state confining pressure to rock strength criteria modification[J]. Rock and Soil Mechanics，2016，372390–398. [16] BARTON N. The shear strength of rock and rock joints[J]. In- ternational Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Geomechanics Abstracts，1976，139255–279. [17] 李斌，刘艳章，林坤峰. 非线性 Mohr-Coulomb 准则适用范围 及其改进研究[J]. 岩土力学，2016，373637–646. LI Bin，LIU Yanzhang，LIN Kunfeng. Application scope of nonlinear Mohr-Coulomb criterion and its modification[J]. Rock and Soil Mechanics，2016，373637–646. [18] KIYOO M. Experimental rock mechanics[M]. LondonTaylor and Francis，2006. [19] GOWD T N，RUMMEL F. Effect of confining pressure on the fracture behavior of a porous rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Gemechanics Abstracts，1980，372225–229. [20] KARMAN T V. Festigkeitsversuche unter allseitigem Druck[J]. Zeitschrift Verein Deutsche Ingenieure，191155 1749–1757. [21] OUYANG Z，ELSWORTH D. A phenomenological failure cri- terion for brittle rock[J]. Rock Mechanics and Rock Engineer- ing，1991，243133–153. [22] YOU Mingqing. Mechanical characteristics of the exponential strength criterion under conventional triaxial stresses[J]. Interna- tional Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2010， 472195–204. [23] BESUELLE P，DESRUES J，RAYNAUD S. Experimental characterisation of the localisation phenomenon inside a Vosges sandstone in a triaxial cell[J]. International Journal of Rock Me- chanics and Mining Sciences，2000，3781223–1237. [24] 尤明庆. 岩石强度准则的数学形式和参数确定的研究[J]. 岩 石力学与工程学报，2010，29112172–2184. YOU Mingqing. Study of mathematical equation and pa- rameter determination of strength criteria for rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，2911 2172–2184. [25] YOU Mingqing. Comparison of the accuracy of some conven- tional triaxial strength criteria for intact rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2011，485 852–863. 责任编辑 周建军 上接第 151 页 [12] 张雁. 露天煤矿防渗墙截渗减排机制及工程应用研究[D]. 北 京煤炭科学研究总院，2018. ZHANG Yan. Study on the mechanism and engineering applica- tion of seepage cutoff and drainage reduction of diaphragm wall in open-pit coal mine[D]. BeijingChina Coal Research Insti- tute，2018. [13] 佟清波， 马振. 重型动力触探在桩基础施工中的应用[J]. 黑龙 江水专学报，2001，28247–48. TONG Qingbo, MA Zhen. Application of heavy dynamic probing in pile foundation construction[J]. Journal of Heilongjiang Hydrau- lic Engineering College，2001，28247–48. [14] 隋忠庆， 于占双. 钻孔咬合桩施工工艺的探讨[J]. 铁道工程学 报，2005，22670–76. SUI Zhongqing，YU Zhanshuang. Exploration on the construc- tion technology of drill biting pile[J]. Journal of Railway Engi- neering Society，2005，22670–76. [15] 杨虹卫， 杨新伟. 钻孔咬合桩的配筋计算方法[J]. 地下空间与 工程学报，2008，43402–405. YANG Hongwei，YANG Xinwei. Computational of reinforcement of the borehole cast-in-place pile[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2008，43 402–405. [16] 高新南，王占生，童立元，等. 咬合桩在苏州地铁南施街站中 的应用[J]. 岩土工程学报，2010，32增刊 2463–466. GAO Xinnan， WANG Zhansheng， TONG Liyuan， et al. Application of secant piles in Nanshijie station of Suzhou subway[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32S2463–466. [17] 陈斌， 施斌， 林梅. 南京地铁软土地层咬合桩围护结构的技术 研究[J]. 岩土工程学报，2005，273354–357. CHEN Bin， SHI Bin， LIN Mei. A study on the secant pile in soft soil for Nanjing metro project[J]. Chinese Journal of Geotechni- cal Engineering，2005，273354–357. 责任编辑 周建军 ChaoXing