高黎貢山隧道1號豎井工作面預(yù)注漿循環(huán)段高分析與應(yīng)用

冉海軍, 張文俊, 高廣義, 張 朕

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 云桂鐵路云南有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650011； 3. 中鐵隧道勘察設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著隧道及地下工程的快速發(fā)展，長大深埋鐵路隧道不斷涌現(xiàn)，而隧道通風(fēng)、快速施工及安全應(yīng)急成為制約長大深埋隧道發(fā)展的關(guān)鍵因素。由于深大豎井可有效地解決這些問題，因此對深大豎井的快速建造提出了更高的要求。我國鐵路豎井井筒深、斷面大、表土層厚、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致施工技術(shù)復(fù)雜、工期長，尤其是豎井掘進(jìn)過程水害問題對豎井安全、快速掘進(jìn)影響極大[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國地下工程大直徑豎井建造過程中85%以上都不同程度地遭遇了水害問題，個別豎井因建造過程中對地下水處理不當(dāng)，導(dǎo)致井筒廢棄，未達(dá)到預(yù)期的建造目標(biāo)。

在深大豎井井筒水害治理方面，國內(nèi)外許多學(xué)者都做了不同程度的分析和研究。占仲國[2]針對石灰?guī)r地層深大豎井建造過程中的滲漏水問題，提出在豎井井壁外圍四周的巖體鉆小孔灌注水泥漿防滲漏的設(shè)計思路，該方案能較好地解決井壁滲漏水問題；文獻(xiàn)[3-5]針對三山島金礦1 000 m深盲豎井施工至1 070 m時出現(xiàn)100 m3突涌水問題，提出采取下行式注漿法，選用合理注漿設(shè)備及材料，取得了良好的防、堵水效果，注漿后的總涌水量小于0.5 m3/h，滿足設(shè)計要求。謝偉華[6]針對郝家河銅礦主、副井突水問題，通過對井筒水文、地質(zhì)條件的深入了解和分析，結(jié)合以往多個深大礦井治水經(jīng)驗，制定了適應(yīng)該礦井含水巖層構(gòu)造特點(diǎn)的治水方案，同時應(yīng)用超前探水注漿堵水技術(shù)，消除了井筒水患影響。李紅輝等[7-8]為解決井內(nèi)涌水施工問題，采取縱向井筒、橫向馬頭門工作面超前預(yù)注漿施工技術(shù)，達(dá)到了預(yù)期的注漿效果。陳麗娟等[9]針對礦山豎井掘進(jìn)過程中遇到的涌水問題，采用工作面預(yù)注漿技術(shù)，使豎井工作面涌水量由9.6 m3/h下降為0.5 m3/h，取得了很好的效果。黃人春[10]提出 “超前長探注漿治水”技術(shù)方案，并應(yīng)用在司郝家河銅礦豎井中，解決了豎井施工中的治水難題。程德榮等[11]、熊木輝[12]提出了地面預(yù)注漿法防治水方案，具有節(jié)約投資和縮短建井工期 、安全可靠的特點(diǎn)。王磊[13]提出在井筒治水中采用排堵結(jié)合的注漿方式，使掌子面涌水得到了有效控制，掘砌過程中未出現(xiàn)突發(fā)性涌水。鄭翠敏等[14]提出“先截后探再堵”的防治水方案，采用井筒壁后注漿封堵空隙滲流、中深孔探注形成閉合帷幕圈的防治水工藝，取得了良好的井筒防治水效果。

由以上研究可知，在石灰?guī)r、白云巖等不同地層中采用工作面超前預(yù)注漿和地面預(yù)注漿均可有效治理井筒涌水問題，保證豎井施工安全，但這些研究對豎井中注漿循環(huán)段高度的敘述很少。部分經(jīng)驗中體現(xiàn)的注漿段高度較短，對風(fēng)化嚴(yán)重、裂隙發(fā)育的不均勻花崗巖大區(qū)段富水地層的深大豎井超前預(yù)注漿指導(dǎo)存在局限性。

本文結(jié)合豎井揭露的差異風(fēng)化嚴(yán)重、裂隙發(fā)育的不均勻性花崗巖大區(qū)段富水地層水壓高、水量大的實際情況，通過對豎井建井過程中的水害處理方案進(jìn)行對比分析，提出采用工作面預(yù)注漿方式確保豎井的安全開挖，并對工作面注漿段高進(jìn)行試驗分析，提出豎井掘進(jìn)中工作面預(yù)注漿的合理循環(huán)段高，保證了注漿效果，使豎井綜合施工效率達(dá)到最優(yōu)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 工程概況

高黎貢山隧道全長34 538 m，為亞洲第1鐵路長隧，最大埋深約1 155 m。1號豎井采用主、副井設(shè)置，主井井筒凈徑6 m、深762.59 m，主要功能為出碴、排污風(fēng)；副井井筒凈徑5 m、深764.74 m，主要功能為引進(jìn)新鮮風(fēng)、材料下放、小型設(shè)備及人員上下，兼做安全出口。1號豎井距離保山端怒江斷裂〈F1-1〉約1.3 km，距離瑞麗端鎮(zhèn)安斷裂〈F4-2〉約1.2 km，受兩斷裂影響較大。井檢孔距副井20 m，鉆孔深度771.43 m。結(jié)合設(shè)計地質(zhì)勘探判知： 井筒穿越淺灰綠色花崗巖， 巖性致密、局部破碎、閉合狀為主，少量微張狀裂隙，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)，粒徑0.4～3 cm，裂隙局部呈垂直狀分布，裂面見黃褐色鐵錳質(zhì)浸染，局部裂面見砂泥質(zhì)充填。

從測井曲線上確定4個含水層(見表1)及4個破碎帶(見表2)，層厚1.75～3.85 m,最大涌水量約117.6 m3/h。開挖揭示含水層位置涌水量變化較大。主井井筒掘進(jìn)至130 m時涌水達(dá)30 m3/h,副井井筒在井深132 m處工作面炮孔中涌水量達(dá)70 m3/h。原因分析： 受頻繁的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響，混合花崗巖圍巖裂隙走向、連通性不規(guī)律，與周邊及上部補(bǔ)水渠道連通，水量大小及位置難以預(yù)測，單一鉆孔難以穿越多數(shù)節(jié)理裂隙，在施工掘進(jìn)中，突水淹井風(fēng)險大。

表1 4個含水層參數(shù)統(tǒng)計

2 工作面預(yù)注漿設(shè)計

2.1 探注原則

1號主、副井井筒均采取先探注結(jié)合后掘砌的施工方案，每次工作面預(yù)注漿探注循環(huán)段高為40～100 m。探水孔均選取4個注漿孔，探注原則如下： 1)當(dāng)所有探孔的涌水量均小于2 m3/h時，直接封堵探孔后恢復(fù)掘砌。2)當(dāng)任意1個鉆孔的涌水量在2～5 m3/h時，說明該鉆孔周圍存在有疑似含水層，必須在該鉆孔兩側(cè)增加2個驗證鉆孔。若驗證鉆孔涌水量均小于5 m3/h時，注漿封孔后，恢復(fù)掘砌；若任意一個驗證鉆孔涌水量大于5 m3/h時，則啟動工作面預(yù)注漿對該段地層進(jìn)行堵水注漿。3)當(dāng)探孔的涌水量大于5 m3/h時，即啟動工作面預(yù)注漿對該段地層進(jìn)行堵水。采用此種探注結(jié)合的方法，直至達(dá)到預(yù)定的設(shè)計段高，期間不再增加驗證鉆孔。工作面預(yù)注漿施工示意見圖1。

表2 4個破碎帶情況統(tǒng)計

(a) 步驟 (b) 步驟2

(c) 步驟3 (d) 步驟4

2.2 工作面預(yù)注漿設(shè)計

1號豎井主、副井工作面預(yù)注漿采用下行式注漿方式，注漿孔沿井筒均勻布設(shè)，主井設(shè)13個孔(其中4個兼做探孔)，副井設(shè)12個(其中4個兼做探孔)，孔口管距井筒襯砌內(nèi)輪廓線60 cm，各注漿孔等間距均勻布置。終孔位置距豎井開挖輪廓線為3 m，注漿孔豎向外插角度為4°。工作面預(yù)注漿孔口和終孔平面布置如圖2和圖3所示。

圖2 工作面預(yù)注漿孔口平面布置圖(單位： cm)

圖3 工作面預(yù)注漿孔終孔平面布置圖(單位： cm)

2.3 注漿設(shè)計參數(shù)

注漿設(shè)計參數(shù)如表3 所示。

表3 注漿設(shè)計參數(shù)

2.4 注漿材料

經(jīng)工藝性試驗表明，普通水泥單液漿可注性差，因此現(xiàn)場采用超細(xì)水泥單液漿或雙液漿進(jìn)行堵水。

2.5 工藝流程

工作面預(yù)注漿施工工藝流程為： 工作面出碴清底—探注前施工準(zhǔn)備—孔口管固定—止?jié){墊施工—上段井壁徑向加固—止?jié){墊注漿加固—工作面探孔施工—遇水注漿—掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)—遇水注漿。循環(huán)上述步驟直至所有注漿孔達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行注漿效果檢查。

2.6 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1)各注漿孔的注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓，注漿流量小于20 L/min；

2)檢查孔數(shù)量不少于3個，且單孔涌水量小于1.5 m3/h。

3 工作面預(yù)注漿效率主控因素分析

豎井工作面注漿加固時，每循環(huán)工作面注漿必須進(jìn)行止?jié){墊施工、孔口管安裝、工作平臺搭設(shè)、效果檢查等固定步驟。前期準(zhǔn)備工序復(fù)雜、轉(zhuǎn)換多，加之花崗巖巖石強(qiáng)度高，鉆孔效率隨循環(huán)段高的增大而降低；但如果循環(huán)段高過小，又會影響注漿施工效率，從而影響掘進(jìn)綜合施工效率。因此，需要通過尋求二者的平衡來確定合理的工作面預(yù)注漿段高，提高豎井掘進(jìn)綜合施工效率。

不考慮注漿施工及注漿效果，影響探注掘循環(huán)的主要因素包括：

1)注漿循環(huán)段高。經(jīng)初判，鉆孔時間占總探注掘循環(huán)的70%，注漿循環(huán)段高是探注掘循環(huán)的主控可變因素。

2)準(zhǔn)備、換序周期。準(zhǔn)備周期含止?jié){墊施作、孔口管安裝試壓、作業(yè)平臺搭設(shè)、鉆機(jī)就位等； 換序周期含注漿完成后的效果檢查及探注設(shè)備退場、止?jié){墊破除等。各工序作業(yè)周期固定，為探注掘循環(huán)的主控不可變因素。

3)掘砌進(jìn)度指標(biāo)。掘砌進(jìn)度指標(biāo)是探注完成后單位時間內(nèi)的開挖、襯砌施工進(jìn)度，循環(huán)周期與地質(zhì)條件、作業(yè)面深度有關(guān)，是探注掘循環(huán)的主控不可變因素。

綜上所述，注漿循環(huán)段高是提高探注掘循環(huán)效率的主要控制可變參數(shù)，因此，本文僅就注漿循環(huán)段高進(jìn)行試驗與分析。

4 現(xiàn)場試驗

結(jié)合現(xiàn)場條件及準(zhǔn)備周期，現(xiàn)場選擇40、60、80、100 m 4種段高分別試驗。注漿材料選用超細(xì)水泥，采用2臺MK-3地質(zhì)鉆機(jī)施工。

4.1 鉆孔效率

經(jīng)現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，不同段高單孔鉆孔時間統(tǒng)計見表4，鉆進(jìn)效率分析見圖4。

表4 不同段高單孔鉆孔時間

圖4 不同段高鉆孔平均效率

4.2 準(zhǔn)備、換序周期

經(jīng)實測，工作面注漿準(zhǔn)備、換序周期合計13 d，統(tǒng)計見表5。

表5 工作面注漿準(zhǔn)備、換序周期統(tǒng)計

4.3 注漿周期

由于豎井施工對全井筒出水量要求較高，煤礦安全規(guī)程規(guī)定全井筒出水量不大于10 m3/h，因此注漿后需將原注漿孔掃開監(jiān)測水量，并反復(fù)注漿再掃開檢測水量，至滿足要求。經(jīng)現(xiàn)場試驗統(tǒng)計，不同段高注漿循環(huán)周期見表6。

表6 不同段高注漿循環(huán)周期

4.4 掘砌進(jìn)度指標(biāo)

由于各段高試驗在不同的深度進(jìn)行，受垂直提升時間影響，掘砌進(jìn)度指標(biāo)為1.5 ～3.6 m/d，為方便對比，試驗對比的掘砌進(jìn)度指標(biāo)選定為2.5 m/d。

4.5 堵水效果分析

統(tǒng)計不同段高注漿循環(huán)開挖前、后的涌水量情況，并計算各段堵水率，如表7所示。

表7 不同段高注漿循環(huán)堵水前后涌水量及堵水率統(tǒng)計

根據(jù)表7統(tǒng)計情況分析，該地層裂隙發(fā)育方向與豎井掘進(jìn)方向一致，各種段高地層的滲透系數(shù)一致，且所有段長的鉆孔注漿最終的效果檢查標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為檢查孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，開挖揭示后井筒涌水量都滿足出水量不大于10 m3/h的標(biāo)準(zhǔn)，所有段長的堵水效率都能達(dá)到90%，堵水效果良好。

4.6 探注掘總體效率分析

根據(jù)上述各工序的周期、效率分析，不同段高探注掘總體效率見表8。

表8 不同段高探注掘效率分析

不同段高探注掘循環(huán)綜合效率見圖5。

圖5 不同段高探注掘循環(huán)綜合效率曲線

綜上所述，隨著探注掘循環(huán)段高的增加，鉆孔周期呈線性增加，單次注漿效果有所降低，導(dǎo)致掃孔次數(shù)增加，在準(zhǔn)備周期、換序周期及掘砌進(jìn)度指標(biāo)不變的條件下，同等深度富水花崗巖豎井工作面注漿段高按60 m左右控制對工期、成本最為有利。

5 結(jié)論與探討

1)1號豎井主、副井井筒的實測滲漏水量分別為9.7、8.2 m3/h，可見，針對風(fēng)化花崗巖地層深大鐵路豎井施工采用“探注結(jié)合”的工作面預(yù)注漿方式能夠有效預(yù)防豎井開挖淹井風(fēng)險。通過工作面預(yù)注漿可封堵地下涌水、加固軟弱地層，提高前方地層整體性和抗變形能力，必要時可設(shè)雙層注漿孔封堵地下水，保證開挖順利進(jìn)行。

2)鉆孔效率會隨孔深加大而降低，深大鐵路豎井內(nèi)空間狹小，使用不了大功率鉆孔設(shè)備，因此受鉆孔設(shè)備選型的條件限制，注漿循環(huán)段高的選擇極為重要。

3)工作面預(yù)注漿在鐵路隧道施工案例較少，通過各種注漿循環(huán)段高的現(xiàn)場注漿試驗和效果分析對比，提出了最適宜的注漿循環(huán)段高，使綜合施工進(jìn)度提高6.3%～15.8%。

4)工作面注漿對工期、成本影響極大，尤其是掘砌和注漿周期嚴(yán)重不匹配，不同工種窩工現(xiàn)象頻發(fā)，地勘探明豎井富水時，建議采用地表深孔注漿或冷凍法提前處理為主、工作面注漿配合堵水的方案進(jìn)行處理。

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