壓水試驗(yàn)在隧道深豎井施工中的實(shí)踐應(yīng)用

董慶歡

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

井筒建設(shè)前期涌水量較大，如果不采取地面預(yù)注漿工藝對井筒周圍的地下水進(jìn)行有效堵截，則無法進(jìn)行井筒建設(shè)，注漿前后井筒水文地質(zhì)條件發(fā)生較大變化，壓水試驗(yàn)是檢驗(yàn)井筒注漿前后效果科學(xué)有效的辦法。高黎貢山隧道2號豎井地質(zhì)構(gòu)造異常復(fù)雜，破碎帶較多，巖層產(chǎn)狀復(fù)雜，巖體風(fēng)化程度高。井筒建設(shè)之前，需要對鑿井倔砌過程中穿越的10條擠壓破碎帶、14條構(gòu)造破碎帶以及井檢孔揭露的7層含水層進(jìn)行地面預(yù)注漿處理，否則無法對井筒進(jìn)行建設(shè)施工[1-2]。為檢驗(yàn)注漿前后井筒的水文地質(zhì)條件變化情況及注漿效果，驗(yàn)證高黎貢山隧道2號豎井地面預(yù)注漿工程注漿段的注漿質(zhì)量，分別選擇副井SF4注漿孔和主井SZ4注漿孔作為質(zhì)量檢查孔，分段進(jìn)行，以立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)結(jié)果作為高黎貢山隧道2號豎井檢查注漿質(zhì)量的依據(jù)，為井筒建設(shè)倔砌提供有效數(shù)據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

高黎貢山隧道位于中國云南省保山市，屬于大瑞鐵路，是世界第七長大隧道、亞洲最長鐵路山嶺隧道、中國最長鐵路隧道。 高黎貢山隧道全長34.5 km，全隧采用“貫通平導(dǎo)+1座斜井+2座豎井”的輔助坑道設(shè)置方案[3]。其中，1號豎井主井深762.59 m，副井深764.74 m，為當(dāng)時(shí)國內(nèi)最深的鐵路豎井；2號豎井主井深640.22 m，副井深640.36 m。為加快施工進(jìn)度，并考慮運(yùn)營期間通風(fēng)、防災(zāi)救援等需要，在高黎貢山隧道D1K212+415附近設(shè)置2號豎井，采用主副井型式，主井井深640.22 m，凈徑6 m，最大荒徑7.3 m；副井井深640.36 m，凈徑5 m，最大荒徑6.3 m[4]。2號豎井主副井井筒主要特征參數(shù)見表1。

表1 2號豎井主副井井筒主要特征參數(shù)表Table 1 Main characteristic para meters of the main and auxiliary shafts of No.2 shaft

2 地面預(yù)注漿方案總體設(shè)計(jì)

2.1 注漿孔設(shè)置方案

2.1.1 注漿孔布置

由于2號豎井場坪已布置有主副提升機(jī)房、穩(wěn)車電控室、攪拌站等豎井開挖機(jī)房，以主井中心為圓心，最大半徑17 m的場坪可布置鉆機(jī)，為最大限度減少對井口場坪其他設(shè)備的影響，同時(shí)降低造孔難度，便于注漿孔造斜及降斜，孔口位置距離主井中心約為17 m，共布置3臺鉆機(jī)，施作6個(gè)鉆孔[5]。

2.1.2 注漿段設(shè)置

高黎貢山隧道2號豎井施工檢查鉆孔共揭示7層含水層，其中，第④層含水層、第⑤層含水層、第⑦層含水層預(yù)計(jì)最大涌水量大于10 m3/h，需要進(jìn)行注漿治理[6]，這三層含水層情況如下所述。第④層含水層井深270.25～302.20 m，段高31.95 m，該段預(yù)計(jì)涌水量71.92 m3/h；第⑤層含水層井深318.90～431.85 m，段高112.95 m，該段預(yù)計(jì)涌水量14.00 m3/h，該段范圍在花崗巖地層中，分布7段擠壓破碎帶，總體圍巖條件較差；第⑦層含水層井深568.60～579.75 m，段高11.15 m，該段預(yù)計(jì)涌水量43.79 m3/h；該段花崗巖W2地層，在571.80～577.00 m分布1段構(gòu)造影響帶。設(shè)計(jì)含水層上部20 m為巖帽段，其注漿上限設(shè)計(jì)為井深250 m處；每個(gè)注漿深孔應(yīng)鉆至第⑦層含水層以下10 m，則其注漿段落下限為590 m，因此其注漿段落為井深250～590 m，注漿段起止深度為340 m。

2.2 注漿工藝及參數(shù)的選定

2.2.1 注漿材料

本次方案中地面注漿以堵水為主要目標(biāo)，兼顧一定的圍巖加固作用，同時(shí)結(jié)合含水層滲透系數(shù)的大小、漿液配合比的精度和施作工藝控制的難易程度。因此，地表注漿選擇黏土-水泥漿作為主要的注漿材料，若遇到漏漿嚴(yán)重的層段，可采用水泥-水玻璃漿作為補(bǔ)充注漿材料[7]。

2.2.2 注漿壓力及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿上限為第④層含水層頂部270 m，于250～270 m段設(shè)巖帽段，巖帽注漿采用單液水泥漿，注漿終壓值應(yīng)大于靜水壓力值的1.5倍[8]。進(jìn)入注漿段后，采用黏土-水泥漿液，小于400 m以上注漿終壓值為受注點(diǎn)靜水壓力值的2.5～3.0倍；大于400 m注漿終壓值暫選受注點(diǎn)靜水壓力值的2.0～2.5倍。設(shè)計(jì)壓力最大值為13.66 MPa，處于第⑦含水層，注漿泵選型壓力為最大注漿壓力值的1.3倍，即為17.76 MPa。對黏土-水泥漿液注漿，當(dāng)終量為250 L/min及注漿壓力達(dá)到終壓時(shí)，經(jīng)穩(wěn)定20～30 min后，可結(jié)束該孔段的注漿工作。

2.2.3 注漿孔鉆孔施工順序

2號豎井主井地面預(yù)注漿采用定向孔注漿，定向孔孔型為S型，地面布置3臺鉆機(jī)，于50 m深度處施作分支孔，最終形成6個(gè)注漿孔。S型孔鉆進(jìn)分為兩序施工，其中，SZ1-1鉆孔、SZ2-1鉆孔和SZ3-1鉆孔為一序孔，SZ1-2鉆孔、SZ2-2鉆孔和SZ3-2鉆孔為二序孔，一序孔和二序孔共用垂深0～50 m，二序孔為分支孔。

一序孔施工完成后，封孔至50 m，二序孔由固管段開始施工，先施工的孔兼做注漿前水量檢查孔，后施工的孔作為注漿質(zhì)量檢查孔。注漿施工結(jié)束的注漿效果宜采用壓水檢查方法，可選取最后施工的注漿孔作為檢查孔，測定注漿段的剩余漏水量是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

3 壓水試驗(yàn)設(shè)備及儀器的選擇

現(xiàn)場采用BQ350型注漿泵，最大注漿壓力為40 MPa，流量為607 L/min，沖次為161次/min，電機(jī)功率為132 kW，整機(jī)質(zhì)量為5 100 kg，止?jié){塞采用直徑為130 mm的KWS卡瓦式止?jié){塞，膠筒全長700 mm、內(nèi)徑50 mm，卡瓦直徑伸縮范圍為118～142 mm，承受注漿壓力為25 MPa，整機(jī)全長為2 800 mm[9]。

4 壓水試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

4.1 質(zhì)量檢查孔的選定

根據(jù)“壓水試驗(yàn)應(yīng)在同一層位的最后一個(gè)注漿段注漿前進(jìn)行”的原則，分別選擇副井SF4注漿孔和主井SZ4注漿孔作為質(zhì)量檢查孔，并在業(yè)主方及監(jiān)理公司相關(guān)代表的見證下分別進(jìn)行壓水試驗(yàn)。

4.2 壓水試驗(yàn)段的劃分

本工程注漿深度為590 m，注漿段起始深度為250～590 m，注漿段長340 m，按照《立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)方法》中“注漿深度小于或等于600 m時(shí)，壓水段高不宜大于150 m”的規(guī)定，并結(jié)合高黎貢山隧道2號豎井井筒地層的裂隙發(fā)育情況和含水層分布情況，將注漿孔的注漿段分為3段，分別將250～310 m、310～460 m和460～590 m注漿段作為壓水段進(jìn)行壓水試驗(yàn)[10]。

4.3 試驗(yàn)壓力值的確定

壓水試驗(yàn)壓力一般為受壓點(diǎn)靜水壓力的1.5～2.5倍，一個(gè)壓水段至少選擇三個(gè)壓力值。深度小于或等于600 m，壓水級差不小于0.3 MPa；深度大于600 m，壓水級差不小于0.5 MPa，試驗(yàn)時(shí)壓力由小到大。

5 壓水試驗(yàn)

5.1 壓水試驗(yàn)設(shè)備及工藝

壓水試驗(yàn)設(shè)備選用BQ350注漿泵，對試驗(yàn)段分段逐級進(jìn)行壓水試驗(yàn)，采取由低檔到高檔，檔位逐級升高的順序，壓水穩(wěn)定25 min。壓水時(shí)，要保持壓力和流量穩(wěn)定。現(xiàn)場壓水試驗(yàn)結(jié)束后，壓水記錄應(yīng)由現(xiàn)場負(fù)責(zé)人、壓水試驗(yàn)員、記錄員業(yè)主方及監(jiān)理簽字。

5.2 壓水試驗(yàn)步驟

首先將注漿孔掃孔至壓水段孔底，直至孔口返出清水，記錄壓水段含水層的厚度、巖性及涌漏水情況；其次在瓦式止?jié){塞前，測量并記錄孔內(nèi)靜止水位，下至預(yù)定位置后，拉塞使其處于止水狀態(tài)，將孔內(nèi)灌水至孔口位置，觀測并記錄孔口水位變化，孔內(nèi)靜止水位穩(wěn)定并保持5 min以上，可轉(zhuǎn)入壓水檢查止?jié){塞止水效果，否則重新止水，孔內(nèi)水位無壓狀態(tài)下滿足穩(wěn)定要求后進(jìn)行壓水，檢查止水效果。以250～590 m段3個(gè)壓水點(diǎn)的低壓值進(jìn)行壓水檢查，若孔內(nèi)返水，說明止水效果不佳，應(yīng)重新進(jìn)行止水，直至孔內(nèi)不返水；最后確認(rèn)止水成功后，按壓水試驗(yàn)要求進(jìn)行至少3個(gè)壓水點(diǎn)的壓水試驗(yàn)[11]。

5.3 壓水試驗(yàn)水文參數(shù)計(jì)算方法

當(dāng)前我國地面預(yù)注漿中采用壓水試驗(yàn)檢查注漿效果的基本過程為：首先計(jì)算鉆孔吸水率，其次計(jì)算含水層滲透系數(shù)[12-13]，最后采用大井法計(jì)算井筒剩余涌水量[14]。

計(jì)算吸水率計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：ω為壓水吸水率，L/(min·m·m)；Q為壓水流量，L/min；L為壓水段高，m；P為作用于靜止水位上的壓水壓力(水柱高度)，等于壓力表表壓換算成水柱高度加上壓力表至靜止水位的高度，m。

計(jì)算滲透系數(shù)計(jì)算見式(2)。

(2)

式中：K為含水層平均滲透系數(shù)，m/d；r為鉆孔孔徑，m；α為系數(shù)，當(dāng)含水層厚度小于1/3L時(shí)取0.66，反之取1.32。

利用裘布依承壓轉(zhuǎn)無壓公式求得井筒預(yù)計(jì)涌水量，見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：Qw為井筒預(yù)計(jì)涌水量，m3/h；H0為含水層底板至靜止水位的高度，m；M為含水層厚度，m；Rw為掘進(jìn)井筒至含水層底板的影響半徑，m；rw為井筒荒徑，m。

6 壓水試驗(yàn)在隧道深豎井地面預(yù)注漿施工中的應(yīng)用

6.1 壓水試驗(yàn)的計(jì)算

以高黎貢山隧道2號豎井副井(共6個(gè)注漿孔)SF4注漿孔為例進(jìn)行壓水試驗(yàn)，注漿孔的起止深為250～590 m，分別將460～590 m注漿段、310～460 m注漿段和250～310 m注漿段作為壓水段進(jìn)行壓水試驗(yàn)(表2～表4)。

表2 460～590 m注漿段壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Water pressure test results of 460-590 m grouting section

表3 310～460 m注漿段壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Water pressure test results of 310-460 m grouting section

6.2 壓水試驗(yàn)結(jié)果分析

分別完成副井SF4注漿孔和主井SZ4注漿孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)《立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)方法》中計(jì)算公式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算[15-16]，預(yù)計(jì)副井井筒剩余涌水量為5.7 m3/h，主井井筒剩余涌水量為5.02 m3/h，滿足合同及施工組織設(shè)計(jì)要求。

高黎貢山隧道2號豎井副井地面預(yù)注漿工程完成造孔工程量共計(jì)3 540 m，共注入單液水泥漿979.5 m3(其中，固管72 m3，巖帽段876 m3，封孔31.5 m3)，黏土水泥漿20 832 m3，合計(jì)21 811.5 m3，滿足合同及施工組織設(shè)計(jì)要求。副井SF4單孔注漿段共計(jì)注入3 388.5 m3，注漿情況見表5，其中，注漿段預(yù)計(jì)最大涌水量大于10 m3/h的共有3個(gè)含水層，分別為270.25～302.20 m、318.90～431.85 m和568.60～579.75 m，含水層累計(jì)厚度為156.05 m。

表4 250～310 m注漿段壓水試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Water pressure test results of 250-310 m grouting section

表5 副井SF4注漿孔注漿量匯總表Table 5 Summary of grouting amount of SF4 grouting hole in auxiliary well

通過壓水試驗(yàn)結(jié)果分析：270～320 m注漿段中含水層厚度為31.95 m，該段預(yù)計(jì)涌水量71.92 m3/h，進(jìn)行地面預(yù)注漿后，經(jīng)過壓水試驗(yàn)，預(yù)計(jì)平均井筒涌水量1.86 m3/h，預(yù)計(jì)涌水量減小了97%，注漿效果顯著；320～475 m注漿段中含水層厚度為112.95 m，該段預(yù)計(jì)涌水量14 m3/h，經(jīng)過地面預(yù)注漿后，預(yù)計(jì)平均井筒涌水量3.23 m3/h，預(yù)計(jì)涌水量減小了77%；475～590 m注漿段中含水層厚度為11.15 m，該段預(yù)計(jì)涌水量43.79 m3/h，預(yù)計(jì)平均井筒涌水量0.61 m3/h，預(yù)計(jì)涌水量減小了99%。

結(jié)合注漿情況可以得出以下結(jié)論：預(yù)計(jì)涌水量和含水層厚度有直接關(guān)系，和注漿段高、注漿次數(shù)、注漿量的大小沒有直接關(guān)系，注漿段包含的含水層厚度越小，經(jīng)過地面預(yù)注漿以后，計(jì)算出預(yù)計(jì)涌水量減小的越大。

7 結(jié) 論

1) 目前高黎貢山隧道2號豎井主副井已安全掘進(jìn)到底，以實(shí)例說明壓水試驗(yàn)在隧道深豎井地面預(yù)注漿施工中適用性較強(qiáng)，也證明利用壓水試驗(yàn)驗(yàn)證注漿效果在破碎帶較多、巖層產(chǎn)狀復(fù)雜、節(jié)理裂隙發(fā)育、圍巖完整性差、組織結(jié)構(gòu)基本破壞的隧道深豎井中是科學(xué)有效的。

2) 根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，在對高黎貢山2號豎井地面預(yù)注漿前副井預(yù)測正常涌水量為81.1 m3/h，最大涌水量為243.3 m3/h，主井預(yù)測正常涌水量為83.6 m3/h，最大涌水量為250.8 m3/h，注漿結(jié)束后對預(yù)計(jì)副井井筒剩余涌水量為5.7 m3/h，預(yù)計(jì)主井井筒剩余涌水量為5.02 m3/h。通過注漿，井筒周邊地層的滲透系數(shù)發(fā)生了明顯變化，堵水效果明顯，保障了井筒的高效安全建設(shè)。

3) 一序孔是注漿施工中最先揭露地層、最能真實(shí)反映井筒周邊地質(zhì)情況的注漿孔，副井總注漿量為21 811.5 m3，一序孔注漿量為12 966.0 m3，占比59%；主井總注漿量為24 107.0 m3，一序孔注漿量為15 438.5 m3，占比64%；通過數(shù)據(jù)對比分析可知，經(jīng)過一序孔注漿施工已對地層中開放裂隙進(jìn)行了有效的封堵，造成了該區(qū)域內(nèi)裂隙通道較多，地層具有連通性好、可注性好的特點(diǎn)，在保證注漿質(zhì)量的同時(shí)為避免造成不必要的漿液浪費(fèi)，在施工過程中采取了“控制單次注漿量、增加注漿次數(shù)”的方式，對防止?jié){液超范圍擴(kuò)散起到了一定的作用，充分保障井筒倔砌開挖順利到底。