高黎貢山隧道1號豎井工作面預注漿循環(huán)段高分析與應(yīng)用

冉海軍, 張文俊, 高廣義, 張 朕

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 云桂鐵路云南有限責任公司， 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、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)條件復雜，導致施工技術(shù)復雜、工期長，尤其是豎井掘進過程水害問題對豎井安全、快速掘進影響極大[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，導致井筒廢棄，未達到預期的建造目標。

在深大豎井井筒水害治理方面，國內(nèi)外許多學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[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注漿施工技術(shù)，達到了預期的注漿效果。陳麗娟等[9]針對礦山豎井掘進過程中遇到的涌水問題，采用工作面預注漿技術(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。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注漿和地面預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，對風化嚴重、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注漿指導存在局限性。

本文結(jié)合豎井揭露的差異風化嚴重、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行對比分析，提出采用工作面預注漿方式確保豎井的安全開挖，并對工作面注漿段高進行試驗分析，提出豎井掘進中工作面預注漿的合理循環(huán)段高，保證了注漿效果，使豎井綜合施工效率達到最優(yōu)，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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；副井井筒凈徑5 m、深764.74 m，主要功能為引進新鮮風、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。主井井筒掘進至130 m時涌水達30 m3/h,副井井筒在井深132 m處工作面炮孔中涌水量達70 m3/h。原因分析： 受頻繁的地質(zhì)構(gòu)造運動影響，混合花崗巖圍巖裂隙走向、連通性不規(guī)律，與周邊及上部補水渠道連通，水量大小及位置難以預測，單一鉆孔難以穿越多數(shù)節(jié)理裂隙，在施工掘進中，突水淹井風險大。

表1 4個含水層參數(shù)統(tǒng)計

2 工作面預注漿設(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)當所有探孔的涌水量均小于2 m3/h時，直接封堵探孔后恢復掘砌。2)當任意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，則啟動工作面預注漿對該段地層進行堵水注漿。3)當探孔的涌水量大于5 m3/h時，即啟動工作面預注漿對該段地層進行堵水。采用此種探注結(jié)合的方法，直至達到預定的設(shè)計段高，期間不再增加驗證鉆孔。工作面預注漿施工示意見圖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 工作面預注漿設(shè)計

1號豎井主、副井工作面預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 工作面預注漿孔口平面布置圖(單位： cm)

圖3 工作面預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)場采用超細水泥單液漿或雙液漿進行堵水。

2.5 工藝流程

工作面預注漿施工工藝流程為： 工作面出碴清底—探注前施工準備—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—遇水注漿。循環(huán)上述步驟直至所有注漿孔達到技術(shù)標準再進行注漿效果檢查。

2.6 注漿結(jié)束標準

1)各注漿孔的注漿壓力達到設(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。前期準備工序復雜、轉(zhuǎn)換多，加之花崗巖巖石強度高，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注漿段高，提高豎井掘進綜合施工效率。

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)準備、換序周期。準備周期含止?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)掘砌進度指標。掘砌進度指標是探注完成后單位時間內(nèi)的開挖、襯砌施工進度，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)段高進行試驗與分析。

4 現(xiàn)場試驗

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

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 準備、換序周期

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

表5 工作面注漿準備、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 掘砌進度指標

由于各段高試驗在不同的深度進行，受垂直提升時間影響，掘砌進度指標為1.5 ～3.6 m/d，為方便對比，試驗對比的掘砌進度指標選定為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準統(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的標準，所有段長的堵水效率都能達到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，導致掃孔次數(shù)增加，在準備周期、換序周期及掘砌進度指標不變的條件下，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”的工作面預注漿方式能夠有效預防豎井開挖淹井風險。通過工作面預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行處理。

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