豎井地面預注漿帷幕安全厚度研究及其在隧道通風井中應用
——以天山勝利隧道4號通風豎井為例

毛錦波,趙紅剛,韓 強,姬中奎,張斌斌,李亞隆

(1.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710119; 2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

目前,在富水地層條件下進行地下工程施工時,通常采用高壓注漿的方式將漿液注入工程周圍地層的裂隙中,待漿液凝固后在井筒周圍形成類似帷幕的防滲墻,從而達到堵水與穩固地層的目的[1-2]。注漿止水帷幕設計的關鍵在于確定合理的注漿帷幕厚度。

近年來,眾多專家學者對注漿帷幕安全厚度進行了系統研究。劉志強等[3]通過構建立井井壁應變監測系統,并依據實測井壁的附加應變變化趨勢來控制表土層注漿加固過程; 劉孝孔等[4]利用鉆孔注漿試驗手段,分析并優化了厚松散層主含水層的注漿技術參數,給出了適用于偏斜井筒變形的注漿加固技術; 付治安[5]針對沁城煤礦卵礫石地層涌水量較大的情況,設計了立井帷幕注漿止水方案; 周禹良等[6]為解決溶蝕孔隙型白云巖含水層豎井工程的水害問題,采用達西兩相流理論得到了漿相有效擴散范圍的計算方法;吳松鋒等[7]通過流固耦合理論在厚壁圓筒模型基礎上推導了隧道注漿帷幕力學模型,并對流固耦合作用下的隧道圍巖位移與有效應力進行了研究; 朱明誠[8]針對含水流沙地層中立井施工困難這一情況,提出采用帶壓保漿法進行旋噴帷幕施工; 黃偉[9]通過壁后土層注漿加固理論,設計了榮康煤業立井帷幕注漿技術方案;張偉杰等[10]通過注漿模型試驗討論了帷幕注漿過程中富水破碎巖體的物理力學變化規律,并總結出針對滲透-劈裂型與微劈裂型2種界面的注漿加固模式; 林東才等[11]根據某煤礦立井井筒圍巖力學特性和周圍地下水的滲流機制,選用高分子注漿材料馬麗散N對立井井筒進行注漿封堵; 袁東鋒等[12]采用鉆孔壓水試驗分析白云巖含水層溶蝕裂隙特征及漿液擴散規律,并給出了含水巖層井筒帷幕體的合理注漿參數。

可見,上述專家、學者從理論力學分析、現場測試和模型試驗等方面對注漿帷幕進行了深入分析,所得的研究成果對注漿止水帷幕設計具有重要的參考價值。但實際工程中,注漿帷幕體的穩定性受開挖擾動、地層壓力、孔隙水壓、掘進段高、井筒直徑及井壁暴露時間等眾多因素的綜合影響,其合理厚度的確定是一個復雜的計算分析過程。而以上文獻較少考慮擾動作用以及含水層孔隙水壓對豎井注漿帷幕體穩定性的影響。因此,本文以天山勝利隧道4號通風豎井為工程背景,考慮豎井開挖過程中的爆破擾動效應和孔隙水壓作用,基于彈塑性力學理論,構建地層壓力和孔隙水壓共同作用下的注漿帷幕體力學計算模型,提出豎井注漿帷幕安全厚度理論計算公式,并確定了4號通風豎井注漿止水帷幕的合理安全厚度,取得了顯著的注漿堵水效果。

1 豎井地面預注漿原理與方法

天山勝利隧道為高速公路隧道,全長22.105 km,共有4組通風豎井,其中4號豎井位于省道301烏斯特火車站以北8 km處,是天山勝利隧道的關鍵控制工程。根據現場勘察結論可知,豎井埋深為513 m,井筒周圍為大理巖巖體破碎、節理裂隙較發育、透水性中等,4-1號豎井涌水量取7 062 m3/d,4-2號豎井涌水量取7 186 m3/d,地下水位埋深為128.60 m,高程為3 325.6 m,靜止水位為47.76 m。

由于天山勝利隧道4號通風豎井所在地層基巖具有裂隙高度發育、富水的特性。為確保天山勝利隧道4號豎井的順利掘進,在4-1和4-2號井井筒周邊通過地面預注漿,對地下120～340 m的大理巖裂隙含水層進行注漿封堵,形成井筒帷幕體,在其保護下再進行井筒掘進。4號豎井開挖半徑為5.65 m,考慮到漿液擴散半徑要重疊0.5 m,因此每個井布置10個鉆孔,如圖1所示。其中,8個為注漿孔,2個為補查孔,每孔深350 m,預計總鉆探進尺7 000 m。

R1=4.5 m為井身凈直徑; R2=5.65 m為靶區內最大開挖半徑; R3=9 m為開孔點直徑; R4=15 m為靶區內直徑。

8個鉆孔均采用錯位分段注漿法,如圖2所示。鉆孔的1開孔段為非注漿段(0～30 m),鉆孔形式為直孔,鉆至黏土、碎石及回填段以下2 m; 2開孔段為非注漿段(30～120 m),鉆孔形式為定向孔,鉆孔深度至地下水位以下1.4 m位置; 留20 m巖帽; 3開孔段為裸孔注漿段(140～340 m),段高為50 m,鉆孔形式為導斜和直孔段,鉆孔全部為裸孔,孔深至井筒底板以下17 m; 探測注漿段(340～530 m),根據探測情況確定是否延長其他鉆孔。

圖2 鉆孔剖面示意圖(單位:m)

2 注漿帷幕力學模型假設與求解

2.1 豎井注漿帷幕厚度的構成分析

考慮豎井開挖過程中的爆破擾動效應,將豎井注漿帷幕厚度分為有效厚度和無效厚度2部分[4,11],如圖3所示。

圖3 豎井注漿帷幕體分析模型

豎井開挖后,r0為井筒荒徑;rine、re分別為有效帷幕體內半徑和外半徑;ph為水平地層壓力;pw為孔隙水壓力。注漿帷幕體的無效厚度tine是豎井開挖爆破作用下注漿帷幕體一定范圍內產生的粉碎帶,不能起到有效的止水作用,tine=rine-r0; 注漿帷幕體的有效厚度te(te=re-rine)是指未受豎井開挖破壞、較為完整的隔水體,是防滲和維持井壁穩定的主體。

2.2 基本力學假設與力學模型

2.2.1 基本力學假設

為簡化計算過程,根據有效帷幕體的受力變形特性,構建可解析求解的力學模型,現作出如下簡化和假設:

1)考慮鉆爆法施工對圍巖的破壞作用,將爆破對圍巖的擾動破壞區定義為塑性區,并以此為起點作為有效注漿帷幕體的彈性設計厚度內邊界。

2)由于豎井縱向受力變化規律不符合平面應變的假設,但考慮到井筒開挖斷面尺寸遠小于井筒深度,以深部條件對有效帷幕體平面模型進行簡化,實現保守力學分析。

3)將有效帷幕體外側周邊巖土體假設為連續的均質各向同性線彈性材料。

4)暫不考慮地下水的滲流耦合作用。

2.2.2 力學分析模型

在上述簡化和假設的基礎上,建立有效注漿帷幕體徑向變形力學分析模型,如圖4所示。L0為通風豎井井壁外邊界;L1(r=rine)處為定點爆破后有效注漿帷幕體的內邊界; 有效注漿帷幕體外邊界L2(r=re)處作用的地層荷載為初始水平地應力ph與孔隙水壓力pw之和。

圖4 有效注漿帷幕體力學分析模型

2.3 有效注漿帷幕體變形分析

根據上述基本假設,可將其視為軸對稱平面應變問題。由彈塑性理論可知[13],有效注漿帷幕體的應力-應變關系為:

(1)

式中:εr、εθ分別為徑向與環向應變;σr、εθ分別為徑向與環向應力;ψ為有效注漿帷幕體彈性與塑性剪切模量的比值,ψ=Ge/Gp;Ge為有效注漿帷幕體彈性剪切模量,Ge=E/2(1+μ),MPa;Gp為有效注漿帷幕體塑性剪切模量,MPa。

根據有效帷幕體的應變幾何方程:

(2)

式中:u為徑向位移;r為注漿帷幕半徑。對r求導得

(3)

將式(2)代入式(3)可得

(4)

將式(1)代入式(4)中可得

(5)

式(5)兩邊同時對r積分得

εθ=Jr-2。

(6)

式中J為積分常量。

聯立式(1)和式(6)可得

(7)

在計算帷幕體徑向位移時,考慮應力增量作用[11],將式(7)改寫為:

(8)

在帷幕體彈塑性界面上有:

(9)

式中:p1為注漿帷幕體內邊界的地層壓力,MPa;c為有效注漿帷幕體的黏聚力,MPa;φ為有效注漿帷幕體的內摩擦角,(°);rp為有效注漿帷幕體塑性區半徑,m,其大小為

(10)

將式(9)代入式(8),可得到積分常量J的表達式為:

(11)

由此可得有效注漿帷幕體徑向位移為

(12)

則有效注漿帷幕體在彈塑性交界面處的徑向位移為:

(13)

2.4 豎井注漿帷幕體安全厚度計算

2.4.1 注漿帷幕體無效厚度分析

豎井采用直孔掏槽爆破方法一次成井,其技術的關鍵在于能否破碎并拋出掏槽區域內的巖體。根據球狀藥包破巖理論可知,爆破時巖體將產生一定范圍的破碎區,其半徑為:

(14)

式中rb為炮孔設計半徑。

則注漿帷幕體的無效厚度可表示為:

(15)

2.4.2 注漿帷幕有效厚度的確定

豎井注漿有效帷幕體主要承受水平地層壓力與含水層的孔隙水壓。由于有效帷幕體未受到施工擾動破壞,可將其視為均質、連續且各向同性的彈塑性體。取單位高度有效帷幕體為研究對象,根據厚壁圓筒理論[16]可得有效帷幕體中任一單元體的彈性徑向位移為:

(16)

式中:μ為帷幕體泊松比;Gs為帷幕體剪切模量。

由式(16)可得有效帷幕體彈塑性交界面(r=rp)處的彈性徑向位移為:

(17)

由帷幕體外壁圍巖和有效帷幕體的位移協調條件可知:

(18)

聯立式(13)、式(17)及式(18)可得:

(19)

由式(15)及式(19)得注漿有效帷幕體外半徑re,則注漿帷幕體的有效厚度te與安全厚度ts分別為:

(20)

3 注漿有效帷幕體穩定性分析

3.1 有效帷幕體橫向穩定性驗算

根據上述理論計算出注漿帷幕體的安全厚度后,還需對注漿有效帷幕圓環進行穩定性驗算。為了保證有效帷幕體的橫向穩定,要求其長細比滿足:

(21)

式中:l為有效帷幕圓環換算長度,l=1.814rav,其中,rav為有效帷幕圓環內、外平均半徑,rav=(re+rine)/2。

取單位高度的帷幕圓環為研究對象,根據平面應變理論進行分析。當帷幕圓環失去橫向穩定性時,均勻徑向臨界壓力

(22)

式中:E為帷幕體的彈性模量;I為注漿帷幕圓環的縱截面慣性矩,I=bh3/12(b為注漿帷幕的厚度;h為注漿帷幕高度)。

(23)

要求滿足:

(24)

式中vk為穩定性計算安全系數,vk=1.3。

3.2 注漿帷幕體強度驗算

通常注漿有效帷幕體的厚度滿足te≥0.1r0[17],在有效帷幕體受均勻側向壓力條件下可按照厚壁圓筒理論來驗算有效帷幕體的強度,如圖5所示。

圖5 注漿帷幕體橫截面軸力分布

有效帷幕圓環截面軸向力大小為:

N=(ph+pw)re。

(25)

帷幕圓環截面上的最大計算主應力σc在有效帷幕體內側為

(26)

式中fc為注漿帷幕體的抗壓強度設計值。

4 隧道通風豎井工程應用分析

4.1 注漿帷幕體安全厚度的確定

根據現場測試結果可知,有效注漿帷幕體的基本物理力學參數如表1所示。

表1 有效注漿帷幕體物理力學參數

由表1可知,有效注漿帷幕體彈性剪切模量Ge=3.28 GPa; 帷幕體所受水平地層壓力ph=4.55 MPa; 作用在帷幕體外側曲面上的孔隙水壓力pw=3.09 MPa。

4.1.1 注漿帷幕體無效厚度計算

將上述基本參數代入式(14)可得豎井圍巖粉碎區半徑為:

6.175 m。

(27)

則注漿帷幕體的無效厚度為:

tine=6.175-5.65=0.525 m。

(28)

4.1.2 有效帷幕體內側徑向位移的計算

有效注漿帷幕體塑性區半徑可由式(10)計算得到:

(29)

將上述基本物理力學參數代入式(12)得到有效帷幕體內側(r=rine)的徑向位移為

8.55 mm。

(30)

4.1.3 注漿帷幕體有效厚度的確定

將上述基本物理力學參數代入式(19)中,借助MATLAB數學軟件進行計算得注漿帷幕體外徑re=12.146 m。可求得注漿帷幕體的有效厚度為:

te=12.146-6.175=5.971 m。

(31)

由式(20)可得注漿帷幕體的理論安全厚度為:

ts=12.146-5.65=6.496 m。

(32)

4.2 豎井注漿帷幕體的穩定性驗算

4.2.1 橫向穩定性驗算

按照求得的注漿帷幕安全厚度可知,帷幕體外半徑re=6.496 m+5.65 m=12.146 m。注漿有效帷幕圓環內、外平均半徑rav=(12.146 m+6.175 m)/2=9.16 m,其長細比為:

(33)

滿足長細比基本條件。

選擇單位高度的帷幕圓環,由式(24)得帷幕圓環失穩時的臨界壓力為:

1.3×(4.55+3.09)=9.93 MPa。

(34)

滿足注漿帷幕體的橫向穩定性條件。

4.2.2 強度驗算

將注漿帷幕體的基本物理力學參數代入式(26)得有效帷幕圓環截面內側的最大計算主應力為:

(35)

由式(35)可知,注漿帷幕體滿足強度設計條件。綜上所述,確定注漿帷幕體安全厚度取為6.5 m。

5 通風豎井地面預注漿堵水效果分析

5.1 注漿效果物探檢驗分析

為驗證豎井地面預加固實施效果,現場采取孔間CT和孔內電視相結合的方法對注漿堵水效果進行綜合評價。

5.1.1 孔間CT法

對4111-4112、4112-4122、4122-4114、4114-4111檢查孔開展跨孔電阻率CT工作,測試成果如圖6所示。測試結果表明,鉆孔之間的巖體電阻率整體較高,巖體完整性好,一般為9 000～30 000 Ω·m。圖中圈出的局部低阻異常區電阻率普遍為3 000 Ω·m左右,遠高于裂隙充水時的大理巖層電阻率(一般<1 000 Ω·m)。推測該處為注漿充填后的破碎大理巖區域,也間接反映注漿治理段注漿效果良好。

圖6 4-1豎井注漿孔孔間CT測試結果

5.1.2 孔內電視法

通過41B1和41B2檢查孔對注漿治理段巖層進行鉆孔成像,觀察巖體完整性、有無殘余裂隙及注漿充填效果,如圖7所示。檢查孔孔壁光滑,無明顯裂隙,局部明顯可見原地層裂隙被漿液充填密實,無殘余裂隙,注漿充填效果良好。

(a) 41B1檢查孔

5.2 注漿帷幕體穩定性監測與分析

為驗證該注漿帷幕體安全厚度的合理性,確保注漿帷幕體穩定,對豎井井壁應力及其位移進行監測與分析。

5.2.1 井壁應力監測分析

通過地面預注漿過程中鉆孔之間的串漿現象和施工現場鉆孔取芯結果分析,漿液實際擴散半徑大于6.5 m,漿液能夠在井壁周圍形成較為完整的注漿帷幕體。整個注漿加固施工過程中,各監測層位井壁應力實測值如圖8所示。

圖8 井壁應力變化實測結果

監測數據表明,70 d內4個水平中段的井壁應力變化相似。井壁最大應力值為11.54 MPa,出現在-530 m水平中段斷層帶。0～40 d各監測層位井壁應力整體隨監測時間逐漸減小,井壁應力實測值在40～70 d時在一定范圍內趨于穩定。這一現象反映出通過地面預注漿法所形成的豎井注漿帷幕對地下水具有良好的封堵作用。

5.2.2 井壁位移監測分析

井壁隨深度變化的累計位移曲線見圖9。

圖9 井壁隨深度變化的累計位移曲線

由圖9可知,在豎井井筒深部注漿加固施工過程中,隨著地層深度的增加,井壁位移逐漸增大,監測點均發生向豎井內側移動,其中井壁底部(4#測點)處位移最大,但井壁累計位移最大不到16 mm,處于可控范圍內,能夠保證通風豎井的安全快速施工。

6 結論與討論

本文對施工擾動和孔隙水壓共同作用下隧道通風豎井的注漿帷幕安全厚度進行了系統研究,主要結論如下:

1)考慮豎井開挖過程中爆破擾動效應對已形成的地面預注漿帷幕體的影響,將注漿帷幕體的安全厚度劃分為無效厚度和有效厚度2部分。通過建立注漿帷幕體力學分析模型,基于彈塑性力學理論與厚壁圓筒相關理論,提出了豎井注漿帷幕體安全厚度的計算公式。

2)運用本文理論研究成果確定了天山勝利隧道4號豎井注帷幕的安全厚度為6.5 m。依據厚壁圓環驗算了注漿帷幕體的強度及穩定性,地面預注漿帷幕體的強度及穩定性符合設計要求。現場測試結果表明,豎井注漿堵水取得了良好的效果,可為豎井安全快速施工提供可靠保障。

由于注漿帷幕厚度是豎井安全快速施工的關鍵影響因素,除去本文重點研究的開挖擾動和孔隙水壓的影響外,注漿帷幕合理厚度還與圍巖巖性、漿液類型、注漿工藝及現場施工水平等因素密切相關,對此可進一步研究完善。