富水陡傾斜大理巖增透引流注漿技術研究
——以天山勝利隧道4號通風豎井為例

2024-03-20 10:12:36毛錦波李亞隆姬中奎張小虎張斌斌孫佰軍趙紅剛

隧道建設(中英文) 2024年2期

毛錦波,李亞隆,姬中奎,韓強,張小虎,張斌斌,孫佰軍,趙紅剛

(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

隨著我國“一帶一路”倡議的持續(xù)推進,需要在西北部高海拔高寒山區(qū)修建大量的深部巖體工程。地下工程施工常面臨突涌水、巖爆及高原凍害等諸多地質(zhì)災害,嚴重威脅現(xiàn)場施工人員安全,增加工程成本,影響施工進度及其后期正常運營。

長期以來,突涌水作為一種主要地質(zhì)災害,在高寒山區(qū)地下工程施工過程中受到國內(nèi)外專家及現(xiàn)場技術人員的高度重視并進行過大量的研究。冉海軍等[1]分析了注漿效果的影響因素,通過設置合理的段高,實現(xiàn)了隧道施工過程中的快速堵水;葉欣欣等[2]運用多種方法討論了淺埋隧道偏壓段圍巖注漿加固效果,發(fā)現(xiàn)注漿后的地層成拱能力和圍巖結構完整性得到顯著增強;尚宏波等[3]通過室內(nèi)試驗分析了受注礫巖含水層帷幕墻的漿液運移規(guī)律及其注漿截流效果;陳登前[4]對地面預注漿滲透擴散機制進行了分析,設計了適用于淮南礦區(qū)立井井筒的預注漿參數(shù)與施工工藝;李文光等[5]運用下行式注漿法解決了三山島金礦豎井施工的突涌水問題;李紅輝等[6]采取工作面超前預注漿施工技術,成功控制了井筒和馬頭門的涌水災害;楊志斌等[7]基于鉆孔高壓水試驗對注漿效果進行了定量評價,結果顯示注漿效果良好;岳鵬超等[8]采用綜合注漿技術解決了立井穿越含水層的問題,實現(xiàn)了打干井的目的;劉鵬飛等[9]采用帷幕注漿加固技術使隧道成功穿越了富水黃土涌水地層;朱冠宇等[10]分析了淮北某礦水害特征與含水層的補給關系,提出了帷幕截流和疏干開采相結合的防治對策;賀文等[11]選用黏土水泥漿液,采用分段預注漿方式解決了富水白云巖地層治水難題;高廣義[12]通過借鑒類似工程和現(xiàn)場試驗,確定了富水花崗巖地區(qū)豎井工作面施工原則與治理方式;張建峰等[13]探究了隧道施工過程中突涌水的災變機制,并提出相應的防控措施。

綜上所述,近年來眾多學者在地下工程突涌水注漿治理方面已開展了大量的研究工作,并取得了一系列的研究成果,但尚缺乏高海拔高寒山區(qū)富水陡傾斜大理巖地層傾角大、裂隙開度小、吃漿量弱的針對性注漿擴散模型及其工藝研究?；诖?本文針對天山勝利隧道4號通風豎井施工過程中存在裂隙開度小、堵水效果差等問題,基于廣義賓漢流體漿液本構方程,構建陡傾斜大理巖富水地層劈裂引流注漿力學模型,提出漿液擴散運移方程,并將研究成果應用于實際工程中。

1 工程概況

天山勝利隧道4號豎井位于省道301烏斯特火車站以北8 km、里程樁號為ZK93+029.477左側79.589 m處,設計井深513 m,斷面凈直徑設計為9 m。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露,地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)坡積粉土、碎石,下伏地層為薊縣系卡瓦布拉克巖群。地下水位初見埋深為114.00 m,高程+3 325.643 m,靜止水位47.76 m,為承壓水。地下水pH值在7.6～7.97,均值為7.76,呈弱堿性。地下水補給來源主要為大氣降水和冰雪融水,地下水類型為基巖裂隙水,地表水滲入量大,井內(nèi)涌水量較大,預計4號豎井涌水量為7 009 m3/d。天山勝利隧道4號豎井涌水地層分布情況如表1所示。

表1 天山勝利隧道4號豎井涌水地層分布情況

井筒預注漿段埋深較大,注漿段較長,井筒預注漿巖層為風化大理巖,發(fā)育大量微小裂隙,不利于注漿。根據(jù)現(xiàn)場情況,豎井掘進至100 m處時,施工的超前探查孔出水量較大,單孔涌水量約為5 m3/h,造成淹井事故,繼續(xù)掘進突水風險較大。探查孔涌水情況如圖1所示。

(a) (b)

2 陡傾斜大理巖結構特征及注漿模型

2.1 陡傾斜大理巖結構特征

根據(jù)區(qū)域資料和工程地質(zhì)調(diào)繪、物探資料,4號豎井涌水段巖層主要為中風化大理巖,巖層傾角為62°～79°,平均傾角為72°,屬于陡傾斜巖層。巖層主要礦物為方解石、白云石、石英等,粒狀變晶結構,塊狀構造,巖體較完整,巖石中可見石英細脈發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場采取的巖樣,大理巖段為微裂隙發(fā)育區(qū)段,裂隙發(fā)育較小。大理巖結構特征如圖2所示。

(a) (b)

豎井施工過程中,由于后續(xù)井壁襯砌施工與工作面的爆破掘進存在一定的時間差。當井筒穿越含水層時,無支護井壁段和工作面易產(chǎn)生局部坍塌突水,對豎井的安全快速開挖構成嚴重威脅。

2.2 劈裂引流注漿擴散模型

2.2.1 基本假設

1)水和漿液視為均質(zhì)、各向同性、不可壓縮的賓漢流體,且不考慮漿液流型的變化。

2)漿液沿巖層傾角發(fā)生層流運動,且符合連續(xù)方程。

3)漿液在任意裂隙面內(nèi)的擴散速率相等,且不考慮漿液在運移過程中的損失。

4)漿液只存在于裂隙通道,不會流入巖體內(nèi)部。

5)被注巖體的裂隙壁表面光滑,裂隙寬度均勻無變化。

基于以上假設,建立陡傾斜大理巖增透引流注漿擴散模型,如圖3所示。

(a) 水力增透模型

水力增透技術是通過高壓水泵將高壓脈沖式水流從注水孔注入巖體內(nèi)的原生裂隙中,在水壓作用下,裂隙結構弱面發(fā)生起裂。隨著水壓作用的持續(xù)進行,裂隙損傷不斷增加,裂隙進一步疏通、擴展及延伸,從而使?jié){液裂隙運移通道擴展。

在引流注漿過程中,通過引流孔抽水,利用水頭壓力差迫使?jié){液沿帷幕圈擴散。引流孔排水后使含水層水流動,漿液顆粒能隨著水流逐漸封堵裂隙通道,從而提高注漿堵水效果。

2.2.2 漿液擴散運動方程

根據(jù)圖3(b)所示的引流注漿模型,沿裂隙方向對漿液單元體進行受力分析,如圖4所示。圖4中:y為垂直于漿液運動方向的距離,y=0處位于裂隙中心; 漿液沿x方向以速度v運動。

b為微裂隙寬度; 2h為流核區(qū)高度; p為注漿壓力; pw為裂隙水壓; p-pw和p+dp為微單元體兩端壓力; τ為兩側剪應力; α為微裂隙傾角。

采用賓漢流體模型,漿液單元兩側剪應力為

τ=Ay[14-15]。

(1)

其中,A的表達式為

(2)

由微單元體的受力平衡可知,截面剪應力和速度方程[16-17]為:

(3)

式中τ0為漿液屈服剪切力。

令A*=p-γgxsinαcosθ,代入式(2)并進行積分可得

(4)

將式(4)代入式(1),可得

(5)

式中μ(t)為漿液黏度隨時間的變化函數(shù)。

對式(5)進行積分,可得

(6)

由式(6)可得漿液在微裂隙中的平均速度為

(7)

(8)

忽略高階小項,可得

(9)

故單位時間的注漿量為

(10)

式中:k為黏度系數(shù);n為冪指數(shù);q為單位時間的注漿量。

則

(11)

當漿液擴散距離為x時,注漿時間為

(12)

雙液漿黏度變化函數(shù)為

μ(t)=ktn。

(13)

將式(12)代入式(13),得

(14)

聯(lián)立式(11)和式(14),可得

(15)

解得

(16)

當漿液位于注漿孔半徑rc處時,將邊界條件x=rc、p=pg代入式(16),可得劈裂縫方向上的注漿壓力為

(17)

式中:pg為注漿孔處壓力;rc為注漿孔半徑。

忽略漿液自重,考慮裂隙水壓作用,當被注巖體前端注漿壓力等于2次啟劈壓力與裂隙水壓之和時,即p=pd1+pd2+pw,漿液擴散半徑為Rg/cosα。由邊界條件p=pd1+pd2+pw、x=Rg/cosα及式(17),得注漿壓力為

pd1+pd2+pw。

(18)

方向為負方向,故式(18)變換為

pd2+pw。

(19)

工程實際中,當被注巖體所受最小主應力與抗拉強度之和低于劈裂通道內(nèi)部的注漿壓力時,二次啟劈注漿壓力為[16,18]

pd2=σ3+σt。

(20)

式中:σ3為巖石最小主應力;σt為巖石抗拉強度。

根據(jù)上文理論研究成果可知,影響注漿壓力的主要因素有裂隙傾角、初次啟劈壓力、二次啟劈壓力、裂隙水壓、設計劈裂擴散距離及漿液黏度時變性。若采用引流注漿工藝,在實際工程中會減小注漿壓力,增大漿液擴散距離。

3 陡傾斜大理巖注漿施工方案設計

3.1 注漿范圍及鉆孔布置

3.1.1 注漿范圍的確定

基于上述分析,采用地面預注漿方式對天山勝利隧道4號通風豎井涌水段進行治理。根據(jù)注漿施工規(guī)程和以往的施工經(jīng)驗,松散地層中漿液的最大注漿擴散半徑一般為8～12 m,漿液擴散半徑交叉重疊范圍為0.5 m。本試驗中漿液劈裂擴散半徑設計為15 m,每個井筒設計10個鉆孔,其中8個為注漿孔,2個為檢查孔。注漿孔和檢查孔布置如圖5所示。圖5中:R1=4.5 m為井身凈半徑,R2=5.65 m為靶區(qū)內(nèi)最大開挖半徑,R3=9 m為開孔點半徑,R4=15 m為靶區(qū)內(nèi)半徑,預計注漿完成后帷幕體厚度為5～6 m。

圖5 注漿孔和檢查孔布置

3.1.2 鉆孔布置

在井筒帷幕靶向區(qū)內(nèi)均布設置若干Ⅰ序鉆孔(鉆孔4111、4112、4113、4114)。沿地層傾角走向,首先選取同層位大埋深一側任一Ⅰ序鉆孔為起始注漿孔,任選一方向順時針或逆時針,與起始注漿孔相鄰Ⅰ序孔為走向引流孔,對角Ⅰ序鉆孔為傾向引流孔。

一開孔段:鉆孔深度為0～20 m,鉆孔形式為直孔,孔徑為311 mm,鉆進至完整基巖以下2 m,下放直徑為244.5 mm的一開套管,防止塌孔。二開孔段:鉆孔深度為20～105 m,鉆孔形式為定向斜孔,孔徑為215.9 mm,鉆進至巖帽段頂部,下放直徑為177.8 mm套管并用水泥漿液固管,確保不漏漿液。三開孔段:鉆孔深度為105～350 m,鉆孔形式為斜導和直孔,孔徑為152 mm。施工時,注漿孔先進行大泵量壓水,以疏通弱風化大理巖裂隙,保證注漿效果。壓水結束后開始注漿,同時打開引流孔進行抽水,使?jié){液沿地層走向流向同層位相鄰引流孔。

3.2 預注漿關鍵參數(shù)設計

3.2.1 漿液選型及配比

注漿材料以水泥、黏土液漿為主,在最后補強階段采用單液漿。105～140 m段為巖帽段,注漿為單液漿,單液水泥漿水灰質(zhì)量比為1∶1,1 m3單液水泥漿水泥用量為0.75 t?，F(xiàn)場環(huán)境溫度為-2～5 ℃,注漿段地層溫度約為2 ℃,嚴重影響漿液的初凝時間及其強度。為加速凝結,提高早期強度,氯化鈉、三乙醇胺的加入量分別按水泥用量的5‰及0.5‰計算。單液水泥漿材料配合比如表2所示。140～340 m段注入黏土水泥漿,黏土水泥漿液現(xiàn)場配比參數(shù)如表3所示。實時動態(tài)調(diào)整不同注漿段漿液原料配比,試驗試件如圖6所示。

(a) 單液水泥漿試件 (b) 黏土水泥漿試件

表2 單液水泥漿材料配合比

表3 黏土水泥漿液現(xiàn)場配比參數(shù)

3.2.2 注漿結束標準

注漿終量不大于60 L/min,達到注漿終壓并穩(wěn)定20～30 min后可結束該孔段的注漿工作。

3.2.3 注漿壓力

初次啟劈壓力采用水壓致裂法進行現(xiàn)場地應力測試取值,鉆孔水壓致裂法地應力測試深度在119.8～547.5 m,測試結果如表4所示。

表4 鉆孔水壓致裂法地應力測試結果

由式(20)可知,二次啟劈注漿壓力主要取決于巖體最小主應力和抗拉強度,在初次水壓致裂后,取出巖芯測量巖體力學試驗數(shù)據(jù)。測得巖體力學試驗參數(shù)如表5所示。

表5 巖體力學試驗參數(shù)

由表5測得二次啟劈壓力為2.15～2.64 MPa,不同埋深段漿液克服水的裂隙水壓不同,相關參數(shù)如表6所示。其中屈服剪切力τ0由式(3)和式(16)聯(lián)立計算得到。

表6 計算參數(shù)取值

以注漿段Ⅲ-1為例計算各區(qū)段的注漿壓力,將相關數(shù)據(jù)代入式(19),得

(21)

根據(jù)相關規(guī)范,鉆孔注漿終壓值不小于巖帽段裂隙水壓的1.5倍,孔深小于400 m的注漿段注漿終壓值不小于裂隙水壓的2.5～3.0倍。依據(jù)上述理論,確定不同段高的注漿壓力如表7所示。

表7 注漿段高及注漿壓力

3.3 大理巖微裂隙劈裂注漿工藝

1)注漿前打開引流孔孔口閥門,使鉆孔處于靜壓狀態(tài),然后對注漿孔進行大泵量壓水工作,以疏通大理巖裂隙,期間觀測引流孔水位上升及溢流情況,保證注漿效果。

2)針對注漿段漿液沿著巖層陡傾斜裂隙繞過巖帽段,造成漿液浪費的情況,由起始注漿孔沿地層走向流向同層位相鄰引流孔,沿地層傾向流向高層位對角引流孔,當注漿孔達到注漿結束標準時,結束注漿。

3)采用下行式分段注漿的方式,每個鉆孔注漿段段高按照50 m劃分,各注漿段高經(jīng)鉆孔—脈沖式壓水增透—注漿—壓水試驗等工藝,再進行下一段注漿,往復循環(huán)注漿至設計孔深,單液水泥漿和黏土水泥漿注漿量分別為628 m3和19 635 m3。

4 陡傾斜大理巖注漿效果分析

通過設置檢查孔41B1和41B2,結合常規(guī)注漿堵水效果檢測方法,分別采取孔內(nèi)電視法和光纖測溫法對檢查孔進行效果檢測,并結合注漿治理后的豎井掌子面?zhèn)缺诮衣肚闆r,綜合評價注漿堵水效果。

4.1 簡易水文觀測

41B1和41B2檢查孔采用清水鉆進,在每一段高初次鉆進時,詳實記錄鉆進過程中的沖洗液消耗情況,如圖7所示。41B1檢查孔注漿治理段在144.2～146.2 m段沖洗液消耗量最大值為180 L/m,148.65～150 m段沖洗液消耗量為133.33 L/m,其余部分平均為49.4 L/m,屬于正常消耗。41B2檢查孔注漿治理段僅在200 m處沖洗液消耗量偏大,為164.76 L/m,其余部分屬于正常消耗,平均為56.28 L/m。由此可以看出,4號豎井突涌水段注漿治理效果良好。

圖7 檢查孔沖洗液消耗曲線圖

4.2 孔內(nèi)電視法

通過檢查孔41B1和41B2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。檢查孔電視圖如圖8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孔122 m處 (b) 41B1孔322 m處

4.3 光纖測溫法

假設原始地層溫度恒定,考慮注漿后水泥水化放熱影響,注漿形成帷幕體后,帷幕內(nèi)外地層會產(chǎn)生一定溫差。測試段為105～350 m,布置傳感器間距為50 m,串聯(lián)6個溫度傳感器,按照1 m步距進行測量。光纖測溫曲線圖如圖9所示。由圖9可以看出:鉆孔深度在100～224 m段內(nèi),4114與41B1鉆孔溫度與溫度梯度變化明顯,均有2個低溫點,且均在150 m和184 m附近,說明該段內(nèi)2個鉆孔均無水流交替;在224 m到孔底段內(nèi),41B1鉆孔的溫度波動比較大,說明41B1在該段孔內(nèi)幾乎無水流交替,4114鉆孔的溫度波動相對較小,分析推測有弱水流交替,但其在該段的溫度梯度均值為0.022 76 ℃/m,說明其水流交替較小,即補給量較小。根據(jù)光纖測溫情況,可說明4號豎井突涌水段注漿治理效果良好。