新疆某引水工程豎井井筒滲水治理專項(xiàng)措施

劉錄錄

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830091)

0 前 言

在中國水利工程建設(shè)中，豎井高水頭強(qiáng)滲水一直是影響水利工程安全施工的隱患之一，也是水利工程施工安全和技術(shù)性難題[1]。在引水隧洞掘進(jìn)施工過程中，通常都會(huì)遇到大量涌水和突水的問題，而主要的治理對策就是開挖前進(jìn)行預(yù)注漿以及施工后進(jìn)行補(bǔ)注漿的操作，這種常規(guī)的堵水措施常常受到不同環(huán)境條件的限制，所以堵水效果并不理想[2]?？偨Y(jié)介紹新疆某引水隧洞豎井井壁大面積滲水問題，通過對滲水治理設(shè)計(jì)方案以及施工措施進(jìn)行介紹，以期為類似工程問題提供參考。

1 工程概況

新疆某工程豎井設(shè)計(jì)深度686.113 m，井口設(shè)計(jì)標(biāo)高1 229.00 m，從豎井開挖后揭示的圍巖情況看，豎井主要巖石巖性為花崗巖，肉紅色，中粗粒結(jié)構(gòu)，巖體較完整，塊狀構(gòu)造，為Ⅲ類圍巖。豎井主要裂隙、斷層帶平面位置為東北至東南方向，裂隙傾角接近80°，主要層狀裂隙隨開挖工作面垂直向豎井下部延伸，且裂隙間不規(guī)則層狀構(gòu)造發(fā)育，局部存在被斷層且破碎成碎裂巖和糜棱巖，為碎裂結(jié)構(gòu)。根據(jù)招標(biāo)文件及豎井柱狀圖得知，豎井地下水位線高程1 185.80 m，地下水埋深43.5 m，豎井總體滲水量預(yù)計(jì)為5.6 m3/h。

2016年6月29日豎井開始進(jìn)行鉆爆施工，開挖至1 162.80 m高程時(shí)，開始出現(xiàn)滲水，井壁潮濕，滲水呈滴狀分布；豎井開挖至1 011.00 m高程時(shí)，井壁圍巖變差，西南側(cè)井壁開挖面初露糜棱巖，并且滲水逐步增加，糜棱巖部分受水浸泡發(fā)生膨脹、變形、遇水軟化(見圖1)，豎井總滲水量超過8 m3/h；豎井開挖至988.00 m高程時(shí)掌子面井檢孔出現(xiàn)集中涌水(見圖2)，豎井總體滲水量達(dá)到15 m3/h；豎井開挖至956.00 m高程時(shí)，豎井井壁及工作面井檢孔滲水量隨開挖工作面持續(xù)增加，由于井內(nèi)滲水來源豐富，補(bǔ)給來源穩(wěn)定，涌水量相對分散，井內(nèi)呈現(xiàn)“水簾洞”環(huán)境，導(dǎo)致豎井底部工作面總涌水量為35～40 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)計(jì)滲水量，給施工作業(yè)帶來諸多困難和不便，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，需盡快采取措施對當(dāng)前滲水進(jìn)行治理。

圖1 井壁裂隙滲水圖

圖2 井檢孔集中涌水圖

2 治理方案設(shè)計(jì)

發(fā)現(xiàn)滲水問題后，通過現(xiàn)場查看當(dāng)前豎井實(shí)際施工情況，并參考前人的相關(guān)研究成果及堵水經(jīng)驗(yàn)[3-6]，結(jié)合工程滲水特點(diǎn)，針對性設(shè)計(jì)如下滲水治理方案。

2.1 超前固結(jié)灌漿

在豎井地質(zhì)資料不詳?shù)那疤嵯拢捎孟忍胶缶虻姆绞竭M(jìn)行豎井開挖。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016年版)中“第五十一條 立井井筒穿過預(yù)測涌水量大于10 m3/h的含水巖層或者破碎帶時(shí)，應(yīng)該采用地面或者工作面預(yù)注漿法進(jìn)行堵水或者加固”[7]。因此在豎井掘進(jìn)之前，在豎井開挖掌子面根據(jù)開挖滲水情況進(jìn)行預(yù)注漿，預(yù)注漿設(shè)計(jì)深度為25 m，灌漿封堵采用水玻璃水泥漿液，此混合型漿液可以克服單液水泥漿的凝結(jié)時(shí)間長且難以控制、在動(dòng)水條件下結(jié)石率低等缺點(diǎn)，提高了水泥注漿的效果，有效達(dá)到快速堵漏的目的[8]。

2.2 布置檢查孔

超前固結(jié)灌漿孔施工完成后，以豎井中心為圓心布置25 m深垂直檢查孔4個(gè)，檢查孔布置位置應(yīng)根據(jù)超前固結(jié)灌漿孔出水情況而定，有針對性選擇出水量較大位置布置。當(dāng)檢查孔單孔涌水量小于0.5 m3/h時(shí)，工作面灌漿結(jié)束；如檢測孔滲水量仍大于0.5 m3/h時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，并根據(jù)需要增設(shè)超前灌漿孔個(gè)數(shù)，以確保封水效果。

2.3 壁后隨機(jī)注漿

在掘進(jìn)過程中，根據(jù)混凝土襯砌后表面出水情況，有針對性地對井壁滲水點(diǎn)進(jìn)行隨機(jī)灌漿封堵。壁后注漿孔鉆孔深度約3～3.5 m，鉆孔內(nèi)套1寸中空鋼管作為注漿管，注漿管長度約40～60 cm，注漿管埋設(shè)長度以穿過井壁混凝土為準(zhǔn)。注漿孔間、排距根據(jù)出水點(diǎn)情況確定，注漿孔布置主要以封堵水眼為主，井壁注漿期間可根據(jù)開孔位置現(xiàn)場繪制灌漿布孔圖。

2.4 井壁設(shè)置腰泵房

在豎井290 m深度的井壁處設(shè)置腰泵房，然后采用三級抽排系統(tǒng)，逐級將井內(nèi)工作面滲水集中抽排至井口，以此來調(diào)整豎井排水方式。腰泵房的結(jié)構(gòu)形式為半圓拱形斷面，泵房開口位置斷面設(shè)計(jì)尺寸為凈寬4 m×凈高3.5 m；水池部分?jǐn)嗝嬖O(shè)計(jì)尺寸為凈寬4 m×凈高5 m；蓄水池尺寸為長4.5 m×寬4 m×深3 m，為防止再次滲漏，蓄水池鋪底和周圍圍巖支護(hù)均采用壁厚20 cm混凝土支護(hù)，混凝土強(qiáng)度C30。

3 施工措施

3.1 超前固結(jié)灌漿施工

(1) 預(yù)埋孔口管：孔口管孔深3 m，孔徑130 mm?？卓诙卧炜淄瓿珊蟀惭b直徑108 mm焊管作為孔口管，孔口管一端焊接法蘭盤，另一端纏裹棉紗插入孔內(nèi)，然后加蓋注漿，固結(jié)孔口管，使其和圍巖成為一體。棉紗纏裹注漿管形成倒楔行，起到注漿期間對管內(nèi)液體反向壓力的阻尼作用，孔口管注漿待凝48 h后開始進(jìn)行超前固結(jié)灌漿孔造孔施工。

(2) 超前固結(jié)灌漿孔：根據(jù)當(dāng)前工作面圍巖裂隙、出水點(diǎn)和涌水量情況，經(jīng)設(shè)計(jì)、地質(zhì)工程師現(xiàn)場確定布孔位置?？卓诠懿贾萌綖?.2 m，角度81°，數(shù)量為1圈，預(yù)期漿液擴(kuò)散半徑1.5 m。超前灌漿孔施工過程中，隨時(shí)觀察鉆進(jìn)過程中孔內(nèi)滲水量大小，若單孔滲水量超過2 m3/h，遂暫停造孔作業(yè)并立即采用氣動(dòng)注漿泵對滲水孔進(jìn)行灌漿封堵。滲水孔封堵結(jié)束待凝后重新沿原孔口管進(jìn)行套孔施工，如此循環(huán)直至灌漿孔鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度25 m后，仍要采用氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行注漿并封孔。

(3) 檢查孔：超前固結(jié)灌漿施工完成后，在距離超前固結(jié)灌漿孔內(nèi)側(cè)30～40 cm布置檢查孔，檢查孔原則上不小于4個(gè)，檢查孔施工方式與超前固結(jié)灌漿孔一樣。

3.2 井壁壁后注漿施工

井壁注漿期間利用吊盤上盤作為工作臺(tái)，吊盤上盤3.6 m鉸車提升喇叭口采用鐵盒子板封閉作為注漿施工泵站使用，注漿設(shè)備主要采用氣動(dòng)注漿泵及0.3 m3自制水泥漿攪拌罐進(jìn)行施工，水泥采用PSHR.42.5高抗水泥經(jīng)0.3 m3自制水泥攪拌罐現(xiàn)場拌制，水泥漿拌制好后通過水泥漿攪拌罐底部輸料管流入水泥漿液容器內(nèi)，水泥漿液+水玻璃通過高壓注漿泵壓入井壁后充填裂隙以達(dá)到封水效果。注漿管纏棉紗后利用手風(fēng)鉆將注漿管推進(jìn)至注漿孔內(nèi)，然后壓清水測壓，確定注漿管耐壓強(qiáng)度不小于1.5 MPa后方可注漿充填。

3.3 腰泵房施工

圖3 截水槽布置示意圖 單位：cm

(1) 截水槽施工。截水槽部分空間需要在澆筑混凝土期間進(jìn)行預(yù)留。然后在主洞上游軸線方向截水槽下部安裝?50 mm焊管加工的90°彎頭，待混凝土凝固后在水彎頭上安裝?50 mm塑料高壓軟管，塑料高壓軟管用?20 mm螺紋鋼筋加工的U形管卡固定在2根(?20 mm；L=2.5 m)樹脂錨桿上，U形管卡卡扣布置間距6 m設(shè)置1個(gè)，局部根據(jù)施工情況適當(dāng)進(jìn)行加密。施工中為保證截水槽截水效果，可將厚度為3 mm的鐵皮彎制成水槽，以擴(kuò)大截水槽截水面積，截水槽布置如圖3所示。

(2) 豎井井筒臨時(shí)支護(hù)。當(dāng)豎井開挖工作面開挖至290 m深度后，凈高度達(dá)到4.8 m，且處于巖石相對穩(wěn)定區(qū)域，即開始準(zhǔn)備腰泵房施工。由于腰泵房施工期間，素混凝土整體支護(hù)無法及時(shí)進(jìn)行施工，且腰泵房施工直線工期占用時(shí)間較長，為避免已開挖段井筒圍巖長時(shí)間暴露、風(fēng)化，施工前先采用錨噴支護(hù)的方式對已開挖井筒進(jìn)行支護(hù)。

(3) 腰泵房施工前鎖口。腰泵房施工前，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)诰谏戏懦銎浣Y(jié)構(gòu)輪廓線。泵房掘進(jìn)前首先采用(?20 mm；L=2.5 m)樹脂錨桿對開挖區(qū)域進(jìn)行鎖口，腰泵房開挖前鎖口形式如圖4所示。

圖4 腰泵房鎖口立面圖 單位：cm

(4) 腰泵房開挖。腰泵房開挖遵循“淺眼、密孔、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)”的施工原則，平洞開挖采用楔形掏槽，周邊進(jìn)行光面爆破，平洞施工積碴，采用人工手持鐵鍬清理至洞外。蓄水池向下開挖部分采用手風(fēng)鉆豎向造孔，楔形掏槽，裝藥方式與平洞相同，爆破后由于石碴距離較遠(yuǎn)，該部分碴使用電動(dòng)挖掘機(jī)將石碴從洞室內(nèi)挖運(yùn)至豎井內(nèi)。

(5) 腰泵房支護(hù)。腰泵房施工過程中在每茬炮洞碴清理完成后及時(shí)跟進(jìn)錨噴支護(hù)。腰泵房錨噴支護(hù)參數(shù)為：錨桿采用(?20 mm 、L=2.5 m)高強(qiáng)樹脂錨桿，間排距為70 cm×70 cm，采用Z2335樹脂藥卷灌注和?8 mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距為10 cm×10 cm；C25混凝土噴護(hù)，噴護(hù)厚度10 cm。噴混凝土料經(jīng)地面拌和制完成后經(jīng)皮帶輸送至距豎井工作面1.2 m后停下，打開吊桶卸料閘，將料傾斜至工作面隔水布上，人工上料進(jìn)噴混凝土機(jī)。

(6) 腰泵房鎖口混凝土澆筑。腰泵房進(jìn)洞段1 m采用C30混凝土進(jìn)行鎖口，鎖口混凝土厚度30 cm。將預(yù)拌好的混凝土裝入底卸式吊桶內(nèi)吊至事先準(zhǔn)備好的溜槽上，打開底卸式吊桶底部卸閘，吊桶中混凝土經(jīng)溜槽導(dǎo)入澆筑倉面內(nèi)。混凝土入模后采用插入式高頻混凝土振搗器，混凝土澆筑分層高度不得超過振搗器作用部分長度1.25倍。采用“快插慢提”振搗方式，直到混凝土漿液上泛為止，振搗間距為400～500 mm左右。

3.4 三級排水系統(tǒng)施工

豎井采用三級抽排系統(tǒng)，逐級將井內(nèi)工作面滲水集中抽排至井口。豎井一級排水由工作面抽排至吊盤，工作面出碴期間預(yù)留約50 cm深集水坑，內(nèi)置風(fēng)泵或者潛水泵接?50 mm橡膠軟管抽排至吊盤鋼板水池內(nèi)；二級排水自吊盤采用臥泵將鋼板水池內(nèi)滲水抽排至腰泵房水池內(nèi)，二級排水管路吊盤附近10 m內(nèi)采用橡膠軟管連接，以滿足吊盤避炮上下起落的需要，其余部分采用?108 mm焊管作為排水管路，焊管部分采用I20工字鋼固定于井壁之上，工字鋼預(yù)埋深度30 cm，外露約1 m，固定鋼管工字鋼豎向間距10～15 m；三級排水自腰泵房至井口，采用布置于腰泵房內(nèi)2臺(tái)臥泵將水抽排至井口，采用布置于井壁?159 mm焊管作為排水管路，排水鋼管仍采用I20工字鋼固定，I20工字鋼設(shè)置參數(shù)與二級排水相同。由于豎井施工管道內(nèi)回水壓力較大，水泵安裝期間在管道與水泵間安裝逆止閥。

4 結(jié) 語

經(jīng)各方面努力，滲水專項(xiàng)治理措施在施工中取得了較為理想的成果，成功封堵了井壁滲水，改善了施工環(huán)境，加快了施工進(jìn)度，達(dá)到了方案設(shè)計(jì)要求。截止日前，豎井開挖工作已全部完成，處理后的豎井井壁混凝土墻面干燥，無明顯滲水跡象，鉆孔注漿部位外觀平整。為同類型豎井治理滲水措施提供了技術(shù)參考。