水利工程超深豎井工作面涌水高壓預(yù)注漿施工技術(shù)

林 偉 明， 袁 赟， 謝 劍 波， 李 曉 琴

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 第一分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

由中國(guó)水利水電第十工程局有限公司承建的新疆KS9勘探試驗(yàn)洞S2豎井設(shè)計(jì)深度為687.613 m，豎井成型直徑為7.2 m，豎井圍巖大部分為新鮮巖體，巖性為肉紅色花崗巖，中粗粒斑狀結(jié)構(gòu)，Ⅲ類圍巖預(yù)計(jì)飽和抗壓強(qiáng)度為130 MPa，豎井圍巖為塊狀構(gòu)造，斑晶主要為鉀長(zhǎng)石，基質(zhì)為石英、斜長(zhǎng)石、角閃石等隱晶質(zhì)物質(zhì)。地質(zhì)資料顯示豎井地下水埋深42.6 m，滲水為基巖裂隙水，豎井預(yù)計(jì)總滲水量為5.6 m3/h[1]。根據(jù)所獲得的地質(zhì)資料，KS9勘探試驗(yàn)洞工程S2豎井采用礦山正掘法組織施工。礦山正掘法的主要施工方案為：“兩套提升機(jī)配大吊桶提升、液壓傘鉆鑿巖、中心回轉(zhuǎn)抓巖機(jī)裝渣清底、掘進(jìn)、支護(hù)循環(huán)作業(yè)”。

但在實(shí)際施工過(guò)程中，豎井開挖至1 069 m高程(井深160 m)時(shí)，井筒的總體滲水量已達(dá)5 m3/h，同時(shí)，由于井筒豎向裂隙發(fā)育，裂隙的傾角接近80°，主要裂隙、斷層帶平面位置隨開挖工作面下移不斷變化。受地質(zhì)裂隙影響，井內(nèi)的涌水始終隨開挖面向豎井下部延伸；當(dāng)豎井開挖至1 002 m高程(井深227 m)時(shí)總滲水量超過(guò)8 m3/h；至956 m高程(井深273 m)時(shí)，豎井總滲水量已達(dá)20.91 m3/h，此時(shí)工作面探水孔的單孔探水量已達(dá)19.2 m3/h，若不采取措施控制涌水、繼續(xù)豎井掘進(jìn)，其工作面的總涌水量預(yù)計(jì)將達(dá)到100 m3/h，存在淹井風(fēng)險(xiǎn)以致于無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。

2 涌水處理方案的比選

結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，豎井涌水的治理通常采取深孔地面注漿、工作面涌水高壓注漿及冷凍法施工，筆者將各施工方案的主要方法及優(yōu)缺點(diǎn)介紹于后：

(1)深孔地面注漿[2]。該方案主要是利用布置于地面的深孔地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，鉆孔完成后再進(jìn)行高壓灌漿形成帷幕以封堵井筒涌水。由于注漿工作面位于地面，該方案具有施工條件好且不影響井下正常掘進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，但根據(jù)該工程特點(diǎn)，帷幕注漿孔的孔深需達(dá)700 m，鉆孔精度控制困難且施工成本高。

(2)工作面涌水高壓注漿。該方案主要是利用布置于井下掘進(jìn)工作面的潛孔鉆機(jī)造孔后形成帷幕，但受井下施工條件限制，工作面涌水高壓注漿鉆孔的孔深通常較短。該方案因掘進(jìn)過(guò)程中可根據(jù)井筒的滲水情況靈活調(diào)整施工參數(shù)而具有施工方便快捷且成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但由于井下掘進(jìn)、注漿無(wú)法同時(shí)進(jìn)行，其對(duì)工期影響較大。

(3)凍結(jié)法[3]施工。該方案主要是在井筒周圍鉆若干個(gè)凍結(jié)孔，孔內(nèi)安裝由供液管、回液管和底端封閉的凍結(jié)管組成的凍結(jié)器，利用地面冷凍站將制出的低溫媒劑(一般為-20℃～-30℃的鹽水-氯化鈣溶液)循環(huán)輸送到凍結(jié)器內(nèi)吸收地層的熱量，使含水層形成以凍結(jié)管為中心的凍結(jié)圓柱，逐漸擴(kuò)大與相鄰的凍結(jié)圓柱連成封閉的凍結(jié)壁。該方案對(duì)涌水的治理效果最好且主要針對(duì)涌水量大的豎井。但該方案施工程序復(fù)雜、施工投入巨大。

在方案比選階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并通過(guò)多次專家咨詢及論證，最終選擇采用工作面涌水高壓注漿方案進(jìn)行井筒涌水的治理。

3 工作面高壓預(yù)注漿

3.1 灌漿工作面加固巖帽

高壓預(yù)注漿施工前，由于受施工條件限制，井內(nèi)工作面施作混凝土墊層困難，因此，為保證工作面預(yù)注漿效果，首先對(duì)豎井工作面以下3 m巖層進(jìn)行注漿固結(jié)，使其形成一個(gè)3 m厚的密實(shí)巖帽，起到密封深部巖層裂隙水的目的。

加固巖帽首先采用YT-28風(fēng)鉆在工作面進(jìn)行豎向造孔，注漿孔徑為42 mm，注漿孔深為3 000 mm，注漿孔造孔完成后預(yù)埋φ25、L=1 000 mm的焊管作為注漿管。該工程豎井成形直徑為7.2 m，根據(jù)開挖斷面的大小，加固巖帽的注漿孔以豎井中心為原點(diǎn)環(huán)向布置了3圈，注漿孔環(huán)向布置間距為2 m。按照注漿的先后順序，第一圈注漿孔布置圈徑D=7 m，單圈注漿孔為11個(gè)，注漿孔布置角度垂直工作面(90°)；第二圈注漿孔布置圈徑D=3 m，單圈注漿孔為5個(gè)，注漿孔布置角度垂直工作面(90°)；第三圈注漿孔布置圈徑D=7.8 m，單圈注漿孔為12個(gè)，注漿孔與工作面的夾角為72°。注漿孔施工完成后，利用預(yù)埋的孔口管進(jìn)行注漿，注漿采用純水泥灌注，將注漿終壓控制在3 MPa以內(nèi)。以上三圈注漿孔加固完成后，對(duì)工作面巖層中的滲水點(diǎn)再進(jìn)行補(bǔ)孔加固，盡可能地保證工作面圍巖加固密實(shí)。加固巖帽注漿孔的布置情況見(jiàn)圖1。

3.2 工作面高壓預(yù)注漿造孔

工作面加固巖帽施工完成后，采用SKQ100型潛孔鉆機(jī)進(jìn)行工作面高壓預(yù)注漿造孔施工。高壓預(yù)注漿造孔分兩個(gè)階段進(jìn)行，分別為：

(1)孔口管預(yù)埋段：孔口管預(yù)埋段主要用于預(yù)埋注漿孔口管。在高壓預(yù)注漿施工期間，孔口管為主要承壓構(gòu)件?？卓诠茴A(yù)埋鉆孔孔徑為130 mm，孔深為3 m，孔口段造孔完成后安裝直徑為108 mm的焊管作為孔口管，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，使其與圍巖成為一體。棉紗纏裹注漿管形成倒楔形，起到注漿期間對(duì)管內(nèi)液體反向壓力的阻尼作用。孔口管注漿待凝48 h并試壓，當(dāng)注漿壓力達(dá)到7 MPa并經(jīng)檢查孔口管無(wú)松動(dòng)漏水情況后開始進(jìn)行管內(nèi)注漿孔的造孔施工。

(2)注漿孔造孔：管內(nèi)注漿孔的造孔同樣采用SKQ100型潛孔鉆機(jī)施工。因注漿孔需從孔口管內(nèi)穿過(guò)，因此，注漿孔的施工采用直徑95 mm的鉆頭在已預(yù)埋的孔口管內(nèi)沿孔口管方向套孔，直至孔深25 m為止。成孔后加蓋，測(cè)出孔內(nèi)的涌水量和水頭壓力。工作面高壓預(yù)注漿及孔口管情況見(jiàn)圖2。

3.3 注漿方案

3.3.1 注漿設(shè)備的選型及注漿參數(shù)

注漿機(jī)為2TGZ-60/210型雙液調(diào)速高壓注漿泵，以水泥單液漿為主，水泥、水玻璃雙液漿為輔，水泥漿配合比為水泥∶水=1∶1；注漿之水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6～0.8，最大不得超過(guò)1∶1。水玻璃選用38～42 Be、2.8～3.2模數(shù)的堿性水玻璃。水泥單、雙液漿的配制情況見(jiàn)表1、2。

圖1 加固巖帽注漿孔布置示意圖

圖2 工作面高壓預(yù)注漿及孔口管示意圖

3.3.2 注漿參數(shù)

(1)注漿范圍：工作面高壓預(yù)注漿自高程955 m(井深274 m)開始，至井底541 m(井深688 m)高程結(jié)束，注漿總段高為414 m。

(2)段高：工作面高壓預(yù)注漿鉆孔深度為25m，每循環(huán)預(yù)留5 m作為下循環(huán)巖帽，因此，注漿布孔段高20 m，即每開挖20 m進(jìn)行一輪工作面高壓預(yù)注漿施工。

表1 單液漿配制表

表2 雙液漿配制表

(3)孔距：注漿孔環(huán)向間距為2 m，單圈布孔數(shù)量為11孔。

(4)注漿壓力：工作面高壓預(yù)注漿壓力根據(jù)鉆孔期間的孔口壓力確定注漿壓力，注漿壓力原則上以不超過(guò)孔內(nèi)水壓的1.4倍為宜，注漿終壓最大值不超過(guò)7 MPa。

(5)注漿材料：注漿采用水泥單漿液及水泥-水玻璃雙液漿灌注，注漿水泥中采用抗低堿水泥(P.MSR42.5)進(jìn)行水泥漿拌制。根據(jù)施工需要，漿液主要采用1∶1、1∶0.75、1∶0.6三種配比。根據(jù)工程特性未采用化學(xué)注漿[4]，其中水玻璃的主要參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 硅酸鈉參數(shù)表

(6)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：?jiǎn)慰子克啃∮?.5 m3/h時(shí)進(jìn)行封孔，結(jié)束注漿。

(7)注漿順序：根據(jù)注漿孔位置采用“分序間隔”注漿方式，將注漿孔平面間隔分為Ⅰ、Ⅱ序，先注Ⅰ序孔，后注Ⅱ序孔。

3.3.3 注 漿

(1) 壓水試驗(yàn)。將注漿管接好孔口管上的連接管，再接上三通混合器與注漿泵連接。關(guān)閉進(jìn)漿高壓球閥，打開卸漿閥，將注漿泵接好后把籠頭放入清水桶內(nèi)，開泵試驗(yàn)管路是否通暢，卸漿閥是否出水正常；確認(rèn)正常后，打開進(jìn)漿閥，關(guān)閉卸漿閥，打清水試壓并做好記錄，打水試壓約10～15 min。若孔內(nèi)吸水正常，則準(zhǔn)備注漿。

(2)注 漿。 ① 先將吸漿管移至儲(chǔ)漿桶，開始注漿。注漿過(guò)程中，注漿泵司機(jī)和混合器放漿人員要時(shí)刻觀察注漿壓力表和注漿孔周圍的圍巖，當(dāng)巖帽出現(xiàn)異?；驂毫芸焐邥r(shí)，要及時(shí)打開泄壓閥，封孔；若無(wú)變化則繼續(xù)注漿；當(dāng)籠頭不吸漿液或壓力達(dá)到終壓后進(jìn)行封孔。② 注漿結(jié)束后，先將吸漿籠頭移至清水桶，吸注適量的清水，然后打開混合器前端的放漿閥門，關(guān)閉孔口管后端的進(jìn)漿閥門，繼續(xù)壓入清水，沖洗管路，直至混合器放漿閥門噴出清水后方可關(guān)閉壓風(fēng)，停止注漿機(jī)，然后施工下一個(gè)注漿孔，施工方法同上。③ 跑漿情況的處理:注漿時(shí)如發(fā)現(xiàn)壓力突然下降而不回升，或吸漿量突然增大，應(yīng)檢查注漿點(diǎn)附近是否出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，采用水泥、水玻璃等進(jìn)行封堵，同時(shí)適當(dāng)增加漿液濃度，或加大摻料比例以調(diào)整凝膠時(shí)間，采用低壓注漿、間歇注漿等方法以防止繼續(xù)跑漿。④ 竄漿情況的處理：注漿過(guò)程中，如出現(xiàn)泄壓孔出漿的情況，證明已竄漿，應(yīng)將泄壓閥關(guān)閉，待達(dá)到注漿壓力時(shí)及時(shí)將注漿孔及泄壓孔用雙液漿封堵。

(3)堵 孔。注漿過(guò)程中，在注漿壓力上升至設(shè)計(jì)壓力時(shí)，調(diào)整漿液為水泥水玻璃雙液漿以便快速堵水，每個(gè)孔用雙液漿封孔結(jié)束后，于5～6 min后即可拆下注漿的孔口球閥。

3.3.4 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處布置檢查孔，檢查孔原則上不少于4個(gè)。檢查孔的施工方式同超前固結(jié)灌漿孔。檢查孔以豎井中心為圓心布置，檢查孔深度L=25 m，檢查孔布置位置根據(jù)超前固結(jié)灌漿孔出水情況有針對(duì)性地選擇出水量較大的位置布置，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；如檢查孔滲水量仍大于0.5 m3/h，應(yīng)根據(jù)需要增設(shè)超前灌漿孔以確保封水效果。

4 工作面高壓預(yù)注漿的實(shí)施效果

由于該工程豎井開挖斷面小，地下水為裂隙水補(bǔ)給，連續(xù)穩(wěn)定，出水量大，豎井滲水已經(jīng)對(duì)井

下鉆孔、出渣、支護(hù)等造成很大影響，加之豎井地處嚴(yán)寒地區(qū)，地下水對(duì)井下工人的安全操作亦造成極大的影響。針對(duì)上述問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)地分析地下水補(bǔ)給的特點(diǎn)，在采取了工作面高壓預(yù)注漿方案后，將豎井工作面的滲水始終控制在5 m3/h，基本達(dá)到了預(yù)期效果。井筒涌水的有效控制不僅大幅度改善了井下作業(yè)環(huán)境，同時(shí)亦達(dá)到了豎井快速施工的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

新疆KS9豎井設(shè)計(jì)井深為687 m。在其施工過(guò)程中水文地質(zhì)條件變化大、地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖豎向裂隙發(fā)育、滲水量大，豎井深度及獨(dú)特的地質(zhì)條件在水利工程及礦井建設(shè)過(guò)程中均屬罕見(jiàn)。在該工程實(shí)施過(guò)程中，面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)情況，在無(wú)類似工程經(jīng)驗(yàn)可借鑒的條件下，以項(xiàng)目為依托采取高壓注漿方案控制了井筒滲水。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果進(jìn)行分析，KS9豎井施工月平均進(jìn)尺達(dá)60 m/月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前國(guó)內(nèi)滲水超深豎井[5]的平均強(qiáng)度，豎井施工在方案調(diào)整后較計(jì)劃工期提前兩個(gè)月完成，取得了較好的實(shí)踐效果。