鐵路隧道深豎井井筒防治水設(shè)計及施工技術(shù)

梁 敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

截至2020年，我國運營鐵路隧道里程已突破18 000 km，隨著鐵路建設(shè)投入力度不斷加大，隧道工程日益增加。長大隧道多為項目的控制性工程，不但面臨隧道長、修建難度大等問題，還對線路總工期有重要影響[1-2]。高黎貢山隧道是目前在建的亞洲第一鐵路長隧，也是我國第1條穿越橫斷山脈的鐵路隧道，為確保隧道按時貫通，在其中部設(shè)置2號豎井[3-4]。豎井相比斜井，具有開拓工程量少、建設(shè)周期短的優(yōu)點，但需采取特殊鑿井工藝，降低水患對井筒的不良影響。由于2號豎井所在區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件異常復(fù)雜，注漿設(shè)計及施工面臨更大挑戰(zhàn)。因此，高黎貢山隧道2號豎井井筒防治水的設(shè)計與施工對地面預(yù)注漿技術(shù)的推廣具有重要意義。

1 地面預(yù)注漿技術(shù)

水害對建井周期及井壁質(zhì)量的影響很大[5]。地面預(yù)注漿技術(shù)是礦山立井防治水的重要方法，其對圍巖隔水性能的改善是永久性的[6-7]。施工時，通過地面布置的鉆機向未開挖井筒周邊的基巖含水層鉆入注漿孔，使用高壓注漿設(shè)備和止?jié){裝置向受注巖層注入具有膠結(jié)堵水性能的材料，待其凝固后在井筒周邊形成隔水帷幕，起到降低水害的作用。我國煤礦地面預(yù)注漿技術(shù)誕生于20世紀50年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成完整的成套工藝、材料及裝備體系。該項技術(shù)已在我國西北地區(qū)的寧夏紅二煤礦、新疆漢水泉煤礦，兩淮地區(qū)的楊村煤礦、丁集礦，華北的唐山大賈莊鐵礦等多個礦井中成功應(yīng)用，有效降低了水患威脅，提升了井筒建設(shè)速度[8-15]。

2 工程概況及地質(zhì)特征

2.1 工程概況

高黎貢山隧道的工期直接關(guān)系著大瑞鐵路的通車時間，為加快施工進度以及適應(yīng)運營期間通風(fēng)、防災(zāi)救援等需要，在高黎貢山隧道中部設(shè)置2號豎井，采用主、副井型式，主井井深640.22 m，內(nèi)徑6.0 m；副井井深640.36 m，內(nèi)徑5.0 m(圖1)。

圖1 隧道輔助坑道平面布置

2.2 區(qū)域地質(zhì)特征

高黎貢山隧道穿越喜馬拉雅地震帶，屬高黎貢山古生界變質(zhì)巖緊密褶皺和花崗巖體高山區(qū)。2號豎井位于龍陵縣黃草壩村南東方向約2.7 km山坡頂部，區(qū)內(nèi)圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育多段斷層擠壓破碎帶及構(gòu)造影響帶，構(gòu)造帶巖體破碎—極破碎。井址附近發(fā)育的構(gòu)造主要有大坪子—田新坡斷層和勐冒斷層。

2.3 井檢孔揭示地質(zhì)條件

根據(jù)《煤礦井巷工程施工規(guī)范》要求，于線路D1K212+428.47 m左側(cè)38.5 m處施工高黎貢山2號豎井井筒檢查孔，鉆孔位置與2號豎井平面位置如圖2所示。

圖2 井筒檢查孔平面布置

井檢孔揭露地層巖性為花崗巖，受構(gòu)造擠壓影響，巖體完整性較差，間斷出現(xiàn)巖體擠壓破碎帶、構(gòu)造影響帶等。揭露構(gòu)造影響帶共14處，總厚度63.2 m，分布深度位于50～577 m，巖芯一般呈碎塊狀、圍巖條件以Ⅳ級為主；擠壓破碎帶共10處，總厚度105.3 m，分布深度位于100～520 m，一般其礦物成分高度風(fēng)化，呈現(xiàn)松散顆粒狀，部分分化為土狀，圍巖以Ⅴ級為主。

井檢孔揭露高黎貢山隧道2號豎井施工范圍內(nèi)主要分布7層含水層，其中井深80～150 m分布3層，井深260～480 m分布3層，井深480～640 m分布1層。主井預(yù)測正常涌水量為2 006 m3/d，最大涌水量為6018m3/d。副井預(yù)測正常涌水量為1 946 m3/d，最大涌水量為5 838 m3/d。

3 地面預(yù)注漿設(shè)計方案

3.1 總體方案

由于2號豎井場坪已布置有主、副井提升機房、穩(wěn)車電控室、攪拌站等構(gòu)筑物及設(shè)施，整體方案應(yīng)最大限度減少對井口場坪及其他設(shè)備的影響，還應(yīng)滿足后期下部基巖注漿與上部井筒掘砌能夠平行作業(yè)。因此，采用“S”形定向鉆孔技術(shù)，在井架基礎(chǔ)外圍設(shè)置鉆機平臺，通過定向技術(shù)將鉆孔在靶點引入到井筒周邊。

3.2 鉆孔布置

高黎貢山隧道2號豎井地層以花崗巖為主，屬于變質(zhì)巖，與煤礦地層所處的沉積巖地層有很大不同，變質(zhì)巖地層巖性起伏變化大，在進行注漿設(shè)計時參數(shù)選擇較保守。

地面預(yù)注漿孔數(shù)設(shè)計要考慮井筒直徑、漿液有效擴散距離、地層巖性、漿液特性及現(xiàn)場施工條件等因素來確定，公式：

N=π(D1+2A)/L

(1)

式中，N為注漿孔個數(shù)；D1為井筒荒徑，取7.4 m；A為井筒荒徑至布孔圈有效距離，取1.5 m；L為注漿孔間距，一般取4～6 m。

注漿孔數(shù)為基巖注漿段同一水平面上均布的孔數(shù)，且取偶數(shù)[13]。通過計算，設(shè)計單個井筒的注漿孔數(shù)為6個。由于井架南北兩側(cè)需預(yù)留排矸位置，為保證場地內(nèi)交通運輸及鑿井期間排矸的需要，將鉆機平臺布置在井架基礎(chǔ)附近，每個鉆機平臺內(nèi)布置 2個鉆孔。注漿孔平面布置如圖3所示(以主井為例)，以井筒中心為圓心，鉆孔地面布孔圈徑34 m，SZ1—SZ6為地面布孔孔位，通過定向技術(shù)，進入地下后鉆孔在靶點位置進入井筒周邊范圍。注漿孔設(shè)計參數(shù)：主井副井均注漿6個，地面布孔34個，落點圈徑分別為10.3、9.3 m，落點孔間距分別為5.15、4.65 m。

3.3 注漿深度及鉆孔結(jié)構(gòu)

由于第①—③含水層涌水量較少，第④含水層及以下涌水量較大，因此，注漿上限為第④含水層頂部250 m處，注漿下限為第⑦含水層下10 m，即深度590 m?！癝”形注漿孔設(shè)計孔深為590 m，采用二級結(jié)構(gòu)，一級為套管段(不作注漿用)，起止深度為0～250 m，定向孔身剖面類型，采用三段制，即“增斜—穩(wěn)斜—降斜”結(jié)構(gòu)；二級為注漿段，起止深度為250～590 m，直孔孔身剖面類型。主井“S”形定向孔設(shè)計造斜率4.5～5.5°/(30 m)，降斜率3.5～4.5°/(30 m)；副井“S”形定向孔設(shè)計造斜率4.5～5.0°/(30 m)，降斜率3.5～4.0°/(30 m)。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 工藝流程

考慮到注漿段內(nèi)擠壓破碎帶及構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，工程地質(zhì)條件極差，采用分段下行式注漿工藝，即分段高、分次注漿，優(yōu)點是可以針對含水巖層精確注漿，避免漿液的浪費。

(1)套管段鉆進。鉆進時，使用TSJ-2000型鉆機，最大鉆探能力為2 000 m，電動機功率110 kW。泥漿循環(huán)選用TBW-850型臥式雙缸雙作用活塞泵，最大排量850 L/min，電動機功率90 kW。配合以先進的JDT-6型定向測斜設(shè)備和螺桿定向鉆具，設(shè)計每鉆進30 m測斜1次，終孔偏斜率控制在0.5%以內(nèi)。

(2)下套管、固管。套管段鉆孔完成后，將尺寸為φ168 mm×8 mm的無縫鋼管從孔口下入鉆孔中，套管連接處采用管箍焊接，套管下放完成后采用水灰比為0.6∶1.0的單液水泥漿固管。

(3)注漿段鉆進。固管結(jié)束漿液等凝72 h，鉆機按照設(shè)計的注漿段高分段向下鉆進。

(4)下止?jié){塞。止?jié){塞是實現(xiàn)分段注漿的重要設(shè)備，鉆機施工一個注漿段后提鉆下入止?jié){塞，止?jié){塞下入預(yù)定位置后拉塞，通過機械受力作用卡在鉆孔內(nèi)，該措施可有效防止高壓注漿時漿液竄至非注漿段。

(5)壓水、注漿。每次注漿前例行壓水10～20 min，目的是檢查止?jié){塞的密封效果并獲得受注地層的水文地質(zhì)參數(shù)，了解裂隙的發(fā)育程度，進而合理調(diào)整注漿參數(shù)。壓水結(jié)束后，用BQ-350型注漿泵將配置好的漿液通過管路注入到基巖段受注層位。

(6)分段循環(huán)。上一注漿段完成施工后，按設(shè)計的注漿段高分步循環(huán)工藝流程(3)—(5)，直至完成井筒注漿施工。

工藝流程具體如圖5所示。

圖5 地面預(yù)注漿工藝流程

3.5 注漿材料

注漿范圍可細分為巖帽段和注漿段，注漿材料的選擇要與注漿功能和目的相匹配。巖帽段一般選用強度更高的單液水泥漿，可以起到防止注漿時漿液沿裂隙通道上竄至非注漿區(qū)域的作用。對于注漿段，選用黏土水泥漿，由黏土漿、水泥、水玻璃組成的懸濁液，穩(wěn)定性高、流動滲透性好[14]。同時，黏土水泥漿還具有單次注漿段高長、費用較低的優(yōu)點。配制時黏土漿中水泥加量在100～300 kg/m3，水玻璃加量在10～40 L/m3，注漿時根據(jù)前壓水參數(shù)選取合適的配比值。黏土選自龍陵縣當(dāng)?shù)仞ね粒?jīng)檢測，黏土的塑性指數(shù)為17，含砂量不大于5%，黏粒含量(粒徑小于0.005 mm)大于25%。

3.6 注漿壓力

注漿壓力是驅(qū)動漿液進入并充填導(dǎo)水裂隙通道的動力源，注漿壓力的大小對隔水帷幕厚度有重要影響，同時為了防止?jié){液超范圍擴散，造成浪費，注漿壓力宜控制在一定范圍內(nèi)?！睹旱V井巷工程施工規(guī)范》(GB 50511—2010)中關(guān)于注漿壓力取值范圍做了明確的規(guī)定，在施工中要根據(jù)地層情況選取合適的壓力取值。

4 施工質(zhì)量分析

4.1 鉆孔質(zhì)量分析

該工程在2號豎井主、副井井筒周邊各規(guī)劃了3個鉆機作業(yè)平臺，一序孔施工完成后鉆機移位1 m距離開孔作業(yè)二序孔，設(shè)計注漿段鉆孔偏斜率不大于0.5%。由于擠壓破碎帶和構(gòu)造破碎帶的廣泛分布，鉆孔施工難度較大，通過采取對地層加固等多種措施，完成鉆孔施工，實際偏斜率均距控制在0.5%以內(nèi)。

4.2 漿液注入量分析

在注漿工藝上，注漿量是保證堵水帷幕質(zhì)量的關(guān)鍵[15]。2號豎井地面預(yù)注漿工程累計注漿量為45 918.5 m3，以井筒分，主井注漿量為24 107 m3，占比52.4%；副井注漿量為21 811.5 m3，占比47.6%。主井注漿量大于副井的原因是主井地質(zhì)條件較副井更為復(fù)雜，主井在實際鉆探施工過程中揭露出更多的擠壓破碎帶地層，且揭露段落較高，該段落注漿量明顯大于其他地層，導(dǎo)致主井注漿量大于副井。以工序分，一序孔注漿量為28 404.5 m3，主井一序為15 438.5 m3，副井一序為12 966 m3。二序孔注漿量為17 514 m3，主井二序8 668.5 m3，副井二序8 845.5 m3。一序孔注漿量明顯大于二序孔的原因是初期施工時地層處于開放狀態(tài)，地層中的導(dǎo)水通道及主裂隙未進行過充填，二序孔施工時由于一序孔已經(jīng)對地層進行了注漿，部分導(dǎo)水通道及主裂隙已完成封堵。因此，二序孔注漿量要明顯小于一序孔。

通過對注漿量的分析可知，破碎帶的密集分布是引起注漿量超量的重要原因之一，特別是分布層位較大的破碎帶，對注漿施工造成了很大影響。主、副井實際鉆探施工過程中揭露的破碎帶要比井檢孔揭露的多，呈間斷出現(xiàn)且無規(guī)律、不均勻分布的特點，特別是在揭露擠壓破碎帶段落較大層位注漿施工難度較大。

4.3 地層滲透系數(shù)變化情況分析

滲透系數(shù)可用來反映地層的透水性。以副井為例，副井270～320 m注漿段一序孔及二序孔滲透系數(shù)變化曲線如圖6、圖7所示。該注漿段內(nèi)包含有擠壓破碎帶，通過分析可知：①注漿前地層的滲透系數(shù)較大，說明地層聯(lián)通性較好，隨著注漿次數(shù)的增多，地層的連通性和滲透性呈現(xiàn)明顯下降趨勢；②一序孔滲透系數(shù)的下降趨勢及幅度較二序孔更為明顯，一序孔滲透系數(shù)值平均降幅為63%，二序孔滲透系數(shù)值平均降幅為15.4%。③二序孔滲透系數(shù)起始值要明顯低于一序孔滲透系數(shù)起始值，由于工序原因，同一注漿段二序孔注漿時間滯后一序孔若干月。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過注漿，井筒周邊地層的滲透系數(shù)得到永久性改善。

圖6 副井一序孔270～320 m注漿段滲透系數(shù)變化曲線

圖7 副井二序孔270～320 m注漿段滲透系數(shù)變化曲線

4.4 終孔壓水試驗分析

施工完成后，在主、副井筒各留1個鉆孔進行壓水試驗，根據(jù)《立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗檢驗方法》中公式進行數(shù)據(jù)計算得出：預(yù)測主、副井筒剩余涌水量較注漿前分別下降了99.8%和99.7%。

5 結(jié)論

(1)目前高黎貢山隧道2號豎井主、副已安全掘進到底，以實例證明地面預(yù)注漿技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的井筒防治水設(shè)計及施工。

(2)通過注漿，井筒周邊地層的滲透系數(shù)發(fā)生了明顯變化，壓水試驗預(yù)測的主、副井井筒剩余涌水量分別較注漿前下降99.8%和99.7%，堵水效果優(yōu)異，保障了井筒的高效安全建設(shè)。

(3)高黎貢山隧道2號豎井注漿設(shè)計及施工的成功實施，對推進鐵路長大隧道建設(shè)具有重要的推廣意義。