鐵路隧道超深豎井工作面預注漿堵水關鍵技術

鄧新

中煤第五建設有限公司第三工程處 江蘇 徐州 221000

導言

高黎貢山隧道是國家中長期鐵路規劃網和“一帶一路”建設規劃中泛亞鐵路西線的重要組成部份，為重要的控制性工程，東起大理市，西至瑞麗市，遠期還將繼續延伸，連通緬甸、孟加拉國、印度，成為連接中國與東南亞、南亞的鐵路大通道。

項目位于云南高原西部邊緣，屬高黎貢山脈南延段，向東南方向大雪山附近與怒山余脈相接，屬高黎貢山古生界變質巖緊密褶皺和花崗巖體高山區。受“三高四活躍”地質特征影響豎井地質構造復雜，圍巖破碎，節理裂隙較發育，施工經過多條破碎帶和含水層，極易發生涌水、突泥、塌腔風險，施工難度為鐵路建設史上前所未有。豎井施工引起鐵路系統各方高度關注，2016年6月中國工程院10名院士、24名工程領域專家齊聚高黎貢山為豎井施工把脈會診，幾乎囊括了隧道施工的各種不良地質和所有重大風險，施工難度在當前世界隧道工程領域首屈一指。

1.工程概況

大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區，東起廣大鐵路終點大理站，向西經永平、保山、潞西等市縣，線路長約330.1km。其中大理至保山段全長133.660km，保山至瑞麗段全長196.443km。

2.地質及水文地質概況

根據地質資料，預測1#豎井正常涌水量為2016m3/d，最大涌水量按正常涌水量的3倍考慮。豎井涌水量大，施工排水和注漿堵水的施工要求非常高，堵水施工質量，嚴重影響豎井施工安全。施工階段對地下水的處理是保證施工順利進行，確保工程安全質量的前提，對地下水的探測、處理屬于豎井施工的重點，也是難點。

根據已完成井筒揭示地層巖性為花崗巖，巖體致密、塊狀、堅硬、局部破碎，陡傾狀裂隙發育，密閉～微張，具有分布不規律、上下連通性好的特點。揭示地下水為基巖裂隙水，巖層富水性較好，且沒有明顯的隔水層，出水方向、層位無規律，受大氣降水及地表水影響較大，與井筒外側存在水力聯系，且相對穩定的補給。

3.工作面探、注關鍵技術

3.1 工作面探、注一般規定

1）含水層單層涌水量大于 10m3/h，應進行井筒工作面預注漿；

2）含水層單層涌水量小于 10m3/h，但含水層層數較多（兩層以上），應進行井筒工作方面預注漿；

3）注漿方案確定之后，施工單位應編制注漿工程專項施工方案并按相關規定進行報批；

4）豎井井筒采取工作面注漿，在水壓大于 0.1MPa 探水時，預先固結套管，并安裝閘閥。止水套管要進行耐壓試驗，耐壓值不得小于預計靜水壓值的1.5倍，兼做注漿鉆孔的，應當綜合注漿終壓值確定，并穩定 30min以上。水壓大于1.5MPa 時，要有反壓和防噴裝置5、注漿過程中應設專人觀察井壁變化、跑漿等情況，出現異常時，應立即停止注漿并進行處理。

6）工作面注漿采用深淺孔相結合，注漿段高本別為40m、60m，掘砌段高40m，預留20m止水巖帽。

3.2 工作面注漿布控技術研究

注漿鉆孔施工前應在含水層上方預先澆筑混凝土止漿墊，應在混凝土止漿墊強度達到設計要求后，先加固止漿墊、埋設注漿孔口管，然后再注漿堵水。混凝土止漿墊的厚度，應根據注漿壓力，混凝土強度等參數計算確定。平面型止漿墊厚度可按下式計算：

Bn＝P0r/［σ］+0.3r

式中： P0：注漿終壓

［σ］：砼允許抗壓強度

R3～7： 砼3～7天的極限抗壓強度

r：井筒掘進半徑

K：安全系數

若井壁實際承受的壓應力超過井壁材料允許抗壓強度時，可以提高與止漿墊連接處井壁材料的強度，或者增加井壁厚度，或者擴幫，把止漿墊做成壁座形式，使井壁和圍巖共同承擔止漿墊的壓應力。

工作面注漿鉆孔位置的確定應根據井筒斷面面積、工作面巖性、含水層水壓大小等具體情況確定，孔口管底部到含水層的安全距離不小于 15m。工作面注漿段高可根據井檢孔資料結合含水層厚度、含水層數量等因素綜合確定，一般以 30～50m。注漿段高確定后，按照井筒直徑設計圈徑、切向角、孔徑等參數，注漿孔孔徑宜大于 75mm，圈徑與井壁的距離不小于 0.5m。

高黎貢山隧道 1 號豎井水文地質條件極其復雜，在工作面注漿過程中為保障堵水效果，按照“先探后掘、有水必堵、帷幕內掘、快速封閉”的防治水原則，為最大限度消除注漿盲區，并形成一定厚度的注漿帷幕，確定掘砌段高。結合施工現場作業空間及機具配置等情況，采用一圈孔布置，圈徑為 4.6m，共 26 孔順時針編號，單數孔（一序孔）孔長 60m，雙數孔 （二序孔）孔長 40m。為最大限度揭穿裂隙，鉆孔軌跡設置 15°切向角，孔底落于井筒慌徑外3m。

3.3 工作面注漿鉆孔工藝

（1）鉆機平臺搭設

打鉆平臺距工作面不小于2.2m，工作平臺采用工字鋼、槽鋼及鋼板搭設，工字鋼作為主梁用螺栓固定在模板上，并卡好保險繩與模板連接，槽鋼制作成圓弧狀敷設在工字鋼梁上螺栓連接牢固，槽鋼上鋪δ＝10mm鋼板，采用螺栓固定。主梁下中間部位加4個立柱支撐點。鉆機固定在加工好的鉆架上，鉆架與槽鋼之間使用專用的U型卡進行固定，固定前，由技術人員根據鉆孔布置圖要求放線，鉆機安裝完畢后，檢查鉆機位置、角度、標高是否合乎設計要求。

（2）孔口管埋設及試壓

埋設孔口管在止漿墊養護完成后進行。鉆機按設計的方位、孔徑、傾角、切向角調整好角度固定進行造孔，根據孔口管長度造孔深度大于孔口管長度0.5m，孔口管長度以工作面預注漿施做的止漿墊厚度及相關參數確定本次注漿孔口管的長度為9.0m，鉆機采用潛孔鉆機型號：KQJ一92配60mm鉆桿及Φ130mm球齒鉆頭造孔，用壓風吹凈孔內巖粉，灌入提前準備好的水泥砂漿，緊接著下入孔口管，孔口管需露出止漿墊0.3m。調整孔口管的角度，并在孔口管周圍用木楔將孔口管找正固定牢靠。孔口管由Ф108×6mm無縫鋼管加工而成，長度為9.0m，孔口管下部車成倒竹節狀。安裝完成后，及時裝上悶蓋，以防異物掉入管內。孔口管應埋設牢固，并有良好的止漿效果，且長度應大于止漿墊厚度。1天后用鉆機掃掉孔口管內水泥砂漿，并做壓水試驗，用鉆機掃孔并超過孔口管0.5m進行試壓，采用2倍靜水壓力進行耐壓抗滲試驗，壓水10～20min不漏即為合格，合格后正常鉆進，否則注漿加固孔口管直到合格為止。

（3）鉆孔施工

鉆孔施工采用潛孔鉆機型號：KQJ-92鉆機，配φ60mm鉆桿，Φ75mm牙輪沖擊鉆頭或三翼鉆頭，地面通過供水管直接供水打鉆作循環水。在打鉆前，要在φ108mm孔口管上安設4″高壓球閥及防噴孔裝置。鉆進過程中，若鉆孔涌水量超過5m3/h或因巖石破碎打不下去時，停鉆注漿，否則一直鉆進直至終孔，終孔時要核實鉆具長度，確保鉆孔深度符合設計要求。若探水鉆孔內出水，則另外增加鉆孔進一步探明含水層涌水量，確定含水層后則針對該含水層進行注漿；注漿完成后再繼續延伸鉆孔并重復注漿程序，直至終孔。

3.4 工作面注漿施工工藝

（1）探水工序及要求

高黎貢山隧道 1 號豎井工程采用“探注結合”“先內后外”的原則，現行施工4個 60m長孔，1#、7#、13#、21#主要對全段高出水量進行探測，若 4 個長孔預測工作面前方出水量超過 10m3/h，則 啟動工作面注漿工作；若小于 10m3/h，則再施作4個40m 短孔，4#、10#、18#、24#主要對帷幕范圍的出水情況進行探查，若 4 個短孔預測工作面前方出水量超過 10m3/h，則啟動工作面注漿工作；若小于 10m3/h，探水結束，封孔后進行下一段掘砌。

（2）注漿工序及要求

根據“先內后外”的原則，現行施工一序孔，封堵大段高主要裂隙，再施工二序孔，封堵小段高細小裂隙。各孔采用“鉆注”結合的方法，全段高采用下行式分段注漿，鉆進過程中，當鉆孔涌水量大于 5m3/h，暫停鉆進，先注漿封水，然后再掃孔“鉆注”，直至終孔，終孔時各孔涌水量不應超過 1m3/h，同時應滿足所有注漿孔總涌水量不應超過 5m3/h 的標準。

（3）注漿作業程序

當注漿孔鉆到既定深度后，先用清水沖孔（破碎帶不沖）直到流清水后進行注漿作業。

注漿作業程序如下：

接通輸漿管路→壓水試驗→注漿→定量壓清水→沖洗輸漿管路→拆洗注漿泵→掃孔或鉆進。

（4）壓水試驗

注漿前進行壓水試驗，沖洗巖石裂隙中的充填物，提高漿液結石體與巖石裂隙面的粘結

強度及抗滲透能力，并根據泵壓及注入量，進行鉆孔吸漿量的測定，鉆孔吸水量的計算公式為：

q=Q/H

式中： q —單位鉆孔吸水量，L/min；

Q—壓水最大壓力時的流量，L/min；

H—試驗段的高度。

壓水試驗時，盡可能采用大泵量，壓力值控制在本段注漿終壓，一般壓水時間為 30min（破碎帶壓水時間縮短或不壓水），精確測量并記錄壓水段高、流量和壓力，根據壓水時間測定的單位鉆孔吸水量，確定注漿時漿液的起始濃度，作為鑒定注漿效果的依據之一。

（5）注漿材料及注入量

工作面注漿以改性脲醛樹脂漿液為主，超細水泥作為備選材料。當鉆孔遇到塌孔或者孔口管漏漿情況時，采用單液水泥漿宜采用細度模數為1250目的超細水泥，另摻入水泥重量0.5%的食鹽和0.05%的三乙醇胺作為外加劑，外加劑起速凝早強作用。

采用改性脲醛樹脂，由A、B液組成，A液分為液體樹脂，B液分為固化催化劑。A、B液材料按適當比例配合后可在需要的時間內（30min左右）凝固形成結石，發揮堵水、堵漏作用，出廠時廠家將A、B液調試成3：1和2：1配比利于施工，施工前現場實驗室必須將到貨材料進行試配，強度及凝固時間達到設計要求方可進行下步施工。

注漿站布置在井口附近，站內安裝2臺XPB-90E型注漿泵，并設置清水池。注漿站至工作面采用兩路φ50×6mm高壓膠管輸送漿液，壓力為42mpa，在兩路高壓膠管與注漿孔口管連接前安裝混合器,壓力為32mpa，便于兩種漿液的混合。

每次注漿前必須對兩臺注漿泵的流量進行調整，根據現場需要的漿液凝固時間，將兩臺泵的輸出流量調整到2：1，如用單臺注漿機吸漿量要符合比例要求；然后開始進行注漿，注漿過程中要隨時觀察注漿壓力不得超過注漿終壓；每隔3～5min由跟班技術人員測量兩臺泵的漿液輸出比例或單臺泵的漿液輸出比例，當比例出現偏差時可通過調整吸漿管的控制閥門的大小來進行調整，確保注漿比例在要求范圍內。

注漿材料的質量直接決定了井筒堵水效果的好壞，因此選擇質量信得過的，可注性好的材料，對于高角度裂隙發育以及閉合裂隙-微裂隙發育巖層具有很好的充填作用，從而能保證注漿堵水達到預期效果。

依據《煤礦井巷工程施工規范》要求，漿液的注入量按下式計算。

Q=AHπR2nB/m

式中 A——漿液消耗系數，取1.2～1.5；

R——漿液有效擴散距離（m）；

H——注漿段高（m）；

B——漿液充填系數，取0.9～0.95；

m——漿液結石率，取1；

n——巖層平均裂隙率%。

（6）注漿參數

漿液擴散半徑不宜小于2m，注漿終壓取靜水壓力的 3～4 倍。各注漿孔的注漿壓力達到 終壓，注漿流量應小于 30～40L/min，達到注漿終壓穩定 10min 后即可停止注漿。

（7）注漿效果檢查

工作面注漿將設計孔數施作完成且各孔滿足注漿結束標準后，井筒內應施鉆3～5個檢查孔，其中應有 1 孔布置于探、注過程中的集中出水處，檢查孔孔底應超出井筒慌徑外 3m，段高 60m，當各檢查孔水量均小于 1m3/h，可結束本段注漿；否則需將此孔由檢查孔變換為注漿孔，按工作面注漿要求進行注漿作業，施作完畢后，應重新布置檢查孔，直至滿足要求，方能結束注漿。

（8）井筒掘進檢查

工作面預注漿段掘進涌水量不應大于 5m3/h。

結論：

1）工作面采用了帶有切向角和徑向傾角注漿鉆孔，切穿各種產狀的巖層裂隙的概率最大化，選擇合適的切向角使裂隙或孔隙水可最大限度地被注漿并被有效的封閉。

2)由于井筒工作面注漿施工空間狹小，且注漿鉆孔較多，鉆孔期間采用2臺KQJ-92鉆機能同時施工，將注漿站設在地面經兩路管路與注漿孔口管連接將漿液輸送注漿孔口內，大大減少了空間狹小問題，同時確保施工的安全。

3)根據地層情況選擇合適的注漿材料，改性脲醛樹脂可注性較好，在復雜地層具有較強滲透性，能有效封堵細微裂隙，并且結實率較高初凝時間短，能夠有效減少掃孔次數，節省注漿時間能達到預期封水效果。