高黎貢山隧道1號豎井工作面預注漿循環段高分析與應用

冉海軍, 張文俊, 高廣義, 張 朕

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 云桂鐵路云南有限責任公司， 云南 昆明 650011； 3. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著隧道及地下工程的快速發展，長大深埋鐵路隧道不斷涌現，而隧道通風、快速施工及安全應急成為制約長大深埋隧道發展的關鍵因素。由于深大豎井可有效地解決這些問題，因此對深大豎井的快速建造提出了更高的要求。我國鐵路豎井井筒深、斷面大、表土層厚、水文地質條件復雜，導致施工技術復雜、工期長，尤其是豎井掘進過程水害問題對豎井安全、快速掘進影響極大[1]。據不完全統計，我國地下工程大直徑豎井建造過程中85%以上都不同程度地遭遇了水害問題，個別豎井因建造過程中對地下水處理不當，導致井筒廢棄，未達到預期的建造目標。

在深大豎井井筒水害治理方面，國內外許多學者都做了不同程度的分析和研究。占仲國[2]針對石灰巖地層深大豎井建造過程中的滲漏水問題，提出在豎井井壁外圍四周的巖體鉆小孔灌注水泥漿防滲漏的設計思路，該方案能較好地解決井壁滲漏水問題；文獻[3-5]針對三山島金礦1 000 m深盲豎井施工至1 070 m時出現100 m3突涌水問題，提出采取下行式注漿法，選用合理注漿設備及材料，取得了良好的防、堵水效果，注漿后的總涌水量小于0.5 m3/h，滿足設計要求。謝偉華[6]針對郝家河銅礦主、副井突水問題，通過對井筒水文、地質條件的深入了解和分析，結合以往多個深大礦井治水經驗，制定了適應該礦井含水巖層構造特點的治水方案，同時應用超前探水注漿堵水技術，消除了井筒水患影響。李紅輝等[7-8]為解決井內涌水施工問題，采取縱向井筒、橫向馬頭門工作面超前預注漿施工技術，達到了預期的注漿效果。陳麗娟等[9]針對礦山豎井掘進過程中遇到的涌水問題，采用工作面預注漿技術，使豎井工作面涌水量由9.6 m3/h下降為0.5 m3/h，取得了很好的效果。黃人春[10]提出 “超前長探注漿治水”技術方案，并應用在司郝家河銅礦豎井中，解決了豎井施工中的治水難題。程德榮等[11]、熊木輝[12]提出了地面預注漿法防治水方案，具有節約投資和縮短建井工期 、安全可靠的特點。王磊[13]提出在井筒治水中采用排堵結合的注漿方式，使掌子面涌水得到了有效控制，掘砌過程中未出現突發性涌水。鄭翠敏等[14]提出“先截后探再堵”的防治水方案，采用井筒壁后注漿封堵空隙滲流、中深孔探注形成閉合帷幕圈的防治水工藝，取得了良好的井筒防治水效果。

由以上研究可知，在石灰巖、白云巖等不同地層中采用工作面超前預注漿和地面預注漿均可有效治理井筒涌水問題，保證豎井施工安全，但這些研究對豎井中注漿循環段高度的敘述很少。部分經驗中體現的注漿段高度較短，對風化嚴重、裂隙發育的不均勻花崗巖大區段富水地層的深大豎井超前預注漿指導存在局限性。

本文結合豎井揭露的差異風化嚴重、裂隙發育的不均勻性花崗巖大區段富水地層水壓高、水量大的實際情況，通過對豎井建井過程中的水害處理方案進行對比分析，提出采用工作面預注漿方式確保豎井的安全開挖，并對工作面注漿段高進行試驗分析，提出豎井掘進中工作面預注漿的合理循環段高，保證了注漿效果，使豎井綜合施工效率達到最優，取得了較好的經濟效益和社會效益。

1 工程概況

高黎貢山隧道全長34 538 m，為亞洲第1鐵路長隧，最大埋深約1 155 m。1號豎井采用主、副井設置，主井井筒凈徑6 m、深762.59 m，主要功能為出碴、排污風；副井井筒凈徑5 m、深764.74 m，主要功能為引進新鮮風、材料下放、小型設備及人員上下，兼做安全出口。1號豎井距離保山端怒江斷裂〈F1-1〉約1.3 km，距離瑞麗端鎮安斷裂〈F4-2〉約1.2 km，受兩斷裂影響較大。井檢孔距副井20 m，鉆孔深度771.43 m。結合設計地質勘探判知： 井筒穿越淺灰綠色花崗巖， 巖性致密、局部破碎、閉合狀為主，少量微張狀裂隙，中粗粒變晶結構，粒徑0.4～3 cm，裂隙局部呈垂直狀分布，裂面見黃褐色鐵錳質浸染，局部裂面見砂泥質充填。

從測井曲線上確定4個含水層(見表1)及4個破碎帶(見表2)，層厚1.75～3.85 m,最大涌水量約117.6 m3/h。開挖揭示含水層位置涌水量變化較大。主井井筒掘進至130 m時涌水達30 m3/h,副井井筒在井深132 m處工作面炮孔中涌水量達70 m3/h。原因分析： 受頻繁的地質構造運動影響，混合花崗巖圍巖裂隙走向、連通性不規律，與周邊及上部補水渠道連通，水量大小及位置難以預測，單一鉆孔難以穿越多數節理裂隙，在施工掘進中，突水淹井風險大。

表1 4個含水層參數統計

2 工作面預注漿設計

2.1 探注原則

1號主、副井井筒均采取先探注結合后掘砌的施工方案，每次工作面預注漿探注循環段高為40～100 m。探水孔均選取4個注漿孔，探注原則如下： 1)當所有探孔的涌水量均小于2 m3/h時，直接封堵探孔后恢復掘砌。2)當任意1個鉆孔的涌水量在2～5 m3/h時，說明該鉆孔周圍存在有疑似含水層，必須在該鉆孔兩側增加2個驗證鉆孔。若驗證鉆孔涌水量均小于5 m3/h時，注漿封孔后，恢復掘砌；若任意一個驗證鉆孔涌水量大于5 m3/h時，則啟動工作面預注漿對該段地層進行堵水注漿。3)當探孔的涌水量大于5 m3/h時，即啟動工作面預注漿對該段地層進行堵水。采用此種探注結合的方法，直至達到預定的設計段高，期間不再增加驗證鉆孔。工作面預注漿施工示意見圖1。

表2 4個破碎帶情況統計

(a) 步驟 (b) 步驟2

(c) 步驟3 (d) 步驟4

2.2 工作面預注漿設計

1號豎井主、副井工作面預注漿采用下行式注漿方式，注漿孔沿井筒均勻布設，主井設13個孔(其中4個兼做探孔)，副井設12個(其中4個兼做探孔)，孔口管距井筒襯砌內輪廓線60 cm，各注漿孔等間距均勻布置。終孔位置距豎井開挖輪廓線為3 m，注漿孔豎向外插角度為4°。工作面預注漿孔口和終孔平面布置如圖2和圖3所示。

圖2 工作面預注漿孔口平面布置圖(單位： cm)

圖3 工作面預注漿孔終孔平面布置圖(單位： cm)

2.3 注漿設計參數

注漿設計參數如表3 所示。

表3 注漿設計參數

2.4 注漿材料

經工藝性試驗表明，普通水泥單液漿可注性差，因此現場采用超細水泥單液漿或雙液漿進行堵水。

2.5 工藝流程

工作面預注漿施工工藝流程為： 工作面出碴清底—探注前施工準備—孔口管固定—止漿墊施工—上段井壁徑向加固—止漿墊注漿加固—工作面探孔施工—遇水注漿—掃孔繼續鉆進—遇水注漿。循環上述步驟直至所有注漿孔達到技術標準再進行注漿效果檢查。

2.6 注漿結束標準

1)各注漿孔的注漿壓力達到設計終壓，注漿流量小于20 L/min；

2)檢查孔數量不少于3個，且單孔涌水量小于1.5 m3/h。

3 工作面預注漿效率主控因素分析

豎井工作面注漿加固時，每循環工作面注漿必須進行止漿墊施工、孔口管安裝、工作平臺搭設、效果檢查等固定步驟。前期準備工序復雜、轉換多，加之花崗巖巖石強度高，鉆孔效率隨循環段高的增大而降低；但如果循環段高過小，又會影響注漿施工效率，從而影響掘進綜合施工效率。因此，需要通過尋求二者的平衡來確定合理的工作面預注漿段高，提高豎井掘進綜合施工效率。

不考慮注漿施工及注漿效果，影響探注掘循環的主要因素包括：

1)注漿循環段高。經初判，鉆孔時間占總探注掘循環的70%，注漿循環段高是探注掘循環的主控可變因素。

2)準備、換序周期。準備周期含止漿墊施作、孔口管安裝試壓、作業平臺搭設、鉆機就位等； 換序周期含注漿完成后的效果檢查及探注設備退場、止漿墊破除等。各工序作業周期固定，為探注掘循環的主控不可變因素。

3)掘砌進度指標。掘砌進度指標是探注完成后單位時間內的開挖、襯砌施工進度，循環周期與地質條件、作業面深度有關，是探注掘循環的主控不可變因素。

綜上所述，注漿循環段高是提高探注掘循環效率的主要控制可變參數，因此，本文僅就注漿循環段高進行試驗與分析。

4 現場試驗

結合現場條件及準備周期，現場選擇40、60、80、100 m 4種段高分別試驗。注漿材料選用超細水泥，采用2臺MK-3地質鉆機施工。

4.1 鉆孔效率

經現場試驗統計，不同段高單孔鉆孔時間統計見表4，鉆進效率分析見圖4。

表4 不同段高單孔鉆孔時間

圖4 不同段高鉆孔平均效率

4.2 準備、換序周期

經實測，工作面注漿準備、換序周期合計13 d，統計見表5。

表5 工作面注漿準備、換序周期統計

4.3 注漿周期

由于豎井施工對全井筒出水量要求較高，煤礦安全規程規定全井筒出水量不大于10 m3/h，因此注漿后需將原注漿孔掃開監測水量，并反復注漿再掃開檢測水量，至滿足要求。經現場試驗統計，不同段高注漿循環周期見表6。

表6 不同段高注漿循環周期

4.4 掘砌進度指標

由于各段高試驗在不同的深度進行，受垂直提升時間影響，掘砌進度指標為1.5 ～3.6 m/d，為方便對比，試驗對比的掘砌進度指標選定為2.5 m/d。

4.5 堵水效果分析

統計不同段高注漿循環開挖前、后的涌水量情況，并計算各段堵水率，如表7所示。

表7 不同段高注漿循環堵水前后涌水量及堵水率統計

根據表7統計情況分析，該地層裂隙發育方向與豎井掘進方向一致，各種段高地層的滲透系數一致，且所有段長的鉆孔注漿最終的效果檢查標準統一為檢查孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，開挖揭示后井筒涌水量都滿足出水量不大于10 m3/h的標準，所有段長的堵水效率都能達到90%，堵水效果良好。

4.6 探注掘總體效率分析

根據上述各工序的周期、效率分析，不同段高探注掘總體效率見表8。

表8 不同段高探注掘效率分析

不同段高探注掘循環綜合效率見圖5。

圖5 不同段高探注掘循環綜合效率曲線

綜上所述，隨著探注掘循環段高的增加，鉆孔周期呈線性增加，單次注漿效果有所降低，導致掃孔次數增加，在準備周期、換序周期及掘砌進度指標不變的條件下，同等深度富水花崗巖豎井工作面注漿段高按60 m左右控制對工期、成本最為有利。

5 結論與探討

1)1號豎井主、副井井筒的實測滲漏水量分別為9.7、8.2 m3/h，可見，針對風化花崗巖地層深大鐵路豎井施工采用“探注結合”的工作面預注漿方式能夠有效預防豎井開挖淹井風險。通過工作面預注漿可封堵地下涌水、加固軟弱地層，提高前方地層整體性和抗變形能力，必要時可設雙層注漿孔封堵地下水，保證開挖順利進行。

2)鉆孔效率會隨孔深加大而降低，深大鐵路豎井內空間狹小，使用不了大功率鉆孔設備，因此受鉆孔設備選型的條件限制，注漿循環段高的選擇極為重要。

3)工作面預注漿在鐵路隧道施工案例較少，通過各種注漿循環段高的現場注漿試驗和效果分析對比，提出了最適宜的注漿循環段高，使綜合施工進度提高6.3%～15.8%。

4)工作面注漿對工期、成本影響極大，尤其是掘砌和注漿周期嚴重不匹配，不同工種窩工現象頻發，地勘探明豎井富水時，建議采用地表深孔注漿或冷凍法提前處理為主、工作面注漿配合堵水的方案進行處理。

參考文獻(References)：

[1] 張項鐸. 新技術在鐵路豎井聯系測量中的應用[J]. 隧道建設, 1991(4): 7.

ZHANG Xiangduo. Application of new technology in connection survey of railway shaft[J]. Tunnel Construction, 1991(4): 7.

[2] 占仲國. 某石灰巖礦山超深豎井帷幕灌漿設計[J]. 資源環境與工程, 2008, 22(6): 584.

ZHAN Zhongguo. Design of extra-deep shaft curtain grouting in a limestone mine[J]. Resources Environment and Engineering, 2008, 22(6): 584.

[3] 李文光, 冀東, 孫英安. 千米深盲豎井下行前進式注漿堵水施工技術[J]. 金屬礦山, 2014(9): 30.

LI Wenguang, JI Dong, SUN Ying′an. Water plugging construction technology with advance downward grouting for kilometers deep blind shaft[J]. Metal Mine, 2014(9): 30.

[4] 王喜林. 注漿封水技術在井筒過含水層時的應用[J]. 煤炭技術, 2009, 28(4): 136.

WANG Xilin. Application of grouting technology in shaft crossing aquifer[J]. Coal Technology, 2009, 28(4): 136.

[5] 谷拴成, 朱彬. 注漿封堵在滲漏涌水治理中應用[J]. 礦山壓力與頂板管理, 2005, 22(1): 99.

GU Shuancheng, ZHU Bin. Sealing water leakage of shaft by surface grouting[J]. Ground Pressure and Strata Control, 2005, 22(1): 99.

[6] 謝偉華. 超前探水注漿堵水技術在豎井施工中的運用與改進[J]. 世界有色金屬, 2017(21): 226.

XIE Weihua. Application and improvement of advanced water injection grouting water plugging technology in shaft construction[J]. World Non-ferrous Metals, 2017(21): 226.

[7] 李紅輝, 權勇. 措施豎井工作面預注漿施工技術及經驗[J]. 金屬礦山, 2009(增刊): 386.

LI Honghui, QUAN Yong. Construction technology and experience of pre-grouting on the stepping shaft face[J]. Metal Mine, 2009(S): 386.

[8] 馬銀, 趙興東, 姬祥, 等. 思山嶺鐵礦深井工作面預注漿技術[J]. 現代礦業, 2015(10): 30.

MA Yin, ZHAO Xingdong, JI Xiang, et al. Pre-grouting technology for deep mine face in Sishanling iron mine[J]. Modern Mining, 2015(10): 30.

[9] 陳麗娟, 李英, 朱小青, 等. 礦山豎井涌水治理技術研究[J]. 有色金屬, 2012, 64(5): 88.

CHEN Lijuan, LI Ying, ZHU Xiaoqing, et al. Study on gushing water treating technology of mine shaft [J]. Nonferrous Metals, 2012, 64(5): 88.

[10] 黃人春. 超前長探注漿治水在深井施工中的應用[J]. 低碳世界, 2017(7): 81.

HUANG Renchun. Application of advanced prediction grouting and water shutoff in deep vertical shaft construction[J]. Low Carbon World, 2017(7): 81.

[11] 程德榮, 李德, 袁東鋒, 等. 黔南地區巨厚燈影組富水白云巖井筒防治水方案比選研究[J]. 建井技術, 2019, 40(4): 9.

CHENG Derong, LI De, YUAN Dongfeng, et al. Study on comparison and selection of water prevention and control alternatives for mine shaft in watery dolostone of the ultra-thick Dengying formation in southern Guizhou area [J]. Mine Construction Technology, 2019, 40(4): 9.

[12] 熊木輝. 工作面預注漿在豎井井筒施工中的應用[J]. 采礦技術, 2017, 17(1): 20.

XIONG Muhui. Application of work surface pre-grouting in shaft wellbore construction[J]. Mining Technology, 2017, 17(1): 20.

[13] 王磊. 淺談s2深豎井地下水防治措施[J]. 甘肅水利水

電技術, 2017, 53(5): 57.

WANG Lei. A brief talk about s2 deep shaft groundwater prevention and control measures [J]. Gansu Water Resources and Hydropower Technology, 2017, 53(5): 57.

[14] 鄭翠敏, 李川, 侯德臣, 等. 復雜地質條件下副井施工防治水技術和工藝實踐[J]. 采礦工程, 2016, 37(7): 40.

ZHENG Cuimin, LI Chuan, HOU Dechen, et al. Water prevention and control technology during auxiliary shaft construction under complicated geological conditions and its practice [J]. Mining Engineering, 2016, 37(7): 40.