垂直帷幕預注漿堵水技術(shù)在高寒高海拔特長隧道深豎井中的成功應用

吳昆朝

（中交一公局重慶隧道工程有限公司，重慶 402184）

0 引言

近年來，隨著“一帶一路”倡議的實施，我國高速公路建設向西部、西南部發(fā)展，隧道施工技術(shù)逐步提高，逢山開路、遇水搭橋已成為常態(tài)，因此特長隧道施工經(jīng)常出現(xiàn)，而在特長隧道豎井施工中經(jīng)常遇到含水的軟土、巖溶、斷層、破碎帶、淺埋等不良工程地質(zhì)段落，影響豎井施工的安全、質(zhì)量、進度，因此采用豎井超前注漿預加固技術(shù)是消除豎井安全風險的可靠手段。為保證特長隧道深豎井施工質(zhì)量，文章將以氣溫最低、埋深最大、水壓最高的第三循環(huán)垂直帷幕超前預注漿止水為例展開論述，以期推動該技術(shù)的廣泛應用。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)及特點

天山勝利隧道是烏尉高速公路的“咽喉”工程，該隧道全長22.1km，其具有一長二深五高二新的特點，即隧道超長、埋深大、豎井深、高地應力、高地震烈度、高環(huán)保要求、高寒、高海拔、施工工法新、應用設備新，是國內(nèi)在建高速公路中典型的特長高寒、高海拔公路隧道，該隧道地質(zhì)復雜，穿越多個地質(zhì)斷裂帶，施工難度大。

1.1.1 地形地貌

2#豎井為構(gòu)造剝蝕中山地貌區(qū)的山地地貌，位于山腳地帶，平均海拔高程為3625.085m，斜坡坡度約為15°，植被較發(fā)育，主要以低矮牧草為主，東側(cè)20m處發(fā)育季節(jié)性流水，整體地勢西高東低。

1.1.2 地層巖性

該豎井地層主要由花崗巖、花崗閃長巖及閃長巖組成。花崗巖、花崗閃長巖抗壓強度達184.242MPa；磨蝕指數(shù)在4.34 以上，耐磨性極強；硬度達到7.0，屬于極堅固巖石。

1.2 烏尉高速天山勝利隧道2#豎井概況

烏尉高速天山勝利隧道2#豎井位于省道301 烏斯特火車站以北18km 處，2#豎井里程樁號為ZK85+143，其中2-2#豎井內(nèi)徑為10.5m，井壁厚為0.8m，豎井采用正井法施工，地面高程為3614m，井深為704m。

2-2#豎井第三個垂直帷幕預注漿堵水的掌子面（進尺644m 處）地層巖性為花崗巖、閃長巖。

1.3 涌水情況

2023 年8 月26 日629.2m 打眼作業(yè)完成后，3#模板繩和4#模板繩中間部位炮眼的周邊眼滲水，至644m 涌水量增大到24.5m3/h，水壓4MPa，此時的水量增大了排水難度，嚴重影響開挖進度和安全。

2 施工方案選擇

烏尉高速天山勝利隧道2-2#豎井與礦山豎井開挖相同，2-2#豎井與正洞貫通后，將極大改善整個隧道的通風效果、運輸以及工區(qū)之間相互配合等施工條件。2-2#豎井和正洞貫通計劃已經(jīng)確定，鑒于此種情況，豎井工期和安全壓力較大。豎井堵水的常規(guī)方案有超前帷幕預注漿和徑向注漿堵水方案，技術(shù)部門經(jīng)兩種方案的對比分析，決定采用超前預注漿和徑向注漿兩種方案相結(jié)合。

超前帷幕預注漿和徑向注漿堵水方案在此工程中的優(yōu)缺點，見表1。

表1 垂直帷幕預注漿和徑向注漿堵水方案在此工程中的優(yōu)缺點

3 垂直帷幕預注漿堵水施工方案及實施

通過對豎井涌水量進行監(jiān)測，整個豎井涌水量在24.5m3/h。首先，對掌子面集中出水點進行集中引流，預埋孔口管、施作止?jié){墊；其次，進行工作面注漿施工；最后，在開挖過程中利用吊盤進行徑向注漿及壁后回填堵水。

3.1 垂直帷幕預注漿方案設計

垂直帷幕預注漿孔開孔布置圖,見圖1，注漿擴散堵水剖面示意圖,見圖2。

圖1 注漿孔開孔布置圖

圖2 注漿擴散堵水面示意圖

3.2 孔口管安裝傾斜角度計算（注漿孔傾斜角度）

斜孔徑向傾角公式：

式（1）中：α 為斜孔在徑向上與豎直軸線的夾角，（°）；S 為終孔位置在徑向上超出凈直徑的距離S=E+m，（m）；E 為永久井壁厚度，0.5m；m 為終孔位置超出開挖直徑的距離，取1.1m；A 為注漿孔與井壁的距離，0.5m；H 為注漿段高，25m。

計算鉆孔徑向傾角為：α=arctan（S+A）/H=arctan（0.5+1.1+0.5）/25=4°，斜孔徑向傾角（孔口管安裝傾角）為4°。

當注漿段高有變化時，鉆孔角度由技術(shù)人員進行適當調(diào)整，施工示意圖,見圖3。

圖3 止?jié){墊施工示意圖

3.3 止?jié){墊施工

為防止工作面注漿時掌子面出現(xiàn)溢漿，導致注漿壓力不足，需制作止?jié){墊，防止掌子面溢漿，保證注漿漿液向深處裂隙擴散。

根據(jù)基巖段巖性特征、裂隙發(fā)育程度、簡易水文觀測、井液電阻率及含水層涌水量與厚度等相關資料，由以下公式計算所得止?jié){墊混凝土澆筑厚度H，止?jié){墊采用C40 早強快凝混凝土。止?jié){墊厚度H 計算如下：

式（2）中：K 為安全系數(shù)（一般取1.0～1.5，該項目取1.3）；P 為設計注漿終壓（MPa）；H 為止?jié){墊厚度（m）；R 為井筒凈半徑（m），該項目取值6.1m；[σ]為混凝土使用齡期許用抗壓強度（MPa），取值混凝土3～7d 的極限抗壓值（取28d 強度的2/3）（MPa），該項目取值27MPa。通過計算止?jié){墊厚度為2.7m。

3.4 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)如表2 所示。

表2 垂直帷幕預注漿參數(shù)表

3.5 漿液材料

注漿漿材及配比如表3 所示。

表3 注漿加固材料及配比選擇

3.6 鉆孔、注漿設備配置

此次注漿堵水施工主要機械選型為ZLJ-700 煤礦坑道鉆機和KBY90/15-22 雙液注漿。

3.7 注漿施工

3.7.1 注漿順序

垂直帷幕注漿采取跳孔施工，分兩序施工，先單序后雙序，二序孔兼顧效果檢查，對未完全封堵區(qū)域應重點加強注漿，以達到控制注漿的目的。

3.7.2 注漿工藝

注漿采取分段前進式注漿工藝，注漿步距為5～10m，根據(jù)地層吸漿量及注漿壓力情況進行靈活調(diào)整，對重點富水區(qū)域有針對性地反復多次注漿堵水，具體施工流程如圖4 所示。

圖4 垂直帷幕預注漿堵水施工流程圖

3.7.3 注漿過程控制

垂直帷幕注漿采取定量與定壓相結(jié)合的方式控制標準，當注漿壓力長時間達不到設計結(jié)束壓力標準時，應進行定量控制：單孔注漿量達到5m3時，應結(jié)束注漿；當注漿壓力達到設計標準10MPa 時應結(jié)束注漿。施工過程中，一序孔以定量為主，二序孔注漿均能達到設計注漿終壓標準。對于局部含水量較大的區(qū)域，應重點進行補充注漿，以保證加固效果。

3.7.4 注漿過程中遇到的問題和解決辦法

遇到的問題：第一，在沒有完全封閉的情況下，測量水壓高達3MPa，對止?jié){墊的質(zhì)量的可靠性和注漿設備性能提出更高要求。第二，水泥-水玻璃雙液漿不凝固。

解決辦法：第一，止?jié){墊下部鋪設隔水布，澆筑混凝土過程中埋設導水管，井壁安設接水槽，以保證止?jié){墊澆筑混凝土的質(zhì)量。第二，針對水泥-水玻璃雙液漿不凝固的現(xiàn)象，首先，在試驗室重新進行了試驗驗證確實不凝固，然后聯(lián)系供貨商更換設計要求的水玻璃，但效果依然無法達到預期效果。無奈之下，在井口對水玻璃進行加熱，同時攪拌站拌制水泥漿時使用60°熱水，然后迅速送至工作面使用，完美解決了水泥-水玻璃雙液漿的凝固時間和強度問題。

4 注漿加固效果檢查

采用“檢查孔法”和“開挖后測水法”作為評價注漿效果的綜合方法，這兩種方法相互補充、互為結(jié)合，效果評價準確有效。

4.1 檢查孔法

通過二序孔和檢查孔鉆孔進行出水量檢查，檢查孔出水量＜0.3m3/h，均達到出水量≤0.2L/（min·m）的設計要求。

4.2 開挖后測水法

2-2#豎井644m 掌子面完成垂直帷幕預注漿堵水后，對注漿堵水前后井底工作面出水量進行測量計算，堵水率為94.1%，達到預期目的，注漿效果良好，注漿后總水量為3.8m3/h，小于《煤礦安全規(guī)程》（總局令第87 號）規(guī)定的6m3/h。垂直帷幕預注漿前后用水量對比，見表4。

表4 垂直帷幕預注漿前后涌水量對比表

5 結(jié)論

綜上所述，烏尉高速天山勝利隧道是國內(nèi)在建高速公路中典型的特長高寒、高海拔公路隧道，該隧道地質(zhì)復雜，穿越多個地質(zhì)斷裂帶，施工難度大，文章針對該隧道一長二深五高二新的特點，在2-2#豎井堵水方案比選階段對注漿材料的選用進行對比，得出以下結(jié)論：第一，對于該豎井治水方案，垂直帷幕預注漿堵水和徑向注漿堵水以及截水相結(jié)合的方案成功實現(xiàn)了“打干井”的目的，效果良好。第二，根據(jù)嚴格的環(huán)保要求，選用綠色環(huán)保的注漿材料，根據(jù)豎井初支和水壓，調(diào)整注漿參數(shù)，保證注漿堵水的效果。第三，針對高寒的氣候特點，水玻璃在低溫條件下能夠使得水泥-水玻璃雙液漿不能快速凝固，工程上使用在地面加熱并下到豎井工作面注漿的辦法，解決了高寒導致的各種問題。第四，針對埋深大、高地應力等情況，認真計算止?jié){墊厚度，保證注漿過程中井壁的安全，同時對注漿泵進行保養(yǎng)檢修，使其工作壓力達到10MPa 的要求。第五，通過垂直帷幕注漿，2-2#豎井總涌水量為4.6m3/h，滿足《煤礦安全規(guī)程》（總局令第87 號）規(guī)定，保證了豎井的安全開挖，為類似工程提供了參考。