垂直帷幕預注漿堵水技術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、西南部發展，隧道施工技術逐步提高，逢山開路、遇水搭橋已成為常態，因此特長隧道施工經常出現，而在特長隧道豎井施工中經常遇到含水的軟土、巖溶、斷層、破碎帶、淺埋等不良工程地質段落，影響豎井施工的安全、質量、進度，因此采用豎井超前注漿預加固技術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量，文章將以氣溫最低、埋深最大、水壓最高的第三循環垂直帷幕超前預注漿止水為例展開論述，以期推動該技術的廣泛應用。

1 工程概況

1.1 工程地質及特點

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、高環保要求、高寒、高海拔、施工工法新、應用設備新，是國內在建高速公路中典型的特長高寒、高海拔公路隧道，該隧道地質復雜，穿越多個地質斷裂帶，施工難度大。

1.1.1 地形地貌

2#豎井為構造剝蝕中山地貌區的山地地貌，位于山腳地帶，平均海拔高程為3625.085m，斜坡坡度約為15°，植被較發育，主要以低矮牧草為主，東側20m處發育季節性流水，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?；◢弾r、花崗閃長巖抗壓強度達184.242MPa；磨蝕指數在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、運輸以及工區之間相互配合等施工條件。2-2#豎井和正洞貫通計劃已經確定，鑒于此種情況，豎井工期和安全壓力較大。豎井堵水的常規方案有超前帷幕預注漿和徑向注漿堵水方案，技術部門經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合。

超前帷幕預注漿和徑向注漿堵水方案在此工程中的優缺點，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、施作止漿墊；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，鉆孔角度由技術人員進行適當調整，施工示意圖,見圖3。

圖3 止漿墊施工示意圖

3.3 止漿墊施工

為防止工作面注漿時掌子面出現溢漿，導致注漿壓力不足，需制作止漿墊，防止掌子面溢漿，保證注漿漿液向深處裂隙擴散。

根據基巖段巖性特征、裂隙發育程度、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漿墊混凝土澆筑厚度H，止漿墊采用C40 早強快凝混凝土。止漿墊厚度H 計算如下：

式（2）中：K 為安全系數（一般取1.0～1.5，該項目取1.3）；P 為設計注漿終壓（MPa）；H 為止漿墊厚度（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。通過計算止漿墊厚度為2.7m。

3.4 注漿參數

注漿參數如表2 所示。

表2 垂直帷幕預注漿參數表

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，根據地層吸漿量及注漿壓力情況進行靈活調整，對重點富水區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合的方式控制標準，當注漿壓力長時間達不到設計結束壓力標準時，應進行定量控制：單孔注漿量達到5m3時，應結束注漿；當注漿壓力達到設計標準10MPa 時應結束注漿。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，對止漿墊的質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，止漿墊下部鋪設隔水布，澆筑混凝土過程中埋設導水管，井壁安設接水槽，以保證止漿墊澆筑混凝土的質量。第二，針對水泥-水玻璃雙液漿不凝固的現象，首先，在試驗室重新進行了試驗驗證確實不凝固，然后聯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《煤礦安全規程》（總局令第87 號）規定的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 結論

綜上所述，烏尉高速天山勝利隧道是國內在建高速公路中典型的特長高寒、高海拔公路隧道，該隧道地質復雜，穿越多個地質斷裂帶，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合的方案成功實現了“打干井”的目的，效果良好。第二，根據嚴格的環保要求，選用綠色環保的注漿材料，根據豎井初支和水壓，調整注漿參數，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，認真計算止漿墊厚度，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《煤礦安全規程》（總局令第87 號）規定，保證了豎井的安全開挖，為類似工程提供了參考。