鄧新

中煤第五建設(shè)有限公司第三工程處 江蘇 徐州 221000

導(dǎo)言

高黎貢山隧道是國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路規(guī)劃網(wǎng)和“一帶一路”建設(shè)規(guī)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(yuǎn)期還將繼續(xù)延伸，連通緬甸、孟加拉國(guó)、印度，成為連接中國(guó)與東南亞、南亞的鐵路大通道。

項(xiàng)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(zhì)巖緊密褶皺和花崗巖體高山區(qū)。受“三高四活躍”地質(zhì)特征影響豎井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，圍巖破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，施工經(jīng)過(guò)多條破碎帶和含水層，極易發(fā)生涌水、突泥、塌腔風(fēng)險(xiǎn)，施工難度為鐵路建設(shè)史上前所未有。豎井施工引起鐵路系統(tǒng)各方高度關(guān)注，2016年6月中國(guó)工程院10名院士、24名工程領(lǐng)域?qū)＜引R聚高黎貢山為豎井施工把脈會(huì)診，幾乎囊括了隧道施工的各種不良地質(zhì)和所有重大風(fēng)險(xiǎn)，施工難度在當(dāng)前世界隧道工程領(lǐng)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(qū)，東起廣大鐵路終點(diǎn)大理站，向西經(jīng)永平、保山、潞西等市縣，線路長(zhǎng)約330.1km。其中大理至保山段全長(zhǎng)133.660km，保山至瑞麗段全長(zhǎng)196.443km。

2.地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)資料，預(yù)測(cè)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(zhì)量，嚴(yán)重影響豎井施工安全。施工階段對(duì)地下水的處理是保證施工順利進(jìn)行，確保工程安全質(zhì)量的前提，對(duì)地下水的探測(cè)、處理屬于豎井施工的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

根據(jù)已完成井筒揭示地層巖性為花崗巖，巖體致密、塊狀、堅(jiān)硬、局部破碎，陡傾狀裂隙發(fā)育，密閉～微張，具有分布不規(guī)律、上下連通性好的特點(diǎn)。揭示地下水為基巖裂隙水，巖層富水性較好，且沒(méi)有明顯的隔水層，出水方向、層位無(wú)規(guī)律，受大氣降水及地表水影響較大，與井筒外側(cè)存在水力聯(lián)系，且相對(duì)穩(wěn)定的補(bǔ)給。

3.工作面探、注關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工作面探、注一般規(guī)定

1）含水層單層涌水量大于 10m3/h，應(yīng)進(jìn)行井筒工作面預(yù)注漿；

2）含水層單層涌水量小于 10m3/h，但含水層層數(shù)較多（兩層以上），應(yīng)進(jìn)行井筒工作方面預(yù)注漿；

3）注漿方案確定之后，施工單位應(yīng)編制注漿工程專項(xiàng)施工方案并按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行報(bào)批；

4）豎井井筒采取工作面注漿，在水壓大于 0.1MPa 探水時(shí)，預(yù)先固結(jié)套管，并安裝閘閥。止水套管要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓值不得小于預(yù)計(jì)靜水壓值的1.5倍，兼做注漿鉆孔的，應(yīng)當(dāng)綜合注漿終壓值確定，并穩(wěn)定 30min以上。水壓大于1.5MPa 時(shí)，要有反壓和防噴裝置5、注漿過(guò)程中應(yīng)設(shè)專人觀察井壁變化、跑漿等情況，出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)立即停止注漿并進(jìn)行處理。

6）工作面注漿采用深淺孔相結(jié)合，注漿段高本別為40m、60m，掘砌段高40m，預(yù)留20m止水巖帽。

3.2 工作面注漿布控技術(shù)研究

注漿鉆孔施工前應(yīng)在含水層上方預(yù)先澆筑混凝土止?jié){墊，應(yīng)在混凝土止?jié){墊強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，先加固止?jié){墊、埋設(shè)注漿孔口管，然后再注漿堵水?；炷林?jié){墊的厚度，應(yīng)根據(jù)注漿壓力，混凝土強(qiáng)度等參數(shù)計(jì)算確定。平面型止?jié){墊厚度可按下式計(jì)算：

Bn＝P0r/［σ］+0.3r

式中： P0：注漿終壓

［σ］：砼允許抗壓強(qiáng)度

R3～7： 砼3～7天的極限抗壓強(qiáng)度

r：井筒掘進(jìn)半徑

K：安全系數(shù)

若井壁實(shí)際承受的壓應(yīng)力超過(guò)井壁材料允許抗壓強(qiáng)度時(shí)，可以提高與止?jié){墊連接處井壁材料的強(qiáng)度，或者增加井壁厚度，或者擴(kuò)幫，把止?jié){墊做成壁座形式，使井壁和圍巖共同承擔(dān)止?jié){墊的壓應(yīng)力。

工作面注漿鉆孔位置的確定應(yīng)根據(jù)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(jù)井檢孔資料結(jié)合含水層厚度、含水層數(shù)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(shè)計(jì)圈徑、切向角、孔徑等參數(shù)，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(hào)豎井水文地質(zhì)條件極其復(fù)雜，在工作面注漿過(guò)程中為保障堵水效果，按照“先探后掘、有水必堵、帷幕內(nèi)掘、快速封閉”的防治水原則，為最大限度消除注漿盲區(qū)，并形成一定厚度的注漿帷幕，確定掘砌段高。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)空間及機(jī)具配置等情況，采用一圈孔布置，圈徑為 4.6m，共 26 孔順時(shí)針編號(hào)，單數(shù)孔（一序孔）孔長(zhǎng) 60m，雙數(shù)孔 （二序孔）孔長(zhǎng) 40m。為最大限度揭穿裂隙，鉆孔軌跡設(shè)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(jī)平臺(tái)搭設(shè)

打鉆平臺(tái)距工作面不小于2.2m，工作平臺(tái)采用工字鋼、槽鋼及鋼板搭設(shè)，工字鋼作為主梁用螺栓固定在模板上，并卡好保險(xiǎn)繩與模板連接，槽鋼制作成圓弧狀敷設(shè)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(gè)立柱支撐點(diǎn)。鉆機(jī)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(jìn)行固定，固定前，由技術(shù)人員根據(jù)鉆孔布置圖要求放線，鉆機(jī)安裝完畢后，檢查鉆機(jī)位置、角度、標(biāo)高是否合乎設(shè)計(jì)要求。

（2）孔口管埋設(shè)及試壓

埋設(shè)孔口管在止?jié){墊養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行。鉆機(jī)按設(shè)計(jì)的方位、孔徑、傾角、切向角調(diào)整好角度固定進(jìn)行造孔，根據(jù)孔口管長(zhǎng)度造孔深度大于孔口管長(zhǎng)度0.5m，孔口管長(zhǎng)度以工作面預(yù)注漿施做的止?jié){墊厚度及相關(guān)參數(shù)確定本次注漿孔口管的長(zhǎng)度為9.0m，鉆機(jī)采用潛孔鉆機(jī)型號(hào)：KQJ一92配60mm鉆桿及Φ130mm球齒鉆頭造孔，用壓風(fēng)吹凈孔內(nèi)巖粉，灌入提前準(zhǔn)備好的水泥砂漿，緊接著下入孔口管，孔口管需露出止?jié){墊0.3m。調(diào)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?？卓诠苡骚?08×6mm無(wú)縫鋼管加工而成，長(zhǎng)度為9.0m，孔口管下部車成倒竹節(jié)狀。安裝完成后，及時(shí)裝上悶蓋，以防異物掉入管內(nèi)?？卓诠軕?yīng)埋設(shè)牢固，并有良好的止?jié){效果，且長(zhǎng)度應(yīng)大于止?jié){墊厚度。1天后用鉆機(jī)掃掉孔口管內(nèi)水泥砂漿，并做壓水試驗(yàn)，用鉆機(jī)掃孔并超過(guò)孔口管0.5m進(jìn)行試壓，采用2倍靜水壓力進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)，壓水10～20min不漏即為合格，合格后正常鉆進(jìn)，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(jī)型號(hào)：KQJ-92鉆機(jī)，配φ60mm鉆桿，Φ75mm牙輪沖擊鉆頭或三翼鉆頭，地面通過(guò)供水管直接供水打鉆作循環(huán)水。在打鉆前，要在φ108mm孔口管上安設(shè)4″高壓球閥及防噴孔裝置。鉆進(jìn)過(guò)程中，若鉆孔涌水量超過(guò)5m3/h或因巖石破碎打不下去時(shí)，停鉆注漿，否則一直鉆進(jìn)直至終孔，終孔時(shí)要核實(shí)鉆具長(zhǎng)度，確保鉆孔深度符合設(shè)計(jì)要求。若探水鉆孔內(nèi)出水，則另外增加鉆孔進(jìn)一步探明含水層涌水量，確定含水層后則針對(duì)該含水層進(jìn)行注漿；注漿完成后再繼續(xù)延伸鉆孔并重復(fù)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(hào)豎井工程采用“探注結(jié)合”“先內(nèi)后外”的原則，現(xiàn)行施工4個(gè) 60m長(zhǎng)孔，1#、7#、13#、21#主要對(duì)全段高出水量進(jìn)行探測(cè)，若 4 個(gè)長(zhǎng)孔預(yù)測(cè)工作面前方出水量超過(guò) 10m3/h，則 啟動(dòng)工作面注漿工作；若小于 10m3/h，則再施作4個(gè)40m 短孔，4#、10#、18#、24#主要對(duì)帷幕范圍的出水情況進(jìn)行探查，若 4 個(gè)短孔預(yù)測(cè)工作面前方出水量超過(guò) 10m3/h，則啟動(dòng)工作面注漿工作；若小于 10m3/h，探水結(jié)束，封孔后進(jìn)行下一段掘砌。

（2）注漿工序及要求

根據(jù)“先內(nèi)后外”的原則，現(xiàn)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(xì)小裂隙。各孔采用“鉆注”結(jié)合的方法，全段高采用下行式分段注漿，鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)鉆孔涌水量大于 5m3/h，暫停鉆進(jìn)，先注漿封水，然后再掃孔“鉆注”，直至終孔，終孔時(shí)各孔涌水量不應(yīng)超過(guò) 1m3/h，同時(shí)應(yīng)滿足所有注漿孔總涌水量不應(yīng)超過(guò) 5m3/h 的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）注漿作業(yè)程序

當(dāng)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(jìn)行注漿作業(yè)。

注漿作業(yè)程序如下：

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

（4）壓水試驗(yàn)

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

強(qiáng)度及抗?jié)B透能力，并根據(jù)泵壓及注入量，進(jìn)行鉆孔吸漿量的測(cè)定，鉆孔吸水量的計(jì)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(shí)的流量，L/min；

H—試驗(yàn)段的高度。

壓水試驗(yàn)時(shí)，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(shí)間為 30min（破碎帶壓水時(shí)間縮短或不壓水），精確測(cè)量并記錄壓水段高、流量和壓力，根據(jù)壓水時(shí)間測(cè)定的單位鉆孔吸水量，確定注漿時(shí)漿液的起始濃度，作為鑒定注漿效果的依據(jù)之一。

（5）注漿材料及注入量

工作面注漿以改性脲醛樹(shù)脂漿液為主，超細(xì)水泥作為備選材料。當(dāng)鉆孔遇到塌孔或者孔口管漏漿情況時(shí)，采用單液水泥漿宜采用細(xì)度模數(shù)為1250目的超細(xì)水泥，另?yè)饺胨嘀亓?.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(qiáng)作用。

采用改性脲醛樹(shù)脂，由A、B液組成，A液分為液體樹(shù)脂，B液分為固化催化劑。A、B液材料按適當(dāng)比例配合后可在需要的時(shí)間內(nèi)（30min左右）凝固形成結(jié)石，發(fā)揮堵水、堵漏作用，出廠時(shí)廠家將A、B液調(diào)試成3：1和2：1配比利于施工，施工前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室必須將到貨材料進(jìn)行試配，強(qiáng)度及凝固時(shí)間達(dá)到設(shè)計(jì)要求方可進(jìn)行下步施工。

注漿站布置在井口附近，站內(nèi)安裝2臺(tái)XPB-90E型注漿泵，并設(shè)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(duì)兩臺(tái)注漿泵的流量進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要的漿液凝固時(shí)間，將兩臺(tái)泵的輸出流量調(diào)整到2：1，如用單臺(tái)注漿機(jī)吸漿量要符合比例要求；然后開(kāi)始進(jìn)行注漿，注漿過(guò)程中要隨時(shí)觀察注漿壓力不得超過(guò)注漿終壓；每隔3～5min由跟班技術(shù)人員測(cè)量?jī)膳_(tái)泵的漿液輸出比例或單臺(tái)泵的漿液輸出比例，當(dāng)比例出現(xiàn)偏差時(shí)可通過(guò)調(diào)整吸漿管的控制閥門(mén)的大小來(lái)進(jìn)行調(diào)整，確保注漿比例在要求范圍內(nèi)。

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

依據(jù)《煤礦井巷工程施工規(guī)范》要求，漿液的注入量按下式計(jì)算。

Q=AHπR2nB/m

式中 A——漿液消耗系數(shù)，取1.2～1.5；

R——漿液有效擴(kuò)散距離（m）；

H——注漿段高（m）；

B——漿液充填系數(shù)，取0.9～0.95；

m——漿液結(jié)石率，取1；

n——巖層平均裂隙率%。

（6）注漿參數(shù)

漿液擴(kuò)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(dá)到 終壓，注漿流量應(yīng)小于 30～40L/min，達(dá)到注漿終壓穩(wěn)定 10min 后即可停止注漿。

（7）注漿效果檢查

工作面注漿將設(shè)計(jì)孔數(shù)施作完成且各孔滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，井筒內(nèi)應(yīng)施鉆3～5個(gè)檢查孔，其中應(yīng)有 1 孔布置于探、注過(guò)程中的集中出水處，檢查孔孔底應(yīng)超出井筒慌徑外 3m，段高 60m，當(dāng)各檢查孔水量均小于 1m3/h，可結(jié)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(jìn)行注漿作業(yè)，施作完畢后，應(yīng)重新布置檢查孔，直至滿足要求，方能結(jié)束注漿。

（8）井筒掘進(jìn)檢查

工作面預(yù)注漿段掘進(jìn)涌水量不應(yīng)大于 5m3/h。

結(jié)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(chǎn)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(tái)KQJ-92鉆機(jī)能同時(shí)施工，將注漿站設(shè)在地面經(jīng)兩路管路與注漿孔口管連接將漿液輸送注漿孔口內(nèi)，大大減少了空間狹小問(wèn)題，同時(shí)確保施工的安全。

3)根據(jù)地層情況選擇合適的注漿材料，改性脲醛樹(shù)脂可注性較好，在復(fù)雜地層具有較強(qiáng)滲透性，能有效封堵細(xì)微裂隙，并且結(jié)實(shí)率較高初凝時(shí)間短，能夠有效減少掃孔次數(shù)，節(jié)省注漿時(shí)間能達(dá)到預(yù)期封水效果。