梁 敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

截至2020年，我國運(yùn)營鐵路隧道里程已突破18 000 km，隨著鐵路建設(shè)投入力度不斷加大，隧道工程日益增加。長大隧道多為項(xiàng)目的控制性工程，不但面臨隧道長、修建難度大等問題，還對線路總工期有重要影響[1-2]。高黎貢山隧道是目前在建的亞洲第一鐵路長隧，也是我國第1條穿越橫斷山脈的鐵路隧道，為確保隧道按時(shí)貫通，在其中部設(shè)置2號豎井[3-4]。豎井相比斜井，具有開拓工程量少、建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，但需采取特殊鑿井工藝，降低水患對井筒的不良影響。由于2號豎井所在區(qū)域工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件異常復(fù)雜，注漿設(shè)計(jì)及施工面臨更大挑戰(zhàn)。因此，高黎貢山隧道2號豎井井筒防治水的設(shè)計(jì)與施工對地面預(yù)注漿技術(shù)的推廣具有重要意義。

1 地面預(yù)注漿技術(shù)

水害對建井周期及井壁質(zhì)量的影響很大[5]。地面預(yù)注漿技術(shù)是礦山立井防治水的重要方法，其對圍巖隔水性能的改善是永久性的[6-7]。施工時(shí)，通過地面布置的鉆機(jī)向未開挖井筒周邊的基巖含水層鉆入注漿孔，使用高壓注漿設(shè)備和止?jié){裝置向受注巖層注入具有膠結(jié)堵水性能的材料，待其凝固后在井筒周邊形成隔水帷幕，起到降低水害的作用。我國煤礦地面預(yù)注漿技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已形成完整的成套工藝、材料及裝備體系。該項(xiàng)技術(shù)已在我國西北地區(qū)的寧夏紅二煤礦、新疆漢水泉煤礦，兩淮地區(qū)的楊村煤礦、丁集礦，華北的唐山大賈莊鐵礦等多個(gè)礦井中成功應(yīng)用，有效降低了水患威脅，提升了井筒建設(shè)速度[8-15]。

2 工程概況及地質(zhì)特征

2.1 工程概況

高黎貢山隧道的工期直接關(guān)系著大瑞鐵路的通車時(shí)間，為加快施工進(jìn)度以及適應(yīng)運(yùn)營期間通風(fēng)、防災(zāi)救援等需要，在高黎貢山隧道中部設(shè)置2號豎井，采用主、副井型式，主井井深640.22 m，內(nèi)徑6.0 m；副井井深640.36 m，內(nèi)徑5.0 m(圖1)。

圖1 隧道輔助坑道平面布置

2.2 區(qū)域地質(zhì)特征

高黎貢山隧道穿越喜馬拉雅地震帶，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)。2號豎井位于龍陵縣黃草壩村南東方向約2.7 km山坡頂部，區(qū)內(nèi)圍巖受構(gòu)造影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)育多段斷層擠壓破碎帶及構(gòu)造影響帶，構(gòu)造帶巖體破碎—極破碎。井址附近發(fā)育的構(gòu)造主要有大坪子—田新坡斷層和勐冒斷層。

2.3 井檢孔揭示地質(zhì)條件

根據(jù)《煤礦井巷工程施工規(guī)范》要求，于線路D1K212+428.47 m左側(cè)38.5 m處施工高黎貢山2號豎井井筒檢查孔，鉆孔位置與2號豎井平面位置如圖2所示。

圖2 井筒檢查孔平面布置

井檢孔揭露地層巖性為花崗巖，受構(gòu)造擠壓影響，巖體完整性較差，間斷出現(xiàn)巖體擠壓破碎帶、構(gòu)造影響帶等。揭露構(gòu)造影響帶共14處，總厚度63.2 m，分布深度位于50～577 m，巖芯一般呈碎塊狀、圍巖條件以Ⅳ級為主；擠壓破碎帶共10處，總厚度105.3 m，分布深度位于100～520 m，一般其礦物成分高度風(fēng)化，呈現(xiàn)松散顆粒狀，部分分化為土狀，圍巖以Ⅴ級為主。

井檢孔揭露高黎貢山隧道2號豎井施工范圍內(nèi)主要分布7層含水層，其中井深80～150 m分布3層，井深260～480 m分布3層，井深480～640 m分布1層。主井預(yù)測正常涌水量為2 006 m3/d，最大涌水量為6018m3/d。副井預(yù)測正常涌水量為1 946 m3/d，最大涌水量為5 838 m3/d。

3 地面預(yù)注漿設(shè)計(jì)方案

3.1 總體方案

由于2號豎井場坪已布置有主、副井提升機(jī)房、穩(wěn)車電控室、攪拌站等構(gòu)筑物及設(shè)施，整體方案應(yīng)最大限度減少對井口場坪及其他設(shè)備的影響，還應(yīng)滿足后期下部基巖注漿與上部井筒掘砌能夠平行作業(yè)。因此，采用“S”形定向鉆孔技術(shù)，在井架基礎(chǔ)外圍設(shè)置鉆機(jī)平臺，通過定向技術(shù)將鉆孔在靶點(diǎn)引入到井筒周邊。

3.2 鉆孔布置

高黎貢山隧道2號豎井地層以花崗巖為主，屬于變質(zhì)巖，與煤礦地層所處的沉積巖地層有很大不同，變質(zhì)巖地層巖性起伏變化大，在進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)選擇較保守。

地面預(yù)注漿孔數(shù)設(shè)計(jì)要考慮井筒直徑、漿液有效擴(kuò)散距離、地層巖性、漿液特性及現(xiàn)場施工條件等因素來確定，公式：

N=π(D1+2A)/L

(1)

式中，N為注漿孔個(gè)數(shù)；D1為井筒荒徑，取7.4 m；A為井筒荒徑至布孔圈有效距離，取1.5 m；L為注漿孔間距，一般取4～6 m。

注漿孔數(shù)為基巖注漿段同一水平面上均布的孔數(shù)，且取偶數(shù)[13]。通過計(jì)算，設(shè)計(jì)單個(gè)井筒的注漿孔數(shù)為6個(gè)。由于井架南北兩側(cè)需預(yù)留排矸位置，為保證場地內(nèi)交通運(yùn)輸及鑿井期間排矸的需要，將鉆機(jī)平臺布置在井架基礎(chǔ)附近，每個(gè)鉆機(jī)平臺內(nèi)布置 2個(gè)鉆孔。注漿孔平面布置如圖3所示(以主井為例)，以井筒中心為圓心，鉆孔地面布孔圈徑34 m，SZ1—SZ6為地面布孔孔位，通過定向技術(shù)，進(jìn)入地下后鉆孔在靶點(diǎn)位置進(jìn)入井筒周邊范圍。注漿孔設(shè)計(jì)參數(shù)：主井副井均注漿6個(gè)，地面布孔34個(gè)，落點(diǎn)圈徑分別為10.3、9.3 m，落點(diǎn)孔間距分別為5.15、4.65 m。

3.3 注漿深度及鉆孔結(jié)構(gòu)

由于第①—③含水層涌水量較少，第④含水層及以下涌水量較大，因此，注漿上限為第④含水層頂部250 m處，注漿下限為第⑦含水層下10 m，即深度590 m?！癝”形注漿孔設(shè)計(jì)孔深為590 m，采用二級結(jié)構(gòu)，一級為套管段(不作注漿用)，起止深度為0～250 m，定向孔身剖面類型，采用三段制，即“增斜—穩(wěn)斜—降斜”結(jié)構(gòu)；二級為注漿段，起止深度為250～590 m，直孔孔身剖面類型。主井“S”形定向孔設(shè)計(jì)造斜率4.5～5.5°/(30 m)，降斜率3.5～4.5°/(30 m)；副井“S”形定向孔設(shè)計(jì)造斜率4.5～5.0°/(30 m)，降斜率3.5～4.0°/(30 m)。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.4 工藝流程

考慮到注漿段內(nèi)擠壓破碎帶及構(gòu)造破碎帶較發(fā)育，工程地質(zhì)條件極差，采用分段下行式注漿工藝，即分段高、分次注漿，優(yōu)點(diǎn)是可以針對含水巖層精確注漿，避免漿液的浪費(fèi)。

(1)套管段鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)，使用TSJ-2000型鉆機(jī)，最大鉆探能力為2 000 m，電動(dòng)機(jī)功率110 kW。泥漿循環(huán)選用TBW-850型臥式雙缸雙作用活塞泵，最大排量850 L/min，電動(dòng)機(jī)功率90 kW。配合以先進(jìn)的JDT-6型定向測斜設(shè)備和螺桿定向鉆具，設(shè)計(jì)每鉆進(jìn)30 m測斜1次，終孔偏斜率控制在0.5%以內(nèi)。

(2)下套管、固管。套管段鉆孔完成后，將尺寸為φ168 mm×8 mm的無縫鋼管從孔口下入鉆孔中，套管連接處采用管箍焊接，套管下放完成后采用水灰比為0.6∶1.0的單液水泥漿固管。

(3)注漿段鉆進(jìn)。固管結(jié)束漿液等凝72 h，鉆機(jī)按照設(shè)計(jì)的注漿段高分段向下鉆進(jìn)。

(4)下止?jié){塞。止?jié){塞是實(shí)現(xiàn)分段注漿的重要設(shè)備，鉆機(jī)施工一個(gè)注漿段后提鉆下入止?jié){塞，止?jié){塞下入預(yù)定位置后拉塞，通過機(jī)械受力作用卡在鉆孔內(nèi)，該措施可有效防止高壓注漿時(shí)漿液竄至非注漿段。

(5)壓水、注漿。每次注漿前例行壓水10～20 min，目的是檢查止?jié){塞的密封效果并獲得受注地層的水文地質(zhì)參數(shù)，了解裂隙的發(fā)育程度，進(jìn)而合理調(diào)整注漿參數(shù)。壓水結(jié)束后，用BQ-350型注漿泵將配置好的漿液通過管路注入到基巖段受注層位。

(6)分段循環(huán)。上一注漿段完成施工后，按設(shè)計(jì)的注漿段高分步循環(huán)工藝流程(3)—(5)，直至完成井筒注漿施工。

工藝流程具體如圖5所示。

圖5 地面預(yù)注漿工藝流程

3.5 注漿材料

注漿范圍可細(xì)分為巖帽段和注漿段，注漿材料的選擇要與注漿功能和目的相匹配。巖帽段一般選用強(qiáng)度更高的單液水泥漿，可以起到防止注漿時(shí)漿液沿裂隙通道上竄至非注漿區(qū)域的作用。對于注漿段，選用黏土水泥漿，由黏土漿、水泥、水玻璃組成的懸濁液，穩(wěn)定性高、流動(dòng)滲透性好[14]。同時(shí)，黏土水泥漿還具有單次注漿段高長、費(fèi)用較低的優(yōu)點(diǎn)。配制時(shí)黏土漿中水泥加量在100～300 kg/m3，水玻璃加量在10～40 L/m3，注漿時(shí)根據(jù)前壓水參數(shù)選取合適的配比值。黏土選自龍陵縣當(dāng)?shù)仞ね?，?jīng)檢測，黏土的塑性指數(shù)為17，含砂量不大于5%，黏粒含量(粒徑小于0.005 mm)大于25%。

3.6 注漿壓力

注漿壓力是驅(qū)動(dòng)漿液進(jìn)入并充填導(dǎo)水裂隙通道的動(dòng)力源，注漿壓力的大小對隔水帷幕厚度有重要影響，同時(shí)為了防止?jié){液超范圍擴(kuò)散，造成浪費(fèi)，注漿壓力宜控制在一定范圍內(nèi)?！睹旱V井巷工程施工規(guī)范》(GB 50511—2010)中關(guān)于注漿壓力取值范圍做了明確的規(guī)定，在施工中要根據(jù)地層情況選取合適的壓力取值。

4 施工質(zhì)量分析

4.1 鉆孔質(zhì)量分析

該工程在2號豎井主、副井井筒周邊各規(guī)劃了3個(gè)鉆機(jī)作業(yè)平臺，一序孔施工完成后鉆機(jī)移位1 m距離開孔作業(yè)二序孔，設(shè)計(jì)注漿段鉆孔偏斜率不大于0.5%。由于擠壓破碎帶和構(gòu)造破碎帶的廣泛分布，鉆孔施工難度較大，通過采取對地層加固等多種措施，完成鉆孔施工，實(shí)際偏斜率均距控制在0.5%以內(nèi)。

4.2 漿液注入量分析

在注漿工藝上，注漿量是保證堵水帷幕質(zhì)量的關(guān)鍵[15]。2號豎井地面預(yù)注漿工程累計(jì)注漿量為45 918.5 m3，以井筒分，主井注漿量為24 107 m3，占比52.4%；副井注漿量為21 811.5 m3，占比47.6%。主井注漿量大于副井的原因是主井地質(zhì)條件較副井更為復(fù)雜，主井在實(shí)際鉆探施工過程中揭露出更多的擠壓破碎帶地層，且揭露段落較高，該段落注漿量明顯大于其他地層，導(dǎo)致主井注漿量大于副井。以工序分，一序孔注漿量為28 404.5 m3，主井一序?yàn)?5 438.5 m3，副井一序?yàn)?2 966 m3。二序孔注漿量為17 514 m3，主井二序8 668.5 m3，副井二序8 845.5 m3。一序孔注漿量明顯大于二序孔的原因是初期施工時(shí)地層處于開放狀態(tài)，地層中的導(dǎo)水通道及主裂隙未進(jìn)行過充填，二序孔施工時(shí)由于一序孔已經(jīng)對地層進(jìn)行了注漿，部分導(dǎo)水通道及主裂隙已完成封堵。因此，二序孔注漿量要明顯小于一序孔。

通過對注漿量的分析可知，破碎帶的密集分布是引起注漿量超量的重要原因之一，特別是分布層位較大的破碎帶，對注漿施工造成了很大影響。主、副井實(shí)際鉆探施工過程中揭露的破碎帶要比井檢孔揭露的多，呈間斷出現(xiàn)且無規(guī)律、不均勻分布的特點(diǎn)，特別是在揭露擠壓破碎帶段落較大層位注漿施工難度較大。

4.3 地層滲透系數(shù)變化情況分析

滲透系數(shù)可用來反映地層的透水性。以副井為例，副井270～320 m注漿段一序孔及二序孔滲透系數(shù)變化曲線如圖6、圖7所示。該注漿段內(nèi)包含有擠壓破碎帶，通過分析可知：①注漿前地層的滲透系數(shù)較大，說明地層聯(lián)通性較好，隨著注漿次數(shù)的增多，地層的連通性和滲透性呈現(xiàn)明顯下降趨勢；②一序孔滲透系數(shù)的下降趨勢及幅度較二序孔更為明顯，一序孔滲透系數(shù)值平均降幅為63%，二序孔滲透系數(shù)值平均降幅為15.4%。③二序孔滲透系數(shù)起始值要明顯低于一序孔滲透系數(shù)起始值，由于工序原因，同一注漿段二序孔注漿時(shí)間滯后一序孔若干月。數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過注漿，井筒周邊地層的滲透系數(shù)得到永久性改善。

圖6 副井一序孔270～320 m注漿段滲透系數(shù)變化曲線

圖7 副井二序孔270～320 m注漿段滲透系數(shù)變化曲線

4.4 終孔壓水試驗(yàn)分析

施工完成后，在主、副井筒各留1個(gè)鉆孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)《立井井筒地面預(yù)注漿效果壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)方法》中公式進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算得出：預(yù)測主、副井筒剩余涌水量較注漿前分別下降了99.8%和99.7%。

5 結(jié)論

(1)目前高黎貢山隧道2號豎井主、副已安全掘進(jìn)到底，以實(shí)例證明地面預(yù)注漿技術(shù)可應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下的井筒防治水設(shè)計(jì)及施工。

(2)通過注漿，井筒周邊地層的滲透系數(shù)發(fā)生了明顯變化，壓水試驗(yàn)預(yù)測的主、副井井筒剩余涌水量分別較注漿前下降99.8%和99.7%，堵水效果優(yōu)異，保障了井筒的高效安全建設(shè)。

(3)高黎貢山隧道2號豎井注漿設(shè)計(jì)及施工的成功實(shí)施，對推進(jìn)鐵路長大隧道建設(shè)具有重要的推廣意義。