毛錦波,趙紅剛,韓 強(qiáng),姬中奎,張斌斌,李亞隆

(1.中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710119; 2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077)

0 引言

目前,在富水地層條件下進(jìn)行地下工程施工時(shí),通常采用高壓注漿的方式將漿液注入工程周?chē)貙拥牧严吨?待漿液凝固后在井筒周?chē)纬深?lèi)似帷幕的防滲墻,從而達(dá)到堵水與穩(wěn)固地層的目的[1-2]。注漿止水帷幕設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于確定合理的注漿帷幕厚度。

近年來(lái),眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)注漿帷幕安全厚度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。劉志強(qiáng)等[3]通過(guò)構(gòu)建立井井壁應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并依據(jù)實(shí)測(cè)井壁的附加應(yīng)變變化趨勢(shì)來(lái)控制表土層注漿加固過(guò)程; 劉孝孔等[4]利用鉆孔注漿試驗(yàn)手段,分析并優(yōu)化了厚松散層主含水層的注漿技術(shù)參數(shù),給出了適用于偏斜井筒變形的注漿加固技術(shù); 付治安[5]針對(duì)沁城煤礦卵礫石地層涌水量較大的情況,設(shè)計(jì)了立井帷幕注漿止水方案; 周禹良等[6]為解決溶蝕孔隙型白云巖含水層豎井工程的水害問(wèn)題,采用達(dá)西兩相流理論得到了漿相有效擴(kuò)散范圍的計(jì)算方法;吳松鋒等[7]通過(guò)流固耦合理論在厚壁圓筒模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)了隧道注漿帷幕力學(xué)模型,并對(duì)流固耦合作用下的隧道圍巖位移與有效應(yīng)力進(jìn)行了研究; 朱明誠(chéng)[8]針對(duì)含水流沙地層中立井施工困難這一情況,提出采用帶壓保漿法進(jìn)行旋噴帷幕施工; 黃偉[9]通過(guò)壁后土層注漿加固理論,設(shè)計(jì)了榮康煤業(yè)立井帷幕注漿技術(shù)方案;張偉杰等[10]通過(guò)注漿模型試驗(yàn)討論了帷幕注漿過(guò)程中富水破碎巖體的物理力學(xué)變化規(guī)律,并總結(jié)出針對(duì)滲透-劈裂型與微劈裂型2種界面的注漿加固模式; 林東才等[11]根據(jù)某煤礦立井井筒圍巖力學(xué)特性和周?chē)叵滤臐B流機(jī)制,選用高分子注漿材料馬麗散N對(duì)立井井筒進(jìn)行注漿封堵; 袁東鋒等[12]采用鉆孔壓水試驗(yàn)分析白云巖含水層溶蝕裂隙特征及漿液擴(kuò)散規(guī)律,并給出了含水巖層井筒帷幕體的合理注漿參數(shù)。

可見(jiàn),上述專(zhuān)家、學(xué)者從理論力學(xué)分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和模型試驗(yàn)等方面對(duì)注漿帷幕進(jìn)行了深入分析,所得的研究成果對(duì)注漿止水帷幕設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。但實(shí)際工程中,注漿帷幕體的穩(wěn)定性受開(kāi)挖擾動(dòng)、地層壓力、孔隙水壓、掘進(jìn)段高、井筒直徑及井壁暴露時(shí)間等眾多因素的綜合影響,其合理厚度的確定是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算分析過(guò)程。而以上文獻(xiàn)較少考慮擾動(dòng)作用以及含水層孔隙水壓對(duì)豎井注漿帷幕體穩(wěn)定性的影響。因此,本文以天山勝利隧道4號(hào)通風(fēng)豎井為工程背景,考慮豎井開(kāi)挖過(guò)程中的爆破擾動(dòng)效應(yīng)和孔隙水壓作用,基于彈塑性力學(xué)理論,構(gòu)建地層壓力和孔隙水壓共同作用下的注漿帷幕體力學(xué)計(jì)算模型,提出豎井注漿帷幕安全厚度理論計(jì)算公式,并確定了4號(hào)通風(fēng)豎井注漿止水帷幕的合理安全厚度,取得了顯著的注漿堵水效果。

1 豎井地面預(yù)注漿原理與方法

天山勝利隧道為高速公路隧道,全長(zhǎng)22.105 km,共有4組通風(fēng)豎井,其中4號(hào)豎井位于省道301烏斯特火車(chē)站以北8 km處,是天山勝利隧道的關(guān)鍵控制工程。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)論可知,豎井埋深為513 m,井筒周?chē)鸀榇罄韼r巖體破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育、透水性中等,4-1號(hào)豎井涌水量取7 062 m3/d,4-2號(hào)豎井涌水量取7 186 m3/d,地下水位埋深為128.60 m,高程為3 325.6 m,靜止水位為47.76 m。

由于天山勝利隧道4號(hào)通風(fēng)豎井所在地層基巖具有裂隙高度發(fā)育、富水的特性。為確保天山勝利隧道4號(hào)豎井的順利掘進(jìn),在4-1和4-2號(hào)井井筒周邊通過(guò)地面預(yù)注漿,對(duì)地下120～340 m的大理巖裂隙含水層進(jìn)行注漿封堵,形成井筒帷幕體,在其保護(hù)下再進(jìn)行井筒掘進(jìn)。4號(hào)豎井開(kāi)挖半徑為5.65 m,考慮到漿液擴(kuò)散半徑要重疊0.5 m,因此每個(gè)井布置10個(gè)鉆孔,如圖1所示。其中,8個(gè)為注漿孔,2個(gè)為補(bǔ)查孔,每孔深350 m,預(yù)計(jì)總鉆探進(jìn)尺7 000 m。

R1=4.5 m為井身凈直徑; R2=5.65 m為靶區(qū)內(nèi)最大開(kāi)挖半徑; R3=9 m為開(kāi)孔點(diǎn)直徑; R4=15 m為靶區(qū)內(nèi)直徑。

8個(gè)鉆孔均采用錯(cuò)位分段注漿法,如圖2所示。鉆孔的1開(kāi)孔段為非注漿段(0～30 m),鉆孔形式為直孔,鉆至黏土、碎石及回填段以下2 m; 2開(kāi)孔段為非注漿段(30～120 m),鉆孔形式為定向孔,鉆孔深度至地下水位以下1.4 m位置; 留20 m巖帽; 3開(kāi)孔段為裸孔注漿段(140～340 m),段高為50 m,鉆孔形式為導(dǎo)斜和直孔段,鉆孔全部為裸孔,孔深至井筒底板以下17 m; 探測(cè)注漿段(340～530 m),根據(jù)探測(cè)情況確定是否延長(zhǎng)其他鉆孔。

圖2 鉆孔剖面示意圖(單位:m)

2 注漿帷幕力學(xué)模型假設(shè)與求解

2.1 豎井注漿帷幕厚度的構(gòu)成分析

考慮豎井開(kāi)挖過(guò)程中的爆破擾動(dòng)效應(yīng),將豎井注漿帷幕厚度分為有效厚度和無(wú)效厚度2部分[4,11],如圖3所示。

圖3 豎井注漿帷幕體分析模型

豎井開(kāi)挖后,r0為井筒荒徑;rine、re分別為有效帷幕體內(nèi)半徑和外半徑;ph為水平地層壓力;pw為孔隙水壓力。注漿帷幕體的無(wú)效厚度tine是豎井開(kāi)挖爆破作用下注漿帷幕體一定范圍內(nèi)產(chǎn)生的粉碎帶,不能起到有效的止水作用,tine=rine-r0; 注漿帷幕體的有效厚度te(te=re-rine)是指未受豎井開(kāi)挖破壞、較為完整的隔水體,是防滲和維持井壁穩(wěn)定的主體。

2.2 基本力學(xué)假設(shè)與力學(xué)模型

2.2.1 基本力學(xué)假設(shè)

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程,根據(jù)有效帷幕體的受力變形特性,構(gòu)建可解析求解的力學(xué)模型,現(xiàn)作出如下簡(jiǎn)化和假設(shè):

1)考慮鉆爆法施工對(duì)圍巖的破壞作用,將爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)破壞區(qū)定義為塑性區(qū),并以此為起點(diǎn)作為有效注漿帷幕體的彈性設(shè)計(jì)厚度內(nèi)邊界。

2)由于豎井縱向受力變化規(guī)律不符合平面應(yīng)變的假設(shè),但考慮到井筒開(kāi)挖斷面尺寸遠(yuǎn)小于井筒深度,以深部條件對(duì)有效帷幕體平面模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)保守力學(xué)分析。

3)將有效帷幕體外側(cè)周邊巖土體假設(shè)為連續(xù)的均質(zhì)各向同性線(xiàn)彈性材料。

4)暫不考慮地下水的滲流耦合作用。

2.2.2 力學(xué)分析模型

在上述簡(jiǎn)化和假設(shè)的基礎(chǔ)上,建立有效注漿帷幕體徑向變形力學(xué)分析模型,如圖4所示。L0為通風(fēng)豎井井壁外邊界;L1(r=rine)處為定點(diǎn)爆破后有效注漿帷幕體的內(nèi)邊界; 有效注漿帷幕體外邊界L2(r=re)處作用的地層荷載為初始水平地應(yīng)力ph與孔隙水壓力pw之和。

圖4 有效注漿帷幕體力學(xué)分析模型

2.3 有效注漿帷幕體變形分析

根據(jù)上述基本假設(shè),可將其視為軸對(duì)稱(chēng)平面應(yīng)變問(wèn)題。由彈塑性理論可知[13],有效注漿帷幕體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為:

(1)

式中:εr、εθ分別為徑向與環(huán)向應(yīng)變;σr、εθ分別為徑向與環(huán)向應(yīng)力;ψ為有效注漿帷幕體彈性與塑性剪切模量的比值,ψ=Ge/Gp;Ge為有效注漿帷幕體彈性剪切模量,Ge=E/2(1+μ),MPa;Gp為有效注漿帷幕體塑性剪切模量,MPa。

根據(jù)有效帷幕體的應(yīng)變幾何方程:

(2)

式中:u為徑向位移;r為注漿帷幕半徑。對(duì)r求導(dǎo)得

(3)

將式(2)代入式(3)可得

(4)

將式(1)代入式(4)中可得

(5)

式(5)兩邊同時(shí)對(duì)r積分得

εθ=Jr-2。

(6)

式中J為積分常量。

聯(lián)立式(1)和式(6)可得

(7)

在計(jì)算帷幕體徑向位移時(shí),考慮應(yīng)力增量作用[11],將式(7)改寫(xiě)為:

(8)

在帷幕體彈塑性界面上有:

(9)

式中:p1為注漿帷幕體內(nèi)邊界的地層壓力,MPa;c為有效注漿帷幕體的黏聚力,MPa;φ為有效注漿帷幕體的內(nèi)摩擦角,(°);rp為有效注漿帷幕體塑性區(qū)半徑,m,其大小為

(10)

將式(9)代入式(8),可得到積分常量J的表達(dá)式為:

(11)

由此可得有效注漿帷幕體徑向位移為

(12)

則有效注漿帷幕體在彈塑性交界面處的徑向位移為:

(13)

2.4 豎井注漿帷幕體安全厚度計(jì)算

2.4.1 注漿帷幕體無(wú)效厚度分析

豎井采用直孔掏槽爆破方法一次成井,其技術(shù)的關(guān)鍵在于能否破碎并拋出掏槽區(qū)域內(nèi)的巖體。根據(jù)球狀藥包破巖理論可知,爆破時(shí)巖體將產(chǎn)生一定范圍的破碎區(qū),其半徑為:

(14)

式中rb為炮孔設(shè)計(jì)半徑。

則注漿帷幕體的無(wú)效厚度可表示為:

(15)

2.4.2 注漿帷幕有效厚度的確定

豎井注漿有效帷幕體主要承受水平地層壓力與含水層的孔隙水壓。由于有效帷幕體未受到施工擾動(dòng)破壞,可將其視為均質(zhì)、連續(xù)且各向同性的彈塑性體。取單位高度有效帷幕體為研究對(duì)象,根據(jù)厚壁圓筒理論[16]可得有效帷幕體中任一單元體的彈性徑向位移為:

(16)

式中:μ為帷幕體泊松比;Gs為帷幕體剪切模量。

由式(16)可得有效帷幕體彈塑性交界面(r=rp)處的彈性徑向位移為:

(17)

由帷幕體外壁圍巖和有效帷幕體的位移協(xié)調(diào)條件可知:

(18)

聯(lián)立式(13)、式(17)及式(18)可得:

(19)

由式(15)及式(19)得注漿有效帷幕體外半徑re,則注漿帷幕體的有效厚度te與安全厚度ts分別為:

(20)

3 注漿有效帷幕體穩(wěn)定性分析

3.1 有效帷幕體橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)上述理論計(jì)算出注漿帷幕體的安全厚度后,還需對(duì)注漿有效帷幕圓環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。為了保證有效帷幕體的橫向穩(wěn)定,要求其長(zhǎng)細(xì)比滿(mǎn)足:

(21)

式中:l為有效帷幕圓環(huán)換算長(zhǎng)度,l=1.814rav,其中,rav為有效帷幕圓環(huán)內(nèi)、外平均半徑,rav=(re+rine)/2。

取單位高度的帷幕圓環(huán)為研究對(duì)象,根據(jù)平面應(yīng)變理論進(jìn)行分析。當(dāng)帷幕圓環(huán)失去橫向穩(wěn)定性時(shí),均勻徑向臨界壓力

(22)

式中:E為帷幕體的彈性模量;I為注漿帷幕圓環(huán)的縱截面慣性矩,I=bh3/12(b為注漿帷幕的厚度;h為注漿帷幕高度)。

(23)

要求滿(mǎn)足:

(24)

式中vk為穩(wěn)定性計(jì)算安全系數(shù),vk=1.3。

3.2 注漿帷幕體強(qiáng)度驗(yàn)算

通常注漿有效帷幕體的厚度滿(mǎn)足te≥0.1r0[17],在有效帷幕體受均勻側(cè)向壓力條件下可按照厚壁圓筒理論來(lái)驗(yàn)算有效帷幕體的強(qiáng)度,如圖5所示。

圖5 注漿帷幕體橫截面軸力分布

有效帷幕圓環(huán)截面軸向力大小為:

N=(ph+pw)re。

(25)

帷幕圓環(huán)截面上的最大計(jì)算主應(yīng)力σc在有效帷幕體內(nèi)側(cè)為

(26)

式中fc為注漿帷幕體的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

4 隧道通風(fēng)豎井工程應(yīng)用分析

4.1 注漿帷幕體安全厚度的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知,有效注漿帷幕體的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 有效注漿帷幕體物理力學(xué)參數(shù)

由表1可知,有效注漿帷幕體彈性剪切模量Ge=3.28 GPa; 帷幕體所受水平地層壓力ph=4.55 MPa; 作用在帷幕體外側(cè)曲面上的孔隙水壓力pw=3.09 MPa。

4.1.1 注漿帷幕體無(wú)效厚度計(jì)算

將上述基本參數(shù)代入式(14)可得豎井圍巖粉碎區(qū)半徑為:

6.175 m。

(27)

則注漿帷幕體的無(wú)效厚度為:

tine=6.175-5.65=0.525 m。

(28)

4.1.2 有效帷幕體內(nèi)側(cè)徑向位移的計(jì)算

有效注漿帷幕體塑性區(qū)半徑可由式(10)計(jì)算得到:

(29)

將上述基本物理力學(xué)參數(shù)代入式(12)得到有效帷幕體內(nèi)側(cè)(r=rine)的徑向位移為

8.55 mm。

(30)

4.1.3 注漿帷幕體有效厚度的確定

將上述基本物理力學(xué)參數(shù)代入式(19)中,借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行計(jì)算得注漿帷幕體外徑re=12.146 m。可求得注漿帷幕體的有效厚度為:

te=12.146-6.175=5.971 m。

(31)

由式(20)可得注漿帷幕體的理論安全厚度為:

ts=12.146-5.65=6.496 m。

(32)

4.2 豎井注漿帷幕體的穩(wěn)定性驗(yàn)算

4.2.1 橫向穩(wěn)定性驗(yàn)算

按照求得的注漿帷幕安全厚度可知,帷幕體外半徑re=6.496 m+5.65 m=12.146 m。注漿有效帷幕圓環(huán)內(nèi)、外平均半徑rav=(12.146 m+6.175 m)/2=9.16 m,其長(zhǎng)細(xì)比為:

(33)

滿(mǎn)足長(zhǎng)細(xì)比基本條件。

選擇單位高度的帷幕圓環(huán),由式(24)得帷幕圓環(huán)失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力為:

1.3×(4.55+3.09)=9.93 MPa。

(34)

滿(mǎn)足注漿帷幕體的橫向穩(wěn)定性條件。

4.2.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

將注漿帷幕體的基本物理力學(xué)參數(shù)代入式(26)得有效帷幕圓環(huán)截面內(nèi)側(cè)的最大計(jì)算主應(yīng)力為:

(35)

由式(35)可知,注漿帷幕體滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件。綜上所述,確定注漿帷幕體安全厚度取為6.5 m。

5 通風(fēng)豎井地面預(yù)注漿堵水效果分析

5.1 注漿效果物探檢驗(yàn)分析

為驗(yàn)證豎井地面預(yù)加固實(shí)施效果,現(xiàn)場(chǎng)采取孔間CT和孔內(nèi)電視相結(jié)合的方法對(duì)注漿堵水效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

5.1.1 孔間CT法

對(duì)4111-4112、4112-4122、4122-4114、4114-4111檢查孔開(kāi)展跨孔電阻率CT工作,測(cè)試成果如圖6所示。測(cè)試結(jié)果表明,鉆孔之間的巖體電阻率整體較高,巖體完整性好,一般為9 000～30 000 Ω·m。圖中圈出的局部低阻異常區(qū)電阻率普遍為3 000 Ω·m左右,遠(yuǎn)高于裂隙充水時(shí)的大理巖層電阻率(一般<1 000 Ω·m)。推測(cè)該處為注漿充填后的破碎大理巖區(qū)域,也間接反映注漿治理段注漿效果良好。

圖6 4-1豎井注漿孔孔間CT測(cè)試結(jié)果

5.1.2 孔內(nèi)電視法

通過(guò)41B1和41B2檢查孔對(duì)注漿治理段巖層進(jìn)行鉆孔成像,觀(guān)察巖體完整性、有無(wú)殘余裂隙及注漿充填效果,如圖7所示。檢查孔孔壁光滑,無(wú)明顯裂隙,局部明顯可見(jiàn)原地層裂隙被漿液充填密實(shí),無(wú)殘余裂隙,注漿充填效果良好。

(a) 41B1檢查孔

5.2 注漿帷幕體穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與分析

為驗(yàn)證該注漿帷幕體安全厚度的合理性,確保注漿帷幕體穩(wěn)定,對(duì)豎井井壁應(yīng)力及其位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。

5.2.1 井壁應(yīng)力監(jiān)測(cè)分析

通過(guò)地面預(yù)注漿過(guò)程中鉆孔之間的串漿現(xiàn)象和施工現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取芯結(jié)果分析,漿液實(shí)際擴(kuò)散半徑大于6.5 m,漿液能夠在井壁周?chē)纬奢^為完整的注漿帷幕體。整個(gè)注漿加固施工過(guò)程中,各監(jiān)測(cè)層位井壁應(yīng)力實(shí)測(cè)值如圖8所示。

圖8 井壁應(yīng)力變化實(shí)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,70 d內(nèi)4個(gè)水平中段的井壁應(yīng)力變化相似。井壁最大應(yīng)力值為11.54 MPa,出現(xiàn)在-530 m水平中段斷層帶。0～40 d各監(jiān)測(cè)層位井壁應(yīng)力整體隨監(jiān)測(cè)時(shí)間逐漸減小,井壁應(yīng)力實(shí)測(cè)值在40～70 d時(shí)在一定范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象反映出通過(guò)地面預(yù)注漿法所形成的豎井注漿帷幕對(duì)地下水具有良好的封堵作用。

5.2.2 井壁位移監(jiān)測(cè)分析

井壁隨深度變化的累計(jì)位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖9 井壁隨深度變化的累計(jì)位移曲線(xiàn)

由圖9可知,在豎井井筒深部注漿加固施工過(guò)程中,隨著地層深度的增加,井壁位移逐漸增大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生向豎井內(nèi)側(cè)移動(dòng),其中井壁底部(4#測(cè)點(diǎn))處位移最大,但井壁累計(jì)位移最大不到16 mm,處于可控范圍內(nèi),能夠保證通風(fēng)豎井的安全快速施工。

6 結(jié)論與討論

本文對(duì)施工擾動(dòng)和孔隙水壓共同作用下隧道通風(fēng)豎井的注漿帷幕安全厚度進(jìn)行了系統(tǒng)研究,主要結(jié)論如下:

1)考慮豎井開(kāi)挖過(guò)程中爆破擾動(dòng)效應(yīng)對(duì)已形成的地面預(yù)注漿帷幕體的影響,將注漿帷幕體的安全厚度劃分為無(wú)效厚度和有效厚度2部分。通過(guò)建立注漿帷幕體力學(xué)分析模型,基于彈塑性力學(xué)理論與厚壁圓筒相關(guān)理論,提出了豎井注漿帷幕體安全厚度的計(jì)算公式。

2)運(yùn)用本文理論研究成果確定了天山勝利隧道4號(hào)豎井注帷幕的安全厚度為6.5 m。依據(jù)厚壁圓環(huán)驗(yàn)算了注漿帷幕體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,地面預(yù)注漿帷幕體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明,豎井注漿堵水取得了良好的效果,可為豎井安全快速施工提供可靠保障。

由于注漿帷幕厚度是豎井安全快速施工的關(guān)鍵影響因素,除去本文重點(diǎn)研究的開(kāi)挖擾動(dòng)和孔隙水壓的影響外,注漿帷幕合理厚度還與圍巖巖性、漿液類(lèi)型、注漿工藝及現(xiàn)場(chǎng)施工水平等因素密切相關(guān),對(duì)此可進(jìn)一步研究完善。