毛錦波,李亞隆,姬中奎,韓 強(qiáng),張小虎,張斌斌,孫佰軍,趙紅剛

(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

隨著我國(guó)“一帶一路”倡議的持續(xù)推進(jìn),需要在西北部高海拔高寒山區(qū)修建大量的深部巖體工程。地下工程施工常面臨突涌水、巖爆及高原凍害等諸多地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)施工人員安全,增加工程成本,影響施工進(jìn)度及其后期正常運(yùn)營(yíng)。

長(zhǎng)期以來(lái),突涌水作為一種主要地質(zhì)災(zāi)害,在高寒山區(qū)地下工程施工過(guò)程中受到國(guó)內(nèi)外專家及現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的高度重視并進(jìn)行過(guò)大量的研究。冉海軍等[1]分析了注漿效果的影響因素,通過(guò)設(shè)置合理的段高,實(shí)現(xiàn)了隧道施工過(guò)程中的快速堵水;葉欣欣等[2]運(yùn)用多種方法討論了淺埋隧道偏壓段圍巖注漿加固效果,發(fā)現(xiàn)注漿后的地層成拱能力和圍巖結(jié)構(gòu)完整性得到顯著增強(qiáng);尚宏波等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了受注礫巖含水層帷幕墻的漿液運(yùn)移規(guī)律及其注漿截流效果;陳登前[4]對(duì)地面預(yù)注漿滲透擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)了適用于淮南礦區(qū)立井井筒的預(yù)注漿參數(shù)與施工工藝;李文光等[5]運(yùn)用下行式注漿法解決了三山島金礦豎井施工的突涌水問(wèn)題;李紅輝等[6]采取工作面超前預(yù)注漿施工技術(shù),成功控制了井筒和馬頭門的涌水災(zāi)害;楊志斌等[7]基于鉆孔高壓水試驗(yàn)對(duì)注漿效果進(jìn)行了定量評(píng)價(jià),結(jié)果顯示注漿效果良好;岳鵬超等[8]采用綜合注漿技術(shù)解決了立井穿越含水層的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了打干井的目的;劉鵬飛等[9]采用帷幕注漿加固技術(shù)使隧道成功穿越了富水黃土涌水地層;朱冠宇等[10]分析了淮北某礦水害特征與含水層的補(bǔ)給關(guān)系,提出了帷幕截流和疏干開(kāi)采相結(jié)合的防治對(duì)策;賀文等[11]選用黏土水泥漿液,采用分段預(yù)注漿方式解決了富水白云巖地層治水難題;高廣義[12]通過(guò)借鑒類似工程和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定了富水花崗巖地區(qū)豎井工作面施工原則與治理方式;張建峰等[13]探究了隧道施工過(guò)程中突涌水的災(zāi)變機(jī)制,并提出相應(yīng)的防控措施。

綜上所述,近年來(lái)眾多學(xué)者在地下工程突涌水注漿治理方面已開(kāi)展了大量的研究工作,并取得了一系列的研究成果,但尚缺乏高海拔高寒山區(qū)富水陡傾斜大理巖地層傾角大、裂隙開(kāi)度小、吃漿量弱的針對(duì)性注漿擴(kuò)散模型及其工藝研究?；诖?本文針對(duì)天山勝利隧道4號(hào)通風(fēng)豎井施工過(guò)程中存在裂隙開(kāi)度小、堵水效果差等問(wèn)題,基于廣義賓漢流體漿液本構(gòu)方程,構(gòu)建陡傾斜大理巖富水地層劈裂引流注漿力學(xué)模型,提出漿液擴(kuò)散運(yùn)移方程,并將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程中。

1 工程概況

天山勝利隧道4號(hào)豎井位于省道301烏斯特火車站以北8 km、里程樁號(hào)為ZK93+029.477左側(cè)79.589 m處,設(shè)計(jì)井深513 m,斷面凈直徑設(shè)計(jì)為9 m。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭露,地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)坡積粉土、碎石,下伏地層為薊縣系卡瓦布拉克巖群。地下水位初見(jiàn)埋深為114.00 m,高程+3 325.643 m,靜止水位47.76 m,為承壓水。地下水pH值在7.6～7.97,均值為7.76,呈弱堿性。地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水和冰雪融水,地下水類型為基巖裂隙水,地表水滲入量大,井內(nèi)涌水量較大,預(yù)計(jì)4號(hào)豎井涌水量為7 009 m3/d。天山勝利隧道4號(hào)豎井涌水地層分布情況如表1所示。

表1 天山勝利隧道4號(hào)豎井涌水地層分布情況

井筒預(yù)注漿段埋深較大,注漿段較長(zhǎng),井筒預(yù)注漿巖層為風(fēng)化大理巖,發(fā)育大量微小裂隙,不利于注漿。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,豎井掘進(jìn)至100 m處時(shí),施工的超前探查孔出水量較大,單孔涌水量約為5 m3/h,造成淹井事故,繼續(xù)掘進(jìn)突水風(fēng)險(xiǎn)較大。探查孔涌水情況如圖1所示。

(a) (b)

2 陡傾斜大理巖結(jié)構(gòu)特征及注漿模型

2.1 陡傾斜大理巖結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)區(qū)域資料和工程地質(zhì)調(diào)繪、物探資料,4號(hào)豎井涌水段巖層主要為中風(fēng)化大理巖,巖層傾角為62°～79°,平均傾角為72°,屬于陡傾斜巖層。巖層主要礦物為方解石、白云石、石英等,粒狀變晶結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖體較完整,巖石中可見(jiàn)石英細(xì)脈發(fā)育。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采取的巖樣,大理巖段為微裂隙發(fā)育區(qū)段,裂隙發(fā)育較小。大理巖結(jié)構(gòu)特征如圖2所示。

(a) (b)

豎井施工過(guò)程中,由于后續(xù)井壁襯砌施工與工作面的爆破掘進(jìn)存在一定的時(shí)間差。當(dāng)井筒穿越含水層時(shí),無(wú)支護(hù)井壁段和工作面易產(chǎn)生局部坍塌突水,對(duì)豎井的安全快速開(kāi)挖構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2.2 劈裂引流注漿擴(kuò)散模型

2.2.1 基本假設(shè)

1)水和漿液視為均質(zhì)、各向同性、不可壓縮的賓漢流體,且不考慮漿液流型的變化。

2)漿液沿巖層傾角發(fā)生層流運(yùn)動(dòng),且符合連續(xù)方程。

3)漿液在任意裂隙面內(nèi)的擴(kuò)散速率相等,且不考慮漿液在運(yùn)移過(guò)程中的損失。

4)漿液只存在于裂隙通道,不會(huì)流入巖體內(nèi)部。

5)被注巖體的裂隙壁表面光滑,裂隙寬度均勻無(wú)變化。

基于以上假設(shè),建立陡傾斜大理巖增透引流注漿擴(kuò)散模型,如圖3所示。

(a) 水力增透模型

水力增透技術(shù)是通過(guò)高壓水泵將高壓脈沖式水流從注水孔注入巖體內(nèi)的原生裂隙中,在水壓作用下,裂隙結(jié)構(gòu)弱面發(fā)生起裂。隨著水壓作用的持續(xù)進(jìn)行,裂隙損傷不斷增加,裂隙進(jìn)一步疏通、擴(kuò)展及延伸,從而使?jié){液裂隙運(yùn)移通道擴(kuò)展。

在引流注漿過(guò)程中,通過(guò)引流孔抽水,利用水頭壓力差迫使?jié){液沿帷幕圈擴(kuò)散。引流孔排水后使含水層水流動(dòng),漿液顆粒能隨著水流逐漸封堵裂隙通道,從而提高注漿堵水效果。

2.2.2 漿液擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)圖3(b)所示的引流注漿模型,沿裂隙方向?qū){液?jiǎn)卧w進(jìn)行受力分析,如圖4所示。圖4中:y為垂直于漿液運(yùn)動(dòng)方向的距離,y=0處位于裂隙中心; 漿液沿x方向以速度v運(yùn)動(dòng)。

b為微裂隙寬度; 2h為流核區(qū)高度; p為注漿壓力; pw為裂隙水壓; p-pw和p+dp為微單元體兩端壓力; τ為兩側(cè)剪應(yīng)力; α為微裂隙傾角。

采用賓漢流體模型,漿液?jiǎn)卧獌蓚?cè)剪應(yīng)力為

τ=Ay[14-15]。

(1)

其中,A的表達(dá)式為

(2)

由微單元體的受力平衡可知,截面剪應(yīng)力和速度方程[16-17]為:

(3)

式中τ0為漿液屈服剪切力。

令A(yù)*=p-γgxsinαcosθ,代入式(2)并進(jìn)行積分可得

(4)

將式(4)代入式(1),可得

(5)

式中μ(t)為漿液黏度隨時(shí)間的變化函數(shù)。

對(duì)式(5)進(jìn)行積分,可得

(6)

由式(6)可得漿液在微裂隙中的平均速度為

(7)

(8)

忽略高階小項(xiàng),可得

(9)

故單位時(shí)間的注漿量為

(10)

式中:k為黏度系數(shù);n為冪指數(shù);q為單位時(shí)間的注漿量。

則

(11)

當(dāng)漿液擴(kuò)散距離為x時(shí),注漿時(shí)間為

(12)

雙液漿黏度變化函數(shù)為

μ(t)=ktn。

(13)

將式(12)代入式(13),得

(14)

聯(lián)立式(11)和式(14),可得

(15)

解得

(16)

當(dāng)漿液位于注漿孔半徑rc處時(shí),將邊界條件x=rc、p=pg代入式(16),可得劈裂縫方向上的注漿壓力為

(17)

式中:pg為注漿孔處壓力;rc為注漿孔半徑。

忽略漿液自重,考慮裂隙水壓作用,當(dāng)被注巖體前端注漿壓力等于2次啟劈壓力與裂隙水壓之和時(shí),即p=pd1+pd2+pw,漿液擴(kuò)散半徑為Rg/cosα。由邊界條件p=pd1+pd2+pw、x=Rg/cosα及式(17),得注漿壓力為

pd1+pd2+pw。

(18)

方向?yàn)樨?fù)方向,故式(18)變換為

pd2+pw。

(19)

工程實(shí)際中,當(dāng)被注巖體所受最小主應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之和低于劈裂通道內(nèi)部的注漿壓力時(shí),二次啟劈注漿壓力為[16,18]

pd2=σ3+σt。

(20)

式中:σ3為巖石最小主應(yīng)力;σt為巖石抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)上文理論研究成果可知,影響注漿壓力的主要因素有裂隙傾角、初次啟劈壓力、二次啟劈壓力、裂隙水壓、設(shè)計(jì)劈裂擴(kuò)散距離及漿液黏度時(shí)變性。若采用引流注漿工藝,在實(shí)際工程中會(huì)減小注漿壓力,增大漿液擴(kuò)散距離。

3 陡傾斜大理巖注漿施工方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿范圍及鉆孔布置

3.1.1 注漿范圍的確定

基于上述分析,采用地面預(yù)注漿方式對(duì)天山勝利隧道4號(hào)通風(fēng)豎井涌水段進(jìn)行治理。根據(jù)注漿施工規(guī)程和以往的施工經(jīng)驗(yàn),松散地層中漿液的最大注漿擴(kuò)散半徑一般為8～12 m,漿液擴(kuò)散半徑交叉重疊范圍為0.5 m。本試驗(yàn)中漿液劈裂擴(kuò)散半徑設(shè)計(jì)為15 m,每個(gè)井筒設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔,其中8個(gè)為注漿孔,2個(gè)為檢查孔。注漿孔和檢查孔布置如圖5所示。圖5中:R1=4.5 m為井身凈半徑,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)半徑,R4=15 m為靶區(qū)內(nèi)半徑,預(yù)計(jì)注漿完成后帷幕體厚度為5～6 m。

圖5 注漿孔和檢查孔布置

3.1.2 鉆孔布置

在井筒帷幕靶向區(qū)內(nèi)均布設(shè)置若干Ⅰ序鉆孔(鉆孔4111、4112、4113、4114)。沿地層傾角走向,首先選取同層位大埋深一側(cè)任一Ⅰ序鉆孔為起始注漿孔,任選一方向順時(shí)針或逆時(shí)針,與起始注漿孔相鄰Ⅰ序孔為走向引流孔,對(duì)角Ⅰ序鉆孔為傾向引流孔。

一開(kāi)孔段:鉆孔深度為0～20 m,鉆孔形式為直孔,孔徑為311 mm,鉆進(jìn)至完整基巖以下2 m,下放直徑為244.5 mm的一開(kāi)套管,防止塌孔。二開(kāi)孔段:鉆孔深度為20～105 m,鉆孔形式為定向斜孔,孔徑為215.9 mm,鉆進(jìn)至巖帽段頂部,下放直徑為177.8 mm套管并用水泥漿液固管,確保不漏漿液。三開(kāi)孔段:鉆孔深度為105～350 m,鉆孔形式為斜導(dǎo)和直孔,孔徑為152 mm。施工時(shí),注漿孔先進(jìn)行大泵量壓水,以疏通弱風(fēng)化大理巖裂隙,保證注漿效果。壓水結(jié)束后開(kāi)始注漿,同時(shí)打開(kāi)引流孔進(jìn)行抽水,使?jié){液沿地層走向流向同層位相鄰引流孔。

3.2 預(yù)注漿關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 漿液選型及配比

注漿材料以水泥、黏土液漿為主,在最后補(bǔ)強(qiáng)階段采用單液漿。105～140 m段為巖帽段,注漿為單液漿,單液水泥漿水灰質(zhì)量比為1∶1,1 m3單液水泥漿水泥用量為0.75 t?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為-2～5 ℃,注漿段地層溫度約為2 ℃,嚴(yán)重影響漿液的初凝時(shí)間及其強(qiáng)度。為加速凝結(jié),提高早期強(qiáng)度,氯化鈉、三乙醇胺的加入量分別按水泥用量的5‰及0.5‰計(jì)算。單液水泥漿材料配合比如表2所示。140～340 m段注入黏土水泥漿,黏土水泥漿液現(xiàn)場(chǎng)配比參數(shù)如表3所示。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整不同注漿段漿液原料配比,試驗(yàn)試件如圖6所示。

(a) 單液水泥漿試件 (b) 黏土水泥漿試件

表2 單液水泥漿材料配合比

表3 黏土水泥漿液現(xiàn)場(chǎng)配比參數(shù)

3.2.2 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿終量不大于60 L/min,達(dá)到注漿終壓并穩(wěn)定20～30 min后可結(jié)束該孔段的注漿工作。

3.2.3 注漿壓力

初次啟劈壓力采用水壓致裂法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試取值,鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試深度在119.8～547.5 m,測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 鉆孔水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

由式(20)可知,二次啟劈注漿壓力主要取決于巖體最小主應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度,在初次水壓致裂后,取出巖芯測(cè)量巖體力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測(cè)得巖體力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)如表5所示。

表5 巖體力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)

由表5測(cè)得二次啟劈壓力為2.15～2.64 MPa,不同埋深段漿液克服水的裂隙水壓不同,相關(guān)參數(shù)如表6所示。其中屈服剪切力τ0由式(3)和式(16)聯(lián)立計(jì)算得到。

表6 計(jì)算參數(shù)取值

以注漿段Ⅲ-1為例計(jì)算各區(qū)段的注漿壓力,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(19),得

(21)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,鉆孔注漿終壓值不小于巖帽段裂隙水壓的1.5倍,孔深小于400 m的注漿段注漿終壓值不小于裂隙水壓的2.5～3.0倍。依據(jù)上述理論,確定不同段高的注漿壓力如表7所示。

表7 注漿段高及注漿壓力

3.3 大理巖微裂隙劈裂注漿工藝

1)注漿前打開(kāi)引流孔孔口閥門,使鉆孔處于靜壓狀態(tài),然后對(duì)注漿孔進(jìn)行大泵量壓水工作,以疏通大理巖裂隙,期間觀測(cè)引流孔水位上升及溢流情況,保證注漿效果。

2)針對(duì)注漿段漿液沿著巖層陡傾斜裂隙繞過(guò)巖帽段,造成漿液浪費(fèi)的情況,由起始注漿孔沿地層走向流向同層位相鄰引流孔,沿地層傾向流向高層位對(duì)角引流孔,當(dāng)注漿孔達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí),結(jié)束注漿。

3)采用下行式分段注漿的方式,每個(gè)鉆孔注漿段段高按照50 m劃分,各注漿段高經(jīng)鉆孔—脈沖式壓水增透—注漿—壓水試驗(yàn)等工藝,再進(jìn)行下一段注漿,往復(fù)循環(huán)注漿至設(shè)計(jì)孔深,單液水泥漿和黏土水泥漿注漿量分別為628 m3和19 635 m3。

4 陡傾斜大理巖注漿效果分析

通過(guò)設(shè)置檢查孔41B1和41B2,結(jié)合常規(guī)注漿堵水效果檢測(cè)方法,分別采取孔內(nèi)電視法和光纖測(cè)溫法對(duì)檢查孔進(jìn)行效果檢測(cè),并結(jié)合注漿治理后的豎井掌子面?zhèn)缺诮衣肚闆r,綜合評(píng)價(jià)注漿堵水效果。

4.1 簡(jiǎn)易水文觀測(cè)

41B1和41B2檢查孔采用清水鉆進(jìn),在每一段高初次鉆進(jìn)時(shí),詳實(shí)記錄鉆進(jìn)過(guò)程中的沖洗液消耗情況,如圖7所示。41B1檢查孔注漿治理段在144.2～146.2 m段沖洗液消耗量最大值為180 L/m,148.65～150 m段沖洗液消耗量為133.33 L/m,其余部分平均為49.4 L/m,屬于正常消耗。41B2檢查孔注漿治理段僅在200 m處沖洗液消耗量偏大,為164.76 L/m,其余部分屬于正常消耗,平均為56.28 L/m。由此可以看出,4號(hào)豎井突涌水段注漿治理效果良好。

圖7 檢查孔沖洗液消耗曲線圖

4.2 孔內(nèi)電視法

通過(guò)檢查孔41B1和41B2對(duì)注漿治理段巖層進(jìn)行鉆孔成像,觀察巖體完整性,有無(wú)殘余裂隙及注漿充填效果。檢查孔電視圖如圖8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孔122 m處 (b) 41B1孔322 m處

4.3 光纖測(cè)溫法

假設(shè)原始地層溫度恒定,考慮注漿后水泥水化放熱影響,注漿形成帷幕體后,帷幕內(nèi)外地層會(huì)產(chǎn)生一定溫差。測(cè)試段為105～350 m,布置傳感器間距為50 m,串聯(lián)6個(gè)溫度傳感器,按照1 m步距進(jìn)行測(cè)量。光纖測(cè)溫曲線圖如圖9所示。由圖9可以看出:鉆孔深度在100～224 m段內(nèi),4114與41B1鉆孔溫度與溫度梯度變化明顯,均有2個(gè)低溫點(diǎn),且均在150 m和184 m附近,說(shuō)明該段內(nèi)2個(gè)鉆孔均無(wú)水流交替;在224 m到孔底段內(nèi),41B1鉆孔的溫度波動(dòng)比較大,說(shuō)明41B1在該段孔內(nèi)幾乎無(wú)水流交替,4114鉆孔的溫度波動(dòng)相對(duì)較小,分析推測(cè)有弱水流交替,但其在該段的溫度梯度均值為0.022 76 ℃/m,說(shuō)明其水流交替較小,即補(bǔ)給量較小。根據(jù)光纖測(cè)溫情況,可說(shuō)明4號(hào)豎井突涌水段注漿治理效果良好。

圖9 光纖測(cè)溫曲線圖

4.4 掘進(jìn)揭露情況

地面預(yù)注漿治理后,豎井掘進(jìn)掌子面處無(wú)明顯滲水,井筒涌水量不超過(guò)1 m3/h。治理后豎井掌子面?zhèn)缺诮衣肚闆r如圖10所示。

圖10 治理后豎井掌子面?zhèn)缺诮衣肚闆r

5 結(jié)論與建議

1)為解決天山勝利隧道4號(hào)通風(fēng)豎井涌水問(wèn)題,考慮了陡傾斜大理巖層結(jié)構(gòu)特征、漿液黏度、注漿壓力等因素,提出陡傾斜大理巖增透引流注漿模型,建立增透劈裂注漿擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方程,為確定注漿參數(shù)提供了理論依據(jù)。

2)提出增透引流注漿控制方法,通過(guò)高壓水增透巖體裂隙,引流孔控制漿液方向,動(dòng)態(tài)控制注漿壓力等關(guān)鍵參數(shù),促使?jié){液在結(jié)構(gòu)面內(nèi)控制性擴(kuò)散,保證注漿效果。

3)理論分析及工程實(shí)踐表明,注漿治理段裂隙被有效充填,豎井掘進(jìn)中迎頭涌水量不超過(guò)1 m3/h,注漿堵水效果良好。

天山勝利隧道處于高海拔地區(qū),分布著永久季節(jié)性凍土地層,在進(jìn)行工作面預(yù)注漿時(shí)漿液凝結(jié)時(shí)間受溫度影響很大,且強(qiáng)度低,建議采取更好的方法解決漿液在低溫環(huán)境下凝固差的問(wèn)題。