新疆某引水工程竖井井筒渗水治理专项措施

刘录录

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830091)

0 前 言

在中国水利工程建设中，竖井高水头强渗水一直是影响水利工程安全施工的隐患之一，也是水利工程施工安全和技术性难题[1]。在引水隧洞掘进施工过程中，通常都会遇到大量涌水和突水的问题，而主要的治理对策就是开挖前进行预注浆以及施工后进行补注浆的操作，这种常规的堵水措施常常受到不同环境条件的限制，所以堵水效果并不理想[2]。总结介绍新疆某引水隧洞竖井井壁大面积渗水问题，通过对渗水治理设计方案以及施工措施进行介绍，以期为类似工程问题提供参考。

1 工程概况

新疆某工程竖井设计深度686.113 m，井口设计标高1 229.00 m，从竖井开挖后揭示的围岩情况看，竖井主要岩石岩性为花岗岩，肉红色，中粗粒结构，岩体较完整，块状构造，为Ⅲ类围岩。竖井主要裂隙、断层带平面位置为东北至东南方向，裂隙倾角接近80°，主要层状裂隙随开挖工作面垂直向竖井下部延伸，且裂隙间不规则层状构造发育，局部存在被断层且破碎成碎裂岩和糜棱岩，为碎裂结构。根据招标文件及竖井柱状图得知，竖井地下水位线高程1 185.80 m，地下水埋深43.5 m，竖井总体渗水量预计为5.6 m3/h。

2016年6月29日竖井开始进行钻爆施工，开挖至1 162.80 m高程时，开始出现渗水，井壁潮湿，渗水呈滴状分布；竖井开挖至1 011.00 m高程时，井壁围岩变差，西南侧井壁开挖面初露糜棱岩，并且渗水逐步增加，糜棱岩部分受水浸泡发生膨胀、变形、遇水软化(见图1)，竖井总渗水量超过8 m3/h；竖井开挖至988.00 m高程时掌子面井检孔出现集中涌水(见图2)，竖井总体渗水量达到15 m3/h；竖井开挖至956.00 m高程时，竖井井壁及工作面井检孔渗水量随开挖工作面持续增加，由于井内渗水来源丰富，补给来源稳定，涌水量相对分散，井内呈现“水帘洞”环境，导致竖井底部工作面总涌水量为35～40 m3/h，远远超过预计渗水量，给施工作业带来诸多困难和不便，严重影响施工进度，需尽快采取措施对当前渗水进行治理。

图1 井壁裂隙渗水图

图2 井检孔集中涌水图

2 治理方案设计

发现渗水问题后，通过现场查看当前竖井实际施工情况，并参考前人的相关研究成果及堵水经验[3-6]，结合工程渗水特点，针对性设计如下渗水治理方案。

2.1 超前固结灌浆

在竖井地质资料不详的前提下，采用先探后掘的方式进行竖井开挖。根据《煤矿安全规程》(2016年版)中“第五十一条 立井井筒穿过预测涌水量大于10 m3/h的含水岩层或者破碎带时，应该采用地面或者工作面预注浆法进行堵水或者加固”[7]。因此在竖井掘进之前，在竖井开挖掌子面根据开挖渗水情况进行预注浆，预注浆设计深度为25 m，灌浆封堵采用水玻璃水泥浆液，此混合型浆液可以克服单液水泥浆的凝结时间长且难以控制、在动水条件下结石率低等缺点，提高了水泥注浆的效果，有效达到快速堵漏的目的[8]。

2.2 布置检查孔

超前固结灌浆孔施工完成后，以竖井中心为圆心布置25 m深垂直检查孔4个，检查孔布置位置应根据超前固结灌浆孔出水情况而定，有针对性选择出水量较大位置布置。当检查孔单孔涌水量小于0.5 m3/h时，工作面灌浆结束；如检测孔渗水量仍大于0.5 m3/h时，应及时进行现场确认，并根据需要增设超前灌浆孔个数，以确保封水效果。

2.3 壁后随机注浆

在掘进过程中，根据混凝土衬砌后表面出水情况，有针对性地对井壁渗水点进行随机灌浆封堵。壁后注浆孔钻孔深度约3～3.5 m，钻孔内套1寸中空钢管作为注浆管，注浆管长度约40～60 cm，注浆管埋设长度以穿过井壁混凝土为准。注浆孔间、排距根据出水点情况确定，注浆孔布置主要以封堵水眼为主，井壁注浆期间可根据开孔位置现场绘制灌浆布孔图。

2.4 井壁设置腰泵房

在竖井290 m深度的井壁处设置腰泵房，然后采用三级抽排系统，逐级将井内工作面渗水集中抽排至井口，以此来调整竖井排水方式。腰泵房的结构形式为半圆拱形断面，泵房开口位置断面设计尺寸为净宽4 m×净高3.5 m；水池部分断面设计尺寸为净宽4 m×净高5 m；蓄水池尺寸为长4.5 m×宽4 m×深3 m，为防止再次渗漏，蓄水池铺底和周围围岩支护均采用壁厚20 cm混凝土支护，混凝土强度C30。

3 施工措施

3.1 超前固结灌浆施工

(1) 预埋孔口管：孔口管孔深3 m，孔径130 mm。孔口段造孔完成后安装直径108 mm焊管作为孔口管，孔口管一端焊接法兰盘，另一端缠裹棉纱插入孔内，然后加盖注浆，固结孔口管，使其和围岩成为一体。棉纱缠裹注浆管形成倒楔行，起到注浆期间对管内液体反向压力的阻尼作用，孔口管注浆待凝48 h后开始进行超前固结灌浆孔造孔施工。

(2) 超前固结灌浆孔：根据当前工作面围岩裂隙、出水点和涌水量情况，经设计、地质工程师现场确定布孔位置。孔口管布置圈径为7.2 m，角度81°，数量为1圈，预期浆液扩散半径1.5 m。超前灌浆孔施工过程中，随时观察钻进过程中孔内渗水量大小，若单孔渗水量超过2 m3/h，遂暂停造孔作业并立即采用气动注浆泵对渗水孔进行灌浆封堵。渗水孔封堵结束待凝后重新沿原孔口管进行套孔施工，如此循环直至灌浆孔钻进至设计深度25 m后，仍要采用气动注浆泵进行注浆并封孔。

(3) 检查孔：超前固结灌浆施工完成后，在距离超前固结灌浆孔内侧30～40 cm布置检查孔，检查孔原则上不小于4个，检查孔施工方式与超前固结灌浆孔一样。

3.2 井壁壁后注浆施工

井壁注浆期间利用吊盘上盘作为工作台，吊盘上盘3.6 m铰车提升喇叭口采用铁盒子板封闭作为注浆施工泵站使用，注浆设备主要采用气动注浆泵及0.3 m3自制水泥浆搅拌罐进行施工，水泥采用PSHR.42.5高抗水泥经0.3 m3自制水泥搅拌罐现场拌制，水泥浆拌制好后通过水泥浆搅拌罐底部输料管流入水泥浆液容器内，水泥浆液+水玻璃通过高压注浆泵压入井壁后充填裂隙以达到封水效果。注浆管缠棉纱后利用手风钻将注浆管推进至注浆孔内，然后压清水测压，确定注浆管耐压强度不小于1.5 MPa后方可注浆充填。

3.3 腰泵房施工

图3 截水槽布置示意图 单位：cm

(1) 截水槽施工。截水槽部分空间需要在浇筑混凝土期间进行预留。然后在主洞上游轴线方向截水槽下部安装Ø50 mm焊管加工的90°弯头，待混凝土凝固后在水弯头上安装Ø50 mm塑料高压软管，塑料高压软管用Ø20 mm螺纹钢筋加工的U形管卡固定在2根(Ø20 mm；L=2.5 m)树脂锚杆上，U形管卡卡扣布置间距6 m设置1个，局部根据施工情况适当进行加密。施工中为保证截水槽截水效果，可将厚度为3 mm的铁皮弯制成水槽，以扩大截水槽截水面积，截水槽布置如图3所示。

(2) 竖井井筒临时支护。当竖井开挖工作面开挖至290 m深度后，净高度达到4.8 m，且处于岩石相对稳定区域，即开始准备腰泵房施工。由于腰泵房施工期间，素混凝土整体支护无法及时进行施工，且腰泵房施工直线工期占用时间较长，为避免已开挖段井筒围岩长时间暴露、风化，施工前先采用锚喷支护的方式对已开挖井筒进行支护。

(3) 腰泵房施工前锁口。腰泵房施工前，首先根据设计图纸在井壁上放出其结构轮廓线。泵房掘进前首先采用(Ø20 mm；L=2.5 m)树脂锚杆对开挖区域进行锁口，腰泵房开挖前锁口形式如图4所示。

图4 腰泵房锁口立面图 单位：cm

(4) 腰泵房开挖。腰泵房开挖遵循“浅眼、密孔、弱爆破、强支护”的施工原则，平洞开挖采用楔形掏槽，周边进行光面爆破，平洞施工积碴，采用人工手持铁锹清理至洞外。蓄水池向下开挖部分采用手风钻竖向造孔，楔形掏槽，装药方式与平洞相同，爆破后由于石碴距离较远，该部分碴使用电动挖掘机将石碴从洞室内挖运至竖井内。

(5) 腰泵房支护。腰泵房施工过程中在每茬炮洞碴清理完成后及时跟进锚喷支护。腰泵房锚喷支护参数为：锚杆采用(Ø20 mm 、L=2.5 m)高强树脂锚杆，间排距为70 cm×70 cm，采用Z2335树脂药卷灌注和Ø8 mm钢筋网，网格间距为10 cm×10 cm；C25混凝土喷护，喷护厚度10 cm。喷混凝土料经地面拌和制完成后经皮带输送至距竖井工作面1.2 m后停下，打开吊桶卸料闸，将料倾斜至工作面隔水布上，人工上料进喷混凝土机。

(6) 腰泵房锁口混凝土浇筑。腰泵房进洞段1 m采用C30混凝土进行锁口，锁口混凝土厚度30 cm。将预拌好的混凝土装入底卸式吊桶内吊至事先准备好的溜槽上，打开底卸式吊桶底部卸闸，吊桶中混凝土经溜槽导入浇筑仓面内。混凝土入模后采用插入式高频混凝土振捣器，混凝土浇筑分层高度不得超过振捣器作用部分长度1.25倍。采用“快插慢提”振捣方式，直到混凝土浆液上泛为止，振捣间距为400～500 mm左右。

3.4 三级排水系统施工

竖井采用三级抽排系统，逐级将井内工作面渗水集中抽排至井口。竖井一级排水由工作面抽排至吊盘，工作面出碴期间预留约50 cm深集水坑，内置风泵或者潜水泵接Ø50 mm橡胶软管抽排至吊盘钢板水池内；二级排水自吊盘采用卧泵将钢板水池内渗水抽排至腰泵房水池内，二级排水管路吊盘附近10 m内采用橡胶软管连接，以满足吊盘避炮上下起落的需要，其余部分采用Ø108 mm焊管作为排水管路，焊管部分采用I20工字钢固定于井壁之上，工字钢预埋深度30 cm，外露约1 m，固定钢管工字钢竖向间距10～15 m；三级排水自腰泵房至井口，采用布置于腰泵房内2台卧泵将水抽排至井口，采用布置于井壁Ø159 mm焊管作为排水管路，排水钢管仍采用I20工字钢固定，I20工字钢设置参数与二级排水相同。由于竖井施工管道内回水压力较大，水泵安装期间在管道与水泵间安装逆止阀。

4 结 语

经各方面努力，渗水专项治理措施在施工中取得了较为理想的成果，成功封堵了井壁渗水，改善了施工环境，加快了施工进度，达到了方案设计要求。截止日前，竖井开挖工作已全部完成，处理后的竖井井壁混凝土墙面干燥，无明显渗水迹象，钻孔注浆部位外观平整。为同类型竖井治理渗水措施提供了技术参考。