复杂地质条件下超深渗水竖井施工技术浅析

袁 赟， 谢 剑 波， 林 伟 明

(中国水利水电第十工程局有限公司 一分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

新疆KS9竖井设计井深为687 m，岩性为肉红色花岗岩，中粗粒斑状结构，块状构造，斑晶主要为钾长石，基质为石英、斜长石、角闪石等隐晶质物质，竖井Ⅲ类围岩饱和抗压强度为130 MPa，井筒总涌水量预计为5.6 m3/h。该工程竖井采用矿山正掘法施工，竖井施工所需的人、材、机及渗水外排均需利用布置于井口的主副提升系统进行垂直运输。由于竖井正掘施工工艺必须完全利用提升系统组织施工，且设备布置后改装困难，因此，施工前期提升设备的布置方案必须充分考虑竖井水文地质条件、开挖尺寸、场地条件等因素，选择最佳方案进行井口设备的布置。

根据该工程地勘及初期现场勘察的相关资料，KS9竖井主要采用2JKZ-3.6/12.96、JKZ-3.2×3两台提升绞车作为竖井的主要提升装备；设计蓝图中该工程井筒岩体基本为Ⅱ、Ⅲ围岩，其支护形式为锚网喷。为满足施工要求，井内布置D=7 m的双层吊盘作为竖井施工期间工作及支护施工平台，吊盘利用布置于井口四周的11台稳车系统作为吊盘起落装置；井筒井壁主要布置两趟φ159钢管用于井下供水及供风。按照以上设备配置，井下出渣设备达到了“双抓、双提”的要求，在地质条件不发生变化的情况下能最大限度地发挥出渣设备效率。

当KS9竖井开挖至井深66.2 m时，开挖揭示的围岩经现场确定为Ⅱ类，井壁开始出现渗水，工作面开挖后井壁围岩湿润，地下渗水呈滴状分布；在竖井开挖至井深186 m时，井筒总体渗水量达到5 m3/h，井壁局部区域集中渗水明显，竖井井壁多数区域渗水呈线状分布；此后，竖井开挖至218 m井深时围岩开始整体变差，西南侧井壁开挖面初露糜棱岩，糜棱岩区域渗水大幅度增加，至227 m井深时竖井总渗水量达到8.2 m3/h，此后，井筒渗水随工作面掘进持续增大，竖井落底前在采取相应的治理措施后总涌水量仍达到30 m3/h。

2 施工存在的主要问题

由于井筒水文地质条件较地质初勘资料变化较大，且井筒渗水随开挖工作面持续增加，井下施工主要存在以下问题：

(1)实际开挖揭示井筒竖向裂隙发育，主要裂隙倾角接近80°，竖向裂隙上下相互贯通导致爆破气密性差，且受裂隙发育影响，井筒渗水始终随裂隙逐渐下移并在工作面上方30 m范围内汇集，井下施工条件恶劣；

(2)井筒渗水随井壁下泄至工作面，喷混凝土施工中喷锚料附着性能降低，喷混凝土施工难以正常进行；

(3)井筒渗水的增加导致提升设备被长期占用用于井下排水，各工序不能正常进行施工；

(4)在竖井施工至218 m井深时，井筒围岩初露糜棱岩破碎带。由于糜棱岩遇水泥化、膨胀的特性，施工期间糜棱岩部分井壁受水长时间冲刷、浸泡影响，井壁多次出现塌方，安全风险极高。

3 所采取的主要应对技术措施

针对以上问题，为保证竖井施工在水文地质条件变化的情况下仍能继续进行，项目部在技术方案上主要进行了以下几个方面内容的调整。

3.1 爆破参数的调整

由于井筒竖向裂隙发育，爆破气密性差，竖井爆破参数调整前单循环平均进尺仅为2.5 m，炮孔有效利用率仅为58%，爆破炸药单耗达4.5 kg/m3以上，而且从爆破后的石渣看，其石渣粒径大部分小于40 cm，经分析，进尺不理想的主要原因为爆破掏槽效果差。

鉴于以上情况，爆破参数的调整主要采取在原爆破参数的基础上增加一阶掏槽孔，一阶掏槽孔采用YT-28手风钻造孔，一阶掏槽孔为环向布置，半径为0.3 m，孔深L=2.5 m，一阶掏槽采用集中装药，单孔装药长度为1.6 m，爆破孔封堵长度为0.9 m，采用与掏槽孔同段位非电毫秒雷管起爆，单孔装药量为2.8 kg，其它参数调整情况见表1，优化后的爆破孔布置情况见图1。

表1 KS9竖井调整后的爆破参数表

图1 爆破孔优化平面布孔图

爆破参数调整后，竖井单循环有效进尺基本维持在3.5 m左右，爆破孔利用率达到87.5%，实际炸药单耗则由4.5 kg/m3降低至3 kg/m3，竖井施工火工产品成本节约33%，且在施工过程中钻爆孔总数也由最初的150个孔降低至110个孔，施工成本及效率得到明显提高。

3.2 竖井素混凝土整体衬砌

原设计方案中对井筒Ⅱ、Ⅲ类围岩采用锚网喷支护，但渗水量增加后，喷混凝土施工难以正常进行，为保证下阶段竖井施工过程中质量、安全满足相关要求，同时为改善井下恶劣的施工环境，提高竖井施工进度，竖井施工自227 m开始对Ⅱ、Ⅲ类围岩采用C30素混凝土δ=30 cm整体浇筑方案代替原方案锚喷支护方案进行施工。竖井支护方案调整后，设备改装因井架天轮平台布置的相当紧凑，设备仅能进行局部改装以满足YJM-4.8定型模板的悬挂要求，常规浇筑所需的溜管等附属设备由于天轮布置受限局部无法改装到位，混凝土浇筑只能利用提升绞车吊运3 m3吊罐入仓。

井筒采用素混凝土整体衬砌方案后，从实际实施效果看，虽然设备改装无法一次改装到位，施工中仍存在诸多制约因素，但支护时间却由原锚喷每循环12 h缩短至每循环7 h，单工序循环时间得到明显提高。

3.3 工作面预注浆堵水

由于竖井吊桶排水能力有限，施工中为防止工作面突然涌水超过竖井排水能力而造成淹井事故，竖井自272 m井深开始采用“先探后掘”的方式进行竖井开挖，该方案包括：

(1)竖井掘进之前，在竖井开挖掌子面进行工作面预注浆。工作面预注浆孔设计深度L=25 m，施工前首先利用SKQ100型潜孔钻机施工φ130，L=3 m钻孔，内套φ108，L=3 m一端带有法兰盘焊管作为灌浆前的预埋孔口管，孔口管安装完成后，继续采用SKQ100型潜孔钻机在孔口管内钻设φ95灌浆孔，钻孔完成后，采用2ZBQ70/7型煤矿用气动注浆泵对渗水孔进行灌浆封堵，灌浆封堵采用水泥浆+水玻璃作为灌注材料施工；

(2)工作面施工完成后，以竖井中心为圆心布置L=25 m深的垂直检查孔4个，检查孔的布置有针对性地选择在出水量较大的位置钻探，当检查孔单孔涌水量小于0.5 m3/h时，单轮工作面预注浆堵水施工结束。

工作面预注浆堵水后，竖井工作面的渗水始终控制在5 m3/h，基本达到了预期效果。

3.4 井壁注浆封水

竖井掘进过程中，根据混凝土衬砌后的表面出水情况，有针对性地对井壁局部渗水点进行了井壁注浆封水。

井壁注浆主要利用井内双层施工吊盘作为灌浆平台，注浆孔采用YT-28手风钻造孔，成孔直径为42 mm，注浆孔深度L=1.5～3 m；井壁注浆前，首先将φ25×4 mm，L=700 mm的钢管作为孔口管埋入灌浆孔内，然后采用气动灌浆泵进行灌注，井壁封水灌浆采用“水泥浆+水玻璃”双液浆灌注，其体积比为1∶0.5。灌浆孔布孔的环向间距为1 m，在渗水点上、下50 cm范围内分别布置一排孔，灌浆设计压力不超过2.5 MPa。

采用以上方案处理井壁渗水后效果明显，混凝土表面基本无明显渗水点，井下作业环境得到了大幅度改善。

3.5 腰泵房截排水

在采取以上灌浆封水措施的基础上，分别在竖井290 m、371 m、436 m、570 m井深井壁处设置“腰泵房+截水槽”用于井壁渗水截排，以增加竖井的整体排水能力。井下腰泵房截排水受井壁排水管路限制，只有1根φ159供水钢管可改装后用于排水，因此，井内的渗水采取分级截水后最终通过井深290 m处的一级腰泵房排水管路排出井外。

腰泵房及截水槽位置根据竖井开挖揭示的地质情况在现场选定，所选位置必须位于井筒围岩相对完整区域。腰泵房的开挖采用YT-28手风钻钻爆开挖成形，开挖过程中采用锚喷支护封闭岩面以确保安全。腰泵房开挖完成后，首先进行水池部分的防渗处理，水池部分的铺底及水池四周采用C30、δ=20 cm的混凝土进行封闭，然后进行腰泵房水泵安装、线路架设、临时排水管安装等工作的施工，以上工作全部完成后，腰泵房即开始正常运行。腰泵房利用截水槽将顺井壁下泄的地下渗水集中收集，同时采用布置于井壁的高压软管将水引入腰泵房内、最后采用水泵进行集中抽排。

腰泵房排水系统投入运行后，井内的大部分渗水均采用水泵抽排，该方案有效地减轻了竖井提升系统的排水负荷，竖井总排水能力得到了显著提高。

4 超深竖井施工的相关建议

该工程实际揭示的水文地质情况与初勘资料变化巨大，受其影响，工程前期的设备配置、施工方案选择均不足以应对地质条件变化后实际施工的需求，竖井施工一度陷入停滞状态。因此，为降低不利地质条件对施工的影响，笔者建议：在类似竖井施工前应做好以下几方面工作：

(1)竖井施工前，必须首先施工井筒检查孔，将井筒检查孔布置于井筒范围之外，距井筒中心不超过25 m，单竖井建议布置勘探孔4个。将井筒检查孔获取的地质与水文资料与原地质勘察资料进行深入的对比分析，以便更准确地掌握地层沿主洞走向的变化规律，同时准确掌握竖井所在地的水文地质资料，以利于竖井施工的组织安排；

(2)对于竖井支护，建议采取素混凝土整体支护，该方案除能大幅提高井筒闭水效果外，对于井筒围岩破碎带，其支护方式更为及时、方便、安全。

5 结 语

新疆KS9竖井设计井深687 m，施工过程中水文地质条件变化大、地质条件复杂、井筒围岩饱和抗压强度超过130 MPa，围岩竖向裂隙发育、渗水量大，竖井深度及独特的地质条件在水利工程及矿井建设过程中均属罕见。在该工程实施过程中，面对复杂的地质情况，在无类似工程经验可借鉴的条件下，以项目为依托，通过现场实践，逐步总结出一套适合于该工程的竖井施工技术。根据现场实施效果并通过方案调整，KS9竖井施工月平均进尺达到60 m/月，远远超过目前国内渗水竖井30 m/月的平均强度，竖井施工在方案调整后较计划工期提前两个月完成，取得了较好的效果，值得在类似工程中推广应用。