高黎贡山隧道1号竖井工作面预注浆循环段高分析与应用

冉海军, 张文俊, 高广义, 张 朕

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458； 2. 云桂铁路云南有限责任公司， 云南 昆明 650011； 3. 中铁隧道勘察设计研究院有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

近年来，随着隧道及地下工程的快速发展，长大深埋铁路隧道不断涌现，而隧道通风、快速施工及安全应急成为制约长大深埋隧道发展的关键因素。由于深大竖井可有效地解决这些问题，因此对深大竖井的快速建造提出了更高的要求。我国铁路竖井井筒深、断面大、表土层厚、水文地质条件复杂，导致施工技术复杂、工期长，尤其是竖井掘进过程水害问题对竖井安全、快速掘进影响极大[1]。据不完全统计，我国地下工程大直径竖井建造过程中85%以上都不同程度地遭遇了水害问题，个别竖井因建造过程中对地下水处理不当，导致井筒废弃，未达到预期的建造目标。

在深大竖井井筒水害治理方面，国内外许多学者都做了不同程度的分析和研究。占仲国[2]针对石灰岩地层深大竖井建造过程中的渗漏水问题，提出在竖井井壁外围四周的岩体钻小孔灌注水泥浆防渗漏的设计思路，该方案能较好地解决井壁渗漏水问题；文献[3-5]针对三山岛金矿1 000 m深盲竖井施工至1 070 m时出现100 m3突涌水问题，提出采取下行式注浆法，选用合理注浆设备及材料，取得了良好的防、堵水效果，注浆后的总涌水量小于0.5 m3/h，满足设计要求。谢伟华[6]针对郝家河铜矿主、副井突水问题，通过对井筒水文、地质条件的深入了解和分析，结合以往多个深大矿井治水经验，制定了适应该矿井含水岩层构造特点的治水方案，同时应用超前探水注浆堵水技术，消除了井筒水患影响。李红辉等[7-8]为解决井内涌水施工问题，采取纵向井筒、横向马头门工作面超前预注浆施工技术，达到了预期的注浆效果。陈丽娟等[9]针对矿山竖井掘进过程中遇到的涌水问题，采用工作面预注浆技术，使竖井工作面涌水量由9.6 m3/h下降为0.5 m3/h，取得了很好的效果。黄人春[10]提出 “超前长探注浆治水”技术方案，并应用在司郝家河铜矿竖井中，解决了竖井施工中的治水难题。程德荣等[11]、熊木辉[12]提出了地面预注浆法防治水方案，具有节约投资和缩短建井工期 、安全可靠的特点。王磊[13]提出在井筒治水中采用排堵结合的注浆方式，使掌子面涌水得到了有效控制，掘砌过程中未出现突发性涌水。郑翠敏等[14]提出“先截后探再堵”的防治水方案，采用井筒壁后注浆封堵空隙渗流、中深孔探注形成闭合帷幕圈的防治水工艺，取得了良好的井筒防治水效果。

由以上研究可知，在石灰岩、白云岩等不同地层中采用工作面超前预注浆和地面预注浆均可有效治理井筒涌水问题，保证竖井施工安全，但这些研究对竖井中注浆循环段高度的叙述很少。部分经验中体现的注浆段高度较短，对风化严重、裂隙发育的不均匀花岗岩大区段富水地层的深大竖井超前预注浆指导存在局限性。

本文结合竖井揭露的差异风化严重、裂隙发育的不均匀性花岗岩大区段富水地层水压高、水量大的实际情况，通过对竖井建井过程中的水害处理方案进行对比分析，提出采用工作面预注浆方式确保竖井的安全开挖，并对工作面注浆段高进行试验分析，提出竖井掘进中工作面预注浆的合理循环段高，保证了注浆效果，使竖井综合施工效率达到最优，取得了较好的经济效益和社会效益。

1 工程概况

高黎贡山隧道全长34 538 m，为亚洲第1铁路长隧，最大埋深约1 155 m。1号竖井采用主、副井设置，主井井筒净径6 m、深762.59 m，主要功能为出碴、排污风；副井井筒净径5 m、深764.74 m，主要功能为引进新鲜风、材料下放、小型设备及人员上下，兼做安全出口。1号竖井距离保山端怒江断裂〈F1-1〉约1.3 km，距离瑞丽端镇安断裂〈F4-2〉约1.2 km，受两断裂影响较大。井检孔距副井20 m，钻孔深度771.43 m。结合设计地质勘探判知： 井筒穿越浅灰绿色花岗岩， 岩性致密、局部破碎、闭合状为主，少量微张状裂隙，中粗粒变晶结构，粒径0.4～3 cm，裂隙局部呈垂直状分布，裂面见黄褐色铁锰质浸染，局部裂面见砂泥质充填。

从测井曲线上确定4个含水层(见表1)及4个破碎带(见表2)，层厚1.75～3.85 m,最大涌水量约117.6 m3/h。开挖揭示含水层位置涌水量变化较大。主井井筒掘进至130 m时涌水达30 m3/h,副井井筒在井深132 m处工作面炮孔中涌水量达70 m3/h。原因分析： 受频繁的地质构造运动影响，混合花岗岩围岩裂隙走向、连通性不规律，与周边及上部补水渠道连通，水量大小及位置难以预测，单一钻孔难以穿越多数节理裂隙，在施工掘进中，突水淹井风险大。

表1 4个含水层参数统计

2 工作面预注浆设计

2.1 探注原则

1号主、副井井筒均采取先探注结合后掘砌的施工方案，每次工作面预注浆探注循环段高为40～100 m。探水孔均选取4个注浆孔，探注原则如下： 1)当所有探孔的涌水量均小于2 m3/h时，直接封堵探孔后恢复掘砌。2)当任意1个钻孔的涌水量在2～5 m3/h时，说明该钻孔周围存在有疑似含水层，必须在该钻孔两侧增加2个验证钻孔。若验证钻孔涌水量均小于5 m3/h时，注浆封孔后，恢复掘砌；若任意一个验证钻孔涌水量大于5 m3/h时，则启动工作面预注浆对该段地层进行堵水注浆。3)当探孔的涌水量大于5 m3/h时，即启动工作面预注浆对该段地层进行堵水。采用此种探注结合的方法，直至达到预定的设计段高，期间不再增加验证钻孔。工作面预注浆施工示意见图1。

表2 4个破碎带情况统计

(a) 步骤 (b) 步骤2

(c) 步骤3 (d) 步骤4

2.2 工作面预注浆设计

1号竖井主、副井工作面预注浆采用下行式注浆方式，注浆孔沿井筒均匀布设，主井设13个孔(其中4个兼做探孔)，副井设12个(其中4个兼做探孔)，孔口管距井筒衬砌内轮廓线60 cm，各注浆孔等间距均匀布置。终孔位置距竖井开挖轮廓线为3 m，注浆孔竖向外插角度为4°。工作面预注浆孔口和终孔平面布置如图2和图3所示。

图2 工作面预注浆孔口平面布置图(单位： cm)

图3 工作面预注浆孔终孔平面布置图(单位： cm)

2.3 注浆设计参数

注浆设计参数如表3 所示。

表3 注浆设计参数

2.4 注浆材料

经工艺性试验表明，普通水泥单液浆可注性差，因此现场采用超细水泥单液浆或双液浆进行堵水。

2.5 工艺流程

工作面预注浆施工工艺流程为： 工作面出碴清底—探注前施工准备—孔口管固定—止浆垫施工—上段井壁径向加固—止浆垫注浆加固—工作面探孔施工—遇水注浆—扫孔继续钻进—遇水注浆。循环上述步骤直至所有注浆孔达到技术标准再进行注浆效果检查。

2.6 注浆结束标准

1)各注浆孔的注浆压力达到设计终压，注浆流量小于20 L/min；

2)检查孔数量不少于3个，且单孔涌水量小于1.5 m3/h。

3 工作面预注浆效率主控因素分析

竖井工作面注浆加固时，每循环工作面注浆必须进行止浆垫施工、孔口管安装、工作平台搭设、效果检查等固定步骤。前期准备工序复杂、转换多，加之花岗岩岩石强度高，钻孔效率随循环段高的增大而降低；但如果循环段高过小，又会影响注浆施工效率，从而影响掘进综合施工效率。因此，需要通过寻求二者的平衡来确定合理的工作面预注浆段高，提高竖井掘进综合施工效率。

不考虑注浆施工及注浆效果，影响探注掘循环的主要因素包括：

1)注浆循环段高。经初判，钻孔时间占总探注掘循环的70%，注浆循环段高是探注掘循环的主控可变因素。

2)准备、换序周期。准备周期含止浆垫施作、孔口管安装试压、作业平台搭设、钻机就位等； 换序周期含注浆完成后的效果检查及探注设备退场、止浆垫破除等。各工序作业周期固定，为探注掘循环的主控不可变因素。

3)掘砌进度指标。掘砌进度指标是探注完成后单位时间内的开挖、衬砌施工进度，循环周期与地质条件、作业面深度有关，是探注掘循环的主控不可变因素。

综上所述，注浆循环段高是提高探注掘循环效率的主要控制可变参数，因此，本文仅就注浆循环段高进行试验与分析。

4 现场试验

结合现场条件及准备周期，现场选择40、60、80、100 m 4种段高分别试验。注浆材料选用超细水泥，采用2台MK-3地质钻机施工。

4.1 钻孔效率

经现场试验统计，不同段高单孔钻孔时间统计见表4，钻进效率分析见图4。

表4 不同段高单孔钻孔时间

图4 不同段高钻孔平均效率

4.2 准备、换序周期

经实测，工作面注浆准备、换序周期合计13 d，统计见表5。

表5 工作面注浆准备、换序周期统计

4.3 注浆周期

由于竖井施工对全井筒出水量要求较高，煤矿安全规程规定全井筒出水量不大于10 m3/h，因此注浆后需将原注浆孔扫开监测水量，并反复注浆再扫开检测水量，至满足要求。经现场试验统计，不同段高注浆循环周期见表6。

表6 不同段高注浆循环周期

4.4 掘砌进度指标

由于各段高试验在不同的深度进行，受垂直提升时间影响，掘砌进度指标为1.5 ～3.6 m/d，为方便对比，试验对比的掘砌进度指标选定为2.5 m/d。

4.5 堵水效果分析

统计不同段高注浆循环开挖前、后的涌水量情况，并计算各段堵水率，如表7所示。

表7 不同段高注浆循环堵水前后涌水量及堵水率统计

根据表7统计情况分析，该地层裂隙发育方向与竖井掘进方向一致，各种段高地层的渗透系数一致，且所有段长的钻孔注浆最终的效果检查标准统一为检查孔涌水量小于0.2 L/(min·m)，开挖揭示后井筒涌水量都满足出水量不大于10 m3/h的标准，所有段长的堵水效率都能达到90%，堵水效果良好。

4.6 探注掘总体效率分析

根据上述各工序的周期、效率分析，不同段高探注掘总体效率见表8。

表8 不同段高探注掘效率分析

不同段高探注掘循环综合效率见图5。

图5 不同段高探注掘循环综合效率曲线

综上所述，随着探注掘循环段高的增加，钻孔周期呈线性增加，单次注浆效果有所降低，导致扫孔次数增加，在准备周期、换序周期及掘砌进度指标不变的条件下，同等深度富水花岗岩竖井工作面注浆段高按60 m左右控制对工期、成本最为有利。

5 结论与探讨

1)1号竖井主、副井井筒的实测渗漏水量分别为9.7、8.2 m3/h，可见，针对风化花岗岩地层深大铁路竖井施工采用“探注结合”的工作面预注浆方式能够有效预防竖井开挖淹井风险。通过工作面预注浆可封堵地下涌水、加固软弱地层，提高前方地层整体性和抗变形能力，必要时可设双层注浆孔封堵地下水，保证开挖顺利进行。

2)钻孔效率会随孔深加大而降低，深大铁路竖井内空间狭小，使用不了大功率钻孔设备，因此受钻孔设备选型的条件限制，注浆循环段高的选择极为重要。

3)工作面预注浆在铁路隧道施工案例较少，通过各种注浆循环段高的现场注浆试验和效果分析对比，提出了最适宜的注浆循环段高，使综合施工进度提高6.3%～15.8%。

4)工作面注浆对工期、成本影响极大，尤其是掘砌和注浆周期严重不匹配，不同工种窝工现象频发，地勘探明竖井富水时，建议采用地表深孔注浆或冷冻法提前处理为主、工作面注浆配合堵水的方案进行处理。

参考文献(References)：

[1] 张项铎. 新技术在铁路竖井联系测量中的应用[J]. 隧道建设, 1991(4): 7.

ZHANG Xiangduo. Application of new technology in connection survey of railway shaft[J]. Tunnel Construction, 1991(4): 7.

[2] 占仲国. 某石灰岩矿山超深竖井帷幕灌浆设计[J]. 资源环境与工程, 2008, 22(6): 584.

ZHAN Zhongguo. Design of extra-deep shaft curtain grouting in a limestone mine[J]. Resources Environment and Engineering, 2008, 22(6): 584.

[3] 李文光, 冀东, 孙英安. 千米深盲竖井下行前进式注浆堵水施工技术[J]. 金属矿山, 2014(9): 30.

LI Wenguang, JI Dong, SUN Ying′an. Water plugging construction technology with advance downward grouting for kilometers deep blind shaft[J]. Metal Mine, 2014(9): 30.

[4] 王喜林. 注浆封水技术在井筒过含水层时的应用[J]. 煤炭技术, 2009, 28(4): 136.

WANG Xilin. Application of grouting technology in shaft crossing aquifer[J]. Coal Technology, 2009, 28(4): 136.

[5] 谷拴成, 朱彬. 注浆封堵在渗漏涌水治理中应用[J]. 矿山压力与顶板管理, 2005, 22(1): 99.

GU Shuancheng, ZHU Bin. Sealing water leakage of shaft by surface grouting[J]. Ground Pressure and Strata Control, 2005, 22(1): 99.

[6] 谢伟华. 超前探水注浆堵水技术在竖井施工中的运用与改进[J]. 世界有色金属, 2017(21): 226.

XIE Weihua. Application and improvement of advanced water injection grouting water plugging technology in shaft construction[J]. World Non-ferrous Metals, 2017(21): 226.

[7] 李红辉, 权勇. 措施竖井工作面预注浆施工技术及经验[J]. 金属矿山, 2009(增刊): 386.

LI Honghui, QUAN Yong. Construction technology and experience of pre-grouting on the stepping shaft face[J]. Metal Mine, 2009(S): 386.

[8] 马银, 赵兴东, 姬祥, 等. 思山岭铁矿深井工作面预注浆技术[J]. 现代矿业, 2015(10): 30.

MA Yin, ZHAO Xingdong, JI Xiang, et al. Pre-grouting technology for deep mine face in Sishanling iron mine[J]. Modern Mining, 2015(10): 30.

[9] 陈丽娟, 李英, 朱小青, 等. 矿山竖井涌水治理技术研究[J]. 有色金属, 2012, 64(5): 88.

CHEN Lijuan, LI Ying, ZHU Xiaoqing, et al. Study on gushing water treating technology of mine shaft [J]. Nonferrous Metals, 2012, 64(5): 88.

[10] 黄人春. 超前长探注浆治水在深井施工中的应用[J]. 低碳世界, 2017(7): 81.

HUANG Renchun. Application of advanced prediction grouting and water shutoff in deep vertical shaft construction[J]. Low Carbon World, 2017(7): 81.

[11] 程德荣, 李德, 袁东锋, 等. 黔南地区巨厚灯影组富水白云岩井筒防治水方案比选研究[J]. 建井技术, 2019, 40(4): 9.

CHENG Derong, LI De, YUAN Dongfeng, et al. Study on comparison and selection of water prevention and control alternatives for mine shaft in watery dolostone of the ultra-thick Dengying formation in southern Guizhou area [J]. Mine Construction Technology, 2019, 40(4): 9.

[12] 熊木辉. 工作面预注浆在竖井井筒施工中的应用[J]. 采矿技术, 2017, 17(1): 20.

XIONG Muhui. Application of work surface pre-grouting in shaft wellbore construction[J]. Mining Technology, 2017, 17(1): 20.

[13] 王磊. 浅谈s2深竖井地下水防治措施[J]. 甘肃水利水

电技术, 2017, 53(5): 57.

WANG Lei. A brief talk about s2 deep shaft groundwater prevention and control measures [J]. Gansu Water Resources and Hydropower Technology, 2017, 53(5): 57.

[14] 郑翠敏, 李川, 侯德臣, 等. 复杂地质条件下副井施工防治水技术和工艺实践[J]. 采矿工程, 2016, 37(7): 40.

ZHENG Cuimin, LI Chuan, HOU Dechen, et al. Water prevention and control technology during auxiliary shaft construction under complicated geological conditions and its practice [J]. Mining Engineering, 2016, 37(7): 40.