压水试验在隧道深竖井施工中的实践应用

董庆欢

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司，北京 100013)

井筒建设前期涌水量较大，如果不采取地面预注浆工艺对井筒周围的地下水进行有效堵截，则无法进行井筒建设，注浆前后井筒水文地质条件发生较大变化，压水试验是检验井筒注浆前后效果科学有效的办法。高黎贡山隧道2号竖井地质构造异常复杂，破碎带较多，岩层产状复杂，岩体风化程度高。井筒建设之前，需要对凿井倔砌过程中穿越的10条挤压破碎带、14条构造破碎带以及井检孔揭露的7层含水层进行地面预注浆处理，否则无法对井筒进行建设施工[1-2]。为检验注浆前后井筒的水文地质条件变化情况及注浆效果，验证高黎贡山隧道2号竖井地面预注浆工程注浆段的注浆质量，分别选择副井SF4注浆孔和主井SZ4注浆孔作为质量检查孔，分段进行，以立井井筒地面预注浆效果压水试验结果作为高黎贡山隧道2号竖井检查注浆质量的依据，为井筒建设倔砌提供有效数据。

1 项目概况

高黎贡山隧道位于中国云南省保山市，属于大瑞铁路，是世界第七长大隧道、亚洲最长铁路山岭隧道、中国最长铁路隧道。 高黎贡山隧道全长34.5 km，全隧采用“贯通平导+1座斜井+2座竖井”的辅助坑道设置方案[3]。其中，1号竖井主井深762.59 m，副井深764.74 m，为当时国内最深的铁路竖井；2号竖井主井深640.22 m，副井深640.36 m。为加快施工进度，并考虑运营期间通风、防灾救援等需要，在高黎贡山隧道D1K212+415附近设置2号竖井，采用主副井型式，主井井深640.22 m，净径6 m，最大荒径7.3 m；副井井深640.36 m，净径5 m，最大荒径6.3 m[4]。2号竖井主副井井筒主要特征参数见表1。

表1 2号竖井主副井井筒主要特征参数表Table 1 Main characteristic para meters of the main and auxiliary shafts of No.2 shaft

2 地面预注浆方案总体设计

2.1 注浆孔设置方案

2.1.1 注浆孔布置

由于2号竖井场坪已布置有主副提升机房、稳车电控室、搅拌站等竖井开挖机房，以主井中心为圆心，最大半径17 m的场坪可布置钻机，为最大限度减少对井口场坪其他设备的影响，同时降低造孔难度，便于注浆孔造斜及降斜，孔口位置距离主井中心约为17 m，共布置3台钻机，施作6个钻孔[5]。

2.1.2 注浆段设置

高黎贡山隧道2号竖井施工检查钻孔共揭示7层含水层，其中，第④层含水层、第⑤层含水层、第⑦层含水层预计最大涌水量大于10 m3/h，需要进行注浆治理[6]，这三层含水层情况如下所述。第④层含水层井深270.25～302.20 m，段高31.95 m，该段预计涌水量71.92 m3/h；第⑤层含水层井深318.90～431.85 m，段高112.95 m，该段预计涌水量14.00 m3/h，该段范围在花岗岩地层中，分布7段挤压破碎带，总体围岩条件较差；第⑦层含水层井深568.60～579.75 m，段高11.15 m，该段预计涌水量43.79 m3/h；该段花岗岩W2地层，在571.80～577.00 m分布1段构造影响带。设计含水层上部20 m为岩帽段，其注浆上限设计为井深250 m处；每个注浆深孔应钻至第⑦层含水层以下10 m，则其注浆段落下限为590 m，因此其注浆段落为井深250～590 m，注浆段起止深度为340 m。

2.2 注浆工艺及参数的选定

2.2.1 注浆材料

本次方案中地面注浆以堵水为主要目标，兼顾一定的围岩加固作用，同时结合含水层渗透系数的大小、浆液配合比的精度和施作工艺控制的难易程度。因此，地表注浆选择黏土-水泥浆作为主要的注浆材料，若遇到漏浆严重的层段，可采用水泥-水玻璃浆作为补充注浆材料[7]。

2.2.2 注浆压力及结束标准

注浆上限为第④层含水层顶部270 m，于250～270 m段设岩帽段，岩帽注浆采用单液水泥浆，注浆终压值应大于静水压力值的1.5倍[8]。进入注浆段后，采用黏土-水泥浆液，小于400 m以上注浆终压值为受注点静水压力值的2.5～3.0倍；大于400 m注浆终压值暂选受注点静水压力值的2.0～2.5倍。设计压力最大值为13.66 MPa，处于第⑦含水层，注浆泵选型压力为最大注浆压力值的1.3倍，即为17.76 MPa。对黏土-水泥浆液注浆，当终量为250 L/min及注浆压力达到终压时，经稳定20～30 min后，可结束该孔段的注浆工作。

2.2.3 注浆孔钻孔施工顺序

2号竖井主井地面预注浆采用定向孔注浆，定向孔孔型为S型，地面布置3台钻机，于50 m深度处施作分支孔，最终形成6个注浆孔。S型孔钻进分为两序施工，其中，SZ1-1钻孔、SZ2-1钻孔和SZ3-1钻孔为一序孔，SZ1-2钻孔、SZ2-2钻孔和SZ3-2钻孔为二序孔，一序孔和二序孔共用垂深0～50 m，二序孔为分支孔。

一序孔施工完成后，封孔至50 m，二序孔由固管段开始施工，先施工的孔兼做注浆前水量检查孔，后施工的孔作为注浆质量检查孔。注浆施工结束的注浆效果宜采用压水检查方法，可选取最后施工的注浆孔作为检查孔，测定注浆段的剩余漏水量是否符合设计规定。

3 压水试验设备及仪器的选择

现场采用BQ350型注浆泵，最大注浆压力为40 MPa，流量为607 L/min，冲次为161次/min，电机功率为132 kW，整机质量为5 100 kg，止浆塞采用直径为130 mm的KWS卡瓦式止浆塞，胶筒全长700 mm、内径50 mm，卡瓦直径伸缩范围为118～142 mm，承受注浆压力为25 MPa，整机全长为2 800 mm[9]。

4 压水试验前期准备

4.1 质量检查孔的选定

根据“压水试验应在同一层位的最后一个注浆段注浆前进行”的原则，分别选择副井SF4注浆孔和主井SZ4注浆孔作为质量检查孔，并在业主方及监理公司相关代表的见证下分别进行压水试验。

4.2 压水试验段的划分

本工程注浆深度为590 m，注浆段起始深度为250～590 m，注浆段长340 m，按照《立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法》中“注浆深度小于或等于600 m时，压水段高不宜大于150 m”的规定，并结合高黎贡山隧道2号竖井井筒地层的裂隙发育情况和含水层分布情况，将注浆孔的注浆段分为3段，分别将250～310 m、310～460 m和460～590 m注浆段作为压水段进行压水试验[10]。

4.3 试验压力值的确定

压水试验压力一般为受压点静水压力的1.5～2.5倍，一个压水段至少选择三个压力值。深度小于或等于600 m，压水级差不小于0.3 MPa；深度大于600 m，压水级差不小于0.5 MPa，试验时压力由小到大。

5 压水试验

5.1 压水试验设备及工艺

压水试验设备选用BQ350注浆泵，对试验段分段逐级进行压水试验，采取由低档到高档，档位逐级升高的顺序，压水稳定25 min。压水时，要保持压力和流量稳定。现场压水试验结束后，压水记录应由现场负责人、压水试验员、记录员业主方及监理签字。

5.2 压水试验步骤

首先将注浆孔扫孔至压水段孔底，直至孔口返出清水，记录压水段含水层的厚度、岩性及涌漏水情况；其次在瓦式止浆塞前，测量并记录孔内静止水位，下至预定位置后，拉塞使其处于止水状态，将孔内灌水至孔口位置，观测并记录孔口水位变化，孔内静止水位稳定并保持5 min以上，可转入压水检查止浆塞止水效果，否则重新止水，孔内水位无压状态下满足稳定要求后进行压水，检查止水效果。以250～590 m段3个压水点的低压值进行压水检查，若孔内返水，说明止水效果不佳，应重新进行止水，直至孔内不返水；最后确认止水成功后，按压水试验要求进行至少3个压水点的压水试验[11]。

5.3 压水试验水文参数计算方法

当前我国地面预注浆中采用压水试验检查注浆效果的基本过程为：首先计算钻孔吸水率，其次计算含水层渗透系数[12-13]，最后采用大井法计算井筒剩余涌水量[14]。

计算吸水率计算见式(1)。

(1)

式中：ω为压水吸水率，L/(min·m·m)；Q为压水流量，L/min；L为压水段高，m；P为作用于静止水位上的压水压力(水柱高度)，等于压力表表压换算成水柱高度加上压力表至静止水位的高度，m。

计算渗透系数计算见式(2)。

(2)

式中：K为含水层平均渗透系数，m/d；r为钻孔孔径，m；α为系数，当含水层厚度小于1/3L时取0.66，反之取1.32。

利用裘布依承压转无压公式求得井筒预计涌水量，见式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：Qw为井筒预计涌水量，m3/h；H0为含水层底板至静止水位的高度，m；M为含水层厚度，m；Rw为掘进井筒至含水层底板的影响半径，m；rw为井筒荒径，m。

6 压水试验在隧道深竖井地面预注浆施工中的应用

6.1 压水试验的计算

以高黎贡山隧道2号竖井副井(共6个注浆孔)SF4注浆孔为例进行压水试验，注浆孔的起止深为250～590 m，分别将460～590 m注浆段、310～460 m注浆段和250～310 m注浆段作为压水段进行压水试验(表2～表4)。

表2 460～590 m注浆段压水试验结果Table 2 Water pressure test results of 460-590 m grouting section

表3 310～460 m注浆段压水试验结果Table 3 Water pressure test results of 310-460 m grouting section

6.2 压水试验结果分析

分别完成副井SF4注浆孔和主井SZ4注浆孔进行压水试验，利用试验数据，根据《立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法》中计算公式进行数据分析计算[15-16]，预计副井井筒剩余涌水量为5.7 m3/h，主井井筒剩余涌水量为5.02 m3/h，满足合同及施工组织设计要求。

高黎贡山隧道2号竖井副井地面预注浆工程完成造孔工程量共计3 540 m，共注入单液水泥浆979.5 m3(其中，固管72 m3，岩帽段876 m3，封孔31.5 m3)，黏土水泥浆20 832 m3，合计21 811.5 m3，满足合同及施工组织设计要求。副井SF4单孔注浆段共计注入3 388.5 m3，注浆情况见表5，其中，注浆段预计最大涌水量大于10 m3/h的共有3个含水层，分别为270.25～302.20 m、318.90～431.85 m和568.60～579.75 m，含水层累计厚度为156.05 m。

表4 250～310 m注浆段压水试验结果Table 4 Water pressure test results of 250-310 m grouting section

表5 副井SF4注浆孔注浆量汇总表Table 5 Summary of grouting amount of SF4 grouting hole in auxiliary well

通过压水试验结果分析：270～320 m注浆段中含水层厚度为31.95 m，该段预计涌水量71.92 m3/h，进行地面预注浆后，经过压水试验，预计平均井筒涌水量1.86 m3/h，预计涌水量减小了97%，注浆效果显著；320～475 m注浆段中含水层厚度为112.95 m，该段预计涌水量14 m3/h，经过地面预注浆后，预计平均井筒涌水量3.23 m3/h，预计涌水量减小了77%；475～590 m注浆段中含水层厚度为11.15 m，该段预计涌水量43.79 m3/h，预计平均井筒涌水量0.61 m3/h，预计涌水量减小了99%。

结合注浆情况可以得出以下结论：预计涌水量和含水层厚度有直接关系，和注浆段高、注浆次数、注浆量的大小没有直接关系，注浆段包含的含水层厚度越小，经过地面预注浆以后，计算出预计涌水量减小的越大。

7 结 论

1) 目前高黎贡山隧道2号竖井主副井已安全掘进到底，以实例说明压水试验在隧道深竖井地面预注浆施工中适用性较强，也证明利用压水试验验证注浆效果在破碎带较多、岩层产状复杂、节理裂隙发育、围岩完整性差、组织结构基本破坏的隧道深竖井中是科学有效的。

2) 根据水文地质条件分析，在对高黎贡山2号竖井地面预注浆前副井预测正常涌水量为81.1 m3/h，最大涌水量为243.3 m3/h，主井预测正常涌水量为83.6 m3/h，最大涌水量为250.8 m3/h，注浆结束后对预计副井井筒剩余涌水量为5.7 m3/h，预计主井井筒剩余涌水量为5.02 m3/h。通过注浆，井筒周边地层的渗透系数发生了明显变化，堵水效果明显，保障了井筒的高效安全建设。

3) 一序孔是注浆施工中最先揭露地层、最能真实反映井筒周边地质情况的注浆孔，副井总注浆量为21 811.5 m3，一序孔注浆量为12 966.0 m3，占比59%；主井总注浆量为24 107.0 m3，一序孔注浆量为15 438.5 m3，占比64%；通过数据对比分析可知，经过一序孔注浆施工已对地层中开放裂隙进行了有效的封堵，造成了该区域内裂隙通道较多，地层具有连通性好、可注性好的特点，在保证注浆质量的同时为避免造成不必要的浆液浪费，在施工过程中采取了“控制单次注浆量、增加注浆次数”的方式，对防止浆液超范围扩散起到了一定的作用，充分保障井筒倔砌开挖顺利到底。