铁路隧道超深竖井工作面预注浆堵水关键技术

邓新

中煤第五建设有限公司第三工程处 江苏 徐州 221000

导言

高黎贡山隧道是国家中长期铁路规划网和“一带一路”建设规划中泛亚铁路西线的重要组成部份，为重要的控制性工程，东起大理市，西至瑞丽市，远期还将继续延伸，连通缅甸、孟加拉国、印度，成为连接中国与东南亚、南亚的铁路大通道。

项目位于云南高原西部边缘，属高黎贡山脉南延段，向东南方向大雪山附近与怒山余脉相接，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。受“三高四活跃”地质特征影响竖井地质构造复杂，围岩破碎，节理裂隙较发育，施工经过多条破碎带和含水层，极易发生涌水、突泥、塌腔风险，施工难度为铁路建设史上前所未有。竖井施工引起铁路系统各方高度关注，2016年6月中国工程院10名院士、24名工程领域专家齐聚高黎贡山为竖井施工把脉会诊，几乎囊括了隧道施工的各种不良地质和所有重大风险，施工难度在当前世界隧道工程领域首屈一指。

1.工程概况

大理至瑞丽铁路位于云南省西部地区，东起广大铁路终点大理站，向西经永平、保山、潞西等市县，线路长约330.1km。其中大理至保山段全长133.660km，保山至瑞丽段全长196.443km。

2.地质及水文地质概况

根据地质资料，预测1#竖井正常涌水量为2016m3/d，最大涌水量按正常涌水量的3倍考虑。竖井涌水量大，施工排水和注浆堵水的施工要求非常高，堵水施工质量，严重影响竖井施工安全。施工阶段对地下水的处理是保证施工顺利进行，确保工程安全质量的前提，对地下水的探测、处理属于竖井施工的重点，也是难点。

根据已完成井筒揭示地层岩性为花岗岩，岩体致密、块状、坚硬、局部破碎，陡倾状裂隙发育，密闭～微张，具有分布不规律、上下连通性好的特点。揭示地下水为基岩裂隙水，岩层富水性较好，且没有明显的隔水层，出水方向、层位无规律，受大气降水及地表水影响较大，与井筒外侧存在水力联系，且相对稳定的补给。

3.工作面探、注关键技术

3.1 工作面探、注一般规定

1）含水层单层涌水量大于 10m3/h，应进行井筒工作面预注浆；

2）含水层单层涌水量小于 10m3/h，但含水层层数较多（两层以上），应进行井筒工作方面预注浆；

3）注浆方案确定之后，施工单位应编制注浆工程专项施工方案并按相关规定进行报批；

4）竖井井筒采取工作面注浆，在水压大于 0.1MPa 探水时，预先固结套管，并安装闸阀。止水套管要进行耐压试验，耐压值不得小于预计静水压值的1.5倍，兼做注浆钻孔的，应当综合注浆终压值确定，并稳定 30min以上。水压大于1.5MPa 时，要有反压和防喷装置5、注浆过程中应设专人观察井壁变化、跑浆等情况，出现异常时，应立即停止注浆并进行处理。

6）工作面注浆采用深浅孔相结合，注浆段高本别为40m、60m，掘砌段高40m，预留20m止水岩帽。

3.2 工作面注浆布控技术研究

注浆钻孔施工前应在含水层上方预先浇筑混凝土止浆垫，应在混凝土止浆垫强度达到设计要求后，先加固止浆垫、埋设注浆孔口管，然后再注浆堵水。混凝土止浆垫的厚度，应根据注浆压力，混凝土强度等参数计算确定。平面型止浆垫厚度可按下式计算：

Bn＝P0r/［σ］+0.3r

式中： P0：注浆终压

［σ］：砼允许抗压强度

R3～7： 砼3～7天的极限抗压强度

r：井筒掘进半径

K：安全系数

若井壁实际承受的压应力超过井壁材料允许抗压强度时，可以提高与止浆垫连接处井壁材料的强度，或者增加井壁厚度，或者扩帮，把止浆垫做成壁座形式，使井壁和围岩共同承担止浆垫的压应力。

工作面注浆钻孔位置的确定应根据井筒断面面积、工作面岩性、含水层水压大小等具体情况确定，孔口管底部到含水层的安全距离不小于 15m。工作面注浆段高可根据井检孔资料结合含水层厚度、含水层数量等因素综合确定，一般以 30～50m。注浆段高确定后，按照井筒直径设计圈径、切向角、孔径等参数，注浆孔孔径宜大于 75mm，圈径与井壁的距离不小于 0.5m。

高黎贡山隧道 1 号竖井水文地质条件极其复杂，在工作面注浆过程中为保障堵水效果，按照“先探后掘、有水必堵、帷幕内掘、快速封闭”的防治水原则，为最大限度消除注浆盲区，并形成一定厚度的注浆帷幕，确定掘砌段高。结合施工现场作业空间及机具配置等情况，采用一圈孔布置，圈径为 4.6m，共 26 孔顺时针编号，单数孔（一序孔）孔长 60m，双数孔 （二序孔）孔长 40m。为最大限度揭穿裂隙，钻孔轨迹设置 15°切向角，孔底落于井筒慌径外3m。

3.3 工作面注浆钻孔工艺

（1）钻机平台搭设

打钻平台距工作面不小于2.2m，工作平台采用工字钢、槽钢及钢板搭设，工字钢作为主梁用螺栓固定在模板上，并卡好保险绳与模板连接，槽钢制作成圆弧状敷设在工字钢梁上螺栓连接牢固，槽钢上铺δ＝10mm钢板，采用螺栓固定。主梁下中间部位加4个立柱支撑点。钻机固定在加工好的钻架上，钻架与槽钢之间使用专用的U型卡进行固定，固定前，由技术人员根据钻孔布置图要求放线，钻机安装完毕后，检查钻机位置、角度、标高是否合乎设计要求。

（2）孔口管埋设及试压

埋设孔口管在止浆垫养护完成后进行。钻机按设计的方位、孔径、倾角、切向角调整好角度固定进行造孔，根据孔口管长度造孔深度大于孔口管长度0.5m，孔口管长度以工作面预注浆施做的止浆垫厚度及相关参数确定本次注浆孔口管的长度为9.0m，钻机采用潜孔钻机型号：KQJ一92配60mm钻杆及Φ130mm球齿钻头造孔，用压风吹净孔内岩粉，灌入提前准备好的水泥砂浆，紧接着下入孔口管，孔口管需露出止浆垫0.3m。调整孔口管的角度，并在孔口管周围用木楔将孔口管找正固定牢靠。孔口管由Ф108×6mm无缝钢管加工而成，长度为9.0m，孔口管下部车成倒竹节状。安装完成后，及时装上闷盖，以防异物掉入管内。孔口管应埋设牢固，并有良好的止浆效果，且长度应大于止浆垫厚度。1天后用钻机扫掉孔口管内水泥砂浆，并做压水试验，用钻机扫孔并超过孔口管0.5m进行试压，采用2倍静水压力进行耐压抗渗试验，压水10～20min不漏即为合格，合格后正常钻进，否则注浆加固孔口管直到合格为止。

（3）钻孔施工

钻孔施工采用潜孔钻机型号：KQJ-92钻机，配φ60mm钻杆，Φ75mm牙轮冲击钻头或三翼钻头，地面通过供水管直接供水打钻作循环水。在打钻前，要在φ108mm孔口管上安设4″高压球阀及防喷孔装置。钻进过程中，若钻孔涌水量超过5m3/h或因岩石破碎打不下去时，停钻注浆，否则一直钻进直至终孔，终孔时要核实钻具长度，确保钻孔深度符合设计要求。若探水钻孔内出水，则另外增加钻孔进一步探明含水层涌水量，确定含水层后则针对该含水层进行注浆；注浆完成后再继续延伸钻孔并重复注浆程序，直至终孔。

3.4 工作面注浆施工工艺

（1）探水工序及要求

高黎贡山隧道 1 号竖井工程采用“探注结合”“先内后外”的原则，现行施工4个 60m长孔，1#、7#、13#、21#主要对全段高出水量进行探测，若 4 个长孔预测工作面前方出水量超过 10m3/h，则 启动工作面注浆工作；若小于 10m3/h，则再施作4个40m 短孔，4#、10#、18#、24#主要对帷幕范围的出水情况进行探查，若 4 个短孔预测工作面前方出水量超过 10m3/h，则启动工作面注浆工作；若小于 10m3/h，探水结束，封孔后进行下一段掘砌。

（2）注浆工序及要求

根据“先内后外”的原则，现行施工一序孔，封堵大段高主要裂隙，再施工二序孔，封堵小段高细小裂隙。各孔采用“钻注”结合的方法，全段高采用下行式分段注浆，钻进过程中，当钻孔涌水量大于 5m3/h，暂停钻进，先注浆封水，然后再扫孔“钻注”，直至终孔，终孔时各孔涌水量不应超过 1m3/h，同时应满足所有注浆孔总涌水量不应超过 5m3/h 的标准。

（3）注浆作业程序

当注浆孔钻到既定深度后，先用清水冲孔（破碎带不冲）直到流清水后进行注浆作业。

注浆作业程序如下：

接通输浆管路→压水试验→注浆→定量压清水→冲洗输浆管路→拆洗注浆泵→扫孔或钻进。

（4）压水试验

注浆前进行压水试验，冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结

强度及抗渗透能力，并根据泵压及注入量，进行钻孔吸浆量的测定，钻孔吸水量的计算公式为：

q=Q/H

式中： q —单位钻孔吸水量，L/min；

Q—压水最大压力时的流量，L/min；

H—试验段的高度。

压水试验时，尽可能采用大泵量，压力值控制在本段注浆终压，一般压水时间为 30min（破碎带压水时间缩短或不压水），精确测量并记录压水段高、流量和压力，根据压水时间测定的单位钻孔吸水量，确定注浆时浆液的起始浓度，作为鉴定注浆效果的依据之一。

（5）注浆材料及注入量

工作面注浆以改性脲醛树脂浆液为主，超细水泥作为备选材料。当钻孔遇到塌孔或者孔口管漏浆情况时，采用单液水泥浆宜采用细度模数为1250目的超细水泥，另掺入水泥重量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂，外加剂起速凝早强作用。

采用改性脲醛树脂，由A、B液组成，A液分为液体树脂，B液分为固化催化剂。A、B液材料按适当比例配合后可在需要的时间内（30min左右）凝固形成结石，发挥堵水、堵漏作用，出厂时厂家将A、B液调试成3：1和2：1配比利于施工，施工前现场实验室必须将到货材料进行试配，强度及凝固时间达到设计要求方可进行下步施工。

注浆站布置在井口附近，站内安装2台XPB-90E型注浆泵，并设置清水池。注浆站至工作面采用两路φ50×6mm高压胶管输送浆液，压力为42mpa，在两路高压胶管与注浆孔口管连接前安装混合器,压力为32mpa，便于两种浆液的混合。

每次注浆前必须对两台注浆泵的流量进行调整，根据现场需要的浆液凝固时间，将两台泵的输出流量调整到2：1，如用单台注浆机吸浆量要符合比例要求；然后开始进行注浆，注浆过程中要随时观察注浆压力不得超过注浆终压；每隔3～5min由跟班技术人员测量两台泵的浆液输出比例或单台泵的浆液输出比例，当比例出现偏差时可通过调整吸浆管的控制阀门的大小来进行调整，确保注浆比例在要求范围内。

注浆材料的质量直接决定了井筒堵水效果的好坏，因此选择质量信得过的，可注性好的材料，对于高角度裂隙发育以及闭合裂隙-微裂隙发育岩层具有很好的充填作用，从而能保证注浆堵水达到预期效果。

依据《煤矿井巷工程施工规范》要求，浆液的注入量按下式计算。

Q=AHπR2nB/m

式中 A——浆液消耗系数，取1.2～1.5；

R——浆液有效扩散距离（m）；

H——注浆段高（m）；

B——浆液充填系数，取0.9～0.95；

m——浆液结石率，取1；

n——岩层平均裂隙率%。

（6）注浆参数

浆液扩散半径不宜小于2m，注浆终压取静水压力的 3～4 倍。各注浆孔的注浆压力达到 终压，注浆流量应小于 30～40L/min，达到注浆终压稳定 10min 后即可停止注浆。

（7）注浆效果检查

工作面注浆将设计孔数施作完成且各孔满足注浆结束标准后，井筒内应施钻3～5个检查孔，其中应有 1 孔布置于探、注过程中的集中出水处，检查孔孔底应超出井筒慌径外 3m，段高 60m，当各检查孔水量均小于 1m3/h，可结束本段注浆；否则需将此孔由检查孔变换为注浆孔，按工作面注浆要求进行注浆作业，施作完毕后，应重新布置检查孔，直至满足要求，方能结束注浆。

（8）井筒掘进检查

工作面预注浆段掘进涌水量不应大于 5m3/h。

结论：

1）工作面采用了带有切向角和径向倾角注浆钻孔，切穿各种产状的岩层裂隙的概率最大化，选择合适的切向角使裂隙或孔隙水可最大限度地被注浆并被有效的封闭。

2)由于井筒工作面注浆施工空间狭小，且注浆钻孔较多，钻孔期间采用2台KQJ-92钻机能同时施工，将注浆站设在地面经两路管路与注浆孔口管连接将浆液输送注浆孔口内，大大减少了空间狭小问题，同时确保施工的安全。

3)根据地层情况选择合适的注浆材料，改性脲醛树脂可注性较好，在复杂地层具有较强渗透性，能有效封堵细微裂隙，并且结实率较高初凝时间短，能够有效减少扫孔次数，节省注浆时间能达到预期封水效果。