铁路隧道深竖井井筒防治水设计及施工技术

梁 敏

(天地科技股份有限公司，北京 100013)

截至2020年，我国运营铁路隧道里程已突破18 000 km，随着铁路建设投入力度不断加大，隧道工程日益增加。长大隧道多为项目的控制性工程，不但面临隧道长、修建难度大等问题，还对线路总工期有重要影响[1-2]。高黎贡山隧道是目前在建的亚洲第一铁路长隧，也是我国第1条穿越横断山脉的铁路隧道，为确保隧道按时贯通，在其中部设置2号竖井[3-4]。竖井相比斜井，具有开拓工程量少、建设周期短的优点，但需采取特殊凿井工艺，降低水患对井筒的不良影响。由于2号竖井所在区域工程地质及水文地质条件异常复杂，注浆设计及施工面临更大挑战。因此，高黎贡山隧道2号竖井井筒防治水的设计与施工对地面预注浆技术的推广具有重要意义。

1 地面预注浆技术

水害对建井周期及井壁质量的影响很大[5]。地面预注浆技术是矿山立井防治水的重要方法，其对围岩隔水性能的改善是永久性的[6-7]。施工时，通过地面布置的钻机向未开挖井筒周边的基岩含水层钻入注浆孔，使用高压注浆设备和止浆装置向受注岩层注入具有胶结堵水性能的材料，待其凝固后在井筒周边形成隔水帷幕，起到降低水害的作用。我国煤矿地面预注浆技术诞生于20世纪50年代，经过几十年的发展，已形成完整的成套工艺、材料及装备体系。该项技术已在我国西北地区的宁夏红二煤矿、新疆汉水泉煤矿，两淮地区的杨村煤矿、丁集矿，华北的唐山大贾庄铁矿等多个矿井中成功应用，有效降低了水患威胁，提升了井筒建设速度[8-15]。

2 工程概况及地质特征

2.1 工程概况

高黎贡山隧道的工期直接关系着大瑞铁路的通车时间，为加快施工进度以及适应运营期间通风、防灾救援等需要，在高黎贡山隧道中部设置2号竖井，采用主、副井型式，主井井深640.22 m，内径6.0 m；副井井深640.36 m，内径5.0 m(图1)。

图1 隧道辅助坑道平面布置

2.2 区域地质特征

高黎贡山隧道穿越喜马拉雅地震带，属高黎贡山古生界变质岩紧密褶皱和花岗岩体高山区。2号竖井位于龙陵县黄草坝村南东方向约2.7 km山坡顶部，区内围岩受构造影响，节理裂隙发育，发育多段断层挤压破碎带及构造影响带，构造带岩体破碎—极破碎。井址附近发育的构造主要有大坪子—田新坡断层和勐冒断层。

2.3 井检孔揭示地质条件

根据《煤矿井巷工程施工规范》要求，于线路D1K212+428.47 m左侧38.5 m处施工高黎贡山2号竖井井筒检查孔，钻孔位置与2号竖井平面位置如图2所示。

图2 井筒检查孔平面布置

井检孔揭露地层岩性为花岗岩，受构造挤压影响，岩体完整性较差，间断出现岩体挤压破碎带、构造影响带等。揭露构造影响带共14处，总厚度63.2 m，分布深度位于50～577 m，岩芯一般呈碎块状、围岩条件以Ⅳ级为主；挤压破碎带共10处，总厚度105.3 m，分布深度位于100～520 m，一般其矿物成分高度风化，呈现松散颗粒状，部分分化为土状，围岩以Ⅴ级为主。

井检孔揭露高黎贡山隧道2号竖井施工范围内主要分布7层含水层，其中井深80～150 m分布3层，井深260～480 m分布3层，井深480～640 m分布1层。主井预测正常涌水量为2 006 m3/d，最大涌水量为6018m3/d。副井预测正常涌水量为1 946 m3/d，最大涌水量为5 838 m3/d。

3 地面预注浆设计方案

3.1 总体方案

由于2号竖井场坪已布置有主、副井提升机房、稳车电控室、搅拌站等构筑物及设施，整体方案应最大限度减少对井口场坪及其他设备的影响，还应满足后期下部基岩注浆与上部井筒掘砌能够平行作业。因此，采用“S”形定向钻孔技术，在井架基础外围设置钻机平台，通过定向技术将钻孔在靶点引入到井筒周边。

3.2 钻孔布置

高黎贡山隧道2号竖井地层以花岗岩为主，属于变质岩，与煤矿地层所处的沉积岩地层有很大不同，变质岩地层岩性起伏变化大，在进行注浆设计时参数选择较保守。

地面预注浆孔数设计要考虑井筒直径、浆液有效扩散距离、地层岩性、浆液特性及现场施工条件等因素来确定，公式：

N=π(D1+2A)/L

(1)

式中，N为注浆孔个数；D1为井筒荒径，取7.4 m；A为井筒荒径至布孔圈有效距离，取1.5 m；L为注浆孔间距，一般取4～6 m。

注浆孔数为基岩注浆段同一水平面上均布的孔数，且取偶数[13]。通过计算，设计单个井筒的注浆孔数为6个。由于井架南北两侧需预留排矸位置，为保证场地内交通运输及凿井期间排矸的需要，将钻机平台布置在井架基础附近，每个钻机平台内布置 2个钻孔。注浆孔平面布置如图3所示(以主井为例)，以井筒中心为圆心，钻孔地面布孔圈径34 m，SZ1—SZ6为地面布孔孔位，通过定向技术，进入地下后钻孔在靶点位置进入井筒周边范围。注浆孔设计参数：主井副井均注浆6个，地面布孔34个，落点圈径分别为10.3、9.3 m，落点孔间距分别为5.15、4.65 m。

3.3 注浆深度及钻孔结构

由于第①—③含水层涌水量较少，第④含水层及以下涌水量较大，因此，注浆上限为第④含水层顶部250 m处，注浆下限为第⑦含水层下10 m，即深度590 m。“S”形注浆孔设计孔深为590 m，采用二级结构，一级为套管段(不作注浆用)，起止深度为0～250 m，定向孔身剖面类型，采用三段制，即“增斜—稳斜—降斜”结构；二级为注浆段，起止深度为250～590 m，直孔孔身剖面类型。主井“S”形定向孔设计造斜率4.5～5.5°/(30 m)，降斜率3.5～4.5°/(30 m)；副井“S”形定向孔设计造斜率4.5～5.0°/(30 m)，降斜率3.5～4.0°/(30 m)。钻孔结构如图4所示。

3.4 工艺流程

考虑到注浆段内挤压破碎带及构造破碎带较发育，工程地质条件极差，采用分段下行式注浆工艺，即分段高、分次注浆，优点是可以针对含水岩层精确注浆，避免浆液的浪费。

(1)套管段钻进。钻进时，使用TSJ-2000型钻机，最大钻探能力为2 000 m，电动机功率110 kW。泥浆循环选用TBW-850型卧式双缸双作用活塞泵，最大排量850 L/min，电动机功率90 kW。配合以先进的JDT-6型定向测斜设备和螺杆定向钻具，设计每钻进30 m测斜1次，终孔偏斜率控制在0.5%以内。

(2)下套管、固管。套管段钻孔完成后，将尺寸为φ168 mm×8 mm的无缝钢管从孔口下入钻孔中，套管连接处采用管箍焊接，套管下放完成后采用水灰比为0.6∶1.0的单液水泥浆固管。

(3)注浆段钻进。固管结束浆液等凝72 h，钻机按照设计的注浆段高分段向下钻进。

(4)下止浆塞。止浆塞是实现分段注浆的重要设备，钻机施工一个注浆段后提钻下入止浆塞，止浆塞下入预定位置后拉塞，通过机械受力作用卡在钻孔内，该措施可有效防止高压注浆时浆液窜至非注浆段。

(5)压水、注浆。每次注浆前例行压水10～20 min，目的是检查止浆塞的密封效果并获得受注地层的水文地质参数，了解裂隙的发育程度，进而合理调整注浆参数。压水结束后，用BQ-350型注浆泵将配置好的浆液通过管路注入到基岩段受注层位。

(6)分段循环。上一注浆段完成施工后，按设计的注浆段高分步循环工艺流程(3)—(5)，直至完成井筒注浆施工。

工艺流程具体如图5所示。

图5 地面预注浆工艺流程

3.5 注浆材料

注浆范围可细分为岩帽段和注浆段，注浆材料的选择要与注浆功能和目的相匹配。岩帽段一般选用强度更高的单液水泥浆，可以起到防止注浆时浆液沿裂隙通道上窜至非注浆区域的作用。对于注浆段，选用黏土水泥浆，由黏土浆、水泥、水玻璃组成的悬浊液，稳定性高、流动渗透性好[14]。同时，黏土水泥浆还具有单次注浆段高长、费用较低的优点。配制时黏土浆中水泥加量在100～300 kg/m3，水玻璃加量在10～40 L/m3，注浆时根据前压水参数选取合适的配比值。黏土选自龙陵县当地黏土，经检测，黏土的塑性指数为17，含砂量不大于5%，黏粒含量(粒径小于0.005 mm)大于25%。

3.6 注浆压力

注浆压力是驱动浆液进入并充填导水裂隙通道的动力源，注浆压力的大小对隔水帷幕厚度有重要影响，同时为了防止浆液超范围扩散，造成浪费，注浆压力宜控制在一定范围内。《煤矿井巷工程施工规范》(GB 50511—2010)中关于注浆压力取值范围做了明确的规定，在施工中要根据地层情况选取合适的压力取值。

4 施工质量分析

4.1 钻孔质量分析

该工程在2号竖井主、副井井筒周边各规划了3个钻机作业平台，一序孔施工完成后钻机移位1 m距离开孔作业二序孔，设计注浆段钻孔偏斜率不大于0.5%。由于挤压破碎带和构造破碎带的广泛分布，钻孔施工难度较大，通过采取对地层加固等多种措施，完成钻孔施工，实际偏斜率均距控制在0.5%以内。

4.2 浆液注入量分析

在注浆工艺上，注浆量是保证堵水帷幕质量的关键[15]。2号竖井地面预注浆工程累计注浆量为45 918.5 m3，以井筒分，主井注浆量为24 107 m3，占比52.4%；副井注浆量为21 811.5 m3，占比47.6%。主井注浆量大于副井的原因是主井地质条件较副井更为复杂，主井在实际钻探施工过程中揭露出更多的挤压破碎带地层，且揭露段落较高，该段落注浆量明显大于其他地层，导致主井注浆量大于副井。以工序分，一序孔注浆量为28 404.5 m3，主井一序为15 438.5 m3，副井一序为12 966 m3。二序孔注浆量为17 514 m3，主井二序8 668.5 m3，副井二序8 845.5 m3。一序孔注浆量明显大于二序孔的原因是初期施工时地层处于开放状态，地层中的导水通道及主裂隙未进行过充填，二序孔施工时由于一序孔已经对地层进行了注浆，部分导水通道及主裂隙已完成封堵。因此，二序孔注浆量要明显小于一序孔。

通过对注浆量的分析可知，破碎带的密集分布是引起注浆量超量的重要原因之一，特别是分布层位较大的破碎带，对注浆施工造成了很大影响。主、副井实际钻探施工过程中揭露的破碎带要比井检孔揭露的多，呈间断出现且无规律、不均匀分布的特点，特别是在揭露挤压破碎带段落较大层位注浆施工难度较大。

4.3 地层渗透系数变化情况分析

渗透系数可用来反映地层的透水性。以副井为例，副井270～320 m注浆段一序孔及二序孔渗透系数变化曲线如图6、图7所示。该注浆段内包含有挤压破碎带，通过分析可知：①注浆前地层的渗透系数较大，说明地层联通性较好，随着注浆次数的增多，地层的连通性和渗透性呈现明显下降趋势；②一序孔渗透系数的下降趋势及幅度较二序孔更为明显，一序孔渗透系数值平均降幅为63%，二序孔渗透系数值平均降幅为15.4%。③二序孔渗透系数起始值要明显低于一序孔渗透系数起始值，由于工序原因，同一注浆段二序孔注浆时间滞后一序孔若干月。数据表明，经过注浆，井筒周边地层的渗透系数得到永久性改善。

图6 副井一序孔270～320 m注浆段渗透系数变化曲线

图7 副井二序孔270～320 m注浆段渗透系数变化曲线

4.4 终孔压水试验分析

施工完成后，在主、副井筒各留1个钻孔进行压水试验，根据《立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法》中公式进行数据计算得出：预测主、副井筒剩余涌水量较注浆前分别下降了99.8%和99.7%。

5 结论

(1)目前高黎贡山隧道2号竖井主、副已安全掘进到底，以实例证明地面预注浆技术可应用于复杂地质条件下的井筒防治水设计及施工。

(2)通过注浆，井筒周边地层的渗透系数发生了明显变化，压水试验预测的主、副井井筒剩余涌水量分别较注浆前下降99.8%和99.7%，堵水效果优异，保障了井筒的高效安全建设。

(3)高黎贡山隧道2号竖井注浆设计及施工的成功实施，对推进铁路长大隧道建设具有重要的推广意义。