富水陡倾斜大理岩增透引流注浆技术研究——以天山胜利隧道4号通风竖井为例

毛锦波,李亚隆,姬中奎,韩 强,张小虎,张斌斌,孙佰军,赵红刚

(1.中交二公局东萌工程有限公司,陕西 西安 710119; 2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077)

0 引言

随着我国“一带一路”倡议的持续推进,需要在西北部高海拔高寒山区修建大量的深部岩体工程。地下工程施工常面临突涌水、岩爆及高原冻害等诸多地质灾害,严重威胁现场施工人员安全,增加工程成本,影响施工进度及其后期正常运营。

长期以来,突涌水作为一种主要地质灾害,在高寒山区地下工程施工过程中受到国内外专家及现场技术人员的高度重视并进行过大量的研究。冉海军等[1]分析了注浆效果的影响因素,通过设置合理的段高,实现了隧道施工过程中的快速堵水;叶欣欣等[2]运用多种方法讨论了浅埋隧道偏压段围岩注浆加固效果,发现注浆后的地层成拱能力和围岩结构完整性得到显著增强;尚宏波等[3]通过室内试验分析了受注砾岩含水层帷幕墙的浆液运移规律及其注浆截流效果;陈登前[4]对地面预注浆渗透扩散机制进行了分析,设计了适用于淮南矿区立井井筒的预注浆参数与施工工艺;李文光等[5]运用下行式注浆法解决了三山岛金矿竖井施工的突涌水问题;李红辉等[6]采取工作面超前预注浆施工技术,成功控制了井筒和马头门的涌水灾害;杨志斌等[7]基于钻孔高压水试验对注浆效果进行了定量评价,结果显示注浆效果良好;岳鹏超等[8]采用综合注浆技术解决了立井穿越含水层的问题,实现了打干井的目的;刘鹏飞等[9]采用帷幕注浆加固技术使隧道成功穿越了富水黄土涌水地层;朱冠宇等[10]分析了淮北某矿水害特征与含水层的补给关系,提出了帷幕截流和疏干开采相结合的防治对策;贺文等[11]选用黏土水泥浆液,采用分段预注浆方式解决了富水白云岩地层治水难题;高广义[12]通过借鉴类似工程和现场试验,确定了富水花岗岩地区竖井工作面施工原则与治理方式;张建峰等[13]探究了隧道施工过程中突涌水的灾变机制,并提出相应的防控措施。

综上所述,近年来众多学者在地下工程突涌水注浆治理方面已开展了大量的研究工作,并取得了一系列的研究成果,但尚缺乏高海拔高寒山区富水陡倾斜大理岩地层倾角大、裂隙开度小、吃浆量弱的针对性注浆扩散模型及其工艺研究。基于此,本文针对天山胜利隧道4号通风竖井施工过程中存在裂隙开度小、堵水效果差等问题,基于广义宾汉流体浆液本构方程,构建陡倾斜大理岩富水地层劈裂引流注浆力学模型,提出浆液扩散运移方程,并将研究成果应用于实际工程中。

1 工程概况

天山胜利隧道4号竖井位于省道301乌斯特火车站以北8 km、里程桩号为ZK93+029.477左侧79.589 m处,设计井深513 m,断面净直径设计为9 m。根据地质调绘及钻探揭露,地层自上而下依次为第四系全新统坡积粉土、碎石,下伏地层为蓟县系卡瓦布拉克岩群。地下水位初见埋深为114.00 m,高程+3 325.643 m,静止水位47.76 m,为承压水。地下水pH值在7.6～7.97,均值为7.76,呈弱碱性。地下水补给来源主要为大气降水和冰雪融水,地下水类型为基岩裂隙水,地表水渗入量大,井内涌水量较大,预计4号竖井涌水量为7 009 m3/d。天山胜利隧道4号竖井涌水地层分布情况如表1所示。

表1 天山胜利隧道4号竖井涌水地层分布情况

井筒预注浆段埋深较大,注浆段较长,井筒预注浆岩层为风化大理岩,发育大量微小裂隙,不利于注浆。根据现场情况,竖井掘进至100 m处时,施工的超前探查孔出水量较大,单孔涌水量约为5 m3/h,造成淹井事故,继续掘进突水风险较大。探查孔涌水情况如图1所示。

(a) (b)

2 陡倾斜大理岩结构特征及注浆模型

2.1 陡倾斜大理岩结构特征

根据区域资料和工程地质调绘、物探资料,4号竖井涌水段岩层主要为中风化大理岩,岩层倾角为62°～79°,平均倾角为72°,属于陡倾斜岩层。岩层主要矿物为方解石、白云石、石英等,粒状变晶结构,块状构造,岩体较完整,岩石中可见石英细脉发育。根据现场采取的岩样,大理岩段为微裂隙发育区段,裂隙发育较小。大理岩结构特征如图2所示。

(a) (b)

竖井施工过程中,由于后续井壁衬砌施工与工作面的爆破掘进存在一定的时间差。当井筒穿越含水层时,无支护井壁段和工作面易产生局部坍塌突水,对竖井的安全快速开挖构成严重威胁。

2.2 劈裂引流注浆扩散模型

2.2.1 基本假设

1)水和浆液视为均质、各向同性、不可压缩的宾汉流体,且不考虑浆液流型的变化。

2)浆液沿岩层倾角发生层流运动,且符合连续方程。

3)浆液在任意裂隙面内的扩散速率相等,且不考虑浆液在运移过程中的损失。

4)浆液只存在于裂隙通道,不会流入岩体内部。

5)被注岩体的裂隙壁表面光滑,裂隙宽度均匀无变化。

基于以上假设,建立陡倾斜大理岩增透引流注浆扩散模型,如图3所示。

(a) 水力增透模型

水力增透技术是通过高压水泵将高压脉冲式水流从注水孔注入岩体内的原生裂隙中,在水压作用下,裂隙结构弱面发生起裂。随着水压作用的持续进行,裂隙损伤不断增加,裂隙进一步疏通、扩展及延伸,从而使浆液裂隙运移通道扩展。

在引流注浆过程中,通过引流孔抽水,利用水头压力差迫使浆液沿帷幕圈扩散。引流孔排水后使含水层水流动,浆液颗粒能随着水流逐渐封堵裂隙通道,从而提高注浆堵水效果。

2.2.2 浆液扩散运动方程

根据图3(b)所示的引流注浆模型,沿裂隙方向对浆液单元体进行受力分析,如图4所示。图4中:y为垂直于浆液运动方向的距离,y=0处位于裂隙中心; 浆液沿x方向以速度v运动。

b为微裂隙宽度; 2h为流核区高度; p为注浆压力; pw为裂隙水压; p-pw和p+dp为微单元体两端压力; τ为两侧剪应力; α为微裂隙倾角。

采用宾汉流体模型,浆液单元两侧剪应力为

τ=Ay[14-15]。

(1)

其中,A的表达式为

(2)

由微单元体的受力平衡可知,截面剪应力和速度方程[16-17]为:

(3)

式中τ0为浆液屈服剪切力。

令A*=p-γgxsinαcosθ,代入式(2)并进行积分可得

(4)

将式(4)代入式(1),可得

(5)

式中μ(t)为浆液黏度随时间的变化函数。

对式(5)进行积分,可得

(6)

由式(6)可得浆液在微裂隙中的平均速度为

(7)

(8)

忽略高阶小项,可得

(9)

故单位时间的注浆量为

(10)

式中:k为黏度系数;n为幂指数;q为单位时间的注浆量。

则

(11)

当浆液扩散距离为x时,注浆时间为

(12)

双液浆黏度变化函数为

μ(t)=ktn。

(13)

将式(12)代入式(13),得

(14)

联立式(11)和式(14),可得

(15)

解得

(16)

当浆液位于注浆孔半径rc处时,将边界条件x=rc、p=pg代入式(16),可得劈裂缝方向上的注浆压力为

(17)

式中:pg为注浆孔处压力;rc为注浆孔半径。

忽略浆液自重,考虑裂隙水压作用,当被注岩体前端注浆压力等于2次启劈压力与裂隙水压之和时,即p=pd1+pd2+pw,浆液扩散半径为Rg/cosα。由边界条件p=pd1+pd2+pw、x=Rg/cosα及式(17),得注浆压力为

pd1+pd2+pw。

(18)

方向为负方向,故式(18)变换为

pd2+pw。

(19)

工程实际中,当被注岩体所受最小主应力与抗拉强度之和低于劈裂通道内部的注浆压力时,二次启劈注浆压力为[16,18]

pd2=σ3+σt。

(20)

式中:σ3为岩石最小主应力;σt为岩石抗拉强度。

根据上文理论研究成果可知,影响注浆压力的主要因素有裂隙倾角、初次启劈压力、二次启劈压力、裂隙水压、设计劈裂扩散距离及浆液黏度时变性。若采用引流注浆工艺,在实际工程中会减小注浆压力,增大浆液扩散距离。

3 陡倾斜大理岩注浆施工方案设计

3.1 注浆范围及钻孔布置

3.1.1 注浆范围的确定

基于上述分析,采用地面预注浆方式对天山胜利隧道4号通风竖井涌水段进行治理。根据注浆施工规程和以往的施工经验,松散地层中浆液的最大注浆扩散半径一般为8～12 m,浆液扩散半径交叉重叠范围为0.5 m。本试验中浆液劈裂扩散半径设计为15 m,每个井筒设计10个钻孔,其中8个为注浆孔,2个为检查孔。注浆孔和检查孔布置如图5所示。图5中:R1=4.5 m为井身净半径,R2=5.65 m为靶区内最大开挖半径,R3=9 m为开孔点半径,R4=15 m为靶区内半径,预计注浆完成后帷幕体厚度为5～6 m。

图5 注浆孔和检查孔布置

3.1.2 钻孔布置

在井筒帷幕靶向区内均布设置若干Ⅰ序钻孔(钻孔4111、4112、4113、4114)。沿地层倾角走向,首先选取同层位大埋深一侧任一Ⅰ序钻孔为起始注浆孔,任选一方向顺时针或逆时针,与起始注浆孔相邻Ⅰ序孔为走向引流孔,对角Ⅰ序钻孔为倾向引流孔。

一开孔段:钻孔深度为0～20 m,钻孔形式为直孔,孔径为311 mm,钻进至完整基岩以下2 m,下放直径为244.5 mm的一开套管,防止塌孔。二开孔段:钻孔深度为20～105 m,钻孔形式为定向斜孔,孔径为215.9 mm,钻进至岩帽段顶部,下放直径为177.8 mm套管并用水泥浆液固管,确保不漏浆液。三开孔段:钻孔深度为105～350 m,钻孔形式为斜导和直孔,孔径为152 mm。施工时,注浆孔先进行大泵量压水,以疏通弱风化大理岩裂隙,保证注浆效果。压水结束后开始注浆,同时打开引流孔进行抽水,使浆液沿地层走向流向同层位相邻引流孔。

3.2 预注浆关键参数设计

3.2.1 浆液选型及配比

注浆材料以水泥、黏土液浆为主,在最后补强阶段采用单液浆。105～140 m段为岩帽段,注浆为单液浆,单液水泥浆水灰质量比为1∶1,1 m3单液水泥浆水泥用量为0.75 t。现场环境温度为-2～5 ℃,注浆段地层温度约为2 ℃,严重影响浆液的初凝时间及其强度。为加速凝结,提高早期强度,氯化钠、三乙醇胺的加入量分别按水泥用量的5‰及0.5‰计算。单液水泥浆材料配合比如表2所示。140～340 m段注入黏土水泥浆,黏土水泥浆液现场配比参数如表3所示。实时动态调整不同注浆段浆液原料配比,试验试件如图6所示。

(a) 单液水泥浆试件 (b) 黏土水泥浆试件

表2 单液水泥浆材料配合比

表3 黏土水泥浆液现场配比参数

3.2.2 注浆结束标准

注浆终量不大于60 L/min,达到注浆终压并稳定20～30 min后可结束该孔段的注浆工作。

3.2.3 注浆压力

初次启劈压力采用水压致裂法进行现场地应力测试取值,钻孔水压致裂法地应力测试深度在119.8～547.5 m,测试结果如表4所示。

表4 钻孔水压致裂法地应力测试结果

由式(20)可知,二次启劈注浆压力主要取决于岩体最小主应力和抗拉强度,在初次水压致裂后,取出岩芯测量岩体力学试验数据。测得岩体力学试验参数如表5所示。

表5 岩体力学试验参数

由表5测得二次启劈压力为2.15～2.64 MPa,不同埋深段浆液克服水的裂隙水压不同,相关参数如表6所示。其中屈服剪切力τ0由式(3)和式(16)联立计算得到。

表6 计算参数取值

以注浆段Ⅲ-1为例计算各区段的注浆压力,将相关数据代入式(19),得

(21)

根据相关规范,钻孔注浆终压值不小于岩帽段裂隙水压的1.5倍,孔深小于400 m的注浆段注浆终压值不小于裂隙水压的2.5～3.0倍。依据上述理论,确定不同段高的注浆压力如表7所示。

表7 注浆段高及注浆压力

3.3 大理岩微裂隙劈裂注浆工艺

1)注浆前打开引流孔孔口阀门,使钻孔处于静压状态,然后对注浆孔进行大泵量压水工作,以疏通大理岩裂隙,期间观测引流孔水位上升及溢流情况,保证注浆效果。

2)针对注浆段浆液沿着岩层陡倾斜裂隙绕过岩帽段,造成浆液浪费的情况,由起始注浆孔沿地层走向流向同层位相邻引流孔,沿地层倾向流向高层位对角引流孔,当注浆孔达到注浆结束标准时,结束注浆。

3)采用下行式分段注浆的方式,每个钻孔注浆段段高按照50 m划分,各注浆段高经钻孔—脉冲式压水增透—注浆—压水试验等工艺,再进行下一段注浆,往复循环注浆至设计孔深,单液水泥浆和黏土水泥浆注浆量分别为628 m3和19 635 m3。

4 陡倾斜大理岩注浆效果分析

通过设置检查孔41B1和41B2,结合常规注浆堵水效果检测方法,分别采取孔内电视法和光纤测温法对检查孔进行效果检测,并结合注浆治理后的竖井掌子面侧壁揭露情况,综合评价注浆堵水效果。

4.1 简易水文观测

41B1和41B2检查孔采用清水钻进,在每一段高初次钻进时,详实记录钻进过程中的冲洗液消耗情况,如图7所示。41B1检查孔注浆治理段在144.2～146.2 m段冲洗液消耗量最大值为180 L/m,148.65～150 m段冲洗液消耗量为133.33 L/m,其余部分平均为49.4 L/m,属于正常消耗。41B2检查孔注浆治理段仅在200 m处冲洗液消耗量偏大,为164.76 L/m,其余部分属于正常消耗,平均为56.28 L/m。由此可以看出,4号竖井突涌水段注浆治理效果良好。

图7 检查孔冲洗液消耗曲线图

4.2 孔内电视法

通过检查孔41B1和41B2对注浆治理段岩层进行钻孔成像,观察岩体完整性,有无残余裂隙及注浆充填效果。检查孔电视图如图8所示。检查孔孔壁光滑,无明显裂隙,局部明显可见原地层裂隙被浆液充填密实,无残余裂隙,注浆充填效果良好。

(a) 41B1孔122 m处 (b) 41B1孔322 m处

4.3 光纤测温法

假设原始地层温度恒定,考虑注浆后水泥水化放热影响,注浆形成帷幕体后,帷幕内外地层会产生一定温差。测试段为105～350 m,布置传感器间距为50 m,串联6个温度传感器,按照1 m步距进行测量。光纤测温曲线图如图9所示。由图9可以看出:钻孔深度在100～224 m段内,4114与41B1钻孔温度与温度梯度变化明显,均有2个低温点,且均在150 m和184 m附近,说明该段内2个钻孔均无水流交替;在224 m到孔底段内,41B1钻孔的温度波动比较大,说明41B1在该段孔内几乎无水流交替,4114钻孔的温度波动相对较小,分析推测有弱水流交替,但其在该段的温度梯度均值为0.022 76 ℃/m,说明其水流交替较小,即补给量较小。根据光纤测温情况,可说明4号竖井突涌水段注浆治理效果良好。

图9 光纤测温曲线图

4.4 掘进揭露情况

地面预注浆治理后,竖井掘进掌子面处无明显渗水,井筒涌水量不超过1 m3/h。治理后竖井掌子面侧壁揭露情况如图10所示。

图10 治理后竖井掌子面侧壁揭露情况

5 结论与建议

1)为解决天山胜利隧道4号通风竖井涌水问题,考虑了陡倾斜大理岩层结构特征、浆液黏度、注浆压力等因素,提出陡倾斜大理岩增透引流注浆模型,建立增透劈裂注浆扩散运动方程,为确定注浆参数提供了理论依据。

2)提出增透引流注浆控制方法,通过高压水增透岩体裂隙,引流孔控制浆液方向,动态控制注浆压力等关键参数,促使浆液在结构面内控制性扩散,保证注浆效果。

3)理论分析及工程实践表明,注浆治理段裂隙被有效充填,竖井掘进中迎头涌水量不超过1 m3/h,注浆堵水效果良好。

天山胜利隧道处于高海拔地区,分布着永久季节性冻土地层,在进行工作面预注浆时浆液凝结时间受温度影响很大,且强度低,建议采取更好的方法解决浆液在低温环境下凝固差的问题。