垂直帷幕预注浆堵水技术在高寒高海拔特长隧道深竖井中的成功应用

吴昆朝

（中交一公局重庆隧道工程有限公司，重庆 402184）

0 引言

近年来，随着“一带一路”倡议的实施，我国高速公路建设向西部、西南部发展，隧道施工技术逐步提高，逢山开路、遇水搭桥已成为常态，因此特长隧道施工经常出现，而在特长隧道竖井施工中经常遇到含水的软土、岩溶、断层、破碎带、浅埋等不良工程地质段落，影响竖井施工的安全、质量、进度，因此采用竖井超前注浆预加固技术是消除竖井安全风险的可靠手段。为保证特长隧道深竖井施工质量，文章将以气温最低、埋深最大、水压最高的第三循环垂直帷幕超前预注浆止水为例展开论述，以期推动该技术的广泛应用。

1 工程概况

1.1 工程地质及特点

天山胜利隧道是乌尉高速公路的“咽喉”工程，该隧道全长22.1km，其具有一长二深五高二新的特点，即隧道超长、埋深大、竖井深、高地应力、高地震烈度、高环保要求、高寒、高海拔、施工工法新、应用设备新，是国内在建高速公路中典型的特长高寒、高海拔公路隧道，该隧道地质复杂，穿越多个地质断裂带，施工难度大。

1.1.1 地形地貌

2#竖井为构造剥蚀中山地貌区的山地地貌，位于山脚地带，平均海拔高程为3625.085m，斜坡坡度约为15°，植被较发育，主要以低矮牧草为主，东侧20m处发育季节性流水，整体地势西高东低。

1.1.2 地层岩性

该竖井地层主要由花岗岩、花岗闪长岩及闪长岩组成。花岗岩、花岗闪长岩抗压强度达184.242MPa；磨蚀指数在4.34 以上，耐磨性极强；硬度达到7.0，属于极坚固岩石。

1.2 乌尉高速天山胜利隧道2#竖井概况

乌尉高速天山胜利隧道2#竖井位于省道301 乌斯特火车站以北18km 处，2#竖井里程桩号为ZK85+143，其中2-2#竖井内径为10.5m，井壁厚为0.8m，竖井采用正井法施工，地面高程为3614m，井深为704m。

2-2#竖井第三个垂直帷幕预注浆堵水的掌子面（进尺644m 处）地层岩性为花岗岩、闪长岩。

1.3 涌水情况

2023 年8 月26 日629.2m 打眼作业完成后，3#模板绳和4#模板绳中间部位炮眼的周边眼渗水，至644m 涌水量增大到24.5m3/h，水压4MPa，此时的水量增大了排水难度，严重影响开挖进度和安全。

2 施工方案选择

乌尉高速天山胜利隧道2-2#竖井与矿山竖井开挖相同，2-2#竖井与正洞贯通后，将极大改善整个隧道的通风效果、运输以及工区之间相互配合等施工条件。2-2#竖井和正洞贯通计划已经确定，鉴于此种情况，竖井工期和安全压力较大。竖井堵水的常规方案有超前帷幕预注浆和径向注浆堵水方案，技术部门经两种方案的对比分析，决定采用超前预注浆和径向注浆两种方案相结合。

超前帷幕预注浆和径向注浆堵水方案在此工程中的优缺点，见表1。

表1 垂直帷幕预注浆和径向注浆堵水方案在此工程中的优缺点

3 垂直帷幕预注浆堵水施工方案及实施

通过对竖井涌水量进行监测，整个竖井涌水量在24.5m3/h。首先，对掌子面集中出水点进行集中引流，预埋孔口管、施作止浆垫；其次，进行工作面注浆施工；最后，在开挖过程中利用吊盘进行径向注浆及壁后回填堵水。

3.1 垂直帷幕预注浆方案设计

垂直帷幕预注浆孔开孔布置图,见图1，注浆扩散堵水剖面示意图,见图2。

图1 注浆孔开孔布置图

图2 注浆扩散堵水面示意图

3.2 孔口管安装倾斜角度计算（注浆孔倾斜角度）

斜孔径向倾角公式：

式（1）中：α 为斜孔在径向上与竖直轴线的夹角，（°）；S 为终孔位置在径向上超出净直径的距离S=E+m，（m）；E 为永久井壁厚度，0.5m；m 为终孔位置超出开挖直径的距离，取1.1m；A 为注浆孔与井壁的距离，0.5m；H 为注浆段高，25m。

计算钻孔径向倾角为：α=arctan（S+A）/H=arctan（0.5+1.1+0.5）/25=4°，斜孔径向倾角（孔口管安装倾角）为4°。

当注浆段高有变化时，钻孔角度由技术人员进行适当调整，施工示意图,见图3。

图3 止浆垫施工示意图

3.3 止浆垫施工

为防止工作面注浆时掌子面出现溢浆，导致注浆压力不足，需制作止浆垫，防止掌子面溢浆，保证注浆浆液向深处裂隙扩散。

根据基岩段岩性特征、裂隙发育程度、简易水文观测、井液电阻率及含水层涌水量与厚度等相关资料，由以下公式计算所得止浆垫混凝土浇筑厚度H，止浆垫采用C40 早强快凝混凝土。止浆垫厚度H 计算如下：

式（2）中：K 为安全系数（一般取1.0～1.5，该项目取1.3）；P 为设计注浆终压（MPa）；H 为止浆垫厚度（m）；R 为井筒净半径（m），该项目取值6.1m；[σ]为混凝土使用龄期许用抗压强度（MPa），取值混凝土3～7d 的极限抗压值（取28d 强度的2/3）（MPa），该项目取值27MPa。通过计算止浆垫厚度为2.7m。

3.4 注浆参数

注浆参数如表2 所示。

表2 垂直帷幕预注浆参数表

3.5 浆液材料

注浆浆材及配比如表3 所示。

表3 注浆加固材料及配比选择

3.6 钻孔、注浆设备配置

此次注浆堵水施工主要机械选型为ZLJ-700 煤矿坑道钻机和KBY90/15-22 双液注浆。

3.7 注浆施工

3.7.1 注浆顺序

垂直帷幕注浆采取跳孔施工，分两序施工，先单序后双序，二序孔兼顾效果检查，对未完全封堵区域应重点加强注浆，以达到控制注浆的目的。

3.7.2 注浆工艺

注浆采取分段前进式注浆工艺，注浆步距为5～10m，根据地层吸浆量及注浆压力情况进行灵活调整，对重点富水区域有针对性地反复多次注浆堵水，具体施工流程如图4 所示。

图4 垂直帷幕预注浆堵水施工流程图

3.7.3 注浆过程控制

垂直帷幕注浆采取定量与定压相结合的方式控制标准，当注浆压力长时间达不到设计结束压力标准时，应进行定量控制：单孔注浆量达到5m3时，应结束注浆；当注浆压力达到设计标准10MPa 时应结束注浆。施工过程中，一序孔以定量为主，二序孔注浆均能达到设计注浆终压标准。对于局部含水量较大的区域，应重点进行补充注浆，以保证加固效果。

3.7.4 注浆过程中遇到的问题和解决办法

遇到的问题：第一，在没有完全封闭的情况下，测量水压高达3MPa，对止浆垫的质量的可靠性和注浆设备性能提出更高要求。第二，水泥-水玻璃双液浆不凝固。

解决办法：第一，止浆垫下部铺设隔水布，浇筑混凝土过程中埋设导水管，井壁安设接水槽，以保证止浆垫浇筑混凝土的质量。第二，针对水泥-水玻璃双液浆不凝固的现象，首先，在试验室重新进行了试验验证确实不凝固，然后联系供货商更换设计要求的水玻璃，但效果依然无法达到预期效果。无奈之下，在井口对水玻璃进行加热，同时搅拌站拌制水泥浆时使用60°热水，然后迅速送至工作面使用，完美解决了水泥-水玻璃双液浆的凝固时间和强度问题。

4 注浆加固效果检查

采用“检查孔法”和“开挖后测水法”作为评价注浆效果的综合方法，这两种方法相互补充、互为结合，效果评价准确有效。

4.1 检查孔法

通过二序孔和检查孔钻孔进行出水量检查，检查孔出水量＜0.3m3/h，均达到出水量≤0.2L/（min·m）的设计要求。

4.2 开挖后测水法

2-2#竖井644m 掌子面完成垂直帷幕预注浆堵水后，对注浆堵水前后井底工作面出水量进行测量计算，堵水率为94.1%，达到预期目的，注浆效果良好，注浆后总水量为3.8m3/h，小于《煤矿安全规程》（总局令第87 号）规定的6m3/h。垂直帷幕预注浆前后用水量对比，见表4。

表4 垂直帷幕预注浆前后涌水量对比表

5 结论

综上所述，乌尉高速天山胜利隧道是国内在建高速公路中典型的特长高寒、高海拔公路隧道，该隧道地质复杂，穿越多个地质断裂带，施工难度大，文章针对该隧道一长二深五高二新的特点，在2-2#竖井堵水方案比选阶段对注浆材料的选用进行对比，得出以下结论：第一，对于该竖井治水方案，垂直帷幕预注浆堵水和径向注浆堵水以及截水相结合的方案成功实现了“打干井”的目的，效果良好。第二，根据严格的环保要求，选用绿色环保的注浆材料，根据竖井初支和水压，调整注浆参数，保证注浆堵水的效果。第三，针对高寒的气候特点，水玻璃在低温条件下能够使得水泥-水玻璃双液浆不能快速凝固，工程上使用在地面加热并下到竖井工作面注浆的办法，解决了高寒导致的各种问题。第四，针对埋深大、高地应力等情况，认真计算止浆垫厚度，保证注浆过程中井壁的安全，同时对注浆泵进行保养检修，使其工作压力达到10MPa 的要求。第五，通过垂直帷幕注浆，2-2#竖井总涌水量为4.6m3/h，满足《煤矿安全规程》（总局令第87 号）规定，保证了竖井的安全开挖，为类似工程提供了参考。