CN108661650B - 一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富水岩浆岩地区隧道深大竖井井筒施工方法，具体如下：步骤一、确定止浆垫的厚度及形式；步骤二、安装超前探孔孔口管；步骤三、待超前探孔孔口管锚固达到强度后进行超前探孔施工；步骤四、对步骤三中所述的超前探孔中的出水量进行测试；步骤五：确定掘进面堵水注浆方案；步骤六：采用下行前进式堵水钻孔注浆；步骤七：进行井筒崛砌施工。采用该方法，减少开挖过程中井筒内涌水量，缓解开挖过程抽排水压力；开挖完成后，在井壁上采用径向注浆再次封堵井筒渗漏水，降低井筒渗漏水量随井筒开挖而不断增大，进而导致淹井事故发生，其次径向注浆充填井壁与围岩空隙，保证隧道结构及施工安全。
Description
技术领域
本发明属于深大竖井井筒施工技术领域，具体涉及一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法。
背景技术
目前，针对于富水地区隧道深大竖井井筒修建施工，通常采用井筒冻结法或地面预注浆加固法对富水井筒进行提前预加固处理后采取正常凿井开挖的施工方法；而针对岩浆岩地区富水深大竖井井筒施工存在主要问题有： 1、井筒预冻结法主要用于冲积层当中，而直接在基岩(岩浆岩)当中采用冻结案例极少，且存在以下问题：(1)冷冻管钻孔施工工艺复杂，深度大于 500m，钻孔精度很难保证；(2)由于冻结深度较大，冻结区段有挤压破碎带，井筒稳定性差，且尚无挤压破碎带冻结工程案例；(3)由于冻结深度太深，不同层位冻土扩展速度不同，使得岩层交界处冻结壁厚度不连续，冻结管局部产生应力，从而使冻结管道破裂；2、井筒地面注浆预加固在一定程度可改良井筒施工条件，但仍存在以下主要问题：(1)岩浆岩地层裂隙发育且富水，连通具有不规律性和不确定性，地面预注浆很难将所有裂隙揭穿封堵，存在较大堵水盲区；(2)钻孔深度大于500m后，钻孔精度无法保证；(3) 无较***的注浆效果评价标准，只能通过开挖揭示评价；3、井筒冻结法和地面预注浆法都具有投资大、工期较长、工艺复杂等特点，很难满足铁路隧道“长隧短大、辅助通道快速进洞”的铁路隧道施工原则。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法。通过预注浆封堵大的出水裂隙，减少开挖过程中井筒内涌水量，缓解开挖过程抽排水压力；开挖完成后，在井壁上采用径向注浆再次封堵井筒渗漏水，降低井筒渗漏水量随井筒开挖而不断增大，进而导致淹井事故发生，其次径向注浆充填井壁与围岩空隙，保证隧道结构及施工安全。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，该施工方法包括如下：
步骤一：确定止浆垫的厚度及形式；
步骤二、在井筒内净空范围内绕井筒一周布设4n个超前探孔，并钻孔，安装超前探孔孔口管；其中，相邻两个超前探孔间的间距均相等；n为不为 0的自然数；
步骤三、待超前探孔孔口管锚固达到强度后进行超前探孔施工，直至达到设计的深度；
步骤四、对步骤三中所述的超前探孔中的出水量进行测试，并采取不同的措施，具体如下：若多个超前探孔的涌水量均小于2m3/h时，注浆封堵超前探孔后恢复掘砌；
若任意一个超前探孔的涌水量在2～5m3/h时，则在该超前探孔两侧各增加一个验证钻孔，若两个验证钻孔的涌水量均小于5m3/h时，注浆封堵所述的超前探孔和验证钻孔后，恢复崛砌；
若任意一个验证钻孔的涌水量大于5m3/h时，或者n个探孔总水量大于 5n m3/h，则注浆封堵超前探孔，并进行步骤五；
步骤五：确定掘进面堵水注浆方案，具体如下：在井筒内净空范围内绕井筒一周布设多个注浆孔，且注浆孔位于超前探孔所在的圆周上，在竖井深度方向按锥台形的竖向外插角设置，终孔位置在开挖荒径外一周；
步骤六：采用下行前进式堵水钻孔注浆，具体如下：采用跳孔施钻，钻注浆孔过程中实时测试其内涌水量，若注浆孔内出水量大于5m3/h，进行注浆施工，直至注浆达到结束标准，再依次进行下一段钻孔、注浆；依次进行其他注浆孔的钻孔、注浆；
步骤七：进行井筒崛砌施工；
步骤八：对井壁出现0.5m3/h集中出水点采取径向壁厚注浆，直至井筒内最大渗漏水量小于5m3/h。
进一步地，步骤一中，当水压≤2Mp时，止浆垫的厚度为2.5～3m；当 2Mpa＜水压≤4Mpa时，止浆垫厚度为3.5～4m；当水压＞4Mpa时，止浆垫厚度为4.5～5m。
进一步地，超前探孔的孔径为90～110mm，深度60～80m。
进一步地，步骤五中，注浆扩散半径≤2m，注浆终孔间距≤3.5mm。
进一步地，在步骤五中，循环开挖注浆孔时，每段预留止浆岩盘。
进一步地，井筒径向注浆的启动标准为开挖完成后井筒水量仍大于 10m3/h或井壁出现0.5m3/h的集中出水点；径向注浆结束标准：井筒内最大渗漏水量小于5m3/h。
进一步地，堵水注浆效果检查采用所有注浆孔的出水量随时间变化逐渐减小，孔内注浆吸浆量也随之减小的过程分析法，且以当注浆孔的出水量小于0.2L/m.min为结束标准。
本发明一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法具有如下优点：挖设超前探孔对未开挖地层提前探测，减少开挖过程中井筒突涌水的风险，采用预注浆封堵大的出水裂隙，减少开挖过程中井筒内涌水量，缓解开挖过程抽排水压力；开挖完成后，在井壁上采用径向注浆再次封堵井筒渗漏水，降低井筒渗漏水随井筒开挖而不断增大，进而导致淹井事故发生，其次径向注浆充填井壁与围岩空隙，保证隧道结构及施工安全。
附图说明
图1是本发明中设置有止浆垫的井筒的剖面图；
图2是本发明中超前探孔、注浆孔和井筒的布置示意图；
图3是实施例1中钻孔涌水量随时间变化效应图；
图4是实施例1中孔内注浆量随时间变化效应图；
其中：1.止浆垫；2.井筒；3.超前探孔；4.验证探孔；5.井壁；6.注浆孔； 7.碎石滤水层；8.滤水箱；9.滤水管。
具体实施方式
本发明一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，该施工方法包括如下：
步骤一：确定止浆垫1的厚度及形式；止浆垫1的纵剖面为楔形布置，下部嵌入围岩50cm；当水压≤2Mp时，止浆垫1的厚度为2.5～3m；当2Mpa ＜水压≤4Mpa时，止浆垫厚度为3.5～4m；当水压＞4Mpa时，止浆垫厚度为4.5～5m；采用C30混凝土浇筑。如图1所示。
步骤二、在井筒2内净空范围内绕井筒2一周布设4n个超前探孔3，并钻孔，安装超前探孔孔口管；其中，相邻两个超前探孔3间的间距均相等； n为不为0的自然数；具体如下：采用Φ130mm钻头低速钻进至2.8m，安设孔口管；孔口管采用Φ108mm，δ＝5mm无缝钢管加工，管长3m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型，采用钻机冲击安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆。孔口管加工，管长需大于3m，管壁厚需大于5mm。超前探孔3的布置如图2所示；
步骤三、待超前探孔孔口管锚固达到强度后进行超前探孔施工，直至达到设计的深度；实际实施时，n个超前探孔施工结束后，采用量筒法对探孔出水量进行测试，机械式水压表进行水压测试。
步骤四、对步骤三中所述的超前探孔3中的出水量进行测试，并采取不同的措施，具体如下：若多个超前探孔3的涌水量均小于2m3/h时，注浆封堵超前探孔3后恢复掘砌；
若任意一个超前探孔3的涌水量在2～5m3/h时，则在该超前探孔3两侧各增加一个验证钻孔4，若两个验证钻孔4的涌水量均小于5m3/h时，注浆封堵所述的超前探孔3和验证钻孔4后，恢复崛砌；
若任意一个验证钻孔4的涌水量大于5m3/h时，或者n个超前探孔3的总水量大于5nm3/h，则进行步骤五；
步骤五：确定掘进面堵水注浆方案，具体如下：在井筒2内净空范围内绕井筒2一周布设多个注浆孔6，且注浆孔6位于超前探孔4所在的圆周上，在竖井深度方向按锥台形的竖向外插角设置，终孔位置在开挖荒径外一周；其中注浆孔终孔根据注浆孔涌水及地质情况进行优化选做节理发育、破碎围岩，对于出水量大于5m3/h区域根据实际情况适当调整注浆孔眼步距，补充增设孔眼加强注浆；出水量小于5m3/h增大钻孔步距，减少钻孔量；竖向堵水深度60～80m，每循环开挖时，根据注浆效果、围岩条件确定预留8～10m 作为止浆岩盘。注浆孔6的设置如图2所示。
步骤六：采用下行前进式堵水钻孔注浆，具体如下：采用跳孔施钻，钻注浆孔6过程中实时测试其内涌水量，若注浆孔6内出水量大于5m3/h，采用法兰连接孔口与注浆设备，进行注浆施工，直至注浆达到结束标准，再依次进行下一段钻孔、注浆；依次进行其他注浆孔6的钻孔、注浆；至止所有注浆孔都按设计完成。钻孔注浆工序完成后，需进行注浆效果检查，注浆效果检查采用过程分析法和检查孔法进行，当注浆效果达到检查标准后，结束本段堵水注浆施工。堵水注浆效果检查采用所有注浆孔6出水量随时间变化逐渐减小，孔内注浆吸浆量也随之减小的过程分析法，且以当注浆孔6的出水量小于0.2L/m.min的结束标准。
步骤七：进行井筒2崛砌施工；
步骤八：对井壁5出现0.5m3/h集中出水点采取径向壁厚注浆，直至井筒内最大渗漏水量小于5m3/h。径向注浆采用φ42mm无缝钢花管，管长4m，采用普通水泥-水玻璃双液浆(C-S)一次性注浆。径向注浆注浆压力小于 1Mpa；径向注浆结束标准井筒2内最大渗漏水量小于5m3/h。
实施例1：新建大理至瑞丽铁路，保山至瑞丽段高黎贡山隧道，全长 34538m，为亚洲第一铁路长隧，隧道最大埋深约1155m。隧道设置“1座贯通平导+1座斜井+2座竖井”辅助坑道。其中1号竖井采用主、副井设置，主井井筒6m、深762.59m、功能为出碴、出污风；副井净径5m、深764.74m、功能为出碴、出污风，人员进出兼做安全出口；
1号竖井井口位置距离保山端怒江断裂(F1-1)约1.3km，距离瑞丽端镇安断裂(F4-2)约1.2km，受两条断裂影响，井筒围岩破碎、裂隙发育且富水、围岩裂隙走向，连通具有不规律性，方向多为高角度裂隙，与周边及上部沟通补水渠道畅通，从测井曲线上确定8个含水层及破碎带，层厚度 1.75～3.85m，最大涌水量约1150m3/h。在施工掘进中，随时可能出现突水淹井风险。现场以主井S1ZK0+130.5～+210.5段级1个循环为例进行施工，实施的具体方法是：
1、止浆垫施工：
①开挖至预定里程时，进行下循环探注止浆垫1施做，在施做止浆垫1 前铺设60cm厚碎石滤水层7，碎石粒径为20-40mm；碎石滤水层7中间设置 60cm*60cm*80cm的滤水箱8，滤水箱8上端焊接φ108mm*5mm，长3.8m的滤水管9，将掘进面渗漏水引排，保证浇筑混凝土的质量。
②为了止浆垫1的稳定，施做止浆垫部位向外扩挖50cm，使止浆垫1 嵌入基岩。
③止浆垫厚度3m，采用C30的混凝土一次性浇筑。
④待混凝土强度达到设计强度的80％以后开始下步施工。
2、在井筒2内净空范围内绕井筒一周布设超前探孔3，安装超前探孔孔口管：
①测量放线：定出竖井中线，根据方案中孔位布置在止浆垫1上用红漆标出钻孔位置，钻机就位后，确定钻进外插角，确保开孔位置准确。
②孔口管制作：孔口管采用Φ108mm，δ＝5mm无缝钢管加工，管长3m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型。
③采用Φ130mm钻头低速钻进至2.8m，退钻洗孔，在孔内塞满水泥基锚固剂后将孔口管前段顶住孔口，采用钻机冲击孔口管末端，将孔口管顶设到要求深度；
④待孔口锚固剂达到预定强度(约3h)后开始下步探孔施工。
3、待超前探孔孔口管锚固达到强度后进行超前探孔施工，并测试：
①准备工作：更换钻头Φ90mm，准备探孔施工记录表、量筒及水压表。
②探孔施工：探孔深度80m，每2m记录钻进速度和地层出水量。
③4个超前探孔终孔出水量分别12.15m3/h、5.98m3/h、6.24m3/h、8.47 m3/h，水压分别为2.12Mpa、2.09Mpa、2.14Mpa、2.10Mpa，掘进面总涌水量为35.67m m3/h。则注浆封堵超前探孔3，启用掘进面堵水注浆方案。
4、掘进面钻孔注浆施工：
①注浆参数：纵向堵水长度80m(不含止浆垫1)，径向堵水范围为3m，注浆扩散半径≤2m，注浆终孔间距≤3.5mm，注浆速度5～240L/min，注浆终压4～6MPa，注浆方式采取下行式分段注浆，分段长度按孔内涌水量确定，注浆材料采用以普通水泥单液浆(简称C浆)为主，配和比W:C＝(0.8～1):1，普通水泥-水玻璃双液浆(简称C-S浆)为辅，配和比W:C＝(0.8～1):1，体积比 C:S＝1:(1～0.3)，水玻璃浓度30～35Be’。
②钻孔注浆施工：掘进面钻孔注浆施工流程如下：
(a)确定注浆孔6位置，位于超前探孔3所在的圆周上，注浆孔孔口管安装：确定钻进外插角后，采用Φ130mm钻头低速钻进至2.8m，安设孔口管；孔口管采用Φ108mm，δ＝5mm无缝钢管加工，管长3m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型，采用钻机冲击安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆；
(b)钻孔施工：采用ZDY1900型钻机，配φ76mm钻杆，Φ75mm牙轮冲击钻头。在钻孔前，要在φ108mm孔口管上安设4″高压球阀。钻进过程中，若钻孔涌水量超过5m3/h，或因岩石破碎无法钻进时，停钻，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。
(c)注浆施工：当注浆孔6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。
(d)按上述步骤钻孔→注浆→扫孔→注浆至孔底→结束该孔。
5、注浆效果检查及评定：
本段注浆效果检查采用两种方法：
①过程分析法：
根据钻孔注浆过程中各注浆孔6孔内涌水量和对应各孔注浆量，分析堵水区域孔内涌水量和注浆量随时间变化效应图，如图3和图4所示。从图可以看出：地层各孔涌水量随钻孔注浆时间推移逐渐减小，对应孔内注浆量随时间变化逐渐减小，涌水量减少、地层吸浆量明显降低，地层逐渐密实，基本达到预期的注浆效果。
②查孔法：
实践中，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，检查孔2个，如表1 所示，重点检查异常区域，检查孔有无塌孔、涌泥，涌水量小于0.2L/min.m；对现场检查孔进行水量测试，检查孔涌水量满足效果检查，满足开挖要求，且在检查孔钻设过程中钻速快，无卡钻现象，达到检查效果标准要求。
表1检查孔各段出水情况
| 孔号 | 孔深(m) | 开始出水位(m) | 终孔出水量(L/min·m) |
| 检1 | 78.5 | 63 | 0.17 |
| 检2 | 79.2 | 65 | 0.12 |
6、堵水段崛砌施工：
竖井井筒2开挖采用FJD-6型伞钻钻孔***，挖掘机配合HZ-6型中心回转抓岩机装碴，吊桶出碴，每循环开挖深度为2m,采取整体滑模进行模筑混凝土浇筑后，8h进行下循环开挖施工。施工中尽量减少对围岩的扰动，加强光面***成型控制，开挖后掌子面浆液扩散情况看，围岩揭露后显示，围岩内的所有渗水通道都被浆液有效填充，掌子面有局部裂隙水渗漏现象，本段开挖完成后工作面总涌水量13m3/h左右。
7、径向补充注浆：
开挖完成后，对井壁5出水量大于0.5m3/h的集中出水点进行排查，共发现21处，每处出水点0.5m2范围内梅花形布置三个径向注浆孔，径向注浆采用φ42mm无缝钢花管，管长4m，采用普通水泥-水玻璃双液浆(C-S)一次性注浆，注浆终压1Mpa，所有径向补充注浆孔完成后，本段掘进工作面总水量为3.85m3/h，满足结束标准。
Claims (6)
1.一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，该施工方法包括如下：
步骤一：确定止浆垫(1)的厚度及形式；所述步骤一中，当水压≤2Mp时，止浆垫(1)的厚度为2.5～3m；当2Mpa＜水压≤4Mpa时，止浆垫厚度为3.5～4m；当水压＞4Mpa时，止浆垫厚度为4.5～5m；
步骤二、在井筒(2)内净空范围内绕井筒(2)一周布设4n个超前探孔(3)，并钻孔，安装超前探孔孔口管；其中，相邻两个超前探孔(3)间的间距均相等；n为不为0的自然数；
步骤三、待超前探孔孔口管锚固达到强度后进行超前探孔施工，直至达到设计的深度；
步骤四、对步骤三中所述的超前探孔(3)中的出水量进行测试，并采取不同的措施，具体如下：若多个超前探孔(3)的涌水量均小于2m3/h时，注浆封堵超前探孔(3)后恢复掘砌；
若任意一个超前探孔(3)的涌水量在2～5m3/h时，则在该超前探孔(3)两侧各增加一个验证钻孔(4)，若两个验证钻孔(4)的涌水量均小于5m3/h时，注浆封堵所述的超前探孔(3)和验证钻孔(4)后，恢复崛砌；
若任意一个验证钻孔(4)的涌水量大于5m3/h时，或者n个超前探孔(3)总水量大于5nm3/h，则注浆封堵超前探孔(3)，并进行步骤五；
步骤五：确定掘进面堵水注浆方案，具体如下：在井筒(2)内净空范围内绕井筒(2)一周布设多个注浆孔(6)，且注浆孔(6)位于超前探孔(3)所在的圆周上，在竖井深度方向按锥台形的竖向外插角设置，终孔位置在开挖荒径外一周；
步骤六：采用下行前进式堵水钻孔注浆，具体如下：采用跳孔施钻，钻注浆孔(6)过程中实时测试其内涌水量，若注浆孔(6)内出水量大于5m3/h，进行注浆施工，直至注浆达到结束标准，再依次进行下一段钻孔、注浆；依次进行其他注浆孔(6)的钻孔、注浆；
步骤七：进行井筒(2)崛砌施工；
步骤八：对井壁(5)出现0.5m3/h集中出水点采取径向壁厚注浆，直至井筒(2)内最大渗漏水量小于5m3/h。
2.按照权利要求1所述的一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，所述超前探孔(3)的孔径为90～110mm，深度60～80m。
3.按照权利要求1所述的一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，在步骤五中，注浆扩散半径≤2m，注浆终孔间距≤3.5mm。
4.按照权利要求3所述的一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，在步骤五中，循环开挖注浆孔(6)时，每段预留止浆岩盘。
5.按照权利要求4所述的一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，井筒径向注浆的启动标准为开挖完成后井筒水量仍大于10m3/h或井壁出现0.5m3/h的集中出水点；径向注浆结束标准：井筒内最大渗漏水量小于5m3/h。
6.按照权利要求5所述的一种富水岩浆岩地区深大竖井井筒施工方法，其特征在于，所述堵水注浆效果检查采用所有注浆孔(6)的出水量随时间变化逐渐减小，孔内注浆吸浆量也随之减小的过程分析法，且以当注浆孔(6)的出水量小于0.2L/m.min为结束标准。
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