高廣義， 司景釗， 賈建波， 張 俊

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 510000 ； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

豎井淹井是井筒建設(shè)中的重大災(zāi)害事故，科學(xué)治理豎井突水事故已成為井筒建設(shè)的關(guān)鍵[1]。隨著國(guó)內(nèi)外能源不斷開發(fā)，深大礦井建設(shè)日益成熟，礦山行業(yè)也不斷完善沉積巖地區(qū)豎井治水基本原則[2]。井筒突水相關(guān)研究在基礎(chǔ)理論、水文地質(zhì)調(diào)查、水害防治等方面取得了明顯進(jìn)步[3]。然而，近年來隨著長(zhǎng)大鐵路隧道建設(shè)，深大豎井建造也不斷涌現(xiàn)，井筒建設(shè)穿越不同地層，尤其是在巖漿巖地區(qū)富水松軟地層[4]，其復(fù)雜的水文地質(zhì)條件導(dǎo)致井筒突水的致災(zāi)因素復(fù)雜、突水機(jī)制多變、突水類型多樣和突水影響控制因素增多，一旦處理失當(dāng)，極易導(dǎo)致淹井事故[5-6]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)井筒突水問題進(jìn)行了相關(guān)研究。柴敬等[7]結(jié)合白堊系五舉煤礦立井在開挖至145 m處出現(xiàn)220 m3/h突水問題，采用水下混凝土構(gòu)筑止水墊層，并對(duì)水下混凝土施工工藝進(jìn)行研究，成功解決了突水淹井問題； 方正[8]針對(duì)某銅礦980 m處發(fā)生的淹井事故，采用地表預(yù)注漿和工作面預(yù)注漿相結(jié)合的方法對(duì)突水口進(jìn)行封堵，堵水效果較為明顯；付仲潤(rùn)等[9]結(jié)合某長(zhǎng)江穿越隧道豎井淹井事故，采用強(qiáng)行排水至涌水處，在施作止?jié){墊后采取井內(nèi)注漿，成功封堵了涌水通道，固結(jié)了豎井周邊松散圍巖； 儲(chǔ)黨生等[10]針對(duì)祁東煤礦風(fēng)井開挖至406 m時(shí)超前炮孔涌水35 m3/h導(dǎo)致淹井的問題，采取靜水拋碴注漿止水、壁后注漿充填堵水的施工方案； 文獻(xiàn)[11-15]對(duì)目前常用的3種豎井淹井突水口封堵方法(強(qiáng)排井內(nèi)突水法、地面深孔預(yù)注漿法、水下混凝土封堵法)的使用條件和存在的問題進(jìn)行了比較分析。

綜上，已有研究主要針對(duì)于沉積巖地層各種礦井突水淹井處理，而關(guān)于巖漿巖地區(qū)鐵路隧道深大豎井突水淹井的處理施工案例極少。本文結(jié)合大瑞鐵路高黎貢山1#豎井(副井)突水淹井事故，分析其突涌水原因； 對(duì)封堵突水口方案進(jìn)行比選，選取在靜水條件下采用改性水泥漿止水墊與注漿碎石堵水層相結(jié)合的封堵方式； 對(duì)各關(guān)鍵施工措施進(jìn)行介紹，并通過抽水施工驗(yàn)證封堵效果。

1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道全長(zhǎng) 34.538 km，隧道設(shè)置“一平一斜兩豎”輔助坑道。其中 1#豎井采用主副井布置形式，主井位于隧道D1K205+080線路中線右側(cè) 30 m處，井深762.59 m，內(nèi)徑為6.0 m； 副井位于隧道D1K205+053左側(cè)52 m處，井深764.74 m，內(nèi)徑為5.0 m。主井建成后用于出碴、排污風(fēng)，副井建成后用于進(jìn)料、進(jìn)新鮮風(fēng)、排水、人員進(jìn)出，并兼做安全出口。主副井均采用鉆爆法施工，每循環(huán)掘砌段高為3.8 m，采用厚400 mm的C40素混凝土支護(hù)，抗?jié)B等級(jí)為P8。

1#豎井井口位置距離保山段怒江斷裂帶(F1-1)約1.3 km，距離瑞麗段鎮(zhèn)安斷裂帶(F4-2)約1.2 km，受兩斷裂帶影響較大。根據(jù)井間孔鉆探情況和原設(shè)計(jì)水文地質(zhì)情況可判知： 該地層為淺灰色花崗巖，中粗粒變晶結(jié)構(gòu)、粒徑0.4～3 cm、巖性致密、局部破碎、閉合狀為主，少量微張狀裂隙、局部呈垂直狀分布、裂面見黃褐色鐵錳質(zhì)浸染、局部有砂泥質(zhì)充填。從測(cè)井曲線上確定有8個(gè)含水層及破碎帶，其中與本次突水位置較近的含水層為： +495.45～+498.90 m、厚3.45 m，最大涌水量為20 m3/h； +693.50～+694.75 m、厚1.25 m，最大涌水量約98 m3/h。

副井施工至S1FK0+627共經(jīng)歷3個(gè)階段防治水工作： 1)0～135 m深度內(nèi)井筒側(cè)壁節(jié)理面滲水，局部段落滲水量稍大，總出水量為14.3 m3/h。采用直接掘砌后壁后注漿封堵。2)135～289.5 m深度內(nèi)鉆孔揭示地下水較發(fā)育，有部分集中出水點(diǎn)，出水點(diǎn)水平向不連續(xù)，未見連續(xù)層狀地下含水層，局部出現(xiàn)最大56 m3/h的股狀涌水，采用先探后注再掘砌方法進(jìn)行施工，本階段進(jìn)行了2次工作面探水和注漿，段高均為100 m，主要的注漿材料為普通水泥漿。3)289.5～627.7 m深度內(nèi)多表現(xiàn)為單孔或多孔多個(gè)集中出水點(diǎn)出水的形式，各段探水孔揭示地下水集中出水點(diǎn)位高程不一，未揭示貫通主、副井的同一水平向含水層，最大鉆孔出水量為94 m3/h，水壓為5.5 MPa。在第3階段，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況，逐步形成了“有掘必探、探注結(jié)合、綜合治理”的施工原則。

2 突涌水情況及原因分析

2.1 突涌水情況

2018年1月15日，副井S1FK0+626.7～+630.3段進(jìn)行掘砌時(shí)，在爆破完成出碴過程中井壁局部出現(xiàn)片幫，+627線路方向左側(cè)井壁出現(xiàn)突水，突水點(diǎn)呈“碗口”大小，水位上升快，實(shí)測(cè)突水量約314 m3/h。突水口位置如圖1所示。

突水發(fā)生后及時(shí)提升吊盤，撤出人員、設(shè)備，并對(duì)井筒內(nèi)水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，隨著井筒內(nèi)水深逐漸增加，涌突水量先大后小并逐步趨于穩(wěn)定。突涌水剛發(fā)生時(shí)涌水量為314 m3/h，15.5 h后降至200 m3/h，27.5 h后井筒內(nèi)水深達(dá)392 m，涌水量降至100 m3/h，150 h后井筒內(nèi)水深達(dá)560 m，涌水量降至10 m3/h。11 d后井筒內(nèi)水深達(dá)605 m，涌水量降至1 m3/h，18 d后井筒水深達(dá)618 m，涌水速度為0.05 m3/h，涌水基本趨于穩(wěn)定。

2.2 突水原因分析

結(jié)合1#豎井井間孔、井筒內(nèi)的超前探孔及開挖工作面的地質(zhì)水文情況可分析出導(dǎo)致突水的3個(gè)因素： 1)出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，S1FK0+625段圍巖相比已開挖段變差，巖質(zhì)軟，井筒左側(cè)局部有細(xì)小軟弱夾層。2)有高承壓含水體，井檢孔探測(cè) S1FK0+692～+693.5段有高承壓含水層。3)有導(dǎo)水通道，S1FK0+630～+693.5段井筒左側(cè)巖體陡傾狀節(jié)理裂隙較發(fā)育，探水孔揭示集中出水點(diǎn)較多。根據(jù)突水因素分析突水原因?yàn)椋?副井S1FK0+627.7段完成爆破開挖后左側(cè)井壁外發(fā)育破碎巖體，經(jīng)張開型陡傾裂隙與692～ 693.5 m高承壓性地下含水體連通，在高水壓作用下，井壁薄弱部位形成突水。突水點(diǎn)地下水頭高度與探水孔測(cè)得的水頭高度基本吻合，地下水突涌未形成水頭損失，說明該突水點(diǎn)存在相對(duì)穩(wěn)定的補(bǔ)給。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

3 突水口封堵方案比選

根據(jù)井筒的地形地質(zhì)情況及工程設(shè)置情況可知，不具備采用強(qiáng)排水法、地面深孔預(yù)注漿法封堵突水口的條件，所以采用先對(duì)突水口封堵后進(jìn)行抽排水的方案。在無水環(huán)境中進(jìn)行后續(xù)作業(yè)，可以極大減小作業(yè)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，重點(diǎn)對(duì)“先堵后排”方案進(jìn)行了研究，并從封堵方式及封堵材料等方面進(jìn)行比選，先后研究了3種方案，3種水下封堵突水口施工方案對(duì)比情況如表1所示。

表1 3種水下封堵突水口施工方案對(duì)比

根據(jù)表1可知，如采用水下混凝土直接封堵和靜水壓下拋碴注漿封堵方法施工，工藝復(fù)雜，封堵效果很難保證。通過采用改性水泥漿止水墊與注漿碎石堵水層相結(jié)合封堵的方式能夠利用改性水泥漿自流平的特性，在其凝固前充填、滲透巖石裂隙，封閉突水通道； 再利用碎石層注漿進(jìn)一步固結(jié)突水口地層，確保突水口堵水效果，控制后期施工風(fēng)險(xiǎn)。

4 封堵施工

4.1 施工方案

封堵總體方案： 待井筒水位穩(wěn)定后，首先從地面向井筒內(nèi)下放1根φ50 mm×6 mm碎石加固注漿管至突水口碴體頂面，管口盡量位于突水口一側(cè)； 待管路穩(wěn)固后，向井筒內(nèi)拋填1.5 m厚碎石墊層，然后下放φ89 mm×6 mm改性水泥漿注漿管至碎石墊層頂上50 cm處，待所有準(zhǔn)備工作完成，拌制改性漿液，通過壓漿管連續(xù)注入改性水泥漿至計(jì)算厚度，養(yǎng)護(hù)28 d，利用排水設(shè)備進(jìn)行抽排水，直至排干井筒內(nèi)積水。改性水泥漿止水墊與注漿碎石堵水層結(jié)合封堵示意圖如圖2所示。

4.2 止水墊厚度確定

止水墊的作用一方面是為了封堵井筒內(nèi)涌水，另一方面是作為井筒工作面預(yù)注漿止?jié){墊的重要組成部分。因此，止水墊的厚度及質(zhì)量既關(guān)系到封堵涌水的效果，又影響到井筒工作面預(yù)注漿的可靠性。其厚度按止水墊自重及止水墊與井壁的摩擦力計(jì)算。

(1)

式中：B為止水層厚度，m；F重力為改性水泥漿結(jié)石體的重力，kN；F摩擦力為水泥漿結(jié)石體與井壁的摩擦力，kN；pH為靜水壓強(qiáng)，取6.5 MPa；Sn為水對(duì)止水層的作用面積，為19.63 m2；ρ為水泥漿結(jié)石密度，取2 t/m3；d為井筒直徑，取5 m；f摩擦力為水泥結(jié)石體與井壁的黏結(jié)摩阻力，取150 kPa；S0為改性水泥漿結(jié)石體截面積，m2。

經(jīng)計(jì)算，B≥46.4 m?？紤]到表面浮漿需鑿除，止水墊層厚度取為50 m。

圖2 改性水泥漿止水墊層與注漿碎石堵水層相結(jié)合封堵方案示意圖

Fig. 2 Sketch of sealing scheme that combined modified cement slurry waterstop layer and grouting stone sealing layer

4.3 改性水泥漿試驗(yàn)

考慮到深水條件下施作止水墊層需要止水材料具備一定的自流平性、抗分散性、抗裂性等特殊性質(zhì)，在止水材料純水泥漿中添加特定外加劑，對(duì)水泥漿進(jìn)行改性，以滿足深水條件下突水口封堵條件。

采用新型材料配制水下抗分散水泥漿，將 SBT?-NDA水下不分散混凝土抗分散劑、HME?-III低堿型混凝土膨脹劑作為添加劑摻入普通硅酸鹽水泥漿內(nèi)，以改變水泥漿物理力學(xué)特性使其達(dá)到水下不離析和自流平的效果。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)可知，當(dāng)水泥、水、抗分散劑、膨脹劑配比為1∶1∶0.025∶0.05時(shí)，水泥漿自流平及防離析效果最好。

通過同等養(yǎng)護(hù)條件下的試塊強(qiáng)度試驗(yàn)確定漿液結(jié)石體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為 7、14、21、28 d 的4組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。養(yǎng)護(hù) 28 d后漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度達(dá)到7.2 MPa左右，達(dá)到設(shè)計(jì)要求抗壓強(qiáng)度(6.5 MPa)。

4.4 止水墊澆筑施工

止水墊施工按流程分為下放注漿管路、下拋碎石、下放改性水泥漿壓漿管、壓入改性水泥漿等4個(gè)關(guān)鍵控制工序，具體施工過程如下。

1)下放注漿管路： 地面50 m和井筒上部570 m采用1路φ50 mm高壓鋼編膠管，采用專用連接頭連接； 井筒下部60 m采用φ50 mm×6 mm無縫鋼管，采用高壓法蘭連接，注漿管到井底碴體頂面停止下放。注漿管布置在井筒內(nèi)靠近潰口處，錯(cuò)開吊盤下放空間，利用主提穩(wěn)繩穩(wěn)車鋼絲繩懸吊，管路利用專用管卡固定至鋼絲繩上。注漿管安設(shè)完畢前，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，檢查各管路的密封性和完好性。注漿管下部10 m范圍打成花管，打孔間距為80 mm×80 mm，布10排孔，周圈4個(gè)孔，共40個(gè)孔，孔徑為5 mm，用橡膠膠皮包裹。

表2 同等養(yǎng)護(hù)條件下試塊強(qiáng)度

2)下拋碎石： 備好20～40 mm粒徑的碎石，待注漿管安裝完成后，采用加工好的溜槽拋填，通過吊盤2個(gè)喇叭口向井筒內(nèi)對(duì)稱下拋1.5 m厚石子，封閉底部注漿管。

3)下放改性水泥漿壓漿管： 采用φ89 mm×6 mm無縫鋼管，管間利用法蘭連接，利用抓巖機(jī)穩(wěn)車鋼絲繩懸吊，并用專用管卡固定至鋼絲繩上，下放1根連接1根，直至碎石墊層上200 mm處。壓漿管布置在井筒內(nèi)潰口處對(duì)側(cè)，錯(cuò)開吊盤下放空間。管路均通過專用管卡固定在鋼絲繩上，由穩(wěn)車懸吊下放，下放操作在井口進(jìn)行，每根管路上下端各設(shè)置1個(gè)專用管卡。φ89 mm管路下放施工照片如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)φ89 mm管路下放施工

4)壓入改性水泥漿： 必須連續(xù)壓入改性水泥漿，采用拌合站集中拌制改性水泥漿，通過混凝土罐車輸送至井口臨時(shí)壓漿站，罐車通過專門加工的溜槽將混凝土卸入4 m3的儲(chǔ)漿池內(nèi)，再利用XPB-90E注漿泵通過φ89 mm×6 mm無縫鋼管壓入井筒內(nèi)。根據(jù)下注漿液量，適時(shí)上提壓漿管路，并確保管路出漿口始終埋在漿液中不小于1 m，每提出井口1根管路進(jìn)行人工拆卸并再次連接，以此類推。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)注入量后停止注漿，拆除連接管路、注漿設(shè)備和儲(chǔ)漿池等。

5)止水墊澆筑施工要點(diǎn)： ①下井前管路必須采用加厚法蘭盤和高強(qiáng)螺栓連接，并進(jìn)行抗拉、抗沖擊及密閉性工藝試驗(yàn)； ②注入改性水泥漿前務(wù)必確保水位達(dá)到靜水位或高于靜水位后再開始下注漿液，保證漿液沉淀膠結(jié)較好，從而形成一個(gè)較高強(qiáng)度的整體； ③漿液須攪拌均勻，對(duì)每車漿液的密度和稠度進(jìn)行檢測(cè)，以更好地把控漿液質(zhì)量； ④澆筑過程中，要通過精準(zhǔn)計(jì)算確保用于灌注改性水泥漿液的管路埋入止水墊中不少于1 m，且必須連續(xù)澆筑，中途不能中斷，直至止水墊澆筑完成。

4.5 深水承壓攝像頭應(yīng)用

為了直觀了解突水口封堵施工過程，采用HYKJ-170系列高清耐壓式井下彩色電視對(duì)突水口施工過程進(jìn)行監(jiān)控。該探頭可同時(shí)觀測(cè)井壁四周及下部圖像，既有全景式觀測(cè)井筒的整體情況、檢測(cè)速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，也有側(cè)視旋轉(zhuǎn)式觀測(cè)精細(xì)、失真小、圖像放大率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種新型深水承壓的井下電視觀測(cè)技術(shù)。

深水承壓式井下彩色電視在突水口封水過程中應(yīng)用于以下幾個(gè)方面： 1)突水口判斷。在施工方案確定前，通過攝像頭對(duì)突水口位置、大小進(jìn)行判斷，為封堵方案確定提供依據(jù)。2)靜水位判斷。由于改性水泥漿施工封水層的前提是必須在靜水位下進(jìn)行，而副井周邊水文環(huán)境復(fù)雜，穩(wěn)定水位很難形成，通過管路向突水口注入顏色液體，然后采用攝像頭觀測(cè)顏色液體在突水口處變化情況，確定靜水位狀態(tài)。3)封堵封水效果判斷。待止?jié){墊養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在抽水試驗(yàn)前，通過管路向止?jié){墊層上部注入顏色液體，通過觀測(cè)液體的流動(dòng)情況，確認(rèn)止?jié){墊封水效果。

5 抽排水施工及封堵效果驗(yàn)證

5.1 抽排水施工

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況及設(shè)備條件，排水能力確定為100 m3/h。抽排水方案如下： 1)井筒內(nèi) 50 m以上直接將水排出井口。2)井筒內(nèi) 50 m以下，分2路排水，一路吊盤下懸吊 1臺(tái) 50 m3/h電動(dòng)潛水泵，通過φ50 mm的鋼編管抽排至吊盤水箱內(nèi)，再由吊盤上1臺(tái) DC50-80×10臥泵通過φ108 mm×10 MPa鋼編軟管抽至井筒內(nèi)φ159 mm排水管內(nèi)排出井外； 另外一路用抓巖機(jī)鋼絲繩懸吊1臺(tái) QXKS50-800-220型高揚(yáng)程潛水泵(3×120 mm2+1×50 mm2電纜敷設(shè)在鋼絲繩上)，通過長(zhǎng)50 m、φ108 mm×10 MPa的高壓鋼編軟管抽排至井筒內(nèi)φ159 mm壓風(fēng)管排出井外。隨著井筒內(nèi)水位逐漸下降，利用吊盤每 60 m用手拉葫蘆拆除1節(jié)鋼管，然后將 50 m長(zhǎng)的高壓鋼編軟管與井壁上排水管路的法蘭連接上，再恢復(fù)上部鋼管，以此類推。抽排水管路布置示意圖如圖4所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)精心組織，井筒內(nèi)積水用時(shí)13 d順利排至止水墊層。

圖4 抽排水管路布置示意圖

5.2 封堵效果驗(yàn)證

在抽排水過程中同步驗(yàn)證止水墊封堵效果。整個(gè)抽排過程采取控制性排水，在前200 m內(nèi)按水位每降低 50 m停止排水5 h，觀察記錄水位上升情況； 200 m至止水墊位置按水位每降低100 m停止排水5 h，觀察記錄水位上升情況； 若井筒涌水量小于10 m3/ h，則繼續(xù)抽排水，若井筒涌水量大于 10 m3/ h，則停止排水，分析原因，啟動(dòng)碎石加固注漿，直至將涌水量降至10 m3/ h，重新啟動(dòng)抽水工作，如此反復(fù)直至排干井筒內(nèi)積水，本次井筒排水過程中未出現(xiàn)大于 10 m3/ h的涌水量。井筒排水過程中測(cè)水共計(jì)8次，封堵前后井筒涌水量變化對(duì)比如圖5所示。

圖5 封堵前后井筒內(nèi)涌水量變化對(duì)比

對(duì)圖5分析可知： 在封堵前井筒內(nèi)涌水隨水位上升呈階梯式減少，最后達(dá)到靜水位后逐漸穩(wěn)定； 而在封堵后的抽水過程中，井筒內(nèi)涌水量無明顯變化，只有隨井深增加，井壁滲漏點(diǎn)滲漏水才導(dǎo)致涌水量有所變化。將水抽至止水墊處，結(jié)果顯示止水墊平整度較好，未有明顯的裂痕及涌水點(diǎn)，局部滲漏水量約1.3 m3/h。從整體封堵效果來看，止水墊封水率達(dá)99%，封堵效果較好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論與建議

1)對(duì)于鐵路深豎井突遇高壓突水淹井事故，提出采用改性水泥漿止水墊與注漿碎石堵水層相結(jié)合封堵方案。利用改性水泥漿自流平的特性，在其凝固前充填、滲透巖石裂隙，封閉突水裂隙的涌水通道，利用碎石層注漿再次固結(jié)突水口。通過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證可知，采用該方案封堵效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2)采用SBT?-NDA水下不分散混凝土抗分散劑和HME?-III低堿型混凝土膨脹劑配制水下抗分散水泥漿，改變水泥漿物理力學(xué)特性使其達(dá)到水下不離析和自流平的效果，有效解決了深水混凝土長(zhǎng)距離輸送離析及遇水分散的難點(diǎn)，具有較好的借鑒意義。

3)建議在水文地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下修建豎井時(shí)，采用“長(zhǎng)探提醒、中探驗(yàn)證、短探預(yù)警、長(zhǎng)-短結(jié)合”多種物探和鉆探相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)方式，且在采用預(yù)注漿方式改良地層時(shí)，應(yīng)在保證加固厚度和注漿效果的前提下再進(jìn)行開挖掘進(jìn)。

4)在處理突水淹井時(shí)采用50 m厚改性水泥漿形成止水墊并預(yù)留涌水口碎石層注漿的處理方案，封堵效果可靠且達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但安全系數(shù)偏大，止?jié){墊施工參數(shù)有優(yōu)化的空間。