王喚龍, 劉建兵, 楊昌宇, 朱廷宇
(1. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川 成都 610031;2. 云桂鐵路云南有限責任公司, 云南 昆明 650011)
隨著我國經濟建設的不斷發(fā)展,特別是“一帶一路”倡議的提出和實施,鐵路行業(yè)進入飛速發(fā)展時期。在西南艱險山區(qū),鐵路長大干線不斷納入建設規(guī)劃,隨之而來的長大隧道的設計和施工也逐年增多。為滿足施工需要和運營期間防災疏散救援工作的順利實施,設置輔助坑道對長大鐵路隧道的作用凸顯。對地形、地質條件復雜的艱險山區(qū)而言,由于客觀條件難以支撐常規(guī)橫洞、斜井等橫向輔助坑道的選擇和使用,豎井雖然少見,但也對隧道規(guī)模、分割施工工區(qū)、后期運營產生重大影響,因此,豎井的順利實施對隧道建設起決定性的作用。
我國豎井的建設領域主要集中在煤炭和冶金行業(yè),在交通行業(yè),如鐵路、公路,并不多見。公路行業(yè)的豎井一般多用于通風,如西安—安康高速公路秦嶺終南山隧道2#通風豎井[1-4]、南—大—梁高速公路華鎣山特長公路隧道通風豎井[5]、五盂高速公路佛嶺隧道通風豎井[6]、銀昆高速米倉山隧道通風豎井[7]等;鐵路行業(yè),從20世紀80年代大瑤山隧道班古坳豎井[8-9]到21世紀初烏鞘嶺隧道大臺左線豎井[10]均對于豎井的應用進行了一些嘗試,但其應用與原設計意圖存在一定的差距。
豎井的基本特點主要表現(xiàn)為井筒深度大、斷面尺寸大、工程地質和水文地質條件復雜。為確保安全的建井環(huán)境和可靠的井壁施工質量,豎井井筒內涌水量過大時,大部分豎井在井筒掘砌前采用預注漿或在井筒掘砌后采用壁后注漿的形式進行堵水。在堵水方案的選擇上,通常更依賴于工程經驗的類比,對比堵水措施工藝、難度、工序時間、堵水率、整體造價等方面,通過定性的方式確定方案。鐵路行業(yè)相關規(guī)范[11-12]對于豎井的規(guī)定集中在井址選擇、斷面型式、井內提升要求和結構等方面,而建井期間深大豎井的堵水方案則更多借鑒煤炭和冶金行業(yè)的經驗,多采用地面預注漿、工作面注漿和壁后注漿等[13-19]方式。對于含水地層中豎井主要堵水措施的選擇,煤礦行業(yè)中積累了大量的工程經驗,如凍結法、地面預注漿、工作面注漿等,而且按其不同的適用條件,可以選擇較為有效的堵水措施。
在豎井堵水率分析方面,文獻[13]統(tǒng)計了我國31個煤礦立井地面預注漿的堵水率,其中,除鶴崗竣德礦副井堵水率為86%外,其余堵水率均超過90%,甚至潞安常村煤礦風井的堵水率達到100%;對我國27個煤礦立井工作面注漿的堵水率也進行了統(tǒng)計,有18個立井工作面注漿堵水率超過90%、占比66.67%,有6個立井堵水率為80%~90%、占比22.22%。經過多年的建井實踐,隨著施工工藝、注漿設備和注漿材料的發(fā)展,煤礦行業(yè)中大部分立井的注漿堵水均取得了較好的效果。
鐵路豎井的井址區(qū)與煤炭行業(yè)立井所處地質環(huán)境有較大差異。在以硬質巖為主、富含微裂隙的火成巖地區(qū),一般經驗的豎井堵水效果距離預期可能存在一定的差距。以大瑞鐵路高黎貢山隧道豎井工程這種典型的裂隙巖體建井為例,掘砌前采用堵水措施后,每段高井筒開挖的實際漏水量較預期大,需掘砌后采用壁后注漿進行補充堵水,甚至工作面注漿后還出現(xiàn)1號豎井突(涌)水的特情[20],這是在豎井建井工程中較為少見的現(xiàn)象。因此,對于在微裂隙發(fā)育的火成巖中修建豎井,應通過既有工程實例的堵水效果樣本進行重分析,以期給后續(xù)類似工程提供富有參考價值的設計和施工經驗。
鐵路隧道豎井作為一種施工輔助坑道或是運營期間的通風設施,目前的行業(yè)規(guī)范或企業(yè)標準中缺少相關建井期間堵水的原則和標準。實際上,在工程建設期間,多沿用或參考采礦行業(yè)的法律法規(guī)或相關規(guī)定,即當立井井筒穿過預測涌水量大于10 m3/h的含水巖層或者破碎帶時,應當采用地面或工作面預注漿法進行堵水或加固[21]。
當立井掘砌穿過含水層時,我國采礦行業(yè)常用的井筒施工方法有普通法鑿井、凍結法、注漿法、鉆井法等。一般基巖段適宜采用普通法鑿井,而若井筒穿越含水層尤其是水量較大地段,地下水對豎井施工的影響較大,需采取特殊措施處理地下水,以改善豎井施工條件,實現(xiàn)“鑿干井”的目的,從而為豎井的安全施工創(chuàng)造有利條件。
豎井含水層施工方案定性的選擇一般與井位所處地質特點、施工組織、施工運輸條件等相關。在設計時應對技術方案可行性、經濟性和建井安全等方面進行分析和探討,主要采用外比法和內比法2種方法進行定性分析。外比法即建井大方案,如地面預注漿、凍結法、鉆井法、沉井法等主要方法的比較。采用何種方法要根據(jù)不同水文、地質條件,設計參數(shù),施工工藝,建造難度,影響工期,工程造價,施工安全等擇優(yōu)選擇。內比法更多應用于注漿法本身的比較,即預注漿是從豎井工作面預注還是從地面鉆孔預注。這需要對比具體的水文、地質條件和施工技術條件后才能確定,比較的主要方面與外比法一致。
依據(jù)工程經驗進行建井堵水方案選擇時,要以各方案的地質適應性以及對比結果的優(yōu)劣性為基礎。在確定最終方案時,需要通過頭腦風暴和專家決策的方式進行,這也仍然屬于一種依托定性比較確認最終方案的方法。在大瑞鐵路高黎貢山隧道豎井的建井過程中,由于火成巖地區(qū)建井經驗并不豐富,在經過外比法確定以預注漿為主要堵水方案的大前提下,在地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿的選擇、決策以及施作時機選擇過程中,也通過定性對比及專家決策的方式進行。
目前高黎貢山隧道2個豎井(共4個井筒)基本建井完成,針對花崗巖地區(qū)井筒內涌水的特點,結合建井期間各段高井筒內剩余漏水量的樣本數(shù)據(jù),根據(jù)不同注漿堵水形式的效率,可建立一套基于堵水效果的各注漿方式定量化選擇依據(jù)。
大瑞鐵路高黎貢山隧道正洞全長34.538 km,位于云南高原西部邊緣,屬高黎貢山脈南延段,屬構造剝蝕深切割高中山峽谷地貌。在隧址附近,海拔2 000~3 000 m,山體渾厚,山脈大體為南北走向,地表溝谷縱橫,地形起伏大。隧道進口段約20 km范圍內分布有14套地層,以沉積巖和變質巖為主,巖性變化頻繁;隧道出口段約14 km分布有4套地層,以燕山期花崗巖為主。全隧共分布有19條斷層及2個向斜,其中4條為導水熱斷層(裂),2條為活動斷裂。全隧預測最大涌水量為19.2×104m3/d。隧道設置2座豎井,作為施工運輸通道以及鐵路運營后的通風井,1號和2號豎井間距7.3 km,每個豎井均采用主副井設置,1號豎井距離隧道進口12.778 km、2號豎井距離隧道出口14.405 km。隧道豎井平面布置如圖1所示,全隧地質縱斷面如圖2所示。
圖1 高黎貢山隧道豎井平面示意圖(單位: m)
圖2 高黎貢山隧道地質縱斷面(單位: m)
雖然高黎貢山隧道2座豎井均設置于花崗巖地層,但2座豎井工程地質和水文地質條件差異較大,各具特點。
2.2.1 高角度節(jié)理微裂隙發(fā)育(1號豎井)
1號豎井除地表9.3 m為粉質黏土、漂石土、卵石土和礫砂外,井深34.2~61.6 m為弱風化輝綠巖,其余段落均為不明時期的混合花崗巖(γm),弱風化,巖體較完整。
高黎貢山隧道1號豎井附近未見有地質構造體跡象,距離保山端怒江斷裂〈F1-1〉約1.3 km、距離瑞麗端鎮(zhèn)安斷裂〈F4-2〉約1.2 km,受兩斷裂影響較小?;◢弾r主要發(fā)育2組節(jié)理,節(jié)理產狀為N20°W/60°NE、N30°E/82°SE,多為閉合狀,規(guī)律性較差。井身段地下水以基巖裂隙水為主,主要賦存于碎裂狀的混合花崗巖及輝綠巖中,基巖裂隙水主要接受大氣降水及地表水補給,以泉形式排泄。
1號豎井在建井過程中,即使井身圍巖弱風化、完整性較好地段也出現(xiàn)超過30 m3/h的涌水,體現(xiàn)出微裂隙發(fā)育的特點。
2.2.2 構造影響厚層富水破碎帶發(fā)育(2號豎井)
根據(jù)抽水試驗結果確定鉆孔處地層中分布7個含水區(qū)段,其中, 80~150 m分布3個、260~480 m分布3個、480~640 m分布1個。根據(jù)抽水試驗確定巖層滲透系數(shù)K后可知,各含水區(qū)段涌水量為1.25~71.9 m3/h,其中最大涌水量含水區(qū)段是位于井深270.25~302.2 m的第④含水區(qū)段,段長31.95 m,涌水量達71.92 m3/h。2號豎井含水區(qū)段的分布及涌水量預測情況見表1。
由于2座豎井工程地質和水文地質條件存在明顯差異,導致建井期間的堵水方案和措施也不同。建井期間結合采礦行業(yè)經驗,并根據(jù)豎井所處地質特點,有針對性地進行綜合堵水。
表1 含水區(qū)段分布及涌水量預測(2號豎井)
根據(jù)1號豎井高角度節(jié)理微裂隙發(fā)育的特點,在1號豎井主、副井建井期間,形成以工作面預注漿為主,輔以壁后注漿的防堵水方案。注漿以超細水泥單液漿為主,注漿壓力為靜水壓力的2~4倍。井筒深度小于600 m時,工作面預注漿采用11~13孔布置;井筒深度大于600 m時,則采用22~26孔布置。壁后注漿完成后,當井深不超過600 m時,井筒壁后漏水量應不大于6 m3/h;若超過600 m則漏水量應不大于10 m3/h。截至目前,主、副井分別進行了12、11次的工作面注漿,以及14、13次的壁后注漿,主井井筒剩余漏水量為7.8 m3/h,副井井筒剩余漏水量為8.6 m3/h。1號豎井采用工作面預注漿和壁后注漿的分段堵水率匯總如表2所示,其中,主、副井前2段僅進行了壁后注漿。
2號豎井由于井身段分布多個主要的含水區(qū)段和受構造影響的破碎帶,通過再次在井筒附近打設鉆孔預測井筒涌水量,與抽水試驗預測的結果仍存在較大的差異。在建井初期首先采用地面預注漿的方式對井深250~590 m進行高壓注漿,每個井筒周圍設置6個深孔,孔深590 m,以封堵地下水為目的并兼具井身圍巖加固,注漿材料為黏土水泥漿,注漿壓力為靜水壓力的2~3倍。注漿后,分段預測涌水量應不大于10 m3/h。工作面預注漿與壁后注漿堵水標準與1號豎井相同。建井期間,仍然采用工作面注漿輔以壁后注漿的堵水措施,注漿以超細水泥單液漿為主,注漿壓力為靜水壓力的2~4倍。截至目前,主、副井分別進行了8、11次的工作面注漿,9、11次的壁后注漿,主井井筒剩余漏水量為7.8 m3/h,副井井筒剩余漏水量為8.5 m3/h。2號豎井的注漿堵水率見表3。
表2 1號豎井工作面預注漿和壁后注漿堵水率
建井期間,為保證井筒內安全的施工環(huán)境,最大限度減小井筒內漏水對施工作業(yè)效率的影響,評價井筒內堵水效果還有一個重要指標,即采用注漿措施后,井深小于600 m時,井筒壁后漏水量應不大于6 m3/h; 當井深超過600 m時,漏水量應不大于10 m3/h。以1號豎井為例,井筒掘砌前采用工作面預注漿的方式堵水,達到注漿標準后進行掘砌,施工過程中井壁漏水則采用壁后注漿的方式再次堵水。由于堵水的標準不變,預測涌水量較大時,則堵水率較高,經過1次預注漿,井筒掘砌時剩余漏水量較小,導致后注漿的堵水率較低,如2號豎井經過地面預注漿后,深度超450 m后工作面注漿和壁后注漿堵水率較低。因此,對于無明顯含水層概念的火成巖地區(qū),如花崗巖地區(qū),豎井建井前或掘砌前應采取系統(tǒng)化的堵水措施保證建井安全、改善井內施工環(huán)境。
表3 2號豎井注漿堵水率
豎井的注漿結束標準以設計終壓、注漿終量和穩(wěn)壓時間為準,但堵水的直觀效果仍需井筒掘進時對剩余漏水量的測試才能真實評價。結合各次工作面探水預測的分段涌水量以及預注漿后掘砌期間的分段剩余漏水量,可以計算出分段堵水率以及剩余漏水率。同理,壁后注漿根據(jù)井壁漏水量以及堵水后的剩余漏水量,也可計算堵水率。結合采礦專業(yè)的工程經驗,可將堵水率分為3類: 堵水率大于0.9為第1類,堵水率小于0.8為第3類,其余為第2類。
鐵路隧道豎井的建井實踐不多,系統(tǒng)化的建井堵水措施實踐資料更為少見,高黎貢山隧道盡管2個豎井建井期間進行了2個井筒的地面預注漿、4個井筒的42次工作面注漿和47次壁后注漿,堵水率的樣本數(shù)據(jù)量并不豐富,但作為鐵路行業(yè)首次在花崗巖地區(qū)修建豎井,仍然可以提供一定的參考意義。將1、2號豎井堵水率合并統(tǒng)計,可以形成高黎貢山隧道豎井堵水率分類,如表4所示。
表4 高黎貢山隧道豎井堵水率分類
3.2.1 單一注漿方式決策模型
豎井堵水率是一種離散性的數(shù)值,對其分析主要通過分類研究確定。分類是找到樣本庫中一組對象的相同屬性,根據(jù)分類模型將它們分為不同類別的過程[22]。決策規(guī)則是解決實際應用中分類問題的主要數(shù)據(jù)挖掘方法,以實例為基礎,采用形成分類器和預測模型的方法,著眼于從一組無次序、無規(guī)則的實例中推理出決策樹,表示形成的分類規(guī)則。按照數(shù)值屬性值的大小對樣本進行排序,劃分數(shù)值屬性的區(qū)間。決策樹是一個類似流程圖的樹型結構,樹中包含3種節(jié)點類型: 根節(jié)點、內部節(jié)點以及葉節(jié)點。樹中的每個內部節(jié)點都代表著對一個屬性的測試,用于區(qū)分具有不同特性的記錄;葉節(jié)點則代表某個類或是類的分布;最上面的節(jié)點就是根節(jié)點。文獻[23]在豎井施工參數(shù)的制定方面進行了基于煤礦行業(yè)工程經驗的數(shù)據(jù)挖掘,對以往項目進行了統(tǒng)計、分析,并求出最優(yōu)方案。
由于提前對堵水率的結果進行了分類處理,高黎貢山隧道豎井地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿后井筒剩余漏水率可視為不同堵水方式的期望值。井筒內分段涌水量以Q表示,按決策樹的建樹算法,通過遞歸過程,可形成單一注漿方式的1棵決策樹,如圖3所示。
圖3 單一注漿方式決策樹
節(jié)點1為決策點,節(jié)點2、3、4為3種不同堵水方案分支,后續(xù)為概率分支以及堵水的期望(即剩余漏水率),根據(jù)決策樹可計算各節(jié)點的數(shù)學期望為:
E2=0.076 9×0.085 0Q+0.384 6×0.150 5Q+0.538 5×0.331 4Q=0.242 9Q;
(1)
E3=0.333 3×0.064 7Q+0.214 3×0.155 6Q+0.452 4×0.432 3Q=0.250 5Q;
(2)
E4=0.021 3×0.161 7Q+0.978 7×0.305 9Q=0.302 8Q。
(3)
通過樣本數(shù)據(jù)分析,根據(jù)節(jié)點的數(shù)學期望可知,單一系統(tǒng)性的堵水方案,如地面預注漿和工作面預注漿,在高黎貢山隧道的建設實踐中堵水率相差無幾。結合高黎貢山隧道的豎井堵水實踐經驗,盡管在掘砌之前采用了多種堵水方式且標準嚴格,但在井筒掘砌期間,隨著井筒深度的不斷增大,全井漏水量也不斷增加,考慮到井內施工環(huán)境的安全程度、施工期間抽排水的能力以及盡量減少對施工人員工作效率的影響等因素,井筒內的綜合漏水量不應超過10 m3/h。如圖3所示,采用地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿單一堵水形式,可處理井內分段涌水量Q值分別不超過41.17、39.92、33.03 m3/h。若超出上述指標,則需采用其他堵水措施進行補注或對井筒內的漏水點進行針對性堵水或對全井筒再次進行壁后注漿。
3.2.2 多種注漿方式決策模型
在高黎貢山隧道豎井的掘砌過程中,由于裂隙的隨機性,裂隙水的防治具備一定的不確定性。經過建井實踐,1種單一的堵水方式難以達到堵水目標,一般在系統(tǒng)性堵水措施后,還應繼續(xù)采用針對性堵水措施。因此,根據(jù)時間邏輯關系可建立多種注漿方式下一個較大的決策樹,其中剩余漏水量是多種單一注漿方式剩余漏水量的乘積,并在不同堵水方案分支節(jié)點上表示其數(shù)學期望。由于壁后注漿是一種后注漿的方法,可在建井期間于每個段高掘砌前進行施工,對掘砌工序影響較小,因此在系統(tǒng)性堵水措施后,均采用壁后注漿,且壁后注漿的井筒剩余漏水量均比不注時小。為簡化復雜而龐大的決策樹以便分析和表示,建立決策樹后通過后剪枝的方法把沒有壁后注漿的方案分支全部剪去,同時也剪去壁后注漿概率為0的第1類堵水分支,最后形成的決策樹如圖4所示。
圖4 多種注漿方式決策樹
以工作面預注漿+壁后注漿綜合注漿堵水為例,剩余漏水率是2次注漿剩余漏水率的乘積。當工作面預注漿達到第1類堵水標準、壁后注漿達到第2類堵水標準時,節(jié)點13后的第1個概率分支中井筒內分段剩余漏水率為
0.064 7×0.161 7=0.010 5 。
(4)
同理,當工作面預注漿達到第1類堵水標準、壁后注漿達到第2類堵水標準時,節(jié)點13后的第2個概率分支中井筒內分段剩余漏水率為
0.064 7×0.305 9=0.019 8 。
(5)
隨后可計算節(jié)點13的數(shù)學期望
E13=0.021 3×0.010 5Q+0.978 7×0.019 8Q=0.019 6Q。
(6)
以此類推,可以計算出所有內部節(jié)點的數(shù)學期望。
若井筒內的綜合漏水量不超過10 m3/h時,采用地面預注漿+工作面預注漿+壁后注漿綜合注漿堵水形式,可處理井內分段涌水量Q值不超過543.48 m3/h;采用工作面預注漿+壁后注漿綜合注漿堵水形式,可處理井內分段涌水量Q值不超過131.93 m3/h。采用3種注漿方式的綜合堵水率較不采用地面預注漿時高約4倍。
根據(jù)豎井勘察時預測的井筒內涌水量,經過外比選擇后,確定采用以注漿為主要的堵水方案。結合建井期間對井筒內剩余漏水量的要求,可采用預測模型對反推出的分段涌水量結果進行預判。若根據(jù)施工安全要求并結合抽排水能力,確定井內的剩余漏水量為10 m3/h時,采用多種注漿方式組合的綜合方案較單一注漿方案處理豎井涌水量的能力可提高12~15倍。
1)地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿的實施時間是有先后順序的。建井前,通過地質勘察,可以預測井筒涌水量,然后進行地面預注漿,在鑿井前,通過每段的探水工作,可以推測下一段高的涌水量,兩者之差即可確定地面預注漿的堵水率。每段高實施探水后,進行工作面預注漿,然后進行井筒掘砌,本段高掘砌后的實際涌水量與探水預測的涌水量之差,即可計算工作面預注漿的堵水率。
2)采用單一注漿方式如地面預注漿、工作面預注漿和壁后注漿可處理的預測井內分段涌水量分別應不超過41.17、39.92、33.03 m3/h。
3)采用工作面注漿與壁后注漿結合的形式,可處理的預測井內分段涌水量應不超過131.93 m3/h。首先采用地面預注漿進行堵水處理,再采用工作面注漿與壁后注漿結合的形式,預測井內分段涌水量應不超過543.48 m3/h。
4)若超過上述標準則應進一步優(yōu)化堵水措施或反復堵水,也可選擇其他建井方法進行地下水處理,甚至調整井位選擇。
1)預測模型僅考慮了豎井建井選擇注漿為主的方案時各節(jié)點的堵水期望值,但由于樣本數(shù)據(jù)的缺失,尚無法建立采用其他建井方法,如鉆井法、沉井法、混凝土帷幕法等的定量化決策體系。
2)在高黎貢山隧道豎井的堵水實踐中,壁后注漿的實施有3種類型: ①鑿井后直接采用壁后注漿; ②在工作面預注漿實施后采用壁后注漿; ③在地面預注漿和工作面預注漿實施后采用壁后注漿。對堵水率的分析中,僅考慮了壁后注漿對豎井涌水量的相對改良作用,沒有考慮是否已施作其他注漿堵水措施。這與地面預注漿和工作面預注漿類似,3種堵水措施只能依賴同等段高、相對涌水量的變化評判堵水率,對單一注漿堵水措施難以單獨分離出堵水率。
3)由于花崗巖內建井實例較少,鐵路行業(yè)豎井的建井實踐更為少見,通過注漿的方式進行井內治水的樣本數(shù)據(jù)不多,另外考慮施工工藝、施工作業(yè)隊伍的技術水平等因素,文章中涉及到的堵水率存在一定的偶然性和不確定性,預測模型基礎數(shù)據(jù)也不豐富,預測結果的應用存在一定的局限性,應在后續(xù)豎井工程中收集、歸納注漿過程記錄和數(shù)據(jù),以豐富樣本庫并優(yōu)化模型。此外,預測模型較為單一,僅從注漿堵水率的角度進行定量化評價,后續(xù)應納入各種注漿方式的工期、工程造價等方面的研究并對井筒堵水方案進行綜合研判。
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