復雜地質(zhì)條件下隧道豎井施工技術(shù)研究

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［摘要］針對大瑞鐵路高黎貢山隧道1號豎井主、副井井筒復雜地質(zhì)條件特征和現(xiàn)場實際情況，采取特殊地層施工方法，選擇與施工方案和工藝配套、并與施工隊伍素質(zhì)相匹配的機械化配套設備組織快速施工，成功地通過各種復雜地層。

［關(guān)鍵詞］深厚破碎帶、含水層、高地溫；袖閥管注漿；工作面探水注漿；安全施工

1概述

在我國西南地區(qū)，山嶺眾多，鐵路隧道施工難度較大，而修建鐵路隧道時往往需要修建幾對豎井井筒工程，以保障加快隧道施工進度。然而地質(zhì)條件的復雜多變，使隧道豎井施工面臨一系列技術(shù)難題，如深厚破碎帶、含水層、高地溫以及各種構(gòu)造等等?？朔@些問題，滿足我國西南部鐵路開發(fā)戰(zhàn)略的需要，是擺在隧道豎井施工企業(yè)面前亟待攻克的難題。中煤五建公司三處承接大瑞鐵路高黎貢山隧道1號豎井主、副井井筒掘砌工程。主井位于隧道D1K205+080處線路中線右側(cè)30m，凈直徑6m，井口標高+1869m，井底標高+1106.41m，深度762.59m；副井位于隧道D1K205+053處線路中線左側(cè)52m，凈直徑5m，井口標高+1869m，井底標高+1104.26m，深度764.74m。主井功能為出碴、出污風，副井功能為進料、進新風、排水、人員進出并兼做安全出口。

2地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

（1）地質(zhì)概況。為了核實主副井井筒施工地質(zhì)及水文情況，在主副井之間鉆設了1個井檢孔，根據(jù)井檢孔揭露的地層為花崗巖，揭露厚度771.43m。巖性主要由淺灰綠色、淺灰色、深灰色及淺灰黑色花崗巖組成，從揭露地層厚度與巖芯來看，巖芯完整、局部較破碎、局部弱風化、裂隙局部呈垂直狀分布、裂面見黃褐色鐵錳質(zhì)浸染、局部裂面見砂泥質(zhì)充填。（2）水文地質(zhì)概況。根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，1號豎井水文地質(zhì)情況如下：①地表水。1號豎井位于灞王河右岸，屬龍川江水系。灞王河為常年性流水，主要受大氣降水補給，受降雨控制明顯。②地下水。1號豎井地下水主要為第四系松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，主要含水層為礫砂、卵石土、漂石土、碎裂狀混合花崗巖及輝綠巖，隔水層主要為粉質(zhì)黏土和完整性好的混合花崗巖。基巖裂隙水：根據(jù)鉆孔揭示，井筒共穿越6個裂隙水含水層。9~312.6m、324.4~350m段為較為連續(xù)的一般裂隙含水層,滲透系數(shù)0.006m/d，為中等透水層；312.6~324.4m段為承壓裂隙水含水層，滲透系數(shù)0.38m/d，為強透水層，承壓水水壓約3.2MPa；350~680m段含水層不連續(xù)，厚度6~30m。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?；鶐r裂隙水含水層厚度大，且存在承壓水層，對井筒施工影響較大。主井潛水正常涌水量914m3/d；副井潛水正常涌水量867m3/d。承壓水含水層厚度11.8m（312.6～324.4m），主井承壓水正常涌水量1176m3/d，副井承壓水正常涌水量1149m3/d。主井正常涌水量為2090m3/d，最大涌水量為6270m3/d；副井正常涌水量為2016m3/d，最大涌水量為6048m3/d。（3）不良地質(zhì)情況。①高地溫。豎井460~741m段地溫介于28~35.8℃之間，為輕微熱害。②巖爆。在447~518m、577~600m、628~680m、728~761.8m4段為中等巖爆。③根據(jù)鉆孔資料，井筒穿過破碎帶共16條，厚度279.7m，其中202.95m極破碎并含有水，其余76.75m較破碎并不含水。16條破碎帶分布在整個井筒，工程地質(zhì)條件極差。

3施工方案

豎井井筒掘砌自上而下穿過的地層分別為表土層、基巖風化段和基巖段。表土層采用挖掘機配合人工挖掘，挖掘機裝土，整體金屬模板（段高2.5m）澆筑砼，混凝土澆筑采用溜槽或溜灰管直接入模。基巖風化帶采用短段掘砌施工，淺孔鉆爆法掘進，采用手抱鉆配2.5m鉆桿、覬42mm鉆頭打眼，井口起爆，挖掘機出矸裝罐，整體金屬模板（段高2.5m）澆筑砼，混凝土澆灌采用溜槽或溜灰管直接入模?；鶐r段采用傘鉆鑿巖，2套單鉤提升，中心回轉(zhuǎn)抓巖機出矸，小型挖掘機清底，MJY型整體金屬模板筑壁，底卸式吊桶下料到吊盤經(jīng)分灰器分灰通過溜灰管入模。

4機械化配套設備

（1）主井利用Ⅵ型鑿井井架鑿井，副井利用IVG型型鑿井井架鑿井。井筒內(nèi)均設置3層鑿井吊盤，下層吊盤安設1臺HZ-6型中心回轉(zhuǎn)抓巖機配合工作面挖掘機出矸，中層吊盤安設1臺DC50-80×10型臥泵，地面1臺備用，上層吊盤作為施工保護盤。（2）采用MJY型整體金屬模板筑壁，模板由地面穩(wěn)車懸吊。砌壁砼由地面砼集中攪拌站提供，再由底卸式吊桶下料到吊盤經(jīng)分灰器分灰入模。（3）選用FJD-6A型傘鉆配鑿巖機鑿巖，壓風管、供水管、排水管、風筒沿井壁吊掛，以加大井內(nèi)的提升空間。（4）主井井筒布置2臺2JK-3.6×1.85/16E型提升機；副井井筒布置1臺JKZ-3.2×3.0/18型提升機和1臺JKZ-3.0×2.5/15.5型提升機。排矸采用自動翻矸入自卸汽車排至指定排矸地點。（5）主井井筒布置6臺JZ2-16/800型穩(wěn)車，其中吊盤5臺，抓巖機1臺；布置7臺JZ2-10/800型穩(wěn)車，其中放炮電纜1臺、模板4臺、穩(wěn)繩1臺、動力電纜1臺；布置1臺JZA-5/800型穩(wěn)車作為安全梯使用。副井井筒布置7臺JZ2-16/800型穩(wěn)車，其中吊盤5臺，抓巖機1臺、穩(wěn)繩1臺；布置5臺JZ2-10/800型穩(wěn)車，其中放炮電纜1臺、模板3臺、動力電纜1臺；布置1臺JZA-5/800型穩(wěn)車作為安全梯使用。

5特殊地層施工技術(shù)

5.1表土段含水層施工

針對主、副井表土段強透水層及其上下段，設計采用袖閥管注漿的方式進行防滲、加固，對應地層分別為0~20m、0~22m段的土層（主井11~16m、副井3~11m為強透水層）。主、副井分別布置2圈注漿孔，孔數(shù)分別為26、24個，孔間距控制在2.5m左右，孔深分別為20、22m。采用袖閥管分段注漿工藝，上行式注純水泥液漿及水泥-水玻璃雙液漿。注漿過程設計1.0m一個分段，先注孔底段，達到預設的注漿量后，再由下而上以1.0m一個分段逐段進行注漿。

5.2基巖段綜合防治水

井筒基巖段采用工作面探水注漿法施工［1］，注漿站設在地面，通過地面注漿泵和井壁吊掛注漿管路，將地面攪拌好的水泥漿液壓入注漿孔含水層裂隙中，用來封堵裂隙水或加固地層。鉆孔深度。每次超前鉆孔深度80m，鉆孔鉆探過程中需確定含水層位置、涌水量及水壓參數(shù)，以指導工作面預注漿。鉆孔數(shù)量。主井井筒凈直徑6.0m，鉆孔圈徑小于井筒凈直徑1.4m，鉆孔數(shù)為13個，以半徑2.3m均勻布置，探孔孔底超出井筒掘進荒徑3m。副井井筒凈直徑5.0m，鉆孔圈徑小于井筒凈直徑1.4m，鉆孔數(shù)為12個，以半徑1.8m均勻布置，探孔孔底超出井筒掘進荒徑3m。鉆孔在徑向與豎直軸線的夾角按下式計算：α=tg-1（S+A）/H式中：α為鉆孔在徑向上與豎直軸線的夾角，（°）；S為終孔位置在徑向上超出荒徑的距離，均取3.0m；A為鉆孔與井壁距離，0.7m；H為段高，80m。經(jīng)計算，α=2°38′53″，主、副井均采用此角度值。每段先施工4個超前探孔，對本段高內(nèi)各含水層情況進行前探，若4個超前探孔孔內(nèi)總涌水量均小于2m3/h，說明本段高內(nèi)水患威脅較小，經(jīng)業(yè)主、設計院、監(jiān)理單位共同評測后即可恢復井筒掘砌施工；若4個超前探孔內(nèi)任何一個探孔的涌水量大于2m3/h，則啟動工作面預注漿施工，注漿段高80m，計劃掘砌段高72m。具體方案選擇按以下步驟操作：①當鉆孔的涌水量均小于2m3/h時，直接封堵鉆孔后恢復掘砌。②當任意一個鉆孔的涌水量在2~5m3/h之間時，說明該鉆孔周圍存在有疑問的含水層，必須在該鉆孔兩側(cè)增加2個驗證鉆孔；若驗證鉆孔涌水量均小于5m3/h時，直接封堵鉆孔后直接掘砌。若任意一個驗證鉆孔涌水量大于5m3/h時，即啟動工作面預注漿對該段地層堵水；孔內(nèi)涌水量小于5m3/h后，恢復剩余段落鉆孔作業(yè)，直至結(jié)束。③當鉆孔的涌水量大于5m3/h時，即啟動工作面預注漿對該段地層進行堵水，孔內(nèi)涌水量小于5m3/h后，恢復剩余段落鉆孔作業(yè)，直至結(jié)束，期間不再增加驗證鉆孔。

5.3特殊地層（深厚含水破碎帶）施工

井筒利用探水注漿對深厚破碎帶進行注漿加固地層，同時施工中合理調(diào)整爆破參數(shù)［2-3］，采取松動爆破技術(shù)，即減少周邊眼眼距和抵抗距，采用不耦合裝藥，盡量減少爆破對井筒圍巖的破壞，保持圍巖的完整性；同時縮小掘進段高，采用錨噴或錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護；盡量縮短圍巖的暴露時間，必要時增設鋼井圈復合支護或采用工作面注漿加固圍巖后再掘砌，確保安全順利通過不良地質(zhì)地層。施工中，工作面預注漿段地層巖性比較穩(wěn)定，無破碎地層。通過揭露的巖層情況，可以明顯看出巖層裂隙之間有水泥的充填物。通過水泥漿的注漿膠結(jié)，使得破碎巖石得以加固，形成一個整體，保證井筒施工安全，同時加快了施工進度。

5.4深部地層高地溫通風方案

（1）采取合理的通風方式，選擇合理的通風設備，進行初期通風優(yōu)化，為井筒工作面降溫方案提供基礎(chǔ)條件。（2）利用壓風降溫技術(shù)解決地熱問題。通過研究，利用建井階段的壓風動力進行局部技術(shù)降溫，即在壓風機的螺桿機出口處加設降溫風包，配置冷凝器為壓風初次冷卻降溫。降溫作業(yè)點適當進行作業(yè)空間封閉，并對壓風出口采用等熵膨脹器（渦流管）進行射流降溫，利用壓風的膨脹釋壓吸熱對井下高溫工作面進行降溫，或?qū)ぷ髅孀鳂I(yè)人員直接降溫，改善作業(yè)環(huán)境，提高降溫效果。

6施工組織與管理

（1）勞動組織。施工隊伍采用掘進班組和機電維修班組相結(jié)合的綜合隊形式，井下工與地面運輸工實行統(tǒng)一的“滾班制”作業(yè)方式，要求定時定量完成任務，并制定了嚴格的獎罰制度。為了減少交接班時間，實行井下交接班。采用工程項目法管理，按生產(chǎn)、技術(shù)、機電、后勤4個部門進行人員編制，根據(jù)工程需要定崗、定員、定責、定任務，同時利用內(nèi)部承包的經(jīng)營機制，將整個工程分成若干個能獨立核算的單項工程，逐項考核，層層把關(guān)，層層兌現(xiàn)，充分調(diào)動了施工人員的積極性。（2）工程質(zhì)量及安全施工管理。為了保證施工質(zhì)量及安全，技術(shù)人員根據(jù)國家現(xiàn)行礦井建設驗收標準與規(guī)范，制定了一系列的質(zhì)量管理細則。在施工中嚴格檢查每道工序，堅持“上道工序不合格不得進行下道工序施工”的原則，確保安全施工無事故。

7施工成效

主井井筒從2016-03-01開始表土段袖閥管注漿工作，2016-07-30井筒具備開工條件，2016-09-09開始第一次工作面探水注漿，經(jīng)過9次探水注漿主井井筒現(xiàn)在涌水量為3.7m3/h，實現(xiàn)了安全施工。副井井筒從2016-04-01開始表土段袖閥管注漿工作，7月30日井筒具備開工條件，2016-10-13開始第一次工作面探水注漿，經(jīng)過8次探水注漿副井井筒現(xiàn)在涌水量4.8m3/h，實現(xiàn)了安全施工。主、副井井筒施工質(zhì)量經(jīng)甲方、監(jiān)理驗收均達到優(yōu)良級別。

8結(jié)語

通過本項目研究，總結(jié)復雜地質(zhì)條件下隧道豎井施工設備布置、爆破參數(shù)優(yōu)化、有效防治水方案、深厚破碎帶施工、通風方案選擇等，解決了復雜地質(zhì)條件下隧道豎井快速、安全施工關(guān)鍵技術(shù)問題。該技術(shù)是隧道、鑿井施工技術(shù)的巨大進步，是今后乃至未來隧道豎井井筒施工技術(shù)的發(fā)展方向，對距離跨度大的鐵路隧道施工具有十分重大的意義。如果合理協(xié)調(diào)、優(yōu)化配置、形成成套裝備，發(fā)揮效能，可創(chuàng)出國內(nèi)乃至國際施工之最。

［參考文獻］

［1］王繼全，馮廣奎，管繼雷，等.楊營礦主井井筒工作面預注漿施工方法［J］.能源技術(shù)與管理，2013，38（2）：122-124.

［2］戚壽海.朱集副井特殊地層注漿技術(shù)的理論與實踐［J］.能源技術(shù)與管理，2013，38（1）：39-41.

［3］賈磊.立井井筒破碎圍巖注漿加固技術(shù)研究［D］.青島：山東科技大學，2013.

作者:李宣立 施思 單位:中煤第五建設有限公司第三工程處