中铁十五局集团第四工程有限公司 河南新郑 451100
摘要：针对竖井软弱围岩富水段施工时遇水的问题，通过对井筒内出水情况的统计、现场调研、科学分析，现场总结，决定采用施工止浆垫+滤水层的技术及单液水泥浆和双液水泥浆相结合的注浆方法进行止水，实践证明，注浆对顺利度过含水层有显著的效果。
关键词：止浆垫；滤水层；注浆；涌水
1、工程介绍
大亮山隧道竖井位于大亮山隧道右幅K19+200左侧（行车方向）20m处，井筒井口标高1814m，净径8.0m，工程量为472m，采用C35防水钢筋混凝土结构。其中，其中V级围岩125m，IV级围岩217 m，III级围岩130m，其中，明洞壁厚1000mm，III级、IV级围岩二衬厚度500mm，V级围岩壁厚700mm；共设壁座16个，SBZ1型壁座13个，SBZ2型壁座3个。
井筒现已穿过IV1型围岩（围岩以中风化花岗岩为主，节理裂隙发育，岩体较破碎，呈碎石状碎裂结构或块状镶嵌结构；物探表明为高阻区；岩体富水性较弱，开挖时存在较小量的滴水、渗水现象）累计深度为100m，现已进入IV2型围岩，厚度25m，岩体富水性较强，局部钻孔有股状水流涌出现象；再向下为V1型围岩，节理裂隙及其发育，岩体较破碎，开挖时存在股状水流出，设计厚度为65m。
2、井筒注浆堵水
2、1注浆堵水及深孔探水的采用
注浆堵水是将水泥将或化学浆通过管道压入井下岩层空隙、裂隙或巷道中，使其扩散、凝固和硬化,从而使岩层具有较高的强度、密实性和不透水性,达到封堵截断补给水源和加固地层的作用、是井筒防治水害的重要手段之一。目前，注浆堵水已广泛用于井筒注浆、封堵突水点、井巷堵水过含水层或导水断层、帷幕注浆堵水截流。在减少井筒涌水量、底板注浆加固防止突水等方面已取得良好的效果。
本次探水对浅孔和深孔的比较如下
1、浅孔探水注浆方案的优缺点:
(1)优点:①可利用掘进凿岩机每班超前打眼，短距离打孔时间较快。②钻孔直径较小，遇到压力较大的出水可以及时堵塞。③短距离注浆效果较好。
(2)缺点:①每班打超前钻孔影响掘进循环时问。②如出水频繁每次注浆的准备和结束时间山用较多。③出水频繁工序转换较多影响员工工作积极性。
2、深孔探水注浆方案的优缺点:
(1)优点:①深孔钻眼可提前了解下部地质水文情况。②集中钻孔注浆对断层裂隙较多的岩层可减少工序转换时间。③提前预注浆对下部工程在工期上可以有计划安排和保证施工进度。
(2)缺点:①深孔钻机的装拆和深孔钻眼时间较长。②治水安全要求和注浆技术专业水平相对较高。③设备机具一次投入较多。
浅孔探水注浆：虽然浅孔探水在注浆的工艺上比较简单，但工序转换频繁，占用工期较长，工作效率低下，在施工中很难保证人员稳定。
深孔探水注浆：因井下地质情况不明深孔钻眼若钻出有水可做为探水注浆。如钻孔无水可了解下部的地质情况，也更好的保障下部工程施工计划工期安排。虽然深孔探水注浆在工艺上和设备技术上要比浅孔注浆要求要高，但对整体的施工工期上要比浅孔注浆缩短很多，在施工组织上能优化项日管理，即能保证下部施工进度计划，又能保证施工人员的稳定。
综上所述建议主副井下部工程采用深孔探水预注浆方案。
2、2井筒预注浆准备工作
2、2、1注浆材料
根据上述条件，注浆时采用了水泥浆，终孔时采用水泥-水玻璃双液浆（CS浆液)。水泥浆能够沿着围岩裂隙或空隙扩散固结，达到固结围岩，使围岩具有较高的强度。CS浆液在终孔时使用，将该浆液具有下列特点:凝胶时间可以在几秒至几十分钟范围内调节,并能准确控制；浆液结石体有一定的抗压强度(l0MPa~20MPa)和抗拉强度:结石率可达100%；材料来源丰富。价格低廉-注浆成本低；浆液配制方便,对地下水及环境无污染:浆液粘度低.流动性能好，可注性强，比较适合本竖井的地质情况。
2、2、2注浆机具
孔采用SKMG400型锚固钻机。其性能特点为①结构紧凑、重量轻、可拆性好，便于搬迁定位；采用全液压控制，操作方便灵活、省时省力，有效地保护 操作者安全。②本机采用摆线式回转马达，整机性能稳定可靠，使用寿命长。③使用范围广，钻进能力强；动力头行程长，钻进效率高。主要参数为型号:①钻孔直径:φ90-180mm ②适用岩种:中硬、硬f=8-16 ③动力头输出转速:90rpm；④孔深:10-60m⑤动力头最大行程:1800mm；⑥钻杆规格:φ76*1500 φ89*1500注浆机采用2TGZ-60/210型高压注浆机。额定电压为7.5kv，总重量为1050kg。它的最大注浆压力可达到20MPa，可满足井下各种条件对注浆压力的要求，共有4个档位，分别对应的排浆量为16L/min、19L/min、36L/min、60L/min。浆液的配合采用机械配合人工的方式在地表拌和，在孔口管上装高压转芯阀代替止浆塞，使用孔口球阀混合器。输浆管路采用耐压9.8MPa以上内径为32mm的高压胶管；接头采用高压胶管快速接头，井内与井口人员联系采用对讲机或铃声控制。
3、注浆设计
1）预注浆段高位6000cm，即200～260m段。竖井筒半径400cm为圆周均匀布置8个孔，孔深6033cm，倾角为向井筒径向外倾4.6°，终孔布置在井壁混凝土外1.8m处，注浆浆液扩散半径为3m。
2）为防止预注浆时掌子面发生跑漏浆，提前设置滤水层和止浆垫。滤水层厚度为0.5m，止浆垫厚度为3m。
滤水层设置滤水桶，滤水桶上面设置封口法兰盖，法兰盖上开口，以便安装排水泵管路。在浇筑止浆垫期间采用该滤水桶排水，待止浆垫浇筑完成后，加上封口法兰盖。
3）为防止探水期间出现突水，在探水前安置9根套管，其中8根为预注浆孔，另一个为检验孔。每根套管长度为3m，外漏长度为5cm～10cm，套管口安设10MPa的球阀一个。
4）安装套管，采用210型潜孔钻机钻孔。钻孔深度为3.9m，钻孔完成后安装套管和球阀。并采用双液浆进行套管加固。待凝固12h后，进行套管试压，试验压力为水压的2～3倍，根据现在水位为200m，水压约为2.0MPa，试压压力为6.0MPa。
5）注浆泵采用2TGZ-60/210型双液注浆泵。在套管封孔期间或注浆终压达到要求压力后，采用双液浆进行封孔，掌子面预注浆采用单液浆进行注浆。
单液浆比例为：W∶C取（水灰比）1.0∶0.5～1.0∶1.5
双液浆比例为：C∶S取（体积比）1.0∶0.4～1.0∶0.6
水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥。水玻璃取模数2.8～3.0、波美度为40～45 B。
6）探水钻孔在钻进期间，如果，钻孔涌水量达到≥3m³/h，必须停止钻进、拔出钻杆进行注浆；如果，单个钻孔涌水量均不超过3m³/h，8个钻孔的总涌水量≥10m³/h时，必须对各个钻孔进行注浆。
7）注浆终压：在单个钻孔单次注浆注浆压力达到水压的1.5倍，即3.23MPa即可进行双液浆进行封孔加固，注浆终压达到6.45MPa时，停止注浆结束单孔或单次注浆。
8）预注浆效果检验：在井筒中心位置采用钻机凿孔、安装，钻进。
4、注浆参数计算
4.1 注浆终压PH
PH=（2-3）H*r/100；PH——注浆终压，PH= MPa；H——受注点至静水位高度；
r——水的密度；PH=（2-3）Hr/100=（2~3）*（200-25）/100=3.5~5.25MPa
4.2 注浆孔数
N=π(D-2A)/L=3.14×（8-2×0.5）/（3-6）≈7-4（个）（本次加密注浆，设置为8个，检查孔一个）N—注浆孔个数；D--井筒净径，D=8m；L--注浆孔间距，根据岩层裂隙情况，一般为3-6m；R—井筒半径，R=4m；A--布孔圈至井筒壁距离，A=0.5m；
4.3 注浆量
浆液注入量Q1=λπR2Hηβ/m=1.3×3.14×3.52×60×1.5%×0.8/m；Q= N*Q1
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为保证浆液在压力作用下沿裂隙有效扩散，并防止从工作面跑浆，采用工作面预留止浆岩帽方法。
4.4 预留方法
1）井筒掘进到预定深度后停止掘进，对预留岩帽进行钻孔和耐压试验。当钻进至距离含水层2-3m时，用清水进行试压，如注水达到设计终压而岩帽无跑水现象，即证明合格，如遇少量跑水，可以进行注浆加固。
2）为防止工作面出现跑浆现象，可采取在止浆岩帽上部浇注0.5m-1m厚混凝土垫层，但须保证施工质量或将孔口管的埋设深度增加到5-6m。
3）为扩大岩帽的使用范围，条件允许时可采取注浆加固岩帽的方法，加固范围可超出岩帽厚度5-8m。
4）当使用注浆带充当止浆岩帽时，也必须进行耐压试验。
5）预留止浆岩帽时，孔口管（导向管）的安装采用先钻孔、后埋管的方式。
4.5 混凝土止浆垫、滤水层设计及计算
4.5.1混凝土止浆垫厚度计算
工作面预注浆设置止浆垫的主要目的,一是为了注浆工作面本身的安全,预防突水特别是高承压水的突出而造成的安全事故;二是防止注浆浆液串至工作面降低注浆效果。
止浆垫采用平底形混凝土止浆垫，砼强度等级C35，其厚度计算采用以下公式进行计算（采矿设计手册)；
Bd=P0r/[δ]+0.3r
公式中：Bd---------止浆垫厚度。 P0---------注浆中压；r---------井筒掘进半径，m
[δ]---------混凝土的允许抗压强度，MPa；止浆垫材料（C35混凝土）允许抗压强度:[δ]=f3-7/γk
f3-7——混凝土3~7天的极限抗压强度，MPa。一般取28d 强度的2/3；
γk——荷载系数，一般取2～3，本次计算取2;
则[δ]=f3-7/γk=35×2/3÷2=11.67MPa
因此Bd=PHr/[δ] +0.3r=5.25×4/10+0.3*4=2.99m。取3.0m。
4.5.2 止浆垫滤水层
当工作面岩石破碎、裂隙发育、有涌水，需铺设滤水层，以便在维持排水条件下，保证止浆垫的施工质量。
1）滤水层：按滤水层孔隙容纳15min涌水量考虑。
2）结构：碎石滤水层、滤水木箱、砖、水泥砂浆、滤水管。
3）滤水层注浆压力：孔口静水压力的1.3-1.5倍，（1.3-1.5）P静 （P静=H/100）
4）止浆垫注浆压力P0：取滤水层注浆压力=（1.3-1.5）P静。
5）滤水层厚度A：滤水层体积*滤水层孔隙率=15min*井筒涌水量
A*π* r2*β=15*q
A=（15/60）*q/（π* r2*β）+0.25=1/4*30/（3.14*16*0.35）+0.25=0.68m
β---碎石滤水层孔隙率 取0.35-0.45 q---井筒涌水量 m3/h（按30m³计算）
0.25为基底填充保险系数。
4.6 注浆分段及高度设计
在一个注浆段高内，对每一个注浆孔，根据岩石裂隙发育程度、孔壁的稳定性和注浆孔的出水情况等，适当划分为若干个注浆分段，进行分次打钻和分次注浆。
注浆分段划分方法及高度见下表。
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4.7注浆孔布置及作用
所有注浆孔分为两组----奇数孔（1、3、5---）、偶数组（2、4、6---）。第一组奇数孔主要解决较大裂隙的封堵，每二组偶数孔主要解决细小裂隙封堵。奇数孔选先于相邻的偶数孔施工，偶数孔后于相邻奇数孔施工。先施工的孔兼做注前水量检查孔，后施工的孔作为注浆质量初检孔。第一组奇数孔兼做注浆质量中检孔和终检孔。
4.8预注浆施工工艺
1）在井筒模筑至200m时，把掌子面的渣石清理干净，准备铺设滤水层和浇筑止浆垫。
2）掌子面浮渣清理完毕后，检查掌子面是否平整，若不平整，采用风镐进行处理，确保掌子面滤水层厚度均匀。
3）滤水桶设置：在井筒中心设置两个滤水桶（滤水桶的规格为Φ40cm、L=2.3m，上端有法兰盘和封盖，封盖上设置排水管孔。），滤水桶采用锚杆固定在掌子面设计的位置，防止铺设滤水层时偏移或倾斜。
4）滤水层铺设：滤水层铺设厚度为0.5m，采用颗粒为2～4cm的碎石铺设，表面要铺设平整。
5）止浆垫浇筑：止浆垫浇筑厚度为3m（原则上与已浇筑井壁混凝土重合20cm，防止注浆时漏浆），止浆垫浇筑时必须分层浇筑，分层厚度为50cm，振捣密实，尤其是与围岩的结合面和井壁混凝土结合面。浇筑期间，随时检查滤水桶的安置位置是否变化，防止倾倒。止浆垫混凝土表面要平整，便于布置设备和安置注浆泵等。
在浇筑止浆垫期间，滤水桶内的排水泵必须及时进行排水，确保止浆垫的混凝土浇筑质量。
止浆垫混凝土浇筑后，待混凝土凝固1天后，即可进行下步工作。
6）钻孔位置标定：沿井筒半径在掌子面标出钻孔位置，并做好编号和记号。
7）套管安装：稳固钻机、调整角度。采用SKMG400型钻机和Φ76mm钻头进行凿孔，凿孔深度为60m，钻孔完成后，安装套管。套管安装完毕后安装阀门。采用双液浆进行套管密封、加固。
8）套管试压：待套管浆液凝固24h后，进行试压。如果试验压力达到要求，可以开始探水钻孔。如果压力达不到要求，必须重新进行注浆密封、加固，确保注浆安全和效果。
9）钻孔作业：钻孔方向和倾角按照套管的方向和倾角钻进，钻进期间，记记钻进钻杆根数。钻进时，钻孔出现涌水，估计涌水量，如果涌水量达到3m³/h，停止钻进，拔出钻杆，进行注浆，同时做好记录（记录时间、深度和涌水量）。
如果，整个钻孔达到要求深度后，没有出现涌水或涌水量小于3m³/h，必须做好记录。
钻孔顺序为1、5、3、7、2、6、4、8，使注浆效果呈对称闭合。
10）钻孔注浆：钻孔涌水量达到注浆要求时，必须进行注浆。注浆时严格观察注浆压力和注浆量（记录时间、注浆压力、注浆量）。待注浆压力达到要求后，改为双液浆，直至达到设计终压。且注浆终量小于10L/min，持续时间不少于15min。
11）注浆效果：在全部钻孔探水或注浆结束后，钻进检验孔，如果检验孔钻进深度达到预注浆要求段高后，钻孔出水量小于3m³/h，说明注浆效果达到要求。如果涌水量≥3m³/h，必须对该检验孔进行注浆，注浆后，重新打检验孔进行效果检验。
附件一：预注浆布置图
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5、结论
提前钻探，超前控制。根据地质井检孔资料预知井筒已施工至中风化花岗质片岩含水层,停止掘进进行探孔止水，注浆堵水工作，提高了注浆质量，加快了注浆进度，提高了注浆效果，保证了人员安全。
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