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复杂地质条件下隧道竖井施工技术研究

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复杂地质条件下隧道竖井施工技术研究

[摘要]针对大瑞铁路高黎贡山隧道1号竖井主、副井井筒复杂地质条件特征和现场实际情况,采取特殊地层施工方法,选择与施工方案和工艺配套、并与施工队伍素质相匹配的机械化配套设备组织快速施工,成功地通过各种复杂地层。

[关键词]深厚破碎带、含水层、高地温;袖阀管注浆;工作面探水注浆;安全施工

1概述

在我国西南地区,山岭众多,铁路隧道施工难度较大,而修建铁路隧道时往往需要修建几对竖井井筒工程,以保障加快隧道施工进度。然而地质条件的复杂多变,使隧道竖井施工面临一系列技术难题,如深厚破碎带、含水层、高地温以及各种构造等等。克服这些问题,满足我国西南部铁路开发战略的需要,是摆在隧道竖井施工企业面前亟待攻克的难题。中煤五建公司三处承接大瑞铁路高黎贡山隧道1号竖井主、副井井筒掘砌工程。主井位于隧道D1K205+080处线路中线右侧30m,净直径6m,井口标高+1869m,井底标高+1106.41m,深度762.59m;副井位于隧道D1K205+053处线路中线左侧52m,净直径5m,井口标高+1869m,井底标高+1104.26m,深度764.74m。主井功能为出碴、出污风,副井功能为进料、进新风、排水、人员进出并兼做安全出口。

2地质及水文地质概况

(1)地质概况。为了核实主副井井筒施工地质及水文情况,在主副井之间钻设了1个井检孔,根据井检孔揭露的地层为花岗岩,揭露厚度771.43m。岩性主要由浅灰绿色、浅灰色、深灰色及浅灰黑色花岗岩组成,从揭露地层厚度与岩芯来看,岩芯完整、局部较破碎、局部弱风化、裂隙局部呈垂直状分布、裂面见黄褐色铁锰质浸染、局部裂面见砂泥质充填。(2)水文地质概况。根据地质钻孔揭示,1号竖井水文地质情况如下:①地表水。1号竖井位于灞王河右岸,属龙川江水系。灞王河为常年性流水,主要受大气降水补给,受降雨控制明显。②地下水。1号竖井地下水主要为第四系松散岩类孔隙水及基岩裂隙水,主要含水层为砾砂、卵石土、漂石土、碎裂状混合花岗岩及辉绿岩,隔水层主要为粉质黏土和完整性好的混合花岗岩。基岩裂隙水:根据钻孔揭示,井筒共穿越6个裂隙水含水层。9~312.6m、324.4~350m段为较为连续的一般裂隙含水层,渗透系数0.006m/d,为中等透水层;312.6~324.4m段为承压裂隙水含水层,渗透系数0.38m/d,为强透水层,承压水水压约3.2MPa;350~680m段含水层不连续,厚度6~30m。基岩裂隙水主要接受大气降水及地表水补给,以泉形式排泄。基岩裂隙水含水层厚度大,且存在承压水层,对井筒施工影响较大。主井潜水正常涌水量914m3/d;副井潜水正常涌水量867m3/d。承压水含水层厚度11.8m(312.6~324.4m),主井承压水正常涌水量1176m3/d,副井承压水正常涌水量1149m3/d。主井正常涌水量为2090m3/d,最大涌水量为6270m3/d;副井正常涌水量为2016m3/d,最大涌水量为6048m3/d。(3)不良地质情况。①高地温。竖井460~741m段地温介于28~35.8℃之间,为轻微热害。②岩爆。在447~518m、577~600m、628~680m、728~761.8m4段为中等岩爆。③根据钻孔资料,井筒穿过破碎带共16条,厚度279.7m,其中202.95m极破碎并含有水,其余76.75m较破碎并不含水。16条破碎带分布在整个井筒,工程地质条件极差。

3施工方案

竖井井筒掘砌自上而下穿过的地层分别为表土层、基岩风化段和基岩段。表土层采用挖掘机配合人工挖掘,挖掘机装土,整体金属模板(段高2.5m)浇筑砼,混凝土浇筑采用溜槽或溜灰管直接入模。基岩风化带采用短段掘砌施工,浅孔钻爆法掘进,采用手抱钻配2.5m钻杆、覬42mm钻头打眼,井口起爆,挖掘机出矸装罐,整体金属模板(段高2.5m)浇筑砼,混凝土浇灌采用溜槽或溜灰管直接入模。基岩段采用伞钻凿岩,2套单钩提升,中心回转抓岩机出矸,小型挖掘机清底,MJY型整体金属模板筑壁,底卸式吊桶下料到吊盘经分灰器分灰通过溜灰管入模。

4机械化配套设备

(1)主井利用Ⅵ型凿井井架凿井,副井利用IVG型型凿井井架凿井。井筒内均设置3层凿井吊盘,下层吊盘安设1台HZ-6型中心回转抓岩机配合工作面挖掘机出矸,中层吊盘安设1台DC50-80×10型卧泵,地面1台备用,上层吊盘作为施工保护盘。(2)采用MJY型整体金属模板筑壁,模板由地面稳车悬吊。砌壁砼由地面砼集中搅拌站提供,再由底卸式吊桶下料到吊盘经分灰器分灰入模。(3)选用FJD-6A型伞钻配凿岩机凿岩,压风管、供水管、排水管、风筒沿井壁吊挂,以加大井内的提升空间。(4)主井井筒布置2台2JK-3.6×1.85/16E型提升机;副井井筒布置1台JKZ-3.2×3.0/18型提升机和1台JKZ-3.0×2.5/15.5型提升机。排矸采用自动翻矸入自卸汽车排至指定排矸地点。(5)主井井筒布置6台JZ2-16/800型稳车,其中吊盘5台,抓岩机1台;布置7台JZ2-10/800型稳车,其中放炮电缆1台、模板4台、稳绳1台、动力电缆1台;布置1台JZA-5/800型稳车作为安全梯使用。副井井筒布置7台JZ2-16/800型稳车,其中吊盘5台,抓岩机1台、稳绳1台;布置5台JZ2-10/800型稳车,其中放炮电缆1台、模板3台、动力电缆1台;布置1台JZA-5/800型稳车作为安全梯使用。

5特殊地层施工技术

5.1表土段含水层施工

针对主、副井表土段强透水层及其上下段,设计采用袖阀管注浆的方式进行防渗、加固,对应地层分别为0~20m、0~22m段的土层(主井11~16m、副井3~11m为强透水层)。主、副井分别布置2圈注浆孔,孔数分别为26、24个,孔间距控制在2.5m左右,孔深分别为20、22m。采用袖阀管分段注浆工艺,上行式注纯水泥液浆及水泥-水玻璃双液浆。注浆过程设计1.0m一个分段,先注孔底段,达到预设的注浆量后,再由下而上以1.0m一个分段逐段进行注浆。

5.2基岩段综合防治水

井筒基岩段采用工作面探水注浆法施工[1],注浆站设在地面,通过地面注浆泵和井壁吊挂注浆管路,将地面搅拌好的水泥浆液压入注浆孔含水层裂隙中,用来封堵裂隙水或加固地层。钻孔深度。每次超前钻孔深度80m,钻孔钻探过程中需确定含水层位置、涌水量及水压参数,以指导工作面预注浆。钻孔数量。主井井筒净直径6.0m,钻孔圈径小于井筒净直径1.4m,钻孔数为13个,以半径2.3m均匀布置,探孔孔底超出井筒掘进荒径3m。副井井筒净直径5.0m,钻孔圈径小于井筒净直径1.4m,钻孔数为12个,以半径1.8m均匀布置,探孔孔底超出井筒掘进荒径3m。钻孔在径向与竖直轴线的夹角按下式计算:α=tg-1(S+A)/H式中:α为钻孔在径向上与竖直轴线的夹角,(°);S为终孔位置在径向上超出荒径的距离,均取3.0m;A为钻孔与井壁距离,0.7m;H为段高,80m。经计算,α=2°38′53″,主、副井均采用此角度值。每段先施工4个超前探孔,对本段高内各含水层情况进行前探,若4个超前探孔孔内总涌水量均小于2m3/h,说明本段高内水患威胁较小,经业主、设计院、监理单位共同评测后即可恢复井筒掘砌施工;若4个超前探孔内任何一个探孔的涌水量大于2m3/h,则启动工作面预注浆施工,注浆段高80m,计划掘砌段高72m。具体方案选择按以下步骤操作:①当钻孔的涌水量均小于2m3/h时,直接封堵钻孔后恢复掘砌。②当任意一个钻孔的涌水量在2~5m3/h之间时,说明该钻孔周围存在有疑问的含水层,必须在该钻孔两侧增加2个验证钻孔;若验证钻孔涌水量均小于5m3/h时,直接封堵钻孔后直接掘砌。若任意一个验证钻孔涌水量大于5m3/h时,即启动工作面预注浆对该段地层堵水;孔内涌水量小于5m3/h后,恢复剩余段落钻孔作业,直至结束。③当钻孔的涌水量大于5m3/h时,即启动工作面预注浆对该段地层进行堵水,孔内涌水量小于5m3/h后,恢复剩余段落钻孔作业,直至结束,期间不再增加验证钻孔。

5.3特殊地层(深厚含水破碎带)施工

井筒利用探水注浆对深厚破碎带进行注浆加固地层,同时施工中合理调整爆破参数[2-3],采取松动爆破技术,即减少周边眼眼距和抵抗距,采用不耦合装药,尽量减少爆破对井筒围岩的破坏,保持围岩的完整性;同时缩小掘进段高,采用锚喷或锚网喷联合支护;尽量缩短围岩的暴露时间,必要时增设钢井圈复合支护或采用工作面注浆加固围岩后再掘砌,确保安全顺利通过不良地质地层。施工中,工作面预注浆段地层岩性比较稳定,无破碎地层。通过揭露的岩层情况,可以明显看出岩层裂隙之间有水泥的充填物。通过水泥浆的注浆胶结,使得破碎岩石得以加固,形成一个整体,保证井筒施工安全,同时加快了施工进度。

5.4深部地层高地温通风方案

(1)采取合理的通风方式,选择合理的通风设备,进行初期通风优化,为井筒工作面降温方案提供基础条件。(2)利用压风降温技术解决地热问题。通过研究,利用建井阶段的压风动力进行局部技术降温,即在压风机的螺杆机出口处加设降温风包,配置冷凝器为压风初次冷却降温。降温作业点适当进行作业空间封闭,并对压风出口采用等熵膨胀器(涡流管)进行射流降温,利用压风的膨胀释压吸热对井下高温工作面进行降温,或对工作面作业人员直接降温,改善作业环境,提高降温效果。

6施工组织与管理

(1)劳动组织。施工队伍采用掘进班组和机电维修班组相结合的综合队形式,井下工与地面运输工实行统一的“滚班制”作业方式,要求定时定量完成任务,并制定了严格的奖罚制度。为了减少交接班时间,实行井下交接班。采用工程项目法管理,按生产、技术、机电、后勤4个部门进行人员编制,根据工程需要定岗、定员、定责、定任务,同时利用内部承包的经营机制,将整个工程分成若干个能独立核算的单项工程,逐项考核,层层把关,层层兑现,充分调动了施工人员的积极性。(2)工程质量及安全施工管理。为了保证施工质量及安全,技术人员根据国家现行矿井建设验收标准与规范,制定了一系列的质量管理细则。在施工中严格检查每道工序,坚持“上道工序不合格不得进行下道工序施工”的原则,确保安全施工无事故。

7施工成效

主井井筒从2016-03-01开始表土段袖阀管注浆工作,2016-07-30井筒具备开工条件,2016-09-09开始第一次工作面探水注浆,经过9次探水注浆主井井筒现在涌水量为3.7m3/h,实现了安全施工。副井井筒从2016-04-01开始表土段袖阀管注浆工作,7月30日井筒具备开工条件,2016-10-13开始第一次工作面探水注浆,经过8次探水注浆副井井筒现在涌水量4.8m3/h,实现了安全施工。主、副井井筒施工质量经甲方、监理验收均达到优良级别。

8结语

通过本项目研究,总结复杂地质条件下隧道竖井施工设备布置、爆破参数优化、有效防治水方案、深厚破碎带施工、通风方案选择等,解决了复杂地质条件下隧道竖井快速、安全施工关键技术问题。该技术是隧道、凿井施工技术的巨大进步,是今后乃至未来隧道竖井井筒施工技术的发展方向,对距离跨度大的铁路隧道施工具有十分重大的意义。如果合理协调、优化配置、形成成套装备,发挥效能,可创出国内乃至国际施工之最。

[参考文献]

[1]王继全,冯广奎,管继雷,等.杨营矿主井井筒工作面预注浆施工方法[J].能源技术与管理,2013,38(2):122-124.

[2]戚寿海.朱集副井特殊地层注浆技术的理论与实践[J].能源技术与管理,2013,38(1):39-41.

[3]贾磊.立井井筒破碎围岩注浆加固技术研究[D].青岛:山东科技大学,2013.

作者:李宣立 施思 单位:中煤第五建设有限公司第三工程处

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