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