复杂地质条件下隧道竖井施工技术研究

1、复杂地质条件下隧道竖井施工技术研究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、副井井简掘砌工程。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+

2、053处线路中线左侧52m,净直径5m,井口标高+1869m,并 底标高+1104. 26m,深度764.74m。主井功能为出磴、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、裂面见黄褐色铁钵质浸染、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

3、质情况如下：地表水。1号竖井位于浦 王河右岸，属龙川江水系。满王河为常年性流水，主要受大气降水补给，受降雨控制明显。 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、漂石上、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。夕312. 6m、324. 4350m 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. 6324. 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； 350680m段含水 层不连续

4、，厚度630m。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914nl3/d： 副井潜水正常涌水量867m3/do承压水含水层厚度11. 8m (312. 6324. 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6048m3/4 (3)不良地质情 况。高地温。竖井4607411n段地温介于2835. 8c之间，为轻微热害。岩爆。在447518m、 577

5、飞00m、628680m、728761. 8m4段为中等岩爆。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。表上层采用挖 掘机配合人工挖掘，挖掘机装上，整体金属模板(段高2. 5m)浇筑碎，混凝上浇筑采用溜槽 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、貌42mm钻头打眼，井口起爆，挖掘机出砰装罐，整体金属模板(段高2. 5m)浇筑碎，混 凝上浇

6、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，中心回转抓岩机出砰，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砰，中层吊盘安 设1台DC50-80X10型卧泵，地而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。砌壁碎由地而碎集中搅拌站提供，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

7、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-3.6XL85/16E 型提升机：副井井筒布置1台JKZ-3. 2X3. 0/18型提升机和1台JKZ-3.0X2. 5/15. 5型提升 机。排砰采用自动翻砰入自卸汽车排至指定排阡地点。（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分、稳绳1台；布置5台JZ2-

8、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表上段含水层施工针对主、副井表上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020m、022m段的土层（主井副井3Tlm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

9、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，以指导工作而预注浆。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3m0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l.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：。=18

10、-1（5+4）/11式中： a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，a =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并筒掘砌施工：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

11、步骤操 作：当钻孔的涌水量均小于2m3/'h时，直接封堵钻孔后恢复掘砌。当任意一个钻孔的涌 水量在25m3/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。当钻孔的涌水量大于51n3/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

12、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而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，工作而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

13、的通风方式，选择合理的通风设备，进行初期通风优化，为井筒工作而降 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燧膨胀器（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，或对工作而作业人员 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

14、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开始表上段袖阀管注浆工作，2016-07

15、-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开始表上段袖阀管注浆工作，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