CN111608689A - 一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，在隧道掌子面上施工加固层，所述加固层完全覆盖并贴合在所述隧道掌子面上；在所述加固层上向隧道开挖内部钻多个探水孔，多个所述探水孔的孔口均匀分布在所述加固层上，多个所述探水孔的孔底均匀分布在所述待开挖区的同一横断面上，且多个所述探水孔的孔底覆盖区域大于隧道开挖轮廓线；测量多个所述探水孔的总出水量：根据总出水量及单孔出水量选择加固方案；本发明在每段探水加固过程中的隧道掌子面上加设加固层，并均匀分布开设探水孔，根据探水孔的出水量不同，采取不同的注浆加固方式，可以根据不同情况采取不同的施工手段，进而加快施工进度，降低施工风险。

Description

一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法

技术领域

本发明属于隧道施工技术领域，尤其涉及一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法。

背景技术

近年来，随着我国铁路隧道建设快速发展，山岭隧道建设中超深铁路隧道竖井越来越多被采用。在富水岩浆岩地区超深铁路隧道竖井井底车场建设过程中，由于地质条件复杂，面临着超高压裂隙水的处置难题，因此需要对带开挖部分进行探水加固。

探水是指为了解水文情况，确切地掌握水体或含水构造的位置、范围和水量而采取的探测措施，一般从地面或井下打钻孔探测。加固即加固注浆，是指通过造孔将注浆浆液注入围岩，靠注浆压力使浆液向围岩的裂隙扩散，使岩体形成一个加固带，从而提高岩体的整体性，提升后续开挖过程的安全性。

由于超深铁路隧道竖井的井深超过700m，远大于常规铁路隧道竖井(一般小于600m)的井深，因此，在该井底车场的裂隙水的水压远远高于常规井底车场的水压，施工风险大，若采用传统的探水加固方法，需要减缓施工进度，谨慎施工。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，以降低超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的施工风险。

本发明采用以下技术方案：一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，将隧道待开挖区沿隧道轴线方向分段，每段待开挖区的探水加固包括以下步骤：

在隧道掌子面上施工加固层，加固层完全覆盖并贴合在隧道掌子面上；

在加固层上向隧道开挖内部钻多个探水孔，多个探水孔的孔口均匀分布在加固层上，多个探水孔的孔底均匀分布在待开挖区的同一横断面上，每个探水孔走向为倾斜、且满足多个探水孔的孔底覆盖区域大于隧道开挖轮廓线；

测量多个探水孔的总出水量：

当总出水量≥第一阈值时，采取全断面帷幕注浆加固待开挖区；

当第二阈值≤总出水量＜第一阈值时，采取超前周边注浆加固待开挖区；

当总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量≥第三阈值时，采取超前局部注浆加固待开挖区。

进一步地，加固待开挖区包括：

根据注浆方法设计注浆孔口管位置，并安装注浆孔口管；

在超深铁路隧道竖井的井口处安装注浆泵，通过输浆管连接至注浆孔口管，且在输浆管位于井底车场处安装泄浆阀。

进一步地，加固层的厚度通过

得出，其中，B为加固层的厚度，K为施工安全系数，W为加固层的荷载，b为隧道横断面的宽度，h为隧道横断面的高度，[σ]加固层的抗压强度。

进一步地，在加固层上向隧道开挖内部钻多个探水孔包括：

向探水孔孔口处安装孔口管，并通过水泥-水玻璃双液浆加固孔口管；其中，孔口管伸出加固层；

在孔口管的伸出端部安装高压阀门及防喷孔装置。

进一步地，在加固孔口管之后安装高压阀门及防喷孔装置之前，对孔口管进行耐压抗渗试验，试验压力为2.4c～3.6c，其中，c为井下车场的静水压力。

进一步地，探水孔的数量为9个，其中，拱顶两侧各1个、两侧边墙各2个、底板2个、加固层中心1个；

拱顶两侧的探水孔、侧边墙上的探水孔、底板上的2个探水孔均位于开挖轮廓线内60～80cm，底板上的2个探水孔，拱顶两侧的探水孔、侧边墙上的探水孔、底板上的2个探水孔的孔底均位于开挖轮廓线外5～8m。

进一步地，安装孔口管时，在孔口管上间隔缠绕麻丝环。

进一步地，当总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量＜第三阈值时，不进行注浆加固施工，开挖通过该分段。

本发明的有益效果是：本发明在隧道井底车场的待开挖区进行分段，在每段探水加固过程中的隧道掌子面上加设加固层，并在加固层上均匀分布开设探水孔，使得在探水施工过程中可以全覆盖每一段的裂隙水状况，并根据探水孔的出水量不同，采取不同的注浆加固方式，可以根据不同情况采取不同的施工手段，进而加快施工进度，降低施工风险。

附图说明

图1为本发明实施例的实施环境示意图；

图2为本发明实施例中探水孔孔口在加固层上的分布示意图；

图3为本发明实施例中探水孔孔底在待开挖区横断面上的分布示意图；

图4为本发明实施例中探水孔的纵向走势示意图。

其中：1.超深铁路隧道竖井；2.加固层；3.待开挖区；4.井底车场；5.探水孔；6.孔底覆盖区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，将隧道待开挖区3沿隧道轴线方向分段，进而降低每一段的待开挖区3的裂隙水压力，并降低对施工设备的规格要求，不需要单独定制耐高压设备和材料。

具体的，每段待开挖区的探水加固包括以下步骤：

在隧道掌子面上施工加固层2，加固层2完全覆盖并贴合在隧道掌子面上。加固层2可以使混凝土加固层，也可以是其他材料施工得到的加固层，其主要作用是对待开挖区进行支撑保护，防止施工过程中发生突水淹井事故。为了增加其和掌子面的一体性，进一步增加加固强度，在施工时，使加固层2紧贴在掌子面上，并且，还可以在加固层和掌子面上增加连接筋等。

另外，由于本发明实施例是应用于超深铁路隧道竖井中，由于其特殊的应用环境，所以，需要精确计算加固层2的强度，而其强度很大程度上取决于该加固层2的厚度。可选的，本实施例中加固层2的厚度通过

得出，其中，B为加固层的厚度，K为施工安全系数，W为加固层的荷载，b为隧道横断面的宽度(m)，h为隧道横断面的高度(m)，[σ]加固层的抗压强度，且有W＝pF，p为注浆终压，F为加固层的面积(m²)。

通过上述的计算公式，综合考虑了施工安全系数、加固层的荷载、道横断面的宽度、隧道横断面的高度以及加固层的抗压强度，相对于现有技术，该方法考虑了更多了影响因素，使得计算得到的加固层2的厚度更加精确，在满足加固层安全要求的同时，可以节省原料，降低施工成本。

进一步地，施工完加固层2后，在加固层2上向隧道开挖内部钻多个探水孔5，如图2、图3所示，多个探水孔5的孔口均匀分布在加固层2上，多个探水孔5的孔底均匀分布在待开挖区3的同一横断面上。由此可知，探水孔5是从加固层2向待开挖区3的分断横断面均匀辐射的，使得多个探水孔5穿过均匀穿过整个待开挖区3的当前开挖段，可以更深层次的准确反应待开挖区3的该开挖段的裂隙水的情况，进而使得施工人员可以采取更加适合的施工决策，降低施工事故，还可以加快施工进度。

在一种可能的实现方式中，探水孔的数量为9个，其中，拱顶两侧各1个、两侧边墙各2个、底板2个及加固层中心1个；拱顶两侧的探水孔、侧边墙上的探水孔、底板上的2个探水孔均位于开挖轮廓线内60～80cm，底板上的2个探，拱顶两侧的探水孔、侧边墙上的探水孔、底板上的2个探水孔孔底均位于开挖轮廓线外5～8m。

由于隧道开挖时，不仅仅取决于隧道开挖轮廓线内的待开挖区3的工况，其还会受到待开挖区3外部围岩的影响，因此，多个探水孔的孔底覆盖区域6大于隧道开挖轮廓线，使得施工人员通过这些探水孔5了解了施工区域以及其外部围岩的工况。

作为实例而非限定，在加固层2上向隧道开挖内部钻多个探水孔5包括：

当探水孔5的钻入深度大于等于第五阈值时，向探水孔5孔口处安装孔口管，并通过水泥-水玻璃双液浆加固孔口管；其中，第五阈值略小于加固层2的厚度，通过这样设置，可以保证孔口管的安装强度，孔口管伸出加固层2。在孔口管的伸出端部安装高压阀门及防喷孔装置。

在探水孔5的孔口处安装孔口管，并通过孔口管安装高压阀门以及防喷孔装置，可以防止突水，在有突水涌出时，可以通过关闭高压阀门和防喷孔装置防止裂隙水涌出。另外，在孔口管安装时，为了确保其安装强度，采用的是水泥-水玻璃双液浆加固孔口管，还可以在孔口管周围用木楔找平固定。孔口管的长度，也是根据加固层2的厚度确定。

需要说明的是，在加固孔口管之后安装高压阀门及防喷孔装置之前，对孔口管进行耐压抗渗试验，试验压力为2.4c～3.6c，其中，c为井下车场的静水压力。通过该耐压抗渗试验，可以进一步提升施工安全。

可选的，在安装孔口管时，在孔口管外壁上间隔缠绕麻丝环，麻丝环即为通过麻丝绕制而成的环状物，通过该麻丝环可以增大孔口管与孔壁之间的摩擦力，进而提高孔口管的安装强度，还可以提高水泥-水玻璃双液浆加固程度。

在施工完探水孔5后，需要测量多个探水孔的总出水量：

当总出水量≥第一阈值，且有2/3以上的探水孔满孔时，且观察岩体破碎，夹泥严重或呈碎块状，判断全断面有突泥涌水可能或危及井底车场施工安全，采取全断面帷幕注浆加固待开挖区3。

当第二阈值≤总出水量＜第一阈值时，而掌子面中心孔涌水量＜第四阈值，判定洞室周边存在突水可能或瞬时出水量超过排水能力，则采取超前周边注浆，采取超前周边注浆加固待开挖区3。

当总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量≥第三阈值时，观察岩体破碎，呈块石状或夹泥严重，判定有局部突水可能，则采取超前局部注浆加固待开挖区。

可选的，当总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量＜第三阈值时，不进行注浆加固施工，开挖通过该分段。

在不同的应用场景下，第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值选取不同的值。针对不同的出水量，选择不同的加工施工方式，可以因地制宜，在节省施工材料的同时保证施工安全性能，且由于施工方式的适用性强，也可以加快施工进度。

加固待开挖区3包括：根据注浆方法设计注浆孔口管位置，并安装注浆孔口管；在超深铁路隧道竖井1的井口处安装注浆泵，通过输浆管连接至注浆孔口管，且在输浆管位于井底车场4处安装泄浆阀。

传统的注浆加固方式是将注浆泵站布置在隧道掌子面处，注浆过程中，注浆材料需由井口倒运到井底，这样，受到井筒提升能力限制，会导致注浆进度缓慢，而且，还需要布置浆液缓存池，占用大量空间。而在本发明实施例中，将注浆泵站布置在井口处，通过输浆管输送至注浆孔口管。这样，可以免受井筒提升能力的限制，根据施工需要自由控制，加快施工进度。而且，由于该发明是应用于超深铁路隧道竖井1中，该竖井的井口距离井底的高度大于700m，当在井口布置注浆泵时，浆液从井口输送至井底，该过程中浆液收到重力作用会产生压力，就可以降低对注浆泵的功率要求，以降低施工过程中的能耗，进一步降低施工成本。

在一种可能的实现方式中，当输浆管连通后，在注浆前对输浆管道和注浆孔中需要进行压水试验，即向其内注入高压水，进而保证施工安全性。另外，通过压水试验，通过高压水还可以冲洗岩石裂隙中的充填物，如碎石子等，可以提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘接强度及抗渗能力。还可以个根据泵压及高压水的注入量，进行注浆孔吸水量的测定。具体测定方法为：q＝Q/H，式中，q为钻孔吸水量L/(min.m)，Q为压水最大压力时的流量L/min，H为试验段的高度m。

施工实施例：

本实施例为某铁路隧道竖井井下车场的探水加固实施例，如图1所示，该井下车场的竖井深度为762.59m左右，静水水压高达7.6MPa。将该待开挖区分段，每段定为30m。

根据计算加固层的厚度，计算得到该加固层厚度为4m。根据该厚度在隧道掌子面施工该加固层。

施工完加固层后，在该加固层上布置9个探水孔，即拱顶两侧各1个、两侧边墙各2个，底板2个、中心孔1个。边墙及拱部的探水孔距开挖轮廓线80cm，底板上的探水孔距底板60cm。拱部和边墙的钻孔落底分别距开挖轮廓线外5m，底板上的探水孔孔底距开挖轮廓线外5m。

探水孔孔口管安装：ZDY3500LXS型全液压坑道钻机，钻机配Φ60mm钻杆及Φ130mm球齿钻头造孔至2.8m，用压风吹净孔内岩粉，下入孔口管，孔口管需露出加固层0.2m。调整孔口管角度，并在孔口管周围用木楔将孔口管找正固定牢靠。孔口管由Ф108×6mm无缝钢管加工而成，长3m。

安装完成后，采用水泥-水玻璃双液浆注浆加固。孔口管安装并加固后做压水试验，用钻机扫孔并超过孔口管0.5m进行试压，采用18.24MPa注浆终压进行耐压抗渗试验，压水20min不漏即为合格，合格后正常钻进，否则注浆加固孔口管直到合格为止。

压水实验完成后，钻孔前于孔口管末端安设Q41N高压球阀及防喷孔装置，ZDY3500LXS型全液压坑道钻机配Φ60mm钻杆及Φ90mm球齿钻头钻孔至设计深度。

测量探水孔的出水量，测量发现，总出水量为45.6m³/h，有8个探水孔满孔。而且，岩体破碎，夹泥严重或呈碎块状，判断全断面有突泥涌水可能或危及井底车场施工安全，则采用全断面帷幕注浆。

注浆方案确定后，进行钻孔作业前先进行注浆孔口管埋设，由于注浆终压为15.2～22.8MPa，孔口管埋设后，必须按照18.24MPa注浆终压进行耐压抗渗实验，具体步骤同上(参考探水孔)，孔口管的安设质量，可有效避免因遇超高压裂隙水无法封堵而造成淹井事故。

超前注浆孔采用KQJ-92钻机，配Φ90mm冲击钻头按照角度要求成孔。钻孔前于孔口管末端安设Q41N高压球阀及防喷孔装置。钻进过程中，发生一次孔内涌水量大于5m³/h及卡钻异常情况，停钻、进行水压、水量测试并注浆后，继续钻孔至终孔后进行测水量、水压并注浆，钻孔严格遵循由下到上、由外到内、间隔跳孔施作。

本实施例中超深铁路竖井注浆时将注浆站布置于井口附近，注浆站内安装2台XPB-90E型注浆泵，最大注浆压力为40MPa。注浆浆液由井口注浆机通过输浆管直接进入受注岩层。输浆管路选用2路Φ50×6mm高压胶管，并采用管卡固定于井壁，与井底注浆孔连接。

注浆前进行压水试验，并根据泵压及注入量。注浆压力是浆液在裂隙中流动，扩散填充，压实的能量，是控制浆液距离的重要因素之一，常规情况下，注浆终压为静水压力的2～3倍，则注浆终压至少应为15.2MPa，但是由于本实施例的特殊注浆方式，借助了浆液从井口到井底输送时的自身压力，则注浆终压可以控制在7.6MPa即可，本段注浆材料为改性脲醛树脂浆液。

注浆开始时，先打开进浆阀，再关闭泄浆阀；注浆结束时，先打开泄浆阀，再关闭进浆阀，待泄压后清洗管路并拆卸注浆管路。

注浆过程中，若遇突发情况，如注浆压力突然上升或已开挖段支护发生异响应立即打开阀泄压，关闭进浆阀，停止井口注浆泵，查明原因后再决定该孔是否继续注浆。

注浆结束的标准如下：

单孔结束标准：

注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10min以上，且进浆速度为开始进浆速度得的1/4，注浆结束时的进浆量小于20L/min。

全段注浆结束标准：

a.所有注浆孔均以符合单孔结束条件，无漏注现象。

b.检查孔水量小于0.2L/m.min。

注浆结束后，进行开挖施工，由于该开挖段为30m，所以开挖至25m处，预留5m为下循环探注作业作止浆岩盘。

Claims (9)

1.一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，将隧道待开挖区沿隧道轴线方向分段，每段所述待开挖区(3)的探水加固包括以下步骤：

在隧道掌子面上施工加固层(2)，所述加固层(2)完全覆盖并贴合在所述隧道掌子面上；

在所述加固层(2)上向隧道开挖内部钻多个探水孔(5)，多个所述探水孔(5)的孔口均匀分布在所述加固层(2)上，多个所述探水孔(5)的孔底均匀分布在所述待开挖区(3)的同一横断面上，每个所述探水孔(5)走向为倾斜、且满足多个所述探水孔(5)的孔底覆盖区域(6)大于隧道开挖轮廓线；

测量多个所述探水孔(5)的总出水量：

当所述总出水量≥第一阈值时，采取全断面帷幕注浆加固所述待开挖区(3)；

当第二阈值≤所述总出水量＜第一阈值时，采取超前周边注浆加固所述待开挖区(3)；

当所述总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量≥第三阈值时，采取超前局部注浆加固所述待开挖区(3)。

2.如权利要求1所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，加固所述待开挖区(3)包括：

根据注浆方法设计注浆孔口管位置，并安装注浆孔口管；

在超深铁路隧道竖井(1)的井口处安装注浆泵，通过输浆管连接至所述注浆孔口管，且在所述输浆管位于井底车场(4)处安装泄浆阀。

3.如权利要求1所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，所述加固层(2)的厚度通过

得出，其中，B为所述加固层的厚度，K为施工安全系数，W为所述加固层的荷载，b为隧道横断面的宽度，h为隧道横断面的高度，[σ]加固层的抗压强度。

4.如权利要求3所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，在所述加固层上向隧道开挖内部钻多个探水孔(5)包括：

向所述探水孔(5)孔口处安装孔口管，并通过水泥-水玻璃双液浆加固所述孔口管；其中，所述孔口管伸出所述加固层(2)；

在所述孔口管的伸出端部安装高压阀门及防喷孔装置。

5.如权利要求3所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，在加固所述孔口管之后安装所述高压阀门及防喷孔装置之前，对所述孔口管进行耐压抗渗试验，试验压力为2.4c～3.6c，其中，c为井下车场的静水压力。

6.如权利要求4或5所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，所述探水孔(5)的数量为9个，其中，拱顶两侧各1个、两侧边墙各2个、底板2个、加固层(2)中心1个；

拱顶两侧的所述探水孔(5)、侧边墙上的所述探水孔(5)、底板上的2个所述探水孔(5)均位于开挖轮廓线内60～80cm，底板上的2个所述探水孔(5)，拱顶两侧的所述探水孔(5)、侧边墙上的所述探水孔(5)、底板上的2个所述探水孔的孔底均位于开挖轮廓线外5～8m。

7.如权利要求1所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，加固所述待开挖区(3)包括：

根据注浆方法设计注浆孔口管位置，并安装注浆孔口管；

在超深铁路隧道竖井(1)的井口处安装注浆泵，通过输浆管连接至所述注浆孔口管，且在所述输浆管位于井底车场(4)处安装泄浆阀。

8.如权利要求4所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，安装所述孔口管时，在孔口管上间隔缠绕麻丝环。

9.如权利要求4所述的一种用于超深铁路隧道竖井井底车场探水加固的方法，其特征在于，当所述总出水量≤第二阈值，且任一探水孔出水量＜第三阈值时，不进行注浆加固施工，开挖通过该分段。

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