0 引言
立井井筒是联系地面和地下巷道的关键部分［1］，目前通常采用注浆法对其涌水进行治理，注浆法技术成熟，能够形成永久堵水帷幕，应用最为广泛［2］。地面预注浆技术是在井筒通过厚度大、水压大、岩层极为破碎的基岩含水层时，在拟建井筒周围采用钻机钻孔并采用地面注浆泵将浆液注入地层，浆液经过渗透、扩散和凝固，在井筒尚未开挖前就形成具有一定强度、又不透水的止水帷幕以隔断水层［3 － 4］。1958 年，我国首次在峰峰矿区薛村煤矿竖井采用预注浆法治理涌水［5］; 20 世纪80 年代，随着立井建设增多，注浆材料从传统的水泥发展到水泥－ 水玻璃、化学浆液等; 到20 世纪90 年代初，步入了“黏土水泥注浆时代”。近年，随着定向钻进和陀螺测斜技术的引进，以及S 孔、Y 孔等定向分支钻孔的应用，大大减少了注浆工程量，提高了堵水效果，经济效益显著［6］。石槽村煤矿副井［7］、杨村煤矿立井［8］、大贾庄铁矿［9］及田兴铁矿［10］等均采用了S 孔定向钻井注浆技术治理井筒涌水。Y孔定向分支钻孔是指在场地受限的情况下，为减少地面钻孔布置而在固管段以下打分支孔，该方法增加了造孔的难度，在相关文献中鲜有报道，同时注浆作为一种隐蔽工程，其质量往往依靠技术的熟练程度，而效果评价借助于地质勘探资料和分析施工过程中记录的数据，人为影响很大，因此提出了采用监控设备对施工过程和注浆参数进行实时记录、控制和分析，避免人工记录与观察的不准确。
以淮南张集矿第2 副井为例，采用地面预注浆施工技术治理井筒涌水，同时使用自主研发的监控设备实施全过程的监控。
1 工程概况
1． 1 工程地质概况
张集矿区位于淮南市凤台县桂集乡西约2 km 处，地处平原地带，北部、东北部与顾桥矿紧邻，南部与新集一矿相邻，西部与谢桥矿相邻，地形呈扇形展布单斜构造，地层呈不完整的弧形转折走向。其中，西段地层走向在西北75°左右，中段急转东西、北东方向，至北段大致向正北延伸。地层倾角平缓稳定，中央石门以东为2° ～ 5°，以西约为10°。工业场地以南至斜轴为15°，局部有30°，并伴有明显的波状起伏。矿井南北边缘断裂发育，井田内部有较多但规模不大的断裂。矿区内揭露的地层自上而下依次为第四系、古近系、新近系、三叠系、二叠系、石炭系上统太原组和奥陶系中下统。
1． 2 水文地质概况
张集矿区主要的充水含水层由新生界松散砂层孔隙水、二叠系砂岩裂隙水及灰岩岩溶裂隙水3 部分组成。根据井筒检查孔提供的资料显示，基岩共分为8个水层，累计厚度为135． 27 m，岩性以细砂岩和中砂岩为主，含水层及其涌水量统计见表1。
1． 3 井筒概况
为满足采掘接替规划和矿井安全生产的需要，解决中央区长距离通风和下山开采等问题，新建了第2副井，井筒位于工业广场内，距主井210 m、副井340m、风井182 m，井筒直径为8． 80 m，井口标高为+ 26． 50 m，深度为876． 50 m。井筒穿越破碎断层，水文和工程地质情况复杂多变，穿过含水层且含水量较大，若不提前采取治理措施，会有突水淹井的可能，因此在井筒的上部表土及部分基岩段采用冻结法施工，下部基岩则采用直孔和Y 孔相结合的地面预注浆施工技术。
表1 含水层及其涌水量统计
2 注浆方案
2． 1 总体设计
采用冻结、注浆、凿井“三同时”的施工方法，即在上部地层采用冻结和凿井法施工，同时在地面进行定向钻井，并在表土层底部深入到基岩段以下采用地面预注浆，以实现上下部施工的同步进行。
井筒地面预注浆施工采用直孔和Y 孔相结合的方法，整个注浆段分为上部直孔段与下部Y 孔段。在上部直孔段注浆结束后，开始冻结造孔工程的施工; 而外围的Y 孔则要在远离井口、避开地面各类施工设备的位置布置钻孔，在达到一定深度固管段以下打分支孔，进入基岩段设计注浆圈径范围后注浆堵水，其远离井口的施工措施避免了冻结过程中造成的土体膨胀的干扰。该种工法实现了注浆、冻结、凿井的“三同时”作业，与以往先进行地面预注浆、再进行冻结、然后进行凿井的作业方法相比，大大缩短了施工工期［11］。
2． 2 注浆起止深度
综合考虑井筒所处地层的地质及含水层涌水情况( 见表1) ，确定注浆起止深度为370 ～ 942 m，共572m。为了保证下部Y 型注浆钻孔不影响冻结壁的形成、确保合理的钻孔定向轨迹，确定冻结段深度为400m，直孔注浆起止深度为370 ～ 620 m，注浆段长度为250 m，上部与冻结段重合长度为30 m，固管段深度为370 m; Y 孔注浆段起止深度为610 ～ 942 m，注浆段长度为332 m，上部与直孔段重合长度为10 m，下部超过井筒深度为65． 5 m，造斜段长度为405 ～ 610 m，固管段深度为610 m。施工时，采用JDT － 6 陀螺测斜仪进行监测，要求每隔10 m 布置1 个测点，保证直孔段终孔偏斜率不大于0． 5%，Y 孔进入下部注浆段与设计圈径的偏斜率不大于1%［12］。直孔段、Y 孔段和冻结段的钻孔轨迹及注浆起止深度如图1 所示。
2． 3 注浆钻孔布置
注浆孔数不宜过少，孔距也不宜太小，应控制在5 m 左右，布孔圈径原则上控制在50 m 范围内。依据上述原则，综合考虑现场施工和设备情况，参考文献［3］的经验公式
N = π( D + 2A) /L。
其中: N 为注浆孔数量; D 为井筒掘进直径，m; A 为注浆孔至井筒荒径的距离，一般取0 ～ 1． 5 m; L 为注浆孔间距，一般取3 ～ 5 m。
经计算，需设计布置8 个直孔，布孔圈径为15 m，钻孔均匀布置，孔间距为5． 89 m; 钻孔分2 级结构，开口采用φ190 mm 的牙轮钻头，钻进至370 m 时，下入φ168 mm 的套管，370 ～ 620 m 段采用φ130 mm 的钻头钻进至终孔。在外围地面井架基础附近布置4 个Y孔，距井中距离20 ～ 22 m，地面落点大致均匀分布，在钻进405 m 时进入造斜段，在610 m 进入设计靶域，共布置8 个分支孔，靶心圈径为13 m; 610 m 以下为直孔，钻孔同样分2 级结构，0 ～ 405 m 段采用开口直径为215 mm 的钻头钻进，下入178 mm 的套管， 405 ～942 m 段采用φ130 mm 的钻头钻进至终孔。直型和Y型钻孔的平面布置见图2。施工时，将直孔和Y 孔分为2 组，先施工奇数号孔，再施工偶数号孔，并分别留1 个孔作为检查孔。
图1 钻孔轨迹及注浆起止深度( 单位: m)
2． 4 注浆段高度的划分与材料配比
注浆固管和岩帽段作为施工的基础，是限制浆液上窜的屏障，且工期要求紧。基于井筒各注浆段地层的特点，以及单液水泥浆相对于黏土水泥浆终凝时间较长、但最终强度较高的特点，采用单液水泥浆进行注浆固管和岩帽段的注浆，若施工中浆液出现较大的流失，可适当注入黏土水泥浆。岩帽段注浆起止深度为370 ～ 380 m，其余基岩段注浆，主要起堵水的作用。因为黏土水泥浆具有渗透流动性好、悬浮稳定性佳、输送性能优和塑性强度高的特点，且可就地取材、价格低廉，与水泥浆相比可使水泥用量减少60% 以上，是一种适宜高效的注浆材料，因此选用黏性水泥浆对其余基岩段进行注浆。在施工中必要时可在黏性水泥浆中注入速凝剂和早强剂，以提高浆体凝结硬化的速度和强度。基岩段共划分为9 个注浆段，其中4 个直孔段、5 个Y 孔段。
图2 井筒地面预注浆孔平面布置图
根据水灰质量比调整单液水泥浆浆液，依据先稀后浓的原则将其注入到岩石裂隙破碎带中，以达到封堵的效果。另外，研究表明，在水泥浆液中加入水泥含量0． 5% 的食盐和0． 05% 的三乙醇胺，可有效缩短初凝和终凝时间，并可提高早期强度［13］。配制1 m3 单液水泥浆的主要成分配比见表2。
表2 配制1 m3 单液水泥浆的主要成分配比
黏土水泥浆主要由黏土、水泥、水玻璃和水构成，先将黏土搅拌成泥浆，再加水泥、水和水玻璃，施工过程中仍按照先稀后浓的原则调整黏土水泥质量之比，然后进行注浆，可起到良好的堵水作用。其主要成分配比见表3。
表3 配制1 m3 黏土水泥浆的主要成分配比
2． 5 注浆压力控制
注浆压力的计算主要遵循随深度增大而增加的原则。一般，渗透系数小的比渗透系数大的地层注浆压力大，深部注浆比浅部注浆压力大，注水泥浆液比注化学浆液注浆压力大［14］。根据经验和现场设备情况，最终确定岩帽段注浆终压为静水压力的1． 5 ～ 1． 8 倍，直孔段终压为静水压力的2． 0 ～ 2． 5 倍，Y 孔段终压为静水压力的2． 0 ～ 2． 2 倍。
3 钻孔注浆工艺与施工
3． 1 钻孔及注浆方式
钻孔工艺流程: 钻机安装—钻机就位—开孔—固管段钻进—下套管及固管—注浆段钻进—注浆—扫孔—钻进—终孔—封孔—撤场。其中的关键为Y 型孔的定向钻进、分段注浆及止浆的方法。
在注浆前一般要进行压水试验，以检验注浆系统的封闭性、判断岩层的透水性，以及将裂隙中的充填物推到注浆范围外，保证浆液充填的密实性。整个施工过程中采用钻杆注浆、下行注浆的方式，即下行注浆、上行复注。采用KWS 系列止浆塞进行止浆，其安设位置选择在岩石坚硬、孔形规整、已注浆与未注浆段相互重叠的地方，以防止浆液沿纵向裂隙上窜，另外将止浆塞固结在孔内，下入止浆塞时应均匀慢速，如有卡阻现象，应缓慢正向转动钻杆两三次再继续下放。
3． 2 注浆工艺
注浆工艺流程是从搅拌浆液开始，到浆液进入受注岩层的整个过程，施工中主要注入黏土水泥浆，其流程如图3 所示。
图3 注浆工艺流程
3． 3 注浆施工
注浆压力、注浆量及养护是注浆施工质量的保证，是形成隔水帷幕的基础。井筒各注浆段注浆情况见表4。由表4 可知，注浆段的终压值均超过了设计值，且在含水较为丰富的地层中加大了注浆压力，使得浆液能够很好地扩散，保证了注浆质量。
表4 井筒各注浆段注浆情况
整个注浆施工以黏土水泥浆为主，在需要加固的地层段，如岩帽段，仍采用单液水泥浆。根据统计，岩帽段注入单液水泥浆共510 m3 ; 直孔段注入黏土水泥浆共5 996 m3，平均注入量为24． 98 m3 /m; Y 孔段注入黏土水泥浆共10 290 m3，平均注入量为30． 99 m3 /m。整个注浆施工，遵循“先稀后浓”的原则，采用间歇式注浆策略，对某些较为复杂的地层，采取“小段高，多注次，少注量，逐步增压”的方法，以充填裂隙，保证注浆质量。
对于注浆养护，单液水泥浆养护4 ～ 8 h，每间隔20 ～ 24 h 进行1 次复注; 对于黏土水泥浆，养护6 ～ 12h 后扫孔复注。整个施工过程实现了实时控制，在达到设计注浆终压值、单液水泥浆终量50 ～ 60 L /min、黏土水泥浆不大于250 L /min 时［15］，继续保持压力，并注入较稀的浆液20 ～30 min，方停止注浆，然后进行封口。
4 注浆效果与评价
此次注浆工程时间跨度大，工期长达1 年，注浆时间不确定，注浆次数多( 一个段高平均注浆次数为3次，总次数达200 多次) ，注浆总量超过16 000 m3，且对此类隐蔽工程，过程控制的重要性远大于对结果的检测。该工程首次采用了安徽理工大学与杭州某公司联合研发的注浆监控设备，克服了以往现场管理、数据采集以及注浆过程中突发情况难以发现的困难。此次施工效果以过程控制和施工后压水试验2 方面来评价。
4． 1 过程控制
研发的注浆监控设备由流量计、压力传感器和CJ － G3 注浆自动记录仪组成，流量计、压力传感器与自动记录仪连接，其工作原理示意如图4 所示。其中，流量计能够实现对流量的瞬时显示、记录、积算和调节，量程为0 ～ 250 L /min，分辨率为0． 01 L /min，精度为0． 5%; 压力传感器可准确测量浆泵输出水泥浆的压力，测量范围为0 ～ 50 MPa，精度为0． 5%; 自动记录仪主要进行数据的采集、分析、储存、显示，包括浆液的水灰质量比、流量、压力、时间、注浆量等施工信息，实现对整个注浆过程的实时监控，并以数据的形式显示，同时生成流量－ 时间、压力－ 时间波形图呈现给操作者，若在施工过程中出现跑浆、窜浆和管路堵塞等情况，监测数据和图像会出现较大幅度的变化，根据监测数据和图像可以对施工进行实时分析和调整，保证注浆过程的安全和质量，减少材料浪费。监控设备实拍如图5 所示。
另外，监控设备还可设置预警系统，例如，当注入量未达到设计值或超过设计值的1． 5 倍、注浆压力未达到设计值的50% 或超过设计值时，系统会自动报警，此时技术人员根据当前的注浆状态，分析查明原因，并采取相应的技术措施。
选取Z3 孔第4 注浆段和Y6 孔第7 注浆段施工时生成的部分流量－ 时间和压力－ 时间曲线，分别如图6 和7 所示。
图4 注浆监控示意图
图5 监控设备
图6 注浆流量与时间关系曲线
从图6 可以看出，Z3 孔注浆量随时间的变化幅度不大，平稳在215 L /min 左右，整个过程较为平缓，这表明注浆速度趋于稳定、注浆的填充效果较好; Y6 孔注浆量随时间的变化幅度较Z3 孔大，位于205 ～ 220L /min，但仍在施工允许的范围内。
图7 注浆压力与时间关系曲线
由图7 可看出，Z3 孔和Y6 孔的注浆压力随时间的变化幅度均较小，整个过程未出现明显的变化和拐点。结合表4 中的注浆终压值可知，Z3 孔和Y6 孔均在可靠压力范围内施工，说明施工时注浆压力得到了有效控制。
整个监测过程中，设备每隔50 s 自动记录流量和压力1 次，并以数据和变化曲线图的形式显示，有效细化了施工过程中，流量和压力的整个变化过程，防止了人为偷工减料等不确定因素，既获得了重要的施工参数，也实现了对全过程的实时控制。
4． 2 效果评价
采用压水试验的方法评价注浆质量，注浆孔压水深度与注浆段一致，分别为试验段1( Z7 孔327 ～ 387m) 、试验段2 ( Z7 孔382 ～ 500 m) 、试验段3 ( Y4 孔497 ～ 753 m) 、试验段4( Y1 孔747 ～ 942 m) 。测得的渗透系数分别为1． 77 × 10 － 4 m/d、2． 11 × 10 － 4 m/d、4． 16 × 10 － 5 m/d、7． 28 × 10 － 6 m/d，渗透系数均较小，说明注浆有效封堵了裂隙中的含水层，切断了岩层中的水流通道，水文地质条件得到了明显改善。同时，计算注浆后累计井筒剩余通水量仅2． 27 m3 /h，与类似工程相比，小于4 m3 /h 的质量标准［12］，堵水效果明显。
5 结论与讨论
根据张集矿区的水文地质条件和井筒的建设要求，制定了直孔和Y 孔共同布设的注浆方案，实现了“冻、注、凿”的三同时施工，既缩短了工期，增加了堵水效果，又消除了开凿过程中遇到的突水、涌水等隐患。在浅部需冻结、深部基岩含水量丰富的情况下，直孔和Y 孔共同布设的注浆方案是一种较好可行的技术方案，能够实现快速建井。施工中成功对整个注浆过程实施了动态监控，在出现异常情况时及时进行了必要的调整，并对各项施工参数进行了统计，为建立注浆过程参数变化数据库提供了有效的资料，并为相似条件下进行注浆施工提供了参考。
注浆施工的设计方案要和注浆设备、注浆质量效果监控技术相结合，利用电子信息技术和远程操控技术，研究开发机械化、智能化、数字化程度高的注浆技术，提高注浆施工的可操作性。
摘自：隧道建设