深大竖井“S”型超深孔地表注浆施工工法.pdf

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1、深大竖井“S”型超深孔地表注浆施工工法深大竖井“S”型超深孔地表注浆施工工法1.前言1.前言我国的竖井注浆技术起步于 20 世纪 50 年代初期，1958 年我国第 1 次对峰峰煤矿区薛村煤矿的主、副井筒采用地面预注浆技术，到 1990 年，先后共有 64 个井筒采用了地面预注浆技术，但由于大多采用直孔钻进，场地要求宽阔，在狭窄的施工场地难以进行，且一直是以水泥为主要注浆材料。为解决施工空间需求及注浆材料单一等问题，20 世纪 90 年代，我国地面预注浆技术在钻孔技术方面逐渐由直孔优化成“S”型孔及“L”型孔，注浆技术由“水泥注浆时代”步入“黏土水泥浆时代”。隧道超深竖井井筒建设速度是影响整个

2、工程工期的关键。为加快建井速度，在井筒加固S型地面预注浆一序孔结束，即可进行二序孔钻注与井筒掘砌同时施工的快速建井工艺。“S”型地面预注浆技术关键是定向钻孔技术，定向钻孔大多为分支孔或曲线偏斜孔，它是借助弯接头或弯外管来控制钻孔的垂向和横向轨迹，使钻头可朝任意方向钻进从而形成“S”型轨迹的技术。xx三处通过在新建xx铁路xx隧道 2#竖井主、副井的实施，验证了“S”形超深孔帷幕注浆施工工艺的可行性和有效性，该施工工艺具有工效高、经济环保等优点，能有效解决加固前方围岩、与凿井不能平行施工等问题。现将该施工工艺总结成施工工法，为今后类似工程提供经验借鉴和思路参考。2.工法特点2.工法特点2.1 节

3、约施工空间。“S”形超深孔注浆全部工作在远离井筒的地面进行，工作条件不受限制、效率高、钻进速度快。设置分支孔可有效节约地面空间。2.2 可与凿井平行作业。“S”形超深孔注浆，可在前序加固注浆结束后，进入后续孔注浆时，井筒已注浆加固部分的井筒掘进与下部井筒注浆加固工作可同时进行。2.3 注浆有效充填。“S”形超深孔注浆钻孔可以交叉多个分支孔，通过高压力使浆液更有效的进入地层裂隙，实现对井筒破碎段围岩堵水加固。2.4 工序单一易操作。“S”形超深孔注浆施工过程中，工序简单易操作，无需二次构筑止水垫或预留保护岩柱，注浆过程中采用止浆塞，可避免注浆时跑浆的问题。2.5 科学定位、靶向加固。“S”形超深

4、孔注浆钻孔过程中，辅以陀螺仪同时定位，定位准确，可实现深孔需注浆范围的精准加固。2.6 可反复注浆、确保注浆效果。“S”形超深孔注浆施工过程中，可采用二次扫孔，验证注浆效果，若效果不满足要求，可实现多种方式进行反复注浆，确保注浆加固效果。2.7 注浆深度大、范围广。“S”形超深孔注浆，采用直孔段与“S”孔段相结合，有效提高注浆加固的深度和范围，可更有效的实现地层加固效果。2.8 材料来源广、价格低廉。“S”形超深孔注浆，实现了水泥与粘土的有效结合，搅拌制成粘土水泥浆液，注浆材料节能环保，造价低。123.3.适用范围适用范围“S”孔地面预注浆适用于深孔、破碎的预注浆加固工程。4.4.工艺原理工艺

5、原理“S”孔形超深孔注浆，主要是在井筒凿井之前，于地面实现定向钻孔，通过地表上注浆站将粘土水泥浆液通过输浆管进入受注地层，采用高压力对潜在的裂隙进行劈裂加固。注浆过程利用止浆塞分段注浆，分段内可采用上行式、下行式或上下行混合式的注浆方式，根据分段内地质情况灵活选择，最终实现地层有效堵水加固，最终形成有效止水帷幕，达到井筒安全开挖。5.5.施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.15.1 施工工艺流程施工工艺流程施工工艺流程见图 5.1-1。图 5.1-1工艺流程图35.25.2 操作要点操作要点5.2.15.2.1 施工准备施工准备为保证钻机基础的稳定性，要求场地平整牢固，防止钻塔歪斜

6、，影响钻孔质量。场内地面承载力满足要求时钻机直接安装在地面上，不能满足要求时需另行施工钻机基础。井位附近设置注浆站，注浆站设施主要包括：散装水泥存储罐、水泥自动上料及计量系统、一次搅拌系统、通风排尘系统、二次搅拌系统、注浆泵、注浆管路等。制浆站建在离注浆站较近位置，制浆站设施主要包括：高压射流制浆泵、振动除砂泵、倒浆泵、粘土堆场、储浆池等。5.2.25.2.2 钻塔、井盘安装钻塔、井盘安装1、场地平整牢固，防止钻塔歪斜，影响钻孔质量。场内地面强度需不小于 120KPa。2、钻塔、井盘等设备安装时，要求做到周正、水平、稳固。钻机转盘中心、影响钻孔质量。场内地面强度满足要求时钻机直接安装在地面上，

7、不能满足要求时需另行施工钻机基础。图 5.2-1 地面深孔预注浆“S”孔孔位平面布置示意图4图图 5.2-25.2-2地面深孔预注浆地面深孔预注浆“S S”孔（结构）轨迹示意图孔（结构）轨迹示意图5.2.35.2.3 直孔段钻进直孔段钻进开孔及直孔段采用245mm 孔径，钻具组合采用89mm 钻杆159mm 加重钻杆+245mm 牙轮钻头钻进。5.2.45.2.4 下套管、加固下套管、加固为防止套管下沉和浆液沿套管外壁返浆，必须对套管认真加固，封闭好管外环状间隙。钻孔钻至下管深度，清孔后即可下入219mm 套管。待套管下放完成后，采用套管压浆、外壁返浆方法加固套管，先用注浆泵压入清水置换出孔内

8、泥浆，然后压入 0.6：1 的水泥单液浆（加入水泥重量 5的 NaCl 和 0.5的三乙醇胺作为早强剂），最后压入定量清水待套管外壁返出浓浆，结束套管加固工作工作，养护 48 小时后转入下一工序。5.2.55.2.5“S S”型斜钻机与陀螺仪测斜同时进行型斜钻机与陀螺仪测斜同时进行“S”孔造斜段钻进采用螺旋钻杆钻进，在钻孔施工过程中，通过陀螺仪对钻孔的偏斜数据进行收集，计算出偏斜角度，通过经纬仪、陀螺仪对螺旋钻杆进行定位，配套使用钻具组合、定向钻至预定目标。5.2.65.2.6 纠偏纠偏钻孔要求在设计深度进入注浆圈径靶域，注浆段钻孔轨迹水平落点要求距离靶域中心不超过 1m，向竖井中线方向偏斜不

9、超过 500mm，同时要求 6 个钻孔轨迹同一水平面上的落点围绕井筒均匀分布。为防止钻孔过度偏斜，在钻进过程中应严格遵守技术操作规程，并且及时对钻孔轨迹进行监测，采用 tcx-50 型磁通门测斜仪，每 10m 取一个测点，必要时进行加密观测，并且把数据及时、准确计算后，绘制到钻孔偏斜平面图上，根据钻孔偏斜趋势情况及时采取纠偏措施。套管下入前和每个注浆段注浆前必须有准确的测斜记录，符合设计要求后，方可下管或转入注浆施工，以确保注浆质量。5采用螺杆钻具定向钻进纠偏。纠偏钻进钻具组合：造孔钻头+螺杆钻具+定向接头+钻杆。纠偏钻进要求钻孔轨迹光滑平缓，以确保孔内顺利下放套管、止浆塞、钻具等。5.2.7

10、5.2.7 下止浆塞下止浆塞注浆钻孔施工需要分段进行注浆，采用 KWS 系列止浆塞止浆，止浆位置根据注浆段高、岩层岩性等情况实际调整。止浆塞下入前要认真检查各丝扣是否紧密、完好，卡瓦是否灵活，拉筋是否平直、对称，胶筒是否完整、有弹性，内管是否畅通等。孔内下入止浆塞时，要均匀、慢速下入，遇到卡、阻现象时，缓慢串动，不得生拉硬串，必要时拉出止浆塞，扫孔后再下。5.2.85.2.8 压水试验压水试验每次注浆前例行压水 1020min，目的是检验注浆系统工作是否正常，同时把裂隙中的松散充填物推到注浆范围之外，并检查止浆塞止水效果，防止浆液上窜埋塞而造成孔内事故的发生。通过压水试验了解含水层的渗透性、连

11、通性、裂隙的发育程度，据此合理选取初始注浆参数。5.2.95.2.9 注浆注浆1、注浆配比选择粘土水泥浆主要材料有水、粘土、水泥、水玻璃。水采用自然地表水、地下水或工业用水；粘土要求含砂量小于 5%，塑性指数大于 17；水泥用 P.O42.5 普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度为 3542Be(波美度)。粘土原浆密度调整在 1.1210 3 1.2410 3 kg/m 3 之间；粘土水泥浆水泥加入量为 100300kg/m；水玻璃加入量 1040 L/m。各材料加入量根据注浆的实际情况及时合理调整。表 5-1 黏土水泥浆配比表黏土原浆水泥/kg水玻璃/L制浆量/m3密度（g/m-3）1.121.242

12、00202.0300302.0400402.0500502.02、粘土水泥浆制作将采集到的粘土运至堆土场地，然后用泥浆泵高压射流造浆，存于储浆池内备用，在使用时充分循环粘土浆液，使其保持悬浮状态，并测定粘度、比重，调配成所需粘土原浆浆，比重 1.121031.24103kg/m3。注浆时随时用比重计、粘度计测量浆液参数。将制好的粘土原浆定量泵入一级搅拌池，按需要加入水泥、水玻璃充分搅拌后制成粘土水泥浆液，放入二级搅拌池供注使用。3、注浆采用分段下行、每段复注的注浆方式施工，终孔复注采用分段上行式施工。表 5-2 地面预注浆段高参照表岩层破裂程度注浆段高水泥浆或水泥-水玻璃浆粘土水泥浆强风化破碎

13、带51030裂隙36mm103080裂隙3mm305080（重复注浆）601001506注浆终压应符合下列规定：1）岩帽段注浆终压值应大于静水压力值的 1.5 倍。2）注浆段注浆终压值应为静水压力值的 24 倍。3）注浆段粘土水泥浆注浆终压值：对孔深小于或等于 400m 的注浆段，终压值应为静水压力值的 2.53 倍；对孔深大于 400m 的注浆段，终压值应为静水压力值的 22.5 倍。注浆终量是注入地层中的浆液总体积，是保证浆液质量的重要参数。注浆终量的计算式为：=A（R+r）HnBm式中 Q浆液注入量，m；A浆液消耗系数，取 1.21.5；R浆液有效扩散半径，m；r注浆孔布置圈半径，m；H

14、注浆段高，m；n岩层平均裂隙率，%；B浆液充填系数，取 0.90.95；M浆液结石率，取 0.85；实际工作中，由于地层条件复杂多变，要以实际注入的浆液量为准，结合其他注浆参数用多参数保证注浆质量。当注浆同时满足终压和终量的要求后，继续注入时间应不小于 20min。对粘土水泥浆液注浆，当终量为 250L/min 及注浆压力达到终压时，经稳定20min30min 后，可结束该孔段的注浆工作；注浆施工结束的注浆效果宜采用压水检查方法，可选取最后施工的注浆孔作为检查孔，测定注浆段的剩余漏水量是否符合设计规定。5.2.95.2.9 扫孔检验扫孔检验注浆结束后，开始二次扫孔，采用压水试验评定剩余水量，若

15、孔内水量小于设计要求，则本段注浆结束，若扫孔孔内水量大于设计要求，则按照注浆程序进行复注，直至满足结束标准。5.2.105.2.10 钻孔过沉重的常见问题及处理措施钻孔过沉重的常见问题及处理措施1 1、卡钻处理方法、卡钻处理方法先用升降机和油压系统向上提拔钻杆，或串动与回转相结合进行处理，在返水的情况下应继续供送冲洗液。如果无效，则采用吊锤振打或千斤顶上顶的方法。再无效时，应根据孔内具体情况，采用反、透、扩、割、劈等方法处理。2 2、钻孔脱落处理方法、钻孔脱落处理方法如果是比较平齐或完整的钻杆、接头、接箍一般采用同级的普通公锥或母锥捞取。如果是钻具跑钻、脱扣，还可用原来上部的接头、接箍或钻杆丝

16、扣直接对取。3 3、埋钻处理方法、埋钻处理方法首先进行强力开泵冲孔，同时串动钻具，将填埋物以上的钻杆反上来，然后下入同径钻具送水将填埋物钻掉，用丝锥捞取事故钻具，透孔、割、磨的方法处理。4 4、钻孔跟踪测斜监控、钻孔跟踪测斜监控各孔所注浆液均有一定的扩散距离，因此钻孔所达到的位置大致均匀分布即可满足注浆需要，在钻进过程中使用陀螺测斜仪进行跟踪监测，取得准确测斜资料后，分析孔斜情况，及时绘制孔斜平面图以便指导纠偏工作，使钻孔偏斜达到要求。5 5、孔内事故的预防及补救、孔内事故的预防及补救7施工过程中根据地质情况选取合理的钻进参数，以确保孔内安全。当孔内发生卡钻、埋钻等事故时，为保证工期且不影响工

17、程质量的前提下，同一井筒内的其他钻孔可以先行造孔工作，同时采取正确有效的处理方式，尽早消除孔内事故。待孔内事故消除后，继续钻进造孔工作，造孔完成后，转入注浆工序，以保证整体工程进度。5.35.3 劳动力组织劳动力组织主要劳动力配备见表 5-3。表表 5.3-15.3-1劳动力配备表劳动力配备表序号岗位人数技术等级主要工作备注1注浆司泵2初级工操作注浆泵2注浆普工3中级工孔内注浆3钻机普工15中级工操作钻机4机修2技师设备维修5电工1技师临电管理合计236.6.材料与设备材料与设备6.16.1 材料配置材料配置地面预注浆主要材料有 P.042.5 水泥、黏土、水玻璃、工业盐、三乙醇胺，具体使用数

18、量以现场消耗为准。6.26.2 设备配置设备配置表表 6.2-16.2-1主要设备配置表主要设备配置表序号设备名称型号规格数量额定功率(KW)用于施工部位1钻机TSJ-2000 或 D2000/6003 台110注浆孔2泥浆泵TBW-8503 台90注浆孔制备黏土浆3泥浆净化机JSN-2C3 台制备泥浆4注浆泵BQ-35 或 BQ-5002 台130注浆5排污泵NL-3.56 台3排浆6潜水泵QS-40L3 台3抽水7黏土制浆机NJ-201 台30制备泥浆8搅拌机NJC-23 台7.5制备浆液9水泥仓100 吨3 个储存水泥10螺旋输送器3 套输送水泥11螺杆钻具5LZ957.06 根钻孔纠偏

19、12测斜仪JDT-62 套钻孔测斜13电测绞车2 台11.4测斜定向7.7.质量控制质量控制7.1 必须保证地面平面，确保地面承载力满足要求，确保钻塔和井盘安装牢固。7.2 开孔前，准确标定孔位，钻探设备安装要牢固、周正，提引器要对准孔中，换径要8轻压慢转，并带导向。7.3 原材料进场后，严格按照规范要求进行检验，原材料检验合格后方能用于注浆。7.4 严格按照设计配比配置浆液。注浆过程中加强浆液质量的检测，包括原材料质量检测、浆液浓度、比重、粘度等，保证注浆浆液质量符合设计要求。7.5 在施工工艺各环节严把质量关，对决定和影响工程质量的所有因素严加控制，避免盲目、被动施工。7.6 注浆质量检查

20、采用系统观点，应用多项评价方法，不是单一的一种指标，从而增加了技术上的可靠性。7.7 质检组在注浆过程中，要加强浆液的质量检测，保证注浆浆液配比符合设计要求，浆液比重建议控制在 1.121031.24103kg/m3，注浆开始、流量、注入量等符合要求。7.8 注浆时，现场人员统一归注浆员调度指挥，各尽职守，严格按照技术要求准确制备浆液，准确计量浆液参数（如水量、水泥量、粘土量）。7.9 进入导斜段时，各孔段的轨迹参数必须确定，平均顶角、最大顶角、造斜孔段的水平位移、最小造斜率、每段长度等都应计算出来。做好导斜钻进的准备工作，将孔内捞净，避免导斜器下不到孔底。导斜器导斜时，钻具出入导斜器上口要平

21、稳，且提钻时特别注意在没有提出导斜器上口时不要超悬重而拉死，如遇钻孔出现卡顿现象时要活动钻具试提，以免卡钻。用井底动力钻导斜时，应由双人看车，随时观察泵表压力，如遇突变，及时将钻具提离孔底，以防损坏钻具。上、下钻具及存放时，以防止碰坏或压弯动力钻具。8.8.安全措施安全措施8.1 落实安全责任，实施责任管理。建立完善以项目经理为首的安全生产领导组织，有组织、有领导的开展安全管理活动，承担组织领导安全生产的责任。8.2 项目经理是施工项目安全管理第一责任人。全员承担安全责任，建立安全生产责任制，从经理到工人的生产系统做到纵向到底，一环不漏，人人负责。一切从事生产管理与操作的人员依照其从事的生产内

22、容，分别通过企业、施工项目的安全审查，取得安全操作认可证，持证上岗。8.3 特种作业人员除经企业的安全审查，还需按规定参加安全操作考核，取得监察部门核发的安全操作合格证，坚持“持证上岗”。8.4 一切管理、操作人员均需与施工项目签定安全协议，向施工项目做出安全保证。8.5 为防止浆液中混入纸片及水泥硬块等杂物，在搅拌机倒灰口及出口处，设置过滤网。注浆池、储浆池周围设危险标志及护栏。9.9.环保措施环保措施9.1 粘土运输车以帆布覆盖，防止场内扬尘。进场后于施工场地设置围挡，围挡采用砖砌，防止粘土随意进场其他施工场地。9.2 井上注浆站采用封闭式厂房管理，厂房内做好防尘措施。9.3 针对施工过程

23、中产生的污水通过排水系统进入四级沉淀经沉淀和过滤且达到排放要求后再排至指定的地方。9.4 针对噪音比较大的施工设备，在设备上方布设隔音罩，且尽量在封闭的场所使用，夜间控制车辆鸣笛，减少噪音对周边居民的影响。9.5 施工中的废油治理采取集中收集后，直接运往指定地点进行处理，确保对本工程施工区环保没有影响。10.效益分析10.效益分析10.1 经济效益10.1 经济效益1、本工法采用粘土水泥浆作为注浆材料，节省了大量资源投入，粘土来源广，价格低廉，具有较好的经济效益。2、通过本工法与工作面注浆对比，工序简单，实现了二序孔与凿井平行施工，大大缩减了施工工期，具有良好的经济效益。3、通过本工法与工作面

24、注浆工法对比，本工法直接在地面上实施，施工风险较低。采用地面“S”型超深孔帷幕注浆施工工法成本上节省幅度达 42.6%。10.2 社会效益10.2 社会效益采用地面“S”孔预注浆工法，具有显著的社会效益：1、使用粘土水泥浆扩散半径大，可注性好，复注次数少，结实率高，注浆堵水效果较好。2、钻孔注浆可不占用建井工期，施工设备相应较其他特殊施工方法简单，费用较低。3、地面预注浆堵水效果较好，有效的降低了井筒施工过程中突水淹井的风险，减少了建井过程中因突水淹井造成群死群伤的事故概率，提高了竖井施工的安全性，对实现凿干井起到了重要作用。4、符合国家在人才培养、企业产业转型发展的需要。随着竖井在各类工程中

25、的广泛运用，地面预注浆工法在今后也将成为竖井治水的关键施工方法，此工法能够让施工技术管理人员有新的认知，提高工程注浆业务水平技能，使技术管理人员能够综合发展，从而提高企业在注浆方面的施工经验。综合上述，本工法不仅能缩短建井工期，且能大大降低突水淹井风险，对竖井安全、快速施工具有重要的现实意义。能创造较好的经济、社会效益，为今后同类工程积累了宝贵经验，应优先选用。10.3 节能环保效益10.3 节能环保效益采用地面“S”孔预注浆工法，过程中不同材料有专门的存放区，产生的废浆和废水通过四级沉淀和过滤后满足排放要求，同时该工法注浆材料采用粘土水泥浆，大大节约了能耗，且注浆堵水效果较好，减少了后期堵水

26、材料的投入使用，进一步节约了资源投入和降低了环境污染风险。11.应用实例11.应用实例11.1 工程项目一：xx隧道 2#竖井主井11.1 工程项目一：xx隧道 2#竖井主井11.1.1 工程概况2 号竖井主井为新建xx至xx铁路保山至xx段站前工程 DRBRTJ-2 标xx隧道的辅助坑道，位于云南省龙陵县黄草坝。2 号竖井主井位于隧道 D1K212+435 处线路中线左侧 60m，深度 640.22m，其中马头门坑底距井口深度为 621.22m，井底水窝深度 19m，主井直径 6.0m，主要功能为出碴、出污风。主井功能为出渣、出污风。11.1.2 施工情况及评价1.施工情况2017 年 4

27、月 1 日，进场后，通过地质勘探孔揭示，井筒 250m590m 为强全风化段，考虑下步施工安全，xx隧道 2 号竖井主井方法采用“S”型超深孔帷幕注浆施工工法。2017 年 7 月至 2018 年 3 月底，完成了对 2#竖井主井“S”型超深孔帷幕注浆施工。910采用“S”型超深孔帷幕注浆施工工法，封堵范围为 250m590m，灌注浆液量约 24786m 3。2.评价通过本次“S”型超深孔帷幕注浆施工，能够有效的对井筒强全风化段注浆加固，为下步安全凿井提供了安全保证，通过凿井实际揭示，再次验证“S”型超深孔帷幕注浆施工工法的成功，不仅降低了后续凿井的难度，而且实现了注浆与凿井的平行施工，大大缩

28、短施工工期。截止目前 2 号竖井主井已安全掘砌至井底。11.2 工程项目二：xx隧道 2#竖井副井11.2 工程项目二：xx隧道 2#竖井副井11.2.1 工程概况2 号竖井副井为新建xx至xx铁路保山至xx段站前工程 DRBRTJ-2 标xx隧道的辅助坑道，位于云南省龙陵县黄草坝。2 号竖井副井位于正洞 D1K212+435 线路中线右侧 30m，井身 640.36，内径 5.0m。主要功能为出碴、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。11.2.2 施工情况及评价1.施工情况2017 年 4 月 1 日，进场后，通过地质勘探孔揭示，井筒 250m590m 为强全风化段

29、，考虑下步施工安全，xx隧道 2 号竖井副井方法采用“S”型超深孔帷幕注浆施工工法。2017 年 7 月至 2018 年 3 月底，完成了对 2#竖井副井“S”型超深孔帷幕注浆施工。采用“S”型超深孔帷幕注浆施工工法，封堵范围为 250m590m，灌注浆液量约 26513m 3。2.评价通过本次“S”型超深孔帷幕注浆施工，能够有效的对井筒强全风化段注浆加固，为下步安全凿井提供了安全保证，通过凿井实际揭示，再次验证“S”型超深孔帷幕注浆施工工法的成功，不仅降低了后续凿井的难度，而且实现了注浆与凿井的平行施工，大大缩短施工工期。截止目前 2 号竖井主井已安全掘砌至井底。11.3 施工照片11.3 施工照片图 11.3-1地面预注浆钻头 111图 11.3-2地面预注浆钻头 2图 11.3-3地面预注浆钻铤 112图 11.3-4地面预注浆钻铤 2图 11.3-5地面预注浆钻杆 113图 11.3-6地面预注浆钻杆 2图 11.3-7钻机机体 114图 11.3-8钻机机体 2图 11.3-9钻塔 115图 11.3-10钻塔 2图 11.3-11制浆泵 116图 11.3-12制浆泵 2图 11.3-13注浆机 117图 11.3-14注浆机 2图 11.3-15浆液搅拌池18图 11.3-16储浆池图 11.3-17水玻璃池19图 11.3-18黏土水泥浆搅拌