一种弱风化大理岩地层井筒地面预注浆浆液控制方法与流程

本发明属于井筒防治水，涉及一种大倾角弱风化大理岩地层井筒地面预注浆浆液控制方法。

背景技术：

1、注浆技术始于19世纪初，1824年随着硅酸盐水泥的问世，使得注浆技术被应用于隧道、矿山、水坝、基地等工程。20世纪中后期以来，随着注浆材料、注浆方法的发展，注浆技术发展迅猛，从渗透注浆发展到复合注浆；从无压注浆到各种形式的综合注浆技术，使得注浆法适用范围得到广泛发展。

2、当在高寒山区开凿井筒时，井筒预掘地层范围含水层厚，且地下水渗流补给量大时，在竖井开凿前或掘进进入含水层前，通过地面预注浆，在竖井四周形成一道永久性闭合隔水帷幕墙，使地下水绕流，井筒在隔水帷幕保护下进行掘砌作业，从而保障掌子面人员和设备安全。通过调研分析，现有的注浆引流技术能实现对浆液扩散方向的控制，通过钻孔抽排水主动引流，因需要建设抽排水装备，不仅施工成本高还造成对地下水资源的浪费，使得其在高寒山区的适用性受限。

3、为了抢抓井筒施工“窗口期”，往往先布置井口设施、稳车群、绞车房、空压机房等施工临建设施并进行锁口施工，导致钻机位置受限，注浆段无法靠近井壁且不能均匀布置在井筒四周；只能在凿井设施间空隙场地设置帷幕圈，在井筒帷幕圈上设置若干注浆钻孔，而对于大倾角深埋弱风化大理岩地层，其裂隙发育较小，能过水但吃浆量较小，使大理岩裂隙不能得到充分注浆；若相邻注浆孔浆液之间不能完全叠接留有导水裂隙，则帷幕墙就会出现薄弱出水点，帷幕体外侧的水可以通过导水裂隙穿越帷幕墙进入帷幕内侧。井筒周长越大，帷幕线周长越长，帷幕墙薄弱出水点越多，则会导致帷幕的防渗能力大大降低，达不到帷幕墙预期的隔水效果。

4、隔水帷幕注浆过程控制的常规方法是根据吃浆量适时调整注浆压力和浆液浓度，由于弱风化大理岩裂隙通道的不均匀性、复杂性和盲目性，承压浆液往往沿着受注地层中的优势裂隙通道扩散，盲目提高注浆压力，难以保障浆液沿设计帷幕线扩散。因此，单一采用提高注浆压力或改变浆液浓度的方法，不能保证浆液沿帷幕墙形成完整的闭合隔水帷幕筒墙。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种弱风化大理岩地层井筒地面预注浆浆液控制方法，以解决浆液在弱风化大理岩地层中扩散的复杂性和不确定性，使浆液沿着设计帷幕圈有效扩散，保证帷幕墙堵水效果。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种弱风化大理岩地层井筒地面预注浆浆液控制方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据预掘井筒直径、地层走向和倾向，在凿井临建设施间空隙场地，围绕预掘井筒布设多圈帷幕线形成帷幕靶向区；

5、步骤2，在帷幕线上设计多个注浆钻孔轨迹，钻孔孔口位于帷幕线上或靠近凿井临建设施外侧，钻孔孔底位于帷幕靶向区内，钻孔孔口和孔底在地层空间竖向异位，注浆钻孔轨迹在地层空间成“双l”组合型；

6、步骤3，将沿帷幕线周向均布的多个注浆钻孔作为i序钻孔，自上而下分别完成i序钻孔的非注浆层段i、非注浆层段ii、注浆层段钻进；在注浆层段，i序钻孔在预掘井筒外帷幕靶向区内自上而下分段钻进，当i序钻孔中的起始注浆钻孔完成注浆层段第一个段高的钻探时，与起始注浆钻孔相邻的i序钻孔作为走向卸压孔，完成同层段钻探，与起始注浆钻孔处于对角的i序钻孔作为倾向卸压孔，分别完成高位层段的钻探工作；

7、步骤4，在走向卸压孔和倾向卸压孔的孔口安装孔口阀门，打开孔口阀门，使注浆钻孔处于静压状态；注浆钻孔先进行大泵量压水，以疏通弱风化大理岩裂隙，观测注浆钻孔水位上升及溢流情况，保证注浆效果；压水结束再开始注浆，浆液由稀到浓，由起始注浆孔沿地层走向流向同层位相邻走向卸压孔，沿地层倾向流向高层位对角倾向卸压孔，当注浆钻孔达到注浆结束标准时，结束第一层段的注浆工作；

8、步骤5，分别顺次以步骤3中相邻走向卸压孔为下一注浆孔，该注浆孔的相邻i序钻孔为新的走向卸压孔，该注浆孔的对角i序钻孔作为新的倾向卸压孔，重复步骤3至4；

9、步骤6，重复上述步骤3至5，直至步骤3中的起始注浆孔成为相邻走向卸压孔时，则完成井筒第一个段高的注浆工作；

10、步骤7，起始注浆孔内浆液凝固后，注浆孔扫孔并延伸钻探至第二个注浆层段，重复上述操作步骤3至6，直至帷幕线上所有i序钻孔完成全孔注浆层段的注浆工作；

11、步骤8，当起始注浆孔分段下行完成所有层段注浆后，其对角注浆孔则存在盲区段，无法保证注浆效果，此时，选择与起始注浆孔的对角注浆孔相邻的i序钻孔为卸压孔，采用步骤4同层位卸压，重复上述步骤3至7，直至盲区段所有i序钻孔完成剩余盲区层段的同层位注浆工作；

12、步骤9，将穿插间隔布设在i序钻孔之间的注浆钻孔作为ii序钻孔，在无卸压孔的情况下，自上而下分段钻进，分段完成同层位注浆；

13、步骤10，完成所有i序钻孔和ii序钻孔注浆，浆液凝固后，在预掘井筒外大倾角弱风化大理岩地层中形成不规则厚壁圆筒状永久性闭合隔水帷幕，将地层水阻隔在帷幕外绕流。

14、本发明还包括如下技术特征：

15、具体的，所述步骤1中，内圈帷幕线距预掘井筒井壁距离为d：

16、d＝(2m-1)de+2hα-rh

17、上式中，m—自预掘井筒中心算起帷幕线圈数；

18、h—注浆段标高，m；

19、α—钻孔允许偏斜率；

20、rh—预掘井筒荒径，m；

21、de—注浆孔交圈厚度，de＝1.2r，r为浆液有效扩散半径。

22、具体的，所述浆液有效扩散半径r为：

23、

24、该式中：k—浆液粘度倒数；

25、v—浆液注入流量，m3min；

26、t—浆液胶凝时间，min；

27、n—大理岩孔隙率，％。

28、具体的，所述内圈帷幕线距预掘井筒井壁距离范围为1.5～2m，相邻帷幕线间距1m。

29、具体的，所述步骤2中，依据预掘井筒位置，建立预注浆场地空间三维坐标，钻孔轨迹空间坐标计算式如下：

30、

31、

32、

33、式中，为ni点空间坐标；为ni与ni-1点空间距离，m；α为ni与ni-1点连线与z轴夹角，θ为ni与ni-1点连线方位角。

34、具体的，所述步骤3中的起始注浆孔是沿地层倾角走向选取的同层位大埋深一侧任一i序钻孔。

35、具体的，所述步骤4中，观测注浆钻孔水位上升及溢流情况时，若走向卸压孔和倾向卸压孔中有浓浆流出时，立即关闭孔口阀门，注浆孔继续注浆。

36、具体的，所述步骤4中，结束第一层段的注浆工作后，间隔10小时，进行扫孔，对注段进行压水检测，若钻孔注浆段吸水量大于60l/min，则需进行低泵量复注，直至达到终孔标准。

37、具体的，所述步骤10中，在形成不规则厚壁圆筒状永久性闭合隔水帷幕后，采用“十字穿芯”法，在帷幕线外场地布置两个检查钻孔，检查钻孔轨迹穿越预掘井筒“井芯”，对i序钻孔和ii序钻孔漏水点进行检查，并对漏水点补充注浆。

38、具体的，完成漏水点检查和补充注浆后，对检查钻孔进行注浆。

39、本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

40、(1)本发明采用钻孔被动式静压放置、泄压引流，与现有的主动式钻孔抽排水、动水引流机理不同：现有的引流注浆需要在地面施工钻孔进行抽排水，或在掌子面施工钻孔进行排水，抽水或排水时都需要地层水流动起来，利用水头压力差迫使浆液沿帷幕圈扩散，其机理是主动从引流钻孔做工作，使含水层水流动。本发明采用孔口、孔底在地层空间竖向异位，分段下行式定向钻进，轨迹在地层空间成“双l”型钻孔钻进，与起始注浆孔相邻钻孔作为走向卸压孔，对角钻孔作为倾向卸压孔；当起始注浆孔分段下行完成所有层段注浆后，其对角注浆孔则存在盲区段，无法保证注浆效果，因此，盲区段采用同层位卸压。放置钻孔的方法使浆液沿帷幕圈方向扩散，是一种被动的利用钻孔泄压，使注浆孔和卸压孔处的地层在帷幕圈产生更大的压力差，间接增大了注浆压力，从而使含水层中的浆液向卸压孔方向流动，可有效提高帷幕注浆效果。

41、(2)本发明能有效干扰浆液扩散方向，使浆液沿帷幕线方向运移：提高帷幕筒墙抗渗性：

42、浆液在高注浆压力牵引下处于自由扩散状态，可以在受注地层的优势通道中远距离扩散，但在劣势通道中扩散距离非常有限。由于弱风化大理岩地层的复杂性和帷幕工程的人为性，帷幕线设计方向很难与注浆层段的优势通道一致，若不对浆液进行干扰，浆液虽有可能扩散很远但未必能沿帷幕圈相互叠接形成一道完整的抗渗筒墙体，因此，单纯采取提高注浆压力的方法很难实现井筒防治水预期效果。

43、在大倾角弱风化大理岩含水地层中打开泄压口，浆液在注浆压力牵引下在含水层中推动着水流运移时，地层水沿着裂隙通道会向卸压孔临空面方向自然流动，因为卸压孔孔径一般比受注层位裂隙开度大且孔内畅通无阻，在高注浆压力的持续作用下，含水层的水可沿钻孔内壁向上流动至孔口，牵引着浆液向卸压孔临空面方向扩散，对浆液的自由运移形成了有效的引流，当浓浆从卸压孔溢出时，浆液必然沿帷幕圈方向从注浆孔运移到卸压孔，浆液扩散距离在帷幕圈方向增大。最后经过后续帷幕注浆孔的加密穿插注浆，形成永久闭合的帷幕筒墙，井筒抗渗性得到大幅提高。

44、受弱风化大理岩注浆层位的复杂性影响，注浆过程中有可能注浆孔已达到注浆结束标准但卸压孔仍无浓浆流出。因帷幕受注层位和泄压层位为同一含水层，注浆孔和卸压孔间距小，成孔后有统一水位，注浆压力下卸压孔的水位会自然升高，因此泄压孔虽无浓浆流出，但在卸压孔内水位被高注浆压力推高的情况下，浆液也会受到一定的牵引，有利于浆液沿帷幕圈向卸压孔方向流动，提高浆液有效扩散距离和帷幕注浆效果。

45、(3)本发明无需施工抽排水钻孔，工序简单费用低，主动对受注地层进行引流注浆可达到干扰浆液流向、提高帷幕抗渗性的效果，引流注浆可分为两种，一种是利用掌子面作业空间排水引流，一种是在地面帷幕孔上进行抽水引流。掌子面引流需另外施工专用引流钻孔，增加了钻探工程量，且需对孔内溢流出的水进行强制排放。地面引流注浆虽引流孔的孔位也在帷幕注浆孔位上，但要进行抽排水，需要使用抽水装置，并借助外部动力进行长时间抽水。比起掌子面排水引流和地面抽水引流，本发明既不需要在施工掌子面施作钻孔抽排水，也无需在地面安装抽水装置并配置排水动力，结合场地情况、地层倾向、走向等，泄压孔可布置在帷幕线上或周边，可均匀布置也可非均匀布置，在地层空间竖向成“双l”型，与起始注浆孔相邻钻孔作为走向卸压孔，对角钻孔作为倾向卸压孔；当起始注浆孔分段下行完成所有层段注浆后，其对角注浆孔则存在盲区段，无法保证注浆效果，盲区段采用同层位卸压。整个帷幕施工过程未发生多余钻探工程量，施工工序简单、费用低。

46、(4)本发明浆液引流控制原理简单，无多余操作，实用性强，本发明采用含水层“双l型”钻孔走向同层位、倾向高层位、盲区同层位定向泄压引流原理，并辅以高注浆压力稳压注浆，在注浆压力下倘若注浆地层有临空面泄压点，对应层段地下水就会流向泄压点，引导浆液沿帷幕设计方向向该点方向运移。利用这个原理，本发明实施中只需在距离注浆孔一定孔位处施工走向同层位、倾向高层位、盲区同层位的卸压孔，然后将钻孔放置、对钻孔进行观测、有浓浆流出时关闭孔口阀门，实现提高浆液有效扩散距离的目的。比起地上抽水、掌子面排水引流，本发明原理简单，操作方便，具有非常强的实用性。