魏家山隧道周邊深孔預(yù)注漿施工技術(shù)

徐強(qiáng)

摘要：以巴達(dá)高速公路重點(diǎn)工程魏家山隧道為例，對施工過程中突發(fā)的涌水事故原因進(jìn)行分析，采取周邊深孔預(yù)注漿治理涌突水的施工技術(shù)措施，通過監(jiān)控量測結(jié)果和施工驗(yàn)證，隧道周邊注漿加固有效的抑制了涌水難題，為相關(guān)工程實(shí)踐提供借鑒與幫助。

關(guān)鍵詞：隧道 涌突水 深孔預(yù)注漿 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

1 概述

在山嶺隧道修建過程中經(jīng)常遇到涌水等地質(zhì)災(zāi)害，往往給施工過程中及隧道修建后帶來較大影響，因此，對隧道涌水進(jìn)行治理是一項(xiàng)重要的任務(wù)，尤其是在施工階段，采取必要的治理措施既可以防止突水事故的發(fā)生，又為以后的運(yùn)營安全提供保障，同時還可以保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境[1]。同時在涌水處理過程中選擇合理、經(jīng)濟(jì)有效的處理方法，有著重大的技術(shù)價值及經(jīng)濟(jì)和社會意義。

2 工程概況

魏家山隧道設(shè)計(jì)為上下行分離式特長隧道，隧道左線3107m，右線3075m。隧道埋深一般約100～200m，最大埋深215m，巖層產(chǎn)狀平緩，節(jié)理陡峭，由粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，圍巖大多為IV級，少量為III級。圍巖節(jié)理較發(fā)育，不同巖性層間結(jié)合較差，含孔隙、裂隙水。

隧道軸線K100+400至出口段西側(cè)160m～300m處為譚家河水庫，水庫距離隧道水平距離205m，高差35.7m，且該段位于鐵山背斜核部附近，地表裂隙相對發(fā)育，水庫地表水可能轉(zhuǎn)化為地下水下滲入隧道，對隧道影響較大的段落為K100+200～+600段。

隧道最大涌水量為10876m3/d，一般涌水量為5437 m3/d。

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圖1 隧道頂?shù)匦蔚孛矆D

3 施工及涌水情況

①施工方法

該段屬于Ⅲ級圍巖，以細(xì)砂巖為主，整體性較好，采用全斷面開挖法，每循環(huán)進(jìn)尺3.5m。

②涌水情況

當(dāng)掘進(jìn)至K100+636處開挖工在鉆孔時出現(xiàn)涌水，涌水從炮孔位置涌出，呈噴射狀、股狀及線狀，主要涌水有5個炮孔，其余炮孔以線狀水從掌子面滲流而下。經(jīng)實(shí)測單個孔最大水量2.58L/s，次日監(jiān)測最大涌水量29.3m3/h，涌水量均衡無衰減。

表1 K100+636掌子面涌水情況一周監(jiān)測表

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說明：本監(jiān)測表只統(tǒng)計(jì)前一周涌水量情況，后續(xù)一段時間均衡無減。

③超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[2]

在掌子面拱頂和“牛角”位置鉆了三個超前孔探測，發(fā)現(xiàn)掌子面前方3.2～7米含有黃色泥砂巖夾層，鉆進(jìn)速度較快為3～5min/m（正常細(xì)砂巖段25min/m）。

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圖2 現(xiàn)場涌水量測量 圖3 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場測試

中鐵西南科學(xué)研究院分別先后采用了HSP聲波反射法和地質(zhì)雷達(dá)法對K100+636掌子面前方進(jìn)行超前探測預(yù)報(bào)。

測試掌子面巖性主要為淺灰色中厚層狀細(xì)砂巖，夾紫紅色薄層泥巖，巖層產(chǎn)狀為：320∠4°，巖體較破碎至較完整，呈塊狀結(jié)構(gòu)，屬微風(fēng)化巖，層間結(jié)合一般，節(jié)理不發(fā)育，主要發(fā)育一組節(jié)理，節(jié)理產(chǎn)狀為：145∠45°，節(jié)理間距0.5～1.0m，延伸長度2.0～3.0m，節(jié)理面形態(tài)平直、面光滑，無充填。

④水質(zhì)分析

經(jīng)西南交通大學(xué)專家、科研人員對隧道涌水和譚家河水庫的水進(jìn)行取樣比對分析，兩者幾乎相似。

4 處理方案研究

①涌水原因分析

魏家山隧道地質(zhì)特殊，位于鐵山背斜核部，有節(jié)理裂隙，已開挖的423m均干燥無水，掌子面突然出現(xiàn)大量涌水，很異常；并且涌水恒定無衰減跡象；地表觀察無其他集水源，旁邊的譚家河水庫成為唯一能持續(xù)提供的水源。鉆探情況表明掌子面前方地質(zhì)軟弱；山頂觀測掌子面已接近凹槽沖溝段，也符合地質(zhì)變差的地形條件，綜上幾方面的情況：持續(xù)涌水的出現(xiàn)說明前方地層中有相對富水地帶，有水的補(bǔ)給源，直接水源是基巖裂隙水，間接水源是譚家河水庫水源。水庫與隧道的關(guān)系為水平距離205米，垂直距離35.7米，水力坡度很大，達(dá)到17%并且隧道埋深相對較淺，滲透系數(shù)相對較大。隧道出口段K101+059～K100+640縱向坡為+0.3%，K100+640～+080縱向坡為-2.7%，涌水掌子面樁號K100+636正處于縱斷面變坡點(diǎn)位置。

②處理方案選定

考慮到譚家河水庫為蒲家鎮(zhèn)飲水源，為保證附近村莊水系不受影響，保障蒲家鎮(zhèn)生產(chǎn)生活用水，經(jīng)綜合研究決定采用預(yù)注漿（水泥-水玻璃雙液漿），在隧道開挖輪廓周圍形成5米左右的注漿圈，封閉水源。同時也做好排水設(shè)施，疏通中央排水溝，配備抽水量大于100m3/h的潛水泵。

5 注漿設(shè)計(jì)[3]

根據(jù)“以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合、綜合治理”的原則，對魏家山隧道右線掌子面K100+636涌水進(jìn)行周邊深孔預(yù)注漿設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)注漿段為K100+636～K100+606，長30m，加固范圍為開挖輪廓線外5m，分三環(huán)（四圈）實(shí)施，第一環(huán)長11m，第二環(huán)長20m，第三環(huán)長30m。

注漿孔布置由工作面開挖方向呈傘形輻射狀，鉆孔布置成四圈，共89個孔，內(nèi)外圈按梅花形排列，并采用長短孔相結(jié)合，保證注漿充分、不留死角。漿液擴(kuò)散半徑2m，孔底間距不大于3m，孔徑φ110mm。

注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，C：S=1：0.5（體積比），水泥漿水灰比1：1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35Be。

雙液注漿堵水的機(jī)理是在發(fā)生涌水的位置附近注入快凝早強(qiáng)的雙液漿，雙液漿在隨地下水流動的同時快速凝結(jié)，凝結(jié)的漿體不斷堆積并達(dá)到一定強(qiáng)度，堵塞涌水通道，達(dá)到堵水效果。

6 注漿施工方法及工藝

6.1 注漿施工工藝流程見下圖所示：

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圖7 注漿施工工藝流程圖

6.2 施工方法

6.2.1 施工止?jié){墻

首先在掌子面設(shè)置1m厚C25混凝土止?jié){墻，止?jié){墻前端勘入圍巖不小于30cm。在墻體內(nèi)按照設(shè)計(jì)孔位布置圖預(yù)埋φ127mm、L=3m無縫鋼管作為孔口管，孔口管外露0.2～0.3m。止?jié){墻采用泵車分四次澆筑完成，每次澆筑高度約2m。

6.2.2 鉆孔清孔

①布孔

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對準(zhǔn)孔位，根據(jù)不同入射角度鉆進(jìn)，保證孔位偏差不大于2cm，入射角度偏差不大于1°。為保證止水效果，在涌水量較大、圍巖較破碎的拱頂加密布孔，在拱底適當(dāng)擴(kuò)大布孔間距。

②鉆孔

a潛孔鉆機(jī)置于臺車上，定好角度，加固牢實(shí)，確保施工精度。

b開鉆前期采用低速鉆進(jìn)，待鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時（一般進(jìn)尺0.5m左右），將鉆機(jī)速度調(diào)至正常運(yùn)行速度。鉆孔過程密切觀察鉆進(jìn)速度、涌水、巖層等情況，及時作好記錄。

c開孔孔徑及深度：孔徑φ110mm，孔深根據(jù)Ⅰ～Ⅳ圈設(shè)計(jì)深度施鉆。

d鉆至設(shè)計(jì)深度后，用高壓風(fēng)清洗孔洞殘碴，確保注漿通道順暢。

表3 鉆孔基本數(shù)據(jù)表

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根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在拱頂加密布孔，在拱底適當(dāng)擴(kuò)大布孔間距，其它設(shè)計(jì)參數(shù)均不變。

6.2.3 注漿

①注漿段總長30m，分三環(huán)（四圈）實(shí)施，第一環(huán)（Ⅰ圈）長11m，第二環(huán)（Ⅱ圈）長20m，第三環(huán)（Ⅲ、Ⅳ圈）30m。注漿至開挖輪廓線外5m，漿液擴(kuò)散半徑為2m。

②注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，根據(jù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)室試驗(yàn)確定配合比：C：S=1：0.5（體積比），水泥漿水灰比1：1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃模數(shù)2.8，水玻璃濃度35Be。

③注漿順序：按先外圈后內(nèi)圈，同一圈先上部孔后下部孔、間隔跳孔，逐漸加密，先注無水區(qū)，后注有水區(qū)。

④注漿壓力：靜水壓力1.5～2MPa，采用純壓式灌漿，壓力表安裝在孔口進(jìn)漿管路上，壓力表指針擺動范圍應(yīng)小于灌漿壓力的20%，壓力讀數(shù)讀壓力表指針擺動的中值。

⑤注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：第一序孔按注漿量達(dá)到或接近預(yù)估注漿量可結(jié)束注漿；第二序孔按注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，注漿量逐漸減少至小于1L/min.m并維持10min以上，可結(jié)束本孔注漿。

6.3 注漿效果檢查

根據(jù)注漿情況，選擇拱頂涌水量較大且比較薄弱環(huán)節(jié)的注漿部位布設(shè)檢查孔，檢查孔垂直于開挖面布設(shè)，檢查孔長15m，對注漿段取芯檢查注漿效果。一共施作3個檢查孔，所取巖芯中有漿液結(jié)實(shí)體的碎塊存在，說明漿液已完全固結(jié)，且具有一定強(qiáng)度。檢查孔在鉆進(jìn)過程中有少量滲水，放置24h后滲水量沒有明顯增加，這表明檢查孔部位已被漿液基本完全固結(jié)，達(dá)到止水的目的。

開挖過程中采用微弱爆破全斷面開挖方式，經(jīng)監(jiān)測組對隧道圍巖變形監(jiān)測顯示幾乎無沉降收斂，開挖過程中圍巖穩(wěn)定。從K100+636～K100+616開挖斷面揭示掌子面均干燥無水，只有拱腰墻壁有局部少量滲水，說明本次預(yù)注漿止水效果是比較明顯的，保證了安全掘進(jìn)也達(dá)到止水的目的。

表4 實(shí)施效果檢查表

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圖10 注漿后效果 圖11 注漿段開挖后效果

6.4 注意事項(xiàng)

①注漿壓力突然升高，應(yīng)停止水玻璃漿液，只注水泥漿，待泵壓恢復(fù)正常后再進(jìn)行雙液注漿。

②進(jìn)漿量很大，壓力長時間不升高，則應(yīng)調(diào)濃漿液或調(diào)整配合比，縮短漿液膠凝時間，進(jìn)行小泵量、低壓力注漿，使?jié){液在巖層裂隙中有相對停留的時間，以便膠凝，也可采用間歇式注漿，但停注時間不能超過漿液的膠凝時間。

③注漿過程中壓力突然下降，增大流量仍不回升，則縮短膠凝時間，加大漿液濃度或用間歇式注漿。

④當(dāng)止?jié){墻或孔口等處發(fā)生跑漿現(xiàn)象時，應(yīng)縮短膠凝時間，進(jìn)行小泵量、低壓力注漿或采用間歇式注漿，或進(jìn)行外部堵塞。

⑤如發(fā)生串漿現(xiàn)象，應(yīng)關(guān)閉串漿孔的孔口閥門，繼續(xù)注漿。

⑥鉆孔過程中未涌水的，就一鉆到底，全孔一次壓入式注漿；在鉆孔過程中，如發(fā)現(xiàn)有水，即停止鉆孔，采取注一段鉆一段的前進(jìn)式注漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)段長位置。

⑦若一個注漿段完成后需要繼續(xù)注漿，則留5m不開挖作為下一注漿段的止?jié){盤。

⑧注漿結(jié)束7d后采用5點(diǎn)法壓水試驗(yàn)或鉆孔取芯試驗(yàn)進(jìn)行注漿檢查，若灌漿質(zhì)量不合格，則加密鉆孔補(bǔ)注漿。

7 結(jié)語

本次注漿的30m一共消耗水泥-水玻璃雙液漿402.2m3，與設(shè)計(jì)方量基本吻合。從正式開始施工止?jié){墻到注漿結(jié)束，整個施工過程耗時27天。在鉆孔時采用的是潛孔鉆干鉆，導(dǎo)致洞內(nèi)灰塵很多，應(yīng)該加強(qiáng)通風(fēng)灑水降塵，保證洞內(nèi)施工環(huán)境。

通過運(yùn)用超前預(yù)注漿技術(shù)，不僅順利通過高壓富水破碎帶，取得了較好的堵水效果，保護(hù)了自然生態(tài)環(huán)境，而且降低了工程造價，加快了施工進(jìn)度，為確保工程的順利完成創(chuàng)造了條件，同時也提高了隧道的長期穩(wěn)定性及營運(yùn)安全性。

鑒于魏家山隧道緊鄰譚家河水庫特殊的水文地質(zhì)條件，對隧洞前方潛在的富水帶、突水點(diǎn)進(jìn)行有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對指導(dǎo)隧道施工，及時采取措施、預(yù)防涌突水事件意義重大。采用宏觀預(yù)報(bào)（工程地質(zhì)法）、長距離預(yù)報(bào)（TSP、HSP法及陸地聲納法等）、短距離預(yù)報(bào)（超前鉆孔、表面雷達(dá)、孔內(nèi)雷達(dá)及經(jīng)驗(yàn)法等）相互結(jié)合，相互印證。

隧道涌突水的治理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，應(yīng)根據(jù)涌突水情況以及周圍的地理、水文地質(zhì)環(huán)境和施工工期要求，綜合分析，合理選擇治理方案，堅(jiān)持“預(yù)報(bào)為先、擇機(jī)封堵、堵排結(jié)合、綜合治理”的原則，保證安全、質(zhì)量、效率“三駕馬車”齊頭并進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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