隧洞施工中裂隙飽和水的防治

裴 云

（水利部山西水利水電勘測設計研究院 山西太原 030024）

0 引言

某隧洞工程為城門洞型，多為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖。Ⅳ類圍巖洞挖尺寸，寬度4.55 m，高度4.0 m。Ⅴ類圍巖洞挖尺寸，寬度4.69 m，高度4.12 m。隧洞襯砌后尺寸，寬度3.65 m，高度3.2 m。

隧洞施工過程中，遇到裂隙飽和滲水、涌水、冒水及噴水時，長時間將水排出，容易影響當地生活、破壞生態(tài)環(huán)境及正常的地下水資源分布。另外，在滲水的浸泡下，易造成圍巖失穩(wěn)，產生安全隱患。所以，隧洞洞挖過程中遇到裂隙飽和水時，應采用合理地注漿方式，對滲水、涌水、冒水及噴水，進行有效封堵。

1 裂隙飽和水的成因

一項隧洞工程某洞段，地質巖性復雜，砂巖與泥巖互層，砂巖占該段隧洞的80%以上。節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水位位于洞頂以上。該洞段樁號62+100～64+300，洞底埋深約300 m。洞頂2 m為泥巖及細砂巖，洞挖工程的工作面、側墻及底板多為砂巖。砂巖多為塊狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，較為破碎，分層明顯，為強風化。地下水豐富，主要沿節(jié)理面涌出，裂隙交匯處形成股水。裂隙飽和水區(qū)域，遇到大的滲水、涌水、冒水及噴水，出水量每天約為4 000 m3。

裂隙飽和水主要由裂隙巖溶水、石炭系和三疊系砂巖裂隙水與松散巖類孔隙水等組成。

2 裂隙飽和水的常規(guī)處理方法

裂隙飽和水的處理方法，多采用固結注漿、徑向注漿和超前注漿等方法。

固結注漿，是在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，采用一定壓力，將特制的水泥漿充填在縫隙中，使松散體達到固結的目的。固結注漿需要較為封閉的環(huán)境，外界條件適宜。在隧洞工程施工過程中，外界條件不確定，難以準確把握，致使固結效果較差。

徑向注漿，是垂直洞軸線的直徑或橫斷面方向，設置一定的注漿孔，采用適宜壓力，將水泥漿或其他液體注入巖體裂隙中。垂直于隧洞軸線的徑向方向，不確定因素較多，圍巖節(jié)理裂隙無法明確判斷，注漿后質量不宜控制，難以達到預期的目的。

超前注漿，主要是在隧洞洞挖的工作面上，根據地質巖性，滲水、涌水、冒水及噴水情況，設置一定數量的超前孔，采用比滲水、涌水、冒水及噴水壓力較大的壓力，將水泥漿或水泥—水玻璃漿，注入工作面超前的一定區(qū)域裂隙中，達到充填、封堵、止水的目的。

因為超前注漿較為適用封堵裂隙飽和滲水、涌水、冒水及噴水，本文進行重點論述。

3 超前注漿法

通過超前探孔和超前注漿孔的布置與設計，在明確超前注漿的主要技術參數的前提下，詳細論述了超前注漿施工。

3.1 超前探孔和超前注漿孔布設

①采用潛孔鉆，在掌子面中部施工超前探孔，探明洞挖軸線前方約30 m區(qū)域飽和裂隙水的分布情況，初步估測出水量、滲水壓力及其他有關參數。

②在洞挖工作面上布設一定數量的超前注漿孔，確定超前注漿孔的設計深度，布置數量，施工角度，間距及排距等。

3.2 超前注漿的主要技術參數

①超前探孔和超前注漿孔的具體要求及孔口封閉

探孔布置在隧洞工作面中心偏下，傾角與洞軸線基本傾角一致，鉆孔孔深30 m，鉆孔直徑80 mm。超前注漿孔直徑與探孔直徑一致，布置多排，孔位環(huán)間距1.5 m，排距0.6 m，孔位按梅花形布置。注漿孔深度30 m，沿洞軸線外偏12°～18°。全斷面布置注漿孔16孔，鉆孔進尺480 m。詳見圖1和圖2。

滲水、涌水、冒水及噴水壓力大于或等于0.5 MPa的鉆孔，埋設孔口管。孔口管采用Φ76 mm鋼管，埋深2 m，外露50 cm，管壁與孔口接觸處用麻絲填塞封閉。滲水、涌水、冒水及噴水壓力小于0.5 MPa的鉆孔，采用簡易裝置，進行孔口阻塞。

②超前注漿使用的材料、注漿壓力及水灰比

圖1 超前探孔布置圖

圖2 注漿孔布置圖

超前注漿的使用的材料主要由水泥-水玻璃等。水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，I序孔采用注漿壓力為0.5 MPa，II序孔采取注漿壓力0.8 MPa（實際注漿壓力為設計壓力+滲水、涌水、冒水、噴水壓力）。

超前注漿水灰比（ 重量比）采用 1∶1、0.6∶1 兩個比級，初始注漿使用的水灰比為1∶1。

③超前注漿的次序設定

超前注漿宜采用先外環(huán)后內環(huán)注漿次序。內、外環(huán)序號單數I序孔先注漿，序號雙數II序孔后注漿。循環(huán)式全孔一次注漿。

3.3 超前注漿的具體實施

①鉆孔

鉆孔實行統(tǒng)一編號，孔深、孔序的劃分按設計圖紙及現場試驗確定。超前注漿孔的深度為30 m，設備型號為100型潛孔鉆機，鉆頭直徑為80 mm。

②注漿孔沖洗

注漿孔沖洗：每段鉆孔結束后，采用一定壓力的水流對鉆孔內的殘留巖粉進行循環(huán)沖洗，直至回水澄清為止。沖洗后.孔內殘留物的厚度不得超過20 cm。

裂隙清洗：采用高、低壓水脈動方式進行，高、低壓脈動時間間隔為5～8 min。沖洗結束標準為：至回水澄清后再延續(xù)8 min為止，串通孔不少于1 h。

對回水達不到澄清要求的孔段，繼續(xù)進行沖洗直至滿足要求。

裂隙沖洗結束12 h后，允許注漿作業(yè)。

③注漿

a、漿液進入巖體與注漿孔深度一致，進行全孔一次注漿。

b、水灰比：注漿水灰比（ 重量比）采用 1∶1、0.6∶1 兩個比級，首次注漿水灰比采用1∶1。使用注漿水灰比由稀到濃逐級變換，當注漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時，或當注入率保持不變而注漿壓力持續(xù)升高時，不得改變水灰比。

c、變漿標準：當某一級注漿水灰比注入量達250 L以上或注漿時間超過20 min，而注漿壓力或注入率均無改變或改變不明顯時，改濃一級水灰比注漿。

當注入率大于25 L/min時，根據具體情況可越級變濃水灰比。

當注漿水灰比改變后，如注漿壓力突增或注入率突減至原注入率的1/2以下時，立即回稀至原級水灰比進行注漿，并了解和分析原因，采取相應的措施。

d、注漿結束：在規(guī)定注漿壓力下，當注漿孔單孔注入率不大于3 L/min，延續(xù)30 min結束注漿。

④注漿孔的封堵

水平孔、仰孔及有滲水的孔采用注漿法封孔，封孔壓力同注漿壓力。封孔結束后，漿液在注漿管中停留一段時間，之后停止加壓。封閉注漿時間不少于2～5 h。然后取出閉漿管，清洗孔口段浮漿，回填干硬性膨脹水泥砂漿并抹平。水泥砂漿配比為水∶灰∶砂=0.2～0.25∶1∶2～2.5。

垂直孔封堵采用濃漿置換法。

3.4 注漿過程中出現漏漿、孔口滲水和注漿中斷情況的處理

①漏漿處理

注漿過程中如果發(fā)生較小冒漿時，可不作專門處理，按正常注漿方式注漿到達結束標準。若冒漿量較大，一般采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿等方法處理，必要時采取嵌縫、封堵方法處理。局部裂隙發(fā)育區(qū)，采用舊棉花、麻絲、棉線等物，表面涂抹速凝水泥漿或水泥砂漿，緊密嵌入縫隙之中。

②孔口滲水處理

注漿過程中出現滲水的注漿孔，測試滲水量及滲水壓力，注漿時采用提高注漿壓力0.1 MPa，在達到正常注漿結束標準后，繼續(xù)保持注漿壓力注漿10 min，繼而以0.5∶1濃漿保持壓力封孔10 min，封閉注漿時間為 5～7 h。

③注漿中斷后的恢復

超前注漿過程中，因故中斷，應盡快恢復注漿?；謴妥{時使用首次注漿水灰比進行。如注入率與中斷前相近，可采用中斷前水灰比進行注漿。如恢復注漿后，注入率較中斷前增大，應采用濃漿注漿。

4 注漿效果檢驗分析

針對隧洞洞挖過程中出現裂隙飽和水洞段，按30 m進行一次超前注漿施工，共實施注漿3個區(qū)段。注漿結束后，檢驗裂隙充填密實度、圍巖完整性、巖石的強度。分析注漿施工前期資料、試灌情況記錄、滲水量注漿前后監(jiān)測值等項目，進行綜合比較分析。

4.1 裂隙充填密實度、圍巖完整性、巖性強度

鉆孔注漿結束12 h后，采用機械設備、儀器，對裂隙充填密實度、圍巖完整性、巖性強度等進行檢測和檢驗。

（1）密實度檢測

采用彈性波雷達掃描和全程衰減法檢測，共檢測3段，密實度達90%以上。

直觀檢查：洞挖過程中選取50個點觀察，充填效果較好，充填面積達89%以上。

（2）完整性檢驗

聲波透射法檢測是對已進行鉆孔注漿的洞段，預埋聲測管，在兩個聲測管之間發(fā)射和接收超聲波。實測聲波在介質中傳播時間、頻率和波幅等參數的變化，由數據處理系統(tǒng)進行綜合判斷。根據完整性指標判斷，注漿結束后完整性較好，達85%以上。

（ 3）強度檢驗

在注漿結束15 d后，選取有代表性的隧洞洞段，鉆孔取芯，送有資質的實驗室進行試驗。檢測抗壓強度和抗拉強度，與注漿前對應值進行比較。本次選取試樣24組。其中抗壓試驗12組，抗壓強度提高11組，強度增長率達91%；抗拉強度試驗12組，抗拉強度提高9組，強度增長率達75%。

4.2 超前注漿前期資料綜合比較

超前注漿前期資料主要有：巖性分布記錄、裂隙發(fā)育程度、試灌條件、材料檢驗、配合比試驗、鉆孔記錄、鉆孔沖洗和裂隙沖洗記錄、注漿施工措施、準備條件等，進行綜合比較。表明該部分資料，為合理實施超前注漿，提供技術支撐。

4.3 超前注漿吃漿量分析

根據超前注漿過程記錄數據分析，表明節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)，吃漿量達到一定的數值，滲水量明顯減少。裂隙飽和水豐富區(qū)，吃漿量較大，漿液流動距離長，涌水、冒水、噴水封堵效果較好。

4.4 超前注漿前后滲水量監(jiān)測

在實施超前注漿的隧洞洞段，設置15個監(jiān)測點分析。超前注漿前每天滲水量4 000 m3，超前注漿后每天滲水量為500 m3，注漿后滲水、涌水、冒水及噴水量，減少了88%。

5 結束語

在某隧洞洞挖過程中，采用超前注漿施工，可提高隧洞圍巖整體穩(wěn)定性及完整性，在一定范圍內形成透水率低或隔水層，提高隧洞洞挖工程的工作效率。超前注漿對飽和裂隙水防治效果良好。