某隧洞工程支洞涌水段堵水處理措施

張輝映

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概況

1.1 規(guī)模

某支洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)1198.9m，斷面為城門洞形，開(kāi)挖斷面尺寸4.69m×4.12m（寬×高），成型斷面尺寸為3.65m×3.2m（ 寬×高）。 目前已開(kāi)挖至樁號(hào) 0+857，長(zhǎng)度899.4m。

1.2 水文地質(zhì)條件

本洞段正處于向斜核部、F10斷層與F22斷層交匯處，受斷層影響，巖溶水具有貫通性。斷層又橫切地表河流，河流水與地下水貫通，地下水在工程地質(zhì)勘察時(shí)，具有明顯的承壓性，從河道勘探鉆孔噴涌出地面10余米水柱，證明本洞段地下水位為巖溶裂隙承壓水。

隨著隧洞的深度加深，地下水的承壓性越來(lái)越大，水量也越來(lái)越大。而F10斷層平行支洞洞軸線和倒轉(zhuǎn)向斜軸向，橫切主洞線和河流，為地下水的主要通道，其地下水水量短時(shí)間內(nèi)不可能減少，不但對(duì)支洞開(kāi)挖有影響，對(duì)主支洞交叉段以及主洞的開(kāi)挖也極為不利。

1.3 突發(fā)涌水情況及緊急措施

進(jìn)行樁號(hào)0+857掌子面開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，左下角鉆孔過(guò)程中突然噴出一股強(qiáng)勢(shì)水流，將鉆桿噴出，水柱噴出20余米，水位迅速上漲，很快將掌子面淹沒(méi)，立即啟動(dòng)全部排水設(shè)施，進(jìn)行強(qiáng)排水至掌子面。

2 總體施工思路

目前掌子面處出水量約6 000m3/d，確定總體堵水施工思路為：堵排水結(jié)合，以堵水為主，排水為輔，將掌子面處排水量控制在最小范圍，以便能夠鉆孔裝藥、爆破出渣作業(yè)。

3 堵水處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)劃分兩步進(jìn)行堵水：首先對(duì)樁號(hào)0+857掌子面處涌水孔進(jìn)行注漿封堵；第二對(duì)樁號(hào)0+857以后未開(kāi)挖洞段，每15m一個(gè)循環(huán)進(jìn)行超前預(yù)注漿，直至開(kāi)挖掌子面出水量減少至可以方便開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，不再進(jìn)行超前預(yù)注漿。

3.1 樁號(hào)0+857掌子面處涌水孔注漿封堵

（1）在掌子面上游側(cè)壁2～3m處開(kāi)挖水倉(cāng)，降低現(xiàn)有水位，清除石渣，露出左下側(cè)大的涌水孔。

（2）對(duì)掌子面已有鉆孔安裝Φ25×1m注漿管，并用固孔器固定。

（3）針對(duì)左下側(cè)涌水孔處理，安裝Φ25×1m注漿管，并用固孔器固定。如在安裝過(guò)程中，因水壓過(guò)大無(wú)法固定，首先對(duì)其1m周邊鉆設(shè)泄壓孔，泄壓孔孔徑Φ42mm、孔深2m（泄壓孔孔數(shù)根據(jù)施工情況定）；如不能滿足泄壓要求，改用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆鉆泄壓孔，泄壓孔孔徑Φ60mm、孔深1.5m（泄壓孔孔數(shù)根據(jù)施工情況定）安裝Φ50mm套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。

（4）先周邊孔注漿，后涌水孔注漿，注漿管均采用Φ25鋼管，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿管長(zhǎng)度。

3.2 樁號(hào)0+857掌子面后超前預(yù)注漿堵水

3.2.1 孔位布置及鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

本段鉆孔分三序鉆孔，Ⅰ序孔（孔號(hào)：1-19、鉆孔角度：30°、孔深：4m）采用 YT-28 手風(fēng)鉆鉆孔；Ⅱ序孔（ 孔號(hào)：1′-19′、鉆孔角度：20°、孔深：7m）和Ⅲ序孔（ 孔號(hào)：1″-19″、鉆孔角度：13°、孔深：17m；孔號(hào)：20″-25″、鉆孔角度：0°、孔深：15m）采用 Zyj-380/210液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔，孔位布置見(jiàn)圖1、圖2。

3.2.2 超前預(yù)注漿循環(huán)及施工方法

為了達(dá)到較好的封堵效果，每個(gè)注漿循環(huán)為15m，掘進(jìn)10m，預(yù)留5m，再進(jìn)行下一注漿循環(huán)。

超前預(yù)注漿平面布置圖（見(jiàn)圖3）和縱斷面布置圖（見(jiàn)圖4）為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔合并示意圖，施工中根據(jù)鉆孔參數(shù)進(jìn)行鉆孔、注漿，具體為先按照Ⅰ、Ⅱ序鉆孔示意圖進(jìn)行Ⅰ、Ⅱ序孔的鉆孔及注漿（19個(gè)孔），再按Ⅲ序孔鉆孔示意圖進(jìn)行Ⅲ序孔的鉆孔及注漿（25個(gè)孔）。

圖1 掌子面0+857超前預(yù)注漿Ⅰ、Ⅱ序孔鉆孔示意圖

圖2 掌子面0+857超前預(yù)注漿Ⅲ序孔鉆孔示意圖

圖3 超前預(yù)注漿鉆孔平面示意圖

圖4 超前預(yù)注漿鉆孔示意圖（縱斷面）

（1）正常工況下鉆孔

①Ⅰ序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開(kāi)孔Φ60mm，孔深2m，安裝Φ50mm×2m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，用風(fēng)鉆鉆孔，孔徑Φ42，孔深 4m，注漿管Φ25mm長(zhǎng)度2m，鉆孔19個(gè)。

②Ⅱ序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開(kāi)孔Φ91mm，孔深2m，安裝Φ75mm×2m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，換小鉆頭，孔徑Φ60，孔深7m，注漿管Φ25mm長(zhǎng)度2m，鉆孔19個(gè)。

③Ⅲ序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開(kāi)孔Φ91mm，孔深2m，安裝Φ75mm×3m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，換小鉆頭，孔徑Φ60，注漿管Φ25mm長(zhǎng)度3m，外圍孔（周邊孔）孔深17m，中間孔孔深15m，鉆孔共25個(gè)。

（2）不良地質(zhì)工況下鉆孔

①如圍巖破碎鉆孔無(wú)法成形，沿孔深全長(zhǎng)安裝套管（Ⅰ序孔4m、Ⅱ序孔7m、Ⅲ序孔17m），安裝Φ25mm注漿花管，長(zhǎng)度分別為3.5m、6.5m、16.5m。

②如鉆孔未達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)發(fā)生大突水，緊急關(guān)閉法蘭盤后注漿，待漿液凝固24h后，沿該孔位進(jìn)行掃孔后，繼續(xù)鉆灌，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圍巖情況、外水壓力情況及時(shí)調(diào)整套管長(zhǎng)度，套管長(zhǎng)度范圍2～5m。安裝套管后示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 安裝套管后示意圖

（3）注漿

①注漿材料

由于圍巖裂隙發(fā)育，出水量大、壓力大，注漿材料應(yīng)能保證快速封堵涌水裂隙。

根據(jù)以往堵水注漿經(jīng)驗(yàn)，注漿材料采用低密度、擴(kuò)散性強(qiáng)、無(wú)污染的DS系列化學(xué)灌漿材料，DS系列化學(xué)灌漿材料具有凝結(jié)時(shí)間短、粘結(jié)力強(qiáng)、固體抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可與水泥混合灌注，漿液通過(guò)灌漿泵的壓力推動(dòng)滲透、擴(kuò)散至巖石涌水裂隙，形成隔水帷幕，并將圍巖凝結(jié)成一個(gè)整體，達(dá)到封堵出水目的，同時(shí)起到圍巖固結(jié)作用。DS化學(xué)堵水材料參數(shù)見(jiàn)表1。

②注漿管采用Φ25鋼管，鋼管長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整。

③注漿壓力

注漿壓力是最重要的參數(shù)之一，目前水頭壓力約3MPa，注漿終壓采用6MPa。

（4）注漿前試驗(yàn)

表1 DS化學(xué)堵水材料參數(shù)表

①管路耐壓試驗(yàn)

當(dāng)整套注漿系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，開(kāi)泵打壓清水，逐漸加壓到壓力表值0.3MPa，并維持10～15min不泄壓為合格。

②含水層壓水試驗(yàn)

管路耐壓合格后，將收水管閘閥打開(kāi)，對(duì)含水層做壓水試驗(yàn)。據(jù)壓水試驗(yàn)中單位鉆孔吸水量確定漿液起始濃度和各種系數(shù)，并繪制P-Q-t曲線圖，做為施工的參考依據(jù)，壓水試驗(yàn)結(jié)束并符合要求后，開(kāi)始注漿。

（ 5）注漿作業(yè)

①選用DS系列化學(xué)堵水材料和水泥漿交叉注漿。

②根據(jù)涌水狀況選用注漿材料配比，當(dāng)孔內(nèi)涌水量小時(shí)，水灰比W∶C=2∶1～0.8∶1，孔內(nèi)涌水量較大時(shí)，水灰比W∶C=1∶1～0.6∶1。

③當(dāng)注漿壓力上升到5MPa左右時(shí)，若無(wú)法控制跑漿時(shí)，開(kāi)始注入DS化學(xué)漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)終壓6mPa。

④根據(jù)水泵的壓水流量，決定注漿孔的起始濃度及凝結(jié)時(shí)間，然后開(kāi)始注漿，當(dāng)漿液注入滲水裂隙后，要根據(jù)注漿壓力表的變化以及注漿量的變化，對(duì)各項(xiàng)注漿參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)整。隨著注漿的進(jìn)行，后期孔的注漿量比前期孔有明顯減少，則帷幕逐漸形成。

⑤注漿時(shí)一般由稀漿液到濃漿液，逐級(jí)加大，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值時(shí)停止注漿，30min后卸下注漿管路，擰緊螺母即可。注漿壓力應(yīng)由低向高逐漸加壓，在注漿剛開(kāi)始時(shí)，注漿壓力要控制低一些，當(dāng)一次注漿達(dá)不到終壓而注入量較大時(shí)，可暫停注漿，待2天后再?gòu)?fù)注，直到本孔段達(dá)到終壓。

（6）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①注漿壓力呈規(guī)律性增加，并達(dá)到注漿設(shè)計(jì)終壓6MPa，經(jīng)改變漿液的種類、配比后仍不能注入漿液，即停止該孔注入。

②達(dá)到注漿終壓時(shí)最小吸漿量為10～20L/min，時(shí)間為10～15min。

4 投入主要設(shè)備

投入主要設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 投入主要設(shè)備表

5 封堵水施工安全技術(shù)措施

5.1 鉆孔安全技術(shù)措施

（1）施工人員鉆孔作業(yè)時(shí)，要將不需要的器具設(shè)備捆綁好，并佩戴防護(hù)眼鏡、手套等安全防護(hù)用品。

（2）施工時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行“敲幫問(wèn)頂”制度，施工前、施工中、施工后都要觀察頂、幫，對(duì)有不穩(wěn)定的頂、幫必須立即處理。

（3）確定鉆孔位置，持鉆工要站穩(wěn)，氣腿要選好著力點(diǎn)，防止滑動(dòng)影響打鉆等。

（4）在鉆孔作業(yè)時(shí)，把鉆工要嚴(yán)禁戴厚膠皮手套，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)后固定鉆頭，開(kāi)始鉆進(jìn)后雙手要在遠(yuǎn)離鉆頭20cm以外扶持，防止鉆桿跑偏改變鉆進(jìn)位置和角度，同時(shí)防止角度偏離造成卡鉆、夾釬、塌孔。

（5）鉆孔作業(yè)過(guò)程中，持鉆工要掌握鉆進(jìn)深度，隨時(shí)注意鉆孔內(nèi)涌水情況，若出現(xiàn)涌水量大于10m3/h時(shí)或塌孔卡鉆現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，準(zhǔn)備注漿。

（6）換孔時(shí)，要先關(guān)停，鉆工要拔出鉆桿（防止松動(dòng)墜落），并擺順管路；確定位置后換上相應(yīng)長(zhǎng)度的釬桿開(kāi)始鉆孔。

（7）鉆孔作業(yè)結(jié)束后，要先關(guān)閉風(fēng)管截止閥，鉆機(jī)泄壓后方可拆開(kāi)管路。

（8）鉆孔時(shí)，出現(xiàn)突水現(xiàn)象，立即加大排水，并安排注漿堵水控制涌水量，如遇突水不可控制，先將人員、設(shè)備撤離到安全位置，并立即上報(bào)有關(guān)人員和部門。

（9）現(xiàn)場(chǎng)配備充足的水泵，以備突水時(shí)應(yīng)急抽排。

5.2 注漿安全技術(shù)措施

（1）注漿前要先將注漿泵固定牢靠，穩(wěn)當(dāng)后對(duì)整個(gè)管路做壓水、耐壓試驗(yàn)，檢查注漿泵是否正常工作。檢查管路上的接口、閘閥、管件等耐壓性能，符合要求才能開(kāi)始注漿。

（2）注漿作業(yè)時(shí)，要隨時(shí)注意壓力、流量及油量變化，注意吸漿管接頭、管路是否堵塞，是否連接牢固，檢查壓風(fēng)管路、水管是否暢通。

（3）檢查注漿槍頭是否暢通，閥門是否安全靈活；注意槍頭連接管件是否符合要求。

（4）水泥漿和化學(xué)漿注漿時(shí)，要及時(shí)對(duì)管路進(jìn)行清洗，并嚴(yán)格控制配比方量和注漿方量。

（5）注漿時(shí)出現(xiàn)跑漿，應(yīng)先停止注漿，用粉狀DS化學(xué)材料將其封堵后，再進(jìn)行注漿。

（6）注漿孔倒管時(shí)，要先停泵，同時(shí)關(guān)閉孔口管球閥，打開(kāi)注漿槍頭泄水閥，待泄壓后方可拆卸。

（7）注漿結(jié)束后，要先關(guān)風(fēng)管，開(kāi)泵泄壓后方可拆卸；并將注漿管路盤好捆好。