隧洞開(kāi)挖掌子面多孔高壓涌水施工技術(shù)

靳念柱

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

隧洞開(kāi)挖掌子面多孔高壓涌水施工技術(shù)

靳念柱

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110003）

文章結(jié)合東湖輸水隧洞開(kāi)挖掌子面多孔高壓涌水的實(shí)際情況，重點(diǎn)介紹承壓水減壓及掌子面系統(tǒng)超前預(yù)注漿的涌水治理原則、施工工藝的制定過(guò)程及施工方法，運(yùn)用該施工技術(shù)順利地通過(guò)F42斷層影響帶，取得了良好的工程效果。希望能為類似工程提供借鑒。

隧洞研究；多孔；高壓；涌水；超前系統(tǒng)注漿；施工技術(shù)

1 工程概況

東湖輸水工程位于遼寧省境內(nèi)，沿線涉及桓仁、新賓、清源3縣，全長(zhǎng)130.88 km，是遼寧省流域區(qū)間調(diào)水重要組成部分，可以有效緩解水資源分布不均的現(xiàn)狀。其中施工三標(biāo)位于新賓縣境內(nèi)，隧洞采用鉆爆法施工，標(biāo)段隧洞長(zhǎng)23.47 km，縱坡i=0.03 112%，成洞凈空高H=7.28 m，斷面形式為馬蹄形。根據(jù)地質(zhì)剖面圖及實(shí)際揭露的地質(zhì)分析，此處位于溝谷帶的邊緣，為F42斷層影響帶，斷層為壓扭性，產(chǎn)狀328°∠80°，寬度大約50 m，洞頂埋深190～306 m，洞室圍巖主要巖性為小東溝組凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰?guī)r，以微風(fēng)化為主，為較軟屬～中硬巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性差，地下水呈線狀流水～涌水狀態(tài)，判定為Ⅳ類圍巖。

2 掌子面涌水情況

隧洞開(kāi)挖到62+458.3段，掌子面鉆孔過(guò)程中開(kāi)始出水，主要出水點(diǎn)為3個(gè)，沿掌子面中間橫向節(jié)理面流出，出水方量約350 m3/h。由于出水量大，洞內(nèi)積水較深，施工現(xiàn)場(chǎng)新增一套220 kW水泵及排水管路進(jìn)行排水。洞內(nèi)水位下降后開(kāi)始打超前探孔，鉆孔孔徑φ42，鉆桿鉆至1～1.5 m時(shí)，掌子面中間拱頂下方1.5 m位置有一處承壓水噴出，現(xiàn)場(chǎng)停止鉆孔，噴出距離25～30 m，見(jiàn)圖1中②號(hào)出水點(diǎn)。周邊的其它幾個(gè)探孔深度2～2.5 m，掌子面左、右側(cè)起拱線靠近邊墻位置各有出水點(diǎn)一處有承壓水噴出，噴出距離為1～2 m，見(jiàn)圖1中①號(hào)、③號(hào)出水點(diǎn)。掌子面其他位置有滲水延節(jié)理裂隙面流出，見(jiàn)圖1中④號(hào)、⑤號(hào)出水點(diǎn)。掌子面出水點(diǎn)如下圖1所示。

圖1 樁號(hào)62+458.3掌子面出水點(diǎn)位置示意圖

3 減壓及超前預(yù)注漿方案

涌水治理原則：對(duì)掌子面中線拱頂下方1.5 m處即圖1中②號(hào)點(diǎn)的承壓水進(jìn)行減壓，然后進(jìn)行預(yù)注漿處理，其它幾處出水點(diǎn)直接進(jìn)行注漿處理。

對(duì)②號(hào)點(diǎn)減壓注漿完成后再進(jìn)行擴(kuò)孔、注漿，使目前現(xiàn)有的巖盤(pán)有足夠的承載能力。鉆孔過(guò)程中探明前方圍巖情況，待現(xiàn)有巖盤(pán)的能夠承受注漿壓力時(shí)，再確定系統(tǒng)注漿方案及注漿長(zhǎng)度。

由于②號(hào)點(diǎn)在減壓過(guò)程中，下方有一塊0.2 cm× 0.2 cm巖石脫落，②號(hào)孔水壓力增大。在掌子面右側(cè)③號(hào)點(diǎn)左上方鉆2個(gè)減壓孔分別為④、⑤號(hào)孔對(duì)②號(hào)孔進(jìn)行減壓。其中④孔鉆孔深度8 m，外斜角度30°；⑤號(hào)孔鉆孔深度4 m，外斜角度20°。

④、⑤號(hào)孔鉆孔結(jié)束后都出現(xiàn)承壓水，噴射距離1.5 m左右，此時(shí)②號(hào)孔承壓水壓力增大，現(xiàn)場(chǎng)暫停施工。重新決定對(duì)④、⑤號(hào)孔使用普通硅酸鹽水泥進(jìn)行注漿封堵，封堵后重新在掌子面右上方布置⑥孔進(jìn)行鉆孔注漿。

采用普通水泥對(duì)④、⑤號(hào)孔注漿封堵，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，④、⑤號(hào)孔無(wú)法封堵?，F(xiàn)場(chǎng)將注漿材料更換為HSC防滲帷幕型水泥對(duì)④、⑤號(hào)孔進(jìn)行注漿，若注漿后漿液沿裂隙流出量較大時(shí)，可在注漿時(shí)加入鋸末。此方法經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后能夠?qū)⒄谱用娉鏊c(diǎn)堵住。

3.1 掌子面裂隙及探孔封堵

1）對(duì)掌子面出水量較大的探孔安裝注漿器，出水量比較小的探孔直接進(jìn)行封堵。②號(hào)由于水壓力較大，周邊圍巖較破碎，作業(yè)時(shí)進(jìn)行引排，不影響作業(yè)面施工即可。

2）將④、⑤孔安裝孔口管，對(duì)⑤孔進(jìn)行注漿，注漿時(shí)關(guān)閉④孔口管閘閥。注漿結(jié)束后若④孔仍有水流出，對(duì)④孔進(jìn)行注漿，若無(wú)大的水流出則繼續(xù)下一步施工。

3）對(duì)④、⑤號(hào)孔安裝注漿器的孔進(jìn)行注漿，注漿材料采用HSC(防滲帷幕型)灌漿材料，注漿時(shí)先采用小壓力，大流量灌漿。當(dāng)注漿后漿液沿裂隙流出量較大時(shí)，在注漿時(shí)加入適量鋸末。拌制HSC（防滲帷幕型）材料的水灰比為0.6∶1（重量比）。

4）④、⑤孔封堵結(jié)束后，在掌子面右側(cè)起拱線位置開(kāi)⑥孔，如圖1中所示。⑥孔開(kāi)孔直徑為φ130 mm，鉆進(jìn)1.5 m時(shí)安裝孔口管，孔口管錨固穩(wěn)定?？卓诠芄潭ê蟛捎忙?0 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆至出水時(shí)，停止鉆孔，對(duì)⑥孔進(jìn)行注漿。注漿采用HSC（含水細(xì)砂型）灌漿材料，水灰比為0.8∶1。

5）⑥孔注漿完成后再繼續(xù)再進(jìn)行擴(kuò)孔、加深鉆孔深度，鉆至出水時(shí)，再次進(jìn)行注漿。通過(guò)反復(fù)鉆孔、注漿達(dá)到加固現(xiàn)有巖盤(pán)、阻水和探明前方地質(zhì)的目的。⑥孔最終鉆孔長(zhǎng)度按20 m，外斜角度15°控制。

6）注漿時(shí)采用孔內(nèi)循環(huán)注漿方式，第一次注漿壓力0.3～0.5 MPa，以后幾次加固注漿壓力可根據(jù)巖盤(pán)加固情況加大注漿壓力。

7）注漿過(guò)程中發(fā)生沿裂隙漏漿時(shí)，及時(shí)采用棉花、錨固劑進(jìn)行封堵。

8）掌子面裂隙及探孔封堵完成后，進(jìn)行超前系統(tǒng)注漿。

3.2 超前系統(tǒng)注漿

3.2.1 鉆孔布置及灌漿范圍

根據(jù)涌水情況，共布設(shè)3環(huán)注漿孔。先沿掌子面周邊進(jìn)行外環(huán)孔布置，共布設(shè)13個(gè)孔，孔間距1 500 mm，最外環(huán)距洞壁開(kāi)挖線400 mm。第二環(huán)孔孔間距1 700 mm，共布設(shè)11個(gè)孔，內(nèi)環(huán)設(shè)4個(gè)孔。具體詳見(jiàn)圖2。灌漿外環(huán)鉆孔與隧洞走向成10°外傾角，其它鉆孔為水平向。超前預(yù)注漿范圍為：長(zhǎng)15 m，開(kāi)挖12 m，預(yù)留3 m止?jié){巖盤(pán)。

3.2.2 鉆 孔

1）鉆孔孔位與設(shè)計(jì)孔位的偏差不得大于10 cm，鉆進(jìn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜及時(shí)糾正。因故變更孔位時(shí)，必須上報(bào)監(jiān)理工程師批準(zhǔn)后實(shí)施，實(shí)際孔位均有記錄，孔深符合設(shè)計(jì)規(guī)定。

2）在灌漿開(kāi)始前，用水和壓縮空氣(水壓1 MPa)對(duì)所有灌漿孔進(jìn)行清洗。沖洗時(shí)將剛性塑料軟管插入孔底，打開(kāi)水和壓氣，一邊沖洗一邊將軟管緩慢拔出，將孔內(nèi)徹底沖洗。

3）對(duì)鉆孔過(guò)程中的異常情況（掉鉆、涌水、涌砂等）進(jìn)行記錄分析并測(cè)定鉆孔中的涌水流量、涌水壓力和靜水壓力，以此確定合適的注漿壓力和調(diào)凝時(shí)間。

4）若鉆孔中遇到有可能坍塌的區(qū)域、浸水或測(cè)到的孔中滲水大于10 L/min時(shí)，及時(shí)取消沖洗。

5）考慮到灌漿是采用單一水灰比，取消灌漿前通常所需做的簡(jiǎn)易常規(guī)壓水試驗(yàn)，以縮短灌漿工序的時(shí)間。

3.2.3 灌漿材料

灌漿材料采用HSC超細(xì)水泥灌漿，靜水中采用HSC（含水細(xì)砂型）灌漿材料、動(dòng)水中采用HSC（防滲帷幕型）灌漿材料。

3.2.4 灌漿設(shè)備

1）選用高壓注漿泵，滿足最大壓力12 MPa、最大排量達(dá)200 L/min。

2）根據(jù)注漿材料的特點(diǎn)，采用轉(zhuǎn)速大于1 400 r/min的高速攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間控制在3 min之上。配備與高速攪拌機(jī)相配套的立式雙筒儲(chǔ)漿攪拌機(jī)。

3）灌漿管路須保證漿液流動(dòng)暢通，并能承受1.5倍的最大灌漿壓力。

4）使用壓力宜在壓力表最大標(biāo)值的1/4～3/4之間。壓力表經(jīng)常進(jìn)行檢查，不合格的和已損壞的壓力表杜絕使用。壓力表和管路之間設(shè)有隔漿裝置。

5）孔口封閉器具有良好的封閉和耐高壓性能，在其使用的最大灌漿壓力下能可靠的封閉灌漿孔段，并且宜于安裝和拆卸。

3.2.5 制漿方式

1）制漿材料均采用稱重，稱重誤差應(yīng)小于5%。水泥等固相材料采用重量稱量法；按水泥單液漿配制方法，先加水后加料拌制。各類漿液必須攪拌均勻并測(cè)定漿液濃度；

2）拌制HSC（防滲帷幕型）材料的水灰比為0.6∶1（重量比），制漿機(jī)轉(zhuǎn)速120～180 r/min，漿液攪拌時(shí)間3 min以上；

3）拌制HSC（含水細(xì)砂型）材料的水灰比為0.8∶1（重量比），制漿機(jī)轉(zhuǎn)速1 200～2 000 r/min，漿液攪拌時(shí)間2～3 min，控制不要超過(guò)攪拌時(shí)間；

3.2.6 注漿方法及順序

注漿方法采用孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)注漿，開(kāi)始時(shí)小壓力、大流量注漿，逐漸采用大壓力、小流量注漿。采用自外向內(nèi)、從下而上的次序進(jìn)行。按照鉆孔編號(hào)順序進(jìn)行，拱頂部位涌水量較大的點(diǎn)可在其它孔注漿完成后再進(jìn)行。當(dāng)外環(huán)孔布置注漿完成后，再進(jìn)行第二環(huán)孔注漿，第二環(huán)孔孔注漿時(shí)可根據(jù)情況左、右側(cè)同時(shí)開(kāi)孔注漿。

3.2.7 孔口管要求

由于采用高壓注漿，每個(gè)注漿孔均埋設(shè)孔口管，作為承受高壓注漿的支撐管。開(kāi)孔直徑φ130 mm，栽設(shè)φ110 mm、壁厚3 mm、長(zhǎng)2.5～3.0 m的孔口管，鉆孔直徑90 mm。管口用藥卷錨固劑固定，待凝3 h后采用0.6∶1的HSC漿液低壓注漿固定。每個(gè)孔口管必須采用法蘭連接安裝孔口封閉器。孔口封閉器應(yīng)具有良好的封閉和耐高壓性能，易于安裝和拆卸。

3.2.8 灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率小于5 L/min時(shí)，持續(xù)灌漿10 min結(jié)束。

4 結(jié)論

1）對(duì)掌子面水流壓力較大部位周邊打設(shè)泄壓孔，進(jìn)行減壓，選擇合適的灌漿材料，進(jìn)行超前預(yù)注漿處理，出水量較小的孔可以直接進(jìn)行注漿處理；高壓注漿時(shí)必須在注漿孔埋設(shè)孔口管，作為承受高壓注漿的支撐管。

2）超前注漿孔宜一次鉆至設(shè)計(jì)孔深。如在鉆孔過(guò)程中遇到有壓水流、塌孔或卡鉆難以進(jìn)行時(shí)，應(yīng)立即停止鉆孔，對(duì)該進(jìn)行加固灌漿，建議選擇抗動(dòng)水性強(qiáng)及高結(jié)石率的HSC防滲帷幕型液漿，水灰比0.6∶1，待凝3 h后繼續(xù)鉆進(jìn)，直至設(shè)計(jì)要求。

3）超前系統(tǒng)注漿孔應(yīng)根據(jù)掌子面出水孔水流大小布置，對(duì)出水量較大部位由外到內(nèi)、由遠(yuǎn)到近形成包圍圈，灌漿順序采用自外向內(nèi)、從下而上的次序進(jìn)行

當(dāng)外環(huán)的鉆孔灌注結(jié)束以后，可以利用內(nèi)環(huán)灌漿孔對(duì)掌子面前方灌漿效果進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果確定是否需要繼續(xù)進(jìn)行灌漿。

4）由于掌子面前方為F42斷層影響帶，斷層寬度大約50 m，注漿后掌子面每循環(huán)開(kāi)挖到12 m，預(yù)留3 m止?jié){巖盤(pán)，再進(jìn)行下一循環(huán)注漿，直至通過(guò)F42斷層影響帶。

施工方法成功地解決了隧洞掌子面多處高壓涌水的問(wèn)題，快速地通過(guò)F42斷層影響帶，最大程度上降低了隧洞開(kāi)挖安全風(fēng)險(xiǎn),減少對(duì)施工工期的影響，為后期隧洞二次襯砌創(chuàng)造良好條件。建議在類似工程施工時(shí)參考借鑒。

［1］程文旭.隧洞開(kāi)挖過(guò)程中阻水灌漿的施工方法［J］.河南水利與南水北調(diào)，2014（1）：5-6.

［2］范雪芬，施春生.輸水隧洞涌水及線流段止水注漿施工方案［J］.東北水利水電，2015（6）：7-8.

［3］杜士斌，杜業(yè)彥，張亞豐，白玉杰.全孔一次高壓注（HSC）漿技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2008，39（7）：49-54.

［4］SL62-2014，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］.

TV67 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）09—0009—03

2016-12-16