超前帷幕灌漿技術(shù)在隧洞巖溶突水處理中的應(yīng)用

郭天德

（甘肅省引洮工程建設(shè)管理局，730000，蘭州）

一、工程概況

引洮供水一期工程是為重點(diǎn)解決甘肅省中部干旱地區(qū)蘭州市，定西市與白銀市轄屬“三市六縣（區(qū)）”區(qū)域的 2 個(gè)縣（區(qū)）、64 個(gè)鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）、743 個(gè)行政村155.06萬人生活與生產(chǎn)、工業(yè)與生態(tài)、牲畜養(yǎng)殖以及新發(fā)展面積19萬畝（1畝=1/15 hm2）灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉等多元化用水的工程，是具有綜合性供水功能的大型跨流域自流引調(diào)水水利建設(shè)項(xiàng)目。工程設(shè)計(jì)水平年（2030年）調(diào)水量2.37億m3，其中非農(nóng)業(yè)供水量1.72億m3，農(nóng)業(yè)用水量0.65億m3。

引洮供水一期工程總干渠#3隧洞全長(zhǎng)13.33 km，為總干渠第四長(zhǎng)無壓引輸水、硬巖向軟巖過渡的中硬—軟巖隧洞工程。隧洞設(shè)計(jì)引水流量32.0 m3/s，加大引水流量36.0 m3/s，橫斷面型式為2倍半徑關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)馬蹄型，圓拱曲墻反拱底板型式，開挖掘進(jìn)施工橫斷面尺寸為寬×高＝（5.68～5.88）×（5.48～5.63）m， 二次襯砌后凈斷面尺寸為寬×高＝4.68×4.68 m，縱坡1/1 500，采用一次噴錨與二次現(xiàn)澆鋼筋混凝土的復(fù)合式支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)型式。

總干渠3#隧洞進(jìn)口工作面洞段開挖掘進(jìn)施工中，在向斜構(gòu)造灰?guī)r侵入體中發(fā)生巖溶突水，掌子面及洞周產(chǎn)生股狀壓力大涌水，向斜構(gòu)造灰?guī)r侵入體及其上游樁號(hào) 8+606.00～8+931.00總長(zhǎng)325.0 m洞段，洞身開挖掘進(jìn)施工揭示的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)狀況分段為：

①樁號(hào) 8+606.00～8+715.00長(zhǎng)109.0 m洞段：圍巖巖性為三疊系變質(zhì)砂巖夾泥鈣質(zhì)板巖，巖體呈薄層—中厚層狀，軟硬相間，屬于中硬—軟巖，裂隙較發(fā)育，埋深750.0 m，其中樁號(hào) 8+598.00～8+604.00長(zhǎng) 6.0 m 洞段有線狀流水，確認(rèn)為Ⅴ類圍巖。

②樁號(hào) 8+715.00～8+764.00長(zhǎng)49.0 m洞段：圍巖巖性為三疊系肉紅色灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，塊狀構(gòu)造，屬于堅(jiān)硬—中硬巖，巖體呈中厚層狀，裂隙不發(fā)育，完整性及穩(wěn)定性較好，埋深740.0 m，沿層面有滴、滲水，在樁號(hào)8+750.00及8+754.00處產(chǎn)生股狀流水，水量約150.0 L/min，本段為兩組巖性接觸帶，埋深大，地下水水量大，確認(rèn)為Ⅴ類圍巖。自樁號(hào)8+715.00開始向斜構(gòu)造灰?guī)r侵入體出露，地下水水量也隨之加大，呈現(xiàn)明顯的巖溶管道突水和涌水特征。向斜構(gòu)造侵入體巖性為肉紅色灰?guī)r，巖石堅(jiān)硬，受向斜構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體破碎。

③樁號(hào) 8+764.00～8+855.00長(zhǎng)91.0 m洞段：圍巖巖性為三疊系肉紅色灰?guī)r，結(jié)構(gòu)致密，塊狀構(gòu)造，屬于中硬—堅(jiān)硬巖，巖體呈厚層狀，并有方解石條帶，裂隙不發(fā)育，完整性及穩(wěn)定性較好，埋深680.0 m，沿層面有滴、滲水，確認(rèn)為Ⅲ類圍巖。本段中樁號(hào)8+807.00～8+833.00段，沿裂隙面有溶隙及溶洞，溶洞直徑200.0～300.0 mm，溶洞內(nèi)有股狀地下水涌出，水量約80.0 m3/h且逐步增大。

④樁號(hào) 8+855.00～8+885.00長(zhǎng)30.0m洞段：圍巖為斷層破碎帶及其影響帶，裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈現(xiàn)“泥包石”形態(tài)，自穩(wěn)性差，沿裂隙面有滴、滲水，頂拱存在塌落與掉塊，埋深680.0m，確認(rèn)為Ⅴ類圍巖。

⑤樁號(hào) 8+885.00～8+931.00長(zhǎng)46.0m洞段：圍巖巖性為三疊系灰黑色灰?guī)r，鈣質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)致密，屬于中硬—堅(jiān)硬巖，沿層面有方解石條帶，巖體呈現(xiàn)薄—中厚層狀，沿裂隙面有滴、滲水。該段為向斜構(gòu)造核部，為裂隙密集帶，巖體成碎裂狀結(jié)構(gòu)，自穩(wěn)性差，圍巖類別確定為Ⅴ類。本段中樁號(hào)8+914.00處掌子面上部沿層面有1個(gè)小溶洞，直徑 30.0～50.0mm，長(zhǎng)150.0～250.0 mm，產(chǎn)生股狀流水，水量約30.0 m3/h，附近有多處較小的股狀流水；樁號(hào)8+928.00處沿鉆爆孔噴射出4股股狀流水，流水中帶有石碴及泥質(zhì)物，射程4.0～5.5 m，水量約146.0 m3/h；樁號(hào)8+931.00處洞身底部產(chǎn)生溶洞，成條帶狀，溶洞寬50.0～80.0 mm，長(zhǎng) 550.0～600.0 mm，產(chǎn)生股狀流水，旁側(cè)鉆爆孔中噴射出3股股狀流水，流水中帶有石碴及泥質(zhì)物，射程2.5～3.0 m，水量最初約為150.0 m3/h，后逐漸加大至約320.0 m3/h。

隧洞開挖掘進(jìn)施工在樁號(hào)8+931.00處，因掌子面與后方洞周巖溶突水及其股狀壓力涌水而被迫停工。巖溶突水及其股狀壓力涌水量之后逐步增大，最大為1 640.0 m3/h，最終基本穩(wěn)定在860.0 m3/h，地表泉水水量大幅度降低。隧洞進(jìn)口工作面已完成開挖掘進(jìn)施工的2.43 km長(zhǎng)洞段全部淹沒，掌子面部位最大水深約2.5 m，水流自隧洞進(jìn)口反坡流出，洞內(nèi)機(jī)電與施工設(shè)備全部被淹。

二、施工技術(shù)方案

根據(jù)隧洞巖溶突水及其壓力涌水洞段圍巖巖性、巖體構(gòu)造、突涌水狀況，并參照隧洞（隧道）巖溶突水及壓力涌水封堵的工程實(shí)踐與成功經(jīng)驗(yàn)，確定對(duì)洞身開挖掘進(jìn)施工輪廓線外圍全斷面采用超前預(yù)埋花管帷幕灌漿法堵水，將巖溶管道及裂隙注漿充填封堵，形成洞身周邊圍巖固結(jié)堵水圈。帷幕灌漿采取分段灌漿法，每循環(huán)帷幕灌漿洞長(zhǎng)20.0 m，開挖掘進(jìn)施工洞長(zhǎng)16.0 m，為防止開挖掘進(jìn)施工停工掌子面失穩(wěn)，以及受壓漿液與巖溶水自帷幕灌漿工作面涌出，保證漿液沿巖溶管道及裂隙有效擴(kuò)散充填封堵，預(yù)留厚4.0 m的止?jié){巖塞及封堵體，并作為下一帷幕灌漿循環(huán)造孔的工作面。在首循環(huán)帷幕灌漿施作前，于停工掌子面澆筑厚2.0 m的C20鋼筋混凝土止?jié){墻，止?jié){墻內(nèi)預(yù)埋3根φ150 mm鋼管，用于臨時(shí)排出巖溶及裂隙水，并在管口安裝DN150閘閥進(jìn)行控制。洞身周邊圍巖巖溶及其裂隙超前帷幕灌漿充填封堵固結(jié)區(qū)及其注漿鉆孔布置分別見圖1、圖2。

三、帷幕灌漿施工

預(yù)埋花管法工藝，又稱袖閥管雙栓塞注漿工藝，是由法國(guó)Soletanche灌漿公司首創(chuàng)的一種注漿工法，也稱索列坦休斯工法。該工法具有許多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛，能有針對(duì)性地選擇壓力和材料，對(duì)各種地層適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)圍巖巖溶突水及其壓力涌水封堵固結(jié)具有良好的效果。

1.注漿孔布置

裂隙及巖溶管道中等發(fā)育的圍巖單孔注漿漿液的擴(kuò)散半徑，理論及經(jīng)驗(yàn)為1.5～2.0 m，根據(jù)隧洞洞身周邊及其掌子面圍巖巖溶管道分布特征，為使注漿達(dá)到全面有效的堵水效果，

圖1 帷幕灌漿孔布置（單位：cm）

在隧洞開挖掘進(jìn)施工停工掌子面布置四圈發(fā)散注漿孔，發(fā)散外傾角15.0°～34.0°不等，注漿孔共 28個(gè)，間距 1.5 m，排距 0.5 m，孔徑 φ150 mm，預(yù)埋花管外徑φ108 mm。洞身斷面中部布置的4個(gè)灌漿孔同時(shí)作為檢查孔，主要對(duì)掌子面前方進(jìn)行固結(jié)封閉。實(shí)際注漿施工過程中，還需根據(jù)每循環(huán)圍巖固結(jié)封堵及涌水等具體情況，對(duì)注漿孔進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

2.灌漿材料及配合比

超前帷幕灌漿材料根據(jù)圍巖巖溶突水及其壓力涌水情況，選用具有快凝及早強(qiáng)技術(shù)性能特點(diǎn)的42.5R硅酸鹽水泥、水玻璃、緩凝型填料等注漿材料。施工之前對(duì)不同水灰比及水玻璃濃度在不同溫度條件下進(jìn)行試配，優(yōu)選滿足不同涌水量及圍巖裂隙程度的配合比。在實(shí)際注漿施工過程中，根據(jù)實(shí)際進(jìn)漿量及其堵水、封堵與充填效果，適時(shí)進(jìn)行配合比的調(diào)整。

3.灌漿壓力

灌漿壓力與圍巖巖體內(nèi)巖溶管道及裂隙發(fā)育程度、涌水壓力、漿液材料黏度，以及凝膠時(shí)間長(zhǎng)短相關(guān)聯(lián)。隧洞巖溶突水及其壓力涌水洞段埋深為680.0 m，外水壓力按55.0%折減計(jì)算為3.7 MPa，灌漿壓力按大于地下水壓2.0～4.0 MPa控制。為使超前帷幕灌漿效果達(dá)到預(yù)期目的，實(shí)際灌漿施工過程中，根據(jù)巖溶突水壓力及灌漿量的大小，通過試驗(yàn)隨時(shí)對(duì)灌漿壓力進(jìn)行調(diào)整。

4.灌漿設(shè)備配置

隧洞巖溶突水及其壓力涌水超前帷幕灌漿封堵堵水施工主要設(shè)備配置見表1。

5.施工工序

預(yù)埋花管法超前帷幕灌漿施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→鉆孔→預(yù)埋花管安裝→灌漿→封孔→灌漿效果檢查→補(bǔ)灌。

（1）鉆孔

根據(jù)超前帷幕灌漿預(yù)埋花管設(shè)計(jì)布設(shè)位置，采用風(fēng)動(dòng)150型潛孔跟管鉆進(jìn)，下內(nèi)徑φ110 mm套管。在鉆孔孔深達(dá)到設(shè)計(jì)值后拔出套管，采用φ18 mm彎頭鋼管通入高壓風(fēng)吹凈孔中石屑、細(xì)小石塊與積水。

圖2 超前帷幕灌漿封堵固結(jié)區(qū)（單位：cm）

表1 鉆孔及灌漿主要設(shè)備配置

（2）預(yù)埋花管安裝

①預(yù)埋花管加工制作。采用外徑φ108 mm的無縫鋼管，加工成前端圓錐形并予以封焊嚴(yán)實(shí)，管身設(shè)若干溢漿孔，孔徑為10.0 mm，孔間距為200.0 mm，按梅花形排列，后端長(zhǎng)500.0 mm范圍內(nèi)不設(shè)溢漿孔，尾部管端設(shè)一加固環(huán)，并保持管身順直。

②預(yù)埋花管安裝。對(duì)灌漿孔進(jìn)行沖洗后將預(yù)埋花管頂入孔內(nèi)，管尾安裝閥門，在出現(xiàn)大量涌水時(shí)，既可做排水孔，也可做灌漿孔，在灌漿時(shí)關(guān)閉閥門，形成靜水壓力灌漿。

（3）灌漿

①制漿。采用NJ-1500泥漿攪拌機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拌制漿液，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，確定水灰比為 1∶0.6～1∶1.0，水玻璃及水泥用量配比為0.83∶1.0，緩凝型填料用量為水泥用量的5.0%。

②灌漿順序。采用下行式灌漿，自上而下隔孔由外到內(nèi)進(jìn)行灌漿。

③注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔注漿壓力上升至終壓并持續(xù)注漿l0 min以上；單孔注漿結(jié)束時(shí)進(jìn)漿量小于20.0～30.0 L ／min。

（4）灌漿效果檢查

采用開挖掘進(jìn)施工通過掌子面4個(gè)注漿鉆孔作為檢查孔，并測(cè)定滲漏水量，當(dāng)滲漏水量不影響掌子面開挖掘進(jìn)施工時(shí)，可認(rèn)為達(dá)到超前帷幕注漿堵水封堵目的，否則再進(jìn)行補(bǔ)灌漿。

（5）補(bǔ)灌

雖采取了超前預(yù)埋花管法帷幕灌漿堵水封堵，但在隧洞開挖掘進(jìn)施工過程中仍出現(xiàn)了較大的滲漏水及涌水，仍需再次進(jìn)行補(bǔ)灌漿，實(shí)際施工中采取以下具體補(bǔ)灌漿方式：

①當(dāng)有集中水流或巖溶管道出水時(shí)，首先埋管將水流引出，降低地下水壓，并在管口距出水口一定距離處安裝閘閥，向出水裂隙或巖溶管道鉆注漿孔并再次安裝注漿管，采用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)一步灌漿封堵。

②當(dāng)開挖面滲漏面積和水量較大時(shí)，在滲漏處采用鉆機(jī)鉆孔，找出滲漏水的主要裂隙，由鉆孔引流，將滲漏水由面流改變?yōu)榧悬c(diǎn)流，然后再次采用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行灌漿封堵。

6.后期防治

巖溶突水處理后,工程采用TSP及水平鉆孔相結(jié)合方法進(jìn)行超前地質(zhì)探孔預(yù)報(bào)，采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前取芯鉆探，每斷面設(shè)2～4個(gè)超前探孔，以利對(duì)掌子面前方地質(zhì)條件及涌水情況進(jìn)行分析判斷。超前探孔在每注漿循環(huán)段段長(zhǎng)5.0 m之前施作，探測(cè)洞長(zhǎng)一般為25.0 m左右，相鄰兩循環(huán)探孔之間搭接長(zhǎng)5.0 m。

四、結(jié) 語

超前預(yù)埋花管帷幕灌漿法解決了常規(guī)排水方式不能解決的巖溶突水及其股狀壓力涌水對(duì)人員、機(jī)電設(shè)備、工程施工造成的威脅與安全隱患問題，大幅度提高了洞室?guī)r體穩(wěn)定及施工，全面有效封堵了巖溶突水，掌子面及洞周涌水量大為減小，達(dá)到預(yù)期效果，保證了隧洞正常開挖掘進(jìn)施工。

超前預(yù)埋花管帷幕灌漿法封堵堵水對(duì)隧洞（隧道）巖溶突水及其股狀壓力涌水的處理效果總體上優(yōu)于其他灌漿方法，具有堵水效果顯著、施工工效高等技術(shù)優(yōu)越性，可為類似地下工程巖溶突水及其股狀壓力涌水封堵堵水處理提供參考借鑒。 ■

[1]李榮偉,侯恩科.巖溶地區(qū)水下隧洞帷幕灌漿實(shí)踐與研究[J].水科學(xué)與工程技術(shù),2007(2).

[2]李彬,等.山西引黃隧洞涌水封堵灌漿施工技術(shù)[J].中國(guó)建筑防水,2017(1).

[3]胡威東,等.錦屏水利樞紐輔助洞高壓大流量突涌水防治[J].人民長(zhǎng)江,2008(15).

[4]王志剛.超前止水灌漿技術(shù)在觀音閣輸水工程中的應(yīng)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2016(2).

[5]王躍峰,等.高地下水壓深埋長(zhǎng)隧洞施工阻水帷幕設(shè)計(jì)探討[J].水利水電工程設(shè)計(jì),2007(2).