鄂北水資源隧洞采用灌漿方案解決涌水的設(shè)計

王賢忠 丁兆亮 張艷君 唐 昕

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程1#施工支洞全長約505 m，采用城門洞斷面型式（寬4 m，高4.5 m），隧洞采用鉆爆施工，在施工到樁號0+082 時，隧洞突發(fā)涌水。其圍巖地質(zhì)如下：隧洞圍巖巖性為震旦—青白口系白兆山組（Z2b）黑云母片巖與大理巖互層，掌子面右上側(cè)出露斷層f，斷層產(chǎn)狀290°∠60°，斷層破碎帶可見寬度大于2 m，主要為原巖塊石、碎石充填，沿斷層帶有多處線狀流水現(xiàn)象，流量20 L/s 左右。隧洞軸線走向241°，斷層走向與洞軸線夾角41°，據(jù)此預(yù)測斷層f 于掌子面前方穿過洞身。

該涌水現(xiàn)象影響圍巖的穩(wěn)定性，給施工造成困難。

2 設(shè)計方案

根據(jù)現(xiàn)場工況，采用堵排結(jié)合處理方案。首先利用大功率水泵將隧洞積水排出，并保持掌子面不積水；然后對出水洞壁進(jìn)行堵水灌漿，繼續(xù)掘進(jìn)；掘進(jìn)前進(jìn)行超前探水，若有水，則進(jìn)行灌漿，之后開挖。

2.1 排水

2.1.1 排水設(shè)備

緊急調(diào)集排水設(shè)備，做好排水準(zhǔn)備。

2.1.2 排水系統(tǒng)布置

排水系統(tǒng)布置如下：

（1）在出水點附近設(shè)一集水坑，安置4臺5.5 kW水泵，將水抽排至集水坑；

（2）沿支洞鋪設(shè)管道并安置1 臺37 kW 水泵，將水抽排至地面。

2.2 洞壁堵水灌漿

2.2.1 灌漿孔布置

灌漿從樁號0+082 斷面開始布置，全洞壁360°布孔。單孔長度5 m，孔向下游，與洞軸線夾角60°。斷層影響帶上的灌漿孔間排距3 m，每排7 個孔；斷層帶上的灌漿孔間排距2 m，每排11 個孔，如圖1、2 所示。

圖1 孔深及方向圖

圖2 孔位布置圖

2.2.2 施工順序

第1，完成1.5 m 鉆孔后采用0.2 MPa 低壓灌漿；第2，完成1.5 m 深灌漿后，掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)，直至設(shè)計孔深，之后以2 倍涌水壓力進(jìn)行灌漿；第3，逐環(huán)向掌子面推進(jìn)，直至涌水停止。此時灌漿工作完成。

2.3 超前灌漿

2.3.1 灌漿孔布置

2.3.1.1 洞壁周邊灌漿孔布置

灌漿孔從開挖掌子面開始布置，全洞壁360°布孔。單孔長度5 m，孔向下游，與洞軸線夾角15°。隧洞開挖循環(huán)進(jìn)尺為2 m，灌漿孔沿隧洞下游方向排距為2 m，沿洞壁環(huán)向間距為2 m，每排11 個孔，如圖3 所示。

圖3 超前灌漿孔深及方向圖

2.3.1.2 掌子面灌漿孔布置

以掌子面中心孔為中心進(jìn)行灌漿孔布置。灌漿孔間距2 m，單孔長度5 m，斷面均布20 個灌漿孔。

2.3.2 施工順序

施工順序為先灌漿，后開挖。

隧洞出渣、排險后，首先在隧洞中心鉆中心孔，孔深5 m。檢測出水情況，判定是否需要進(jìn)行灌漿。如需灌漿，則采用風(fēng)鉆打孔，ZJ-3 擠壓式灌漿泵或GZJB 型液壓灌漿機灌漿，直至開挖掌子面不再涌水。

洞壁周邊灌漿后，灌漿花管不再拔出；開挖掌子面灌漿后，將灌漿花管拔出，以免影響隧洞開挖。

3 施工方法

隧洞洞壁堵水及開挖掌子面預(yù)注堵水，均采用純壓式灌漿。灌漿孔清理完后，插入花管，封閉孔口，開始灌漿。

3.1 花管制作與安裝

灌漿花管用Φ40 mm 鋼管制作，前端制作成尖錐頭，尾部1.9 m 范圍內(nèi)不打孔。具體制作如圖4所示。

圖4 花管制作示意圖

鉆孔完畢，應(yīng)進(jìn)行掏孔檢查。在確認(rèn)沒有坍孔和探頭石的情況下，方可下管。否則，必須用鉆機進(jìn)行掃孔。完成后，安裝灌漿花管。

灌漿管的安裝方法：根據(jù)確定的灌漿方式確定止?jié){塞位置。用沾有CS 膠泥的麻絲繩繞成不小于鉆孔直徑的紡錘形柱塞，把管插入孔內(nèi)，再用臺車把管頂入孔內(nèi)直至設(shè)計深度。施工時，要確保麻絲柱塞與孔壁充分?jǐn)D壓緊實，在麻絲與孔口空余部分，填充CS 塑膠泥，從而固定灌漿管和止?jié){塞。頂入灌漿管時，必須將鉆頭換成沖套，灌漿管須帶護(hù)絲箍，以保護(hù)管口外絲扣。

3.2 止?jié){盤施工

無蓋重堵水灌漿，需在灌漿范圍內(nèi)對開挖巖面進(jìn)行處理，使之適應(yīng)高壓堵水灌漿。

止?jié){盤的作用是防止未灌漿地段地下水涌向做業(yè)面，并防止下段灌漿時跑漿。根據(jù)灌漿終壓和巖層的情況，可在預(yù)留的巖盤上加噴15～25 mm 厚C20 混凝土，用以加固巖壁。噴混凝土的范圍是在灌漿孔周圍3 m 范圍以內(nèi)。噴混凝土前，先清理落在作業(yè)面的松動巖石，再分層噴混。由于噴混凝土是在灌漿管完成后進(jìn)行的，所以噴混凝土?xí)r要特別注意，灌漿管應(yīng)安裝防護(hù)套帽，以保護(hù)灌漿管絲扣，同時可避免噴混凝土堵塞灌漿管。

3.3 灌漿孔施工

灌漿孔采用YT28氣腿式風(fēng)鉆鉆孔，選用Φ50 mm鉆頭?？孜环较虬丛O(shè)計要求施工，并做好鉆孔記錄。主要記錄內(nèi)容有：鉆進(jìn)進(jìn)尺、起止深度、鉆具尺寸、變徑位置、巖石名稱、裂隙發(fā)育程度及分布位置、出水量、出水位置、處理水事故和時間、終孔深度等。

3.4 灌漿施工

3.4.1 洞壁堵水灌漿及首環(huán)超前灌漿

洞壁堵水灌漿及首環(huán)超前灌漿均未形成阻漿巖塞，因此，灌漿分兩步實施：首先，鉆孔1.5 m 深，灌漿采用塑料管，灌漿壓力控制在0.2 MPa，以便形成阻漿巖塞；其次，掃孔后繼續(xù)鉆進(jìn)，達(dá)到設(shè)計孔深后，插入灌漿花管，灌漿壓力控制在2 倍涌水壓力（2 MPa），灌漿壓力逐漸遞增，直至灌漿結(jié)束。

3.4.2 注漿工藝流程

單液灌漿堵水效果欠佳時，可采用雙液灌漿。

3.4.2.1 單液灌漿

單液灌漿為水泥漿灌漿。單液注漿水灰比采用0.8∶1～0.5∶1，速凝劑用量為水泥用量4%，漿液的控制原則一般是先稀后濃，逐級變換。

灌漿采用ZJ-3 擠壓式灌漿泵，主要施工工藝為：水泥+水+速凝劑→攪拌機→儲漿桶→注漿泵→灌漿。

3.4.2.2 雙液灌漿

雙液灌漿為水泥漿中摻入水玻璃進(jìn)行灌漿。雙液灌漿水灰比一般為0.8∶1～0.6∶1，水玻璃濃度（玻美度）35，水泥漿與水玻璃體積比1∶1～1∶0.8，凝固時間控制在1～2 min。根據(jù)灌漿效果，現(xiàn)場調(diào)整水玻璃摻量。

雙液漿在灌漿前（灌漿泵前）進(jìn)行混合，采用ZJ-3 擠壓式灌漿泵灌漿，主要施工工藝如下：

（1）水泥漿液。水泥+水+速凝劑→攪拌機→水泥漿儲漿桶。

（2）水玻璃漿。水玻璃原液+水→稀釋水玻璃漿儲存桶。

（3）灌漿。將A、B 兩種漿液同時注入灌漿泵。

3.4.2.3 注漿順序

先灌注內(nèi)圈孔，后灌注外圈孔（在雙排孔或多排孔的條件下）；先灌注無水孔，后灌注有水孔。

從拱頂開始由上自下灌注，如遇串漿或跑漿，則間隔一孔或幾孔灌注。

3.5 施工控制參數(shù)

3.5.1 漿液配合比的控制

漿液配合比的控制原則一般是先稀后濃，逐級變換。

（1）當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率均勻減小；或者注入率不變，壓力均勻升高時，灌漿工作將持續(xù)下去，不得改變水灰比。

（2）當(dāng)某一比級漿液灌入量已達(dá)300 L 以上，此時灌漿壓力及注入率無改變或改變不明顯，可改濃一級灌注。

（3）當(dāng)灌入量大于30 L/min 時，可視具體情況越級變濃，但需經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理檢查批準(zhǔn)。

（4）灌漿過程中，由于改變漿液水灰比而使灌漿壓力突增或注入率突減，應(yīng)立即查明原因，隨時調(diào)整。如因加入摻和料而使注入率突減，則應(yīng)停止使用摻和料。灌漿過程中，應(yīng)當(dāng)每隔一定時間測定漿液比重，灌漿結(jié)束時亦應(yīng)測定漿液比重，作好記錄。

（5）當(dāng)采用最大濃度漿液施灌，注入率很大而不見減小時，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理工程師同意可采用“定量供漿，間歇灌漿”的方式灌漿。

（6）灌漿過程中如發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿時，應(yīng)視具體情況采用嵌縫、表面封堵、加濃漿液、限量、降低壓力和間歇灌漿等方法。

3.5.2 凝膠時間的控制

通過配合比調(diào)節(jié)2 臺注漿泵的流量控制系數(shù)，凝膠時間的變化由C∶S 來控制，它比用調(diào)節(jié)漿液濃度來控制凝膠時間的方法具有快速、簡單、容易、有效，只需操作泵上的2 個按鈕就可以實現(xiàn)，如需2 min 以上的凝膠時間，則摻加緩凝劑來控制。為了確保凝膠時間的準(zhǔn)確，在灌漿過程中，須定時測試，一般每拌一筒漿或變換一級濃度或配合比時，需要取樣實配，測定凝膠時間。同時，在泄?jié){口接漿測定通過混合器混合后的漿液實注凝膠時間，通過對比，檢查配漿是否準(zhǔn)確，操作泵是否正常，吸漿是否正常，混合器混合是否均勻等，從而有助于監(jiān)控灌漿過程（如壓力變化），避免異常事故的發(fā)生。

3.5.3 中途意外中斷灌漿的處理

灌漿工作必須連續(xù)進(jìn)行，若因故中斷，應(yīng)按下列原則進(jìn)行處理：

（1）盡可能及時復(fù)灌；

（2）中斷超過30 min 應(yīng)立即設(shè)法沖洗，如沖洗無效，則應(yīng)在重新灌漿前進(jìn)行掃孔或在附近重新鉆孔。

3.5.4 灌漿結(jié)束、封孔

在設(shè)計壓力下，當(dāng)注入率不大于0.4 L/min 時，持續(xù)灌漿10 min；當(dāng)不大于1.0 L/min，持續(xù)灌注30 min。

全孔結(jié)束并檢驗合格后，采用機械壓漿法封孔，灌漿壓力為1.0 MPa，利用原灌漿管灌入水灰比為0.5∶1 的漿液。當(dāng)灌入率不大于1.0 L/min時，持續(xù)灌注30 min 后停止?？卓诳沼嗖糠珠L度如大于1 m 采用壓漿法繼續(xù)封孔，如小于1 m 用砂漿人工封填密實。

4 結(jié) 語

隧洞掘進(jìn)過程中，常遇斷層、節(jié)理裂隙富密集帶等不良地質(zhì)條件，突發(fā)性涌水情況時有發(fā)生。采用灌漿和預(yù)注漿進(jìn)行工程處理是非常必要的。灌漿過程在起到堵水作用的同時，也有利于隧洞圍巖的加固，提高了隧洞施工的安全性。