小斷面輸水隧洞施工支洞透水層灌漿施工方法

聶彥春

（山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002）

0 前言

隧洞涌水造成開(kāi)挖施工作業(yè)條件惡劣，也嚴(yán)重影響工程進(jìn)度及施工安全，造成隧洞涌水洞段后期支護(hù)更無(wú)法施工，大量長(zhǎng)期的排水不僅會(huì)破壞地下水平衡，同時(shí)也必然增加施工費(fèi)用，因此，在施工過(guò)程中一般會(huì)要求對(duì)滲水、涌水洞斷進(jìn)行堵漏灌漿[1～4]。本文結(jié)合山西省中部引黃工程施工25標(biāo)15#施工支洞透水層灌漿堵水方案進(jìn)行分析和闡述。

1 工程概況及方案分析

1.1 工程概況

山西省中部引黃工程25標(biāo)輸水隧洞位于山西省呂梁市石樓縣境內(nèi)，隧洞施工總長(zhǎng)29.13 km，其中輸水主洞長(zhǎng)22.81 km，支洞與主洞均為城門(mén)形斷面。

支洞特性：15#隧洞工程施工支洞長(zhǎng)960 m，坡度22.8%，Ⅳ類(lèi)圍巖開(kāi)挖尺寸4.55 m×4.0 m，Ⅴ類(lèi)圍巖開(kāi)挖尺寸寬4.69 m×4.12 m，襯砌后尺寸3.65 m×3.2 m。

地質(zhì)條件：施工支洞開(kāi)挖出滲水?dāng)嗝娴牡刭|(zhì)情況主要為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖，巖石塊狀構(gòu)造，圍巖節(jié)理發(fā)育，巖石破碎，層間明顯，斷層裂隙巖石有風(fēng)化現(xiàn)象，地下水較發(fā)育，地下水主要沿節(jié)理面涌出，裂隙交匯處往往形成股水,最大滲水量超過(guò)2000 m3/h。

1.2 現(xiàn)有方案分析

施工支洞現(xiàn)階段采用“抽、排”為主的施工，主要缺點(diǎn)如下：

1）附近居民較多，抽排水過(guò)多，破壞生態(tài)環(huán)境，并造成居民水源枯竭，飲用水和土地灌溉用水短缺，為后續(xù)施工埋下隱患。

2）抽水過(guò)多，破壞圍巖自穩(wěn)，形成較大安全隱患。

3）水泵易損壞，每次維修耗用較多人工、機(jī)械重新安裝。隨著隧洞進(jìn)尺增大，抽水泵機(jī)耗用量極大，抽水狀態(tài)不穩(wěn)定，造成資源浪費(fèi)，施工難度增大。

1.3 初擬方案及其優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本次施工方案遵循“以堵為主，限量排放”的原則，對(duì)隧洞透水層進(jìn)行灌漿施工，按施工區(qū)域和滲水情況分為超前灌漿和透水層封堵灌漿，灌漿優(yōu)點(diǎn)如下:

1）灌漿施工可提高圍巖整體性和穩(wěn)定性，降低安全事故發(fā)生幾率。

2）灌漿施工即在斷面一定范圍內(nèi)形成透水率低或不透水層基本保持地下水原始狀態(tài)，不破壞地下水循環(huán)形式，保證生態(tài)平衡及穩(wěn)定。

3）灌漿施工處理時(shí)間短，效果明顯且經(jīng)濟(jì)合理。

4）灌漿處理后，可減少排水泵、工人使用量、抽水量減少，提高支洞施工工效。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 施工方案

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出水情況及工程地質(zhì)條件，經(jīng)參建各方研究后確定灌漿施工方案如下：

1）采用100型的潛孔鉆在掌子面中間鉆超前探孔，探清開(kāi)挖前方30 m距離內(nèi)的滲水情況。若單孔出水量大于30 L/min，進(jìn)行超前注漿。

2）在掌子面布置超前灌漿孔，孔深擬設(shè)計(jì)為30 m，鉆孔完成后，根據(jù)涌水壓力采取栓塞或埋孔口管進(jìn)行灌漿。

3）在已成形隧洞斷面出水處采用手風(fēng)鉆環(huán)向鉆孔，埋設(shè)灌漿管，進(jìn)行灌漿處理。

通過(guò)以上灌漿措施，封堵掌子面前方巖體及已開(kāi)挖隧洞滲水層的裂隙和滲水通道，以降低開(kāi)挖出水量，降低資源消耗。

2.2 施工位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)隧洞透水層出水特點(diǎn)和位置，初擬在15#施 工 支洞施工樁號(hào) KO+290-K0+293、KO+380-K0+385、K0+465-K0+478、K0+485-K0+490已成形斷面滲水處，分四次進(jìn)行封堵灌漿；由于在掌子面K0+493.9位置施工時(shí)，出現(xiàn)大量涌水，初擬樁號(hào)K0+493.9開(kāi)始進(jìn)行30 m超前鉆孔和灌漿。本段30 m開(kāi)挖工作支護(hù)完成后，每30 m進(jìn)行一個(gè)循環(huán)超前探孔，根據(jù)出水情況確定是否進(jìn)行超前灌漿。

2.3 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 超前灌漿設(shè)計(jì)

（1）超前探孔

探孔布置在掌子面中心，傾角與施工支洞傾角一致，鉆孔孔深30 m，鉆孔孔徑Φ80 mm。鉆孔布置見(jiàn)圖1。

圖1 超前探孔布置圖（尺寸單位：m）

（2）超前灌漿孔

孔徑80 mm，布置兩環(huán)，孔位環(huán)向間距1.5 m，排距0.5 m，孔位按梅花形布置，具體孔位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靈活布置，可根據(jù)實(shí)際滲水情況適當(dāng)減少。注漿孔深度30 m，沿洞軸線外偏10°～20°。全斷面布置注漿孔16孔，鉆孔進(jìn)尺480 m。注漿孔布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 注漿孔布置圖（尺寸單位：mm）

（3）孔口管及阻塞器

涌水壓力大于0.5 MPa的鉆孔，采用埋設(shè)孔口管的灌漿方式，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固定。

涌水壓力小于0.5 MPa的鉆孔，采用孔口阻塞的灌漿方式。（4）注漿次序及方式

采用先外環(huán)后內(nèi)環(huán)灌漿次序，內(nèi)、外環(huán)序號(hào)為單數(shù)的為I序孔先灌，序號(hào)為雙數(shù)的II序孔后灌。采用循環(huán)式灌漿方式，全孔一次灌漿。鋼管（或阻塞器）與注漿軟管的進(jìn)回漿系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 進(jìn)回漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

（5）注漿材料和壓力

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，I序孔0.3 MPa,II序孔0.5 MPa（實(shí)際灌漿壓力為設(shè)計(jì)壓力+涌水壓力）。

（6）漿液水灰比

灌漿水灰比（重量比）采用1∶1、0.6∶1等兩個(gè)比級(jí)，開(kāi)灌水灰比采用1∶1。

2.3.2 透水層段封堵灌漿

（1）注漿孔布置

由兩邊向中間施工，注漿孔與巖壁呈30°～45°，孔位環(huán)向間距約1.5 m，排距2.5 m，孔位按梅花形布置，具體孔位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)靈活布置，單孔鉆孔深度3.0 m～3.5 m，布置圖見(jiàn)圖4。

圖4 封堵灌漿孔布置圖

（2）注漿方式

采用循環(huán)式灌漿方式，全孔一次灌漿。鋼管與注漿軟管的進(jìn)回漿系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

（3）注漿材料和壓力

灌漿水泥采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，I序孔0.3 MPa，II序孔0.5 MPa。

3 施工方法

3.1 施工準(zhǔn)備

開(kāi)始施工前，預(yù)備好所需鉆孔灌漿設(shè)備，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)水電線路布置，人工鉆孔時(shí)，使用爆破鉆孔臺(tái)車(chē)配合。

3.2 施工工序和施工工藝

圖5為灌漿施工程序圖，圖6為灌漿工藝流程圖。

圖5 灌漿施工程序圖

圖6 灌漿工藝流程圖

3.3 操作要點(diǎn)

（1）鉆孔

①所有鉆孔統(tǒng)一編號(hào)、孔深、孔序、段長(zhǎng)的劃分按設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)定執(zhí)行。

②超前灌漿孔孔深為30 m；透水層封堵灌漿孔深為3.0 m～3.5 m。

③鉆孔機(jī)械：100型潛孔鉆機(jī)；氣腿式風(fēng)鉆。

④鉆灌順序：先鉆灌Ⅰ序孔，后鉆灌Ⅱ序孔。

⑤鉆孔直徑：超前灌漿鉆孔孔徑為80mm，透水層灌漿鉆孔孔徑為Φ32 mm。

（2）鉆孔沖洗

鉆孔清洗：每段鉆孔結(jié)束后，用大流量水流對(duì)鉆孔內(nèi)的殘留巖粉進(jìn)行敞開(kāi)沖洗，直至回水澄清為止。沖洗后，孔內(nèi)殘留物的厚度不得超過(guò)20 cm。

裂隙清洗：采用高壓水脈動(dòng)方式進(jìn)行，高、低壓脈動(dòng)時(shí)間間隔為5 min～10 min，其沖洗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：至回水澄清后再延續(xù)10 min為止。串通孔不少于2h。

對(duì)回水達(dá)不到澄清要求的孔段，繼續(xù)進(jìn)行沖洗直至滿(mǎn)足要求。

同一孔段的裂隙沖洗結(jié)束后24 h內(nèi)必須進(jìn)行灌漿作業(yè)，否則灌前重新進(jìn)行裂隙沖洗，沖洗壓力一般采用相應(yīng)灌漿孔段80%的灌漿壓力。

（3）灌漿作業(yè)

①灌漿入巖與孔深相同，采用全孔作一次灌漿。

②水灰比：使用多級(jí)水灰比漿液時(shí)由稀到濃逐級(jí)變換，當(dāng)灌漿壓力保持不變，注入率持續(xù)減少時(shí)，或當(dāng)注入率保持不變而灌漿壓力持續(xù)升高時(shí)，不得改變水灰比。

③變漿標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)某一級(jí)水灰比漿液注入量達(dá)300 L以上或灌注時(shí)間已達(dá)30 min，而灌漿壓力或注入率均無(wú)改變或改變不顯著時(shí)，改濃一級(jí)水灰比的漿液灌注。當(dāng)注入率大于30 L/min時(shí)，視具體情況可越級(jí)變濃水灰比。

漿液水灰比改變后，如灌漿壓力突增或注入率突減至原注入率的1/2以下時(shí)，立即回稀至原級(jí)水灰比進(jìn)行灌注，并查明原因。

④結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：在規(guī)定壓力下，當(dāng)灌漿孔單孔注入率不大于1 L/min，延續(xù)30 min結(jié)束灌漿。

（4）封孔

水平孔、仰孔、有滲水的孔采用灌漿法封孔，封孔壓力同灌漿壓力，封孔結(jié)束后，先帶壓扎管，后停泵，閉漿時(shí)間不少于6 h～8 h。拔取閉漿管后，清除孔口段浮漿，然后回填干硬性預(yù)縮水泥砂漿并漿抹平。水泥砂漿配比為水∶灰∶砂＝（0.2～0.25）∶1∶（2～2.5）。垂直孔封孔采用濃漿置換法封孔。

3.4 特殊情況處理

（1）外漏處理

①灌漿過(guò)程中如果發(fā)生冒漿或漏漿現(xiàn)象時(shí)，若冒漿量較小，可不作專(zhuān)門(mén)處理，按正常灌漿方式灌注至達(dá)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

②若冒漿量較大，一般采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌注等方法處理，必要時(shí)采取嵌縫、封堵方法處理。

③在裂隙冒漿處用舊棉花、麻絲、棉線等物緊密地打嵌入縫隙內(nèi)。必要時(shí)，在其上面再涂抹速凝水泥漿或水泥砂漿等堵塞縫隙。

（2）施工工藝操作控制

①采用低壓灌漿的方法。降低灌漿壓力，同時(shí)使用濃漿，如0.6∶1、0.5∶1的濃漿，待將漏漿出路堵塞處理后，再逐步提高灌漿的壓力，將漿液變稀，按正常規(guī)定繼續(xù)進(jìn)行灌漿。

②采用限制進(jìn)漿量法。除采用低壓、濃漿外，還可限制進(jìn)漿量，控制單位吸漿量不超過(guò)30 L/min，待濃漿在裂隙中逐漸沉積，最終將其封堵后，再逐漸提高灌漿壓力。

③孔口有滲水的孔段處理

灌前有滲水的孔，測(cè)記滲水量及滲水壓力，灌漿時(shí)灌漿壓力為設(shè)計(jì)灌漿壓力＋滲水壓力，在達(dá)到正常灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，繼續(xù)屏漿10 min，隨即以0.5∶1濃漿帶壓封孔10 min，閉漿6 h～8 h的方法。

④灌漿中斷的處理

灌漿工作因故中斷盡快恢復(fù)灌漿，恢復(fù)灌漿時(shí)使用開(kāi)灌水灰比的漿液灌注，如注入率與中斷前相近可改用中斷前水灰比的漿液灌注，如恢復(fù)灌漿后，注入率較中斷前減少很多，且在短時(shí)間內(nèi)停止吸漿，報(bào)告監(jiān)理工程師研究相應(yīng)的處理措施。

4 結(jié)論

通過(guò)在山西省中部引黃工程隧洞灌漿施工實(shí)踐證明：對(duì)于小斷面引水隧洞施工支洞透水層施工，遵循“以堵為主，限量排放”的原則，減小掌子面前方滲水量和已開(kāi)挖成形斷面滲水，有效保證了施工安全、加快了施工進(jìn)度和保持了地下水生態(tài)平衡。