大涌水隧洞超前灌漿技術研究

蔡 暢

(中國水利水電第九工程局有限公司， 貴州 貴陽 550081)

灌漿技術可以起到對地層的填充加固、防水堵漏等作用,是地下巖土工程建設中不可或缺的一個關鍵環(huán)節(jié),對地下空間的開發(fā)有著重要意義。

堵水注漿技術最早可以追溯到1802年，當時法國工程師Charles Bering將石灰和黏土用水混合成泥漿壓入巖石裂隙中。1824年英國人發(fā)明了“Portland水泥”后，水泥灌漿法作為一種重要的工程措施被廣泛應用到工程中[1-4]。1884年英國工程師將灌漿法引入隧道開挖工程中，灌漿理論也隨著灌漿法的發(fā)展而產(chǎn)生[2]。

我國的工程灌漿技術發(fā)展相對較晚，20世紀50年代初期我國初步掌握了地質條件較好的巖石地基中的灌漿處理技術。隨著人類活動范圍的擴大，出現(xiàn)了一些特殊工程，需要灌漿材料能迅速固化。如采用單液灌漿方式易造成灌漿管堵管，因此人們開發(fā)出了雙液灌漿工藝，1967年水泥-水玻璃雙液灌漿開始出現(xiàn)[5]。1987年，中國建材研究院在研究膨脹劑的基礎上研制成無收縮超早強二次灌漿砂漿，得到了較大的推廣和應用[6]。

在水利工程建設過程中，往往會遇到不同地質情況、不同涌水情況的隧洞工程，特別是在遇到不良地質段、大涌水量、富水層、高地下水位時，隧洞施工存在很大安全隱患和施工難度，制約著施工進度和經(jīng)濟投入。

1 工程概述

山西省小浪底引黃工程位于山西省運城市，是自黃河干流上的小浪底水利樞紐工程向山西省涑水河流域調水的大型引調水工程。工程主要解決運城市區(qū)及其周邊縣城的生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水問題，工程社會效益和意義重大。

施工I標負責新建設的1號引水隧洞的范圍為S0+000～S5+000，長5000m。其中，0號施工支洞及其控制段設計最大涌水量為12000m3/d，0號施工支洞緊鄰小浪底庫區(qū)，在掘進施工過程中大涌水問題突出，實測最大的涌水量達100000m3/d；圍巖條件差，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖所占比例達到98.3%，涌水不但增加了施工難度和安全風險，還成為制約施工進度最關鍵的因素。

2 地質情況概述

工程區(qū)地處省界邊緣，屬水文地質構造條件復雜區(qū)域。地表溝谷縱橫區(qū)域大斷裂橫切隧洞軸線，并與庫區(qū)貫通，延伸長、切割深，破壞性強，不明構造交錯重疊，地層起伏顛倒雜亂，設計圍巖類型與揭露圍類型差別較大，地質條極差，施工難度極大。

隧洞洞底高程在226.00m以下，常年低于庫區(qū)水位40～50m，洞段東側有區(qū)域F1大斷層，延長大于1.5km，錯距大于200m，破碎帶寬度為30～50m，影響帶大于100m，并自南部庫區(qū)與北側板澗河貫通，施工區(qū)地下水主要受庫區(qū)補給，其次為大氣降水補給。該段揭露地層為奧陶系碳酸鹽巖(灰?guī)r、泥質灰?guī)r)，裂隙巖溶極為發(fā)育，性脆，易裂，易溶蝕，水位線以下地下水活動頻繁、巖溶裂隙串通，溶腔、中小型溶洞發(fā)育黃色軟弱溶蝕泥灰?guī)r，且厚度大、延伸長；受區(qū)域大型斷裂構造和多期次活動疊加及自身理化性質不穩(wěn)定影響，該部位圍巖的穩(wěn)定性極差。

S0+690.00～S0+709.00段為奧陶系中統(tǒng)(O2)灰黃色泥質灰?guī)r夾泥灰?guī)r；S0+709.00～S0+720.00段為泥質白云質灰?guī)r夾泥灰?guī)r，圍巖結構破碎，小型構造裂隙極發(fā)育，0+705.2～0+720.0掌子面及洞段有較大涌水，約400m3/h左右，圍巖極不穩(wěn)定，為Ⅴ類圍巖。S0+705.20掌子面及兩壁發(fā)育2組剪切裂隙，L1組走向20°NW∠70°，L2組走向80°NW∠60°，結構面平直表面有鐵質氧化物，破碎塊體在 3～5cm。S0+717.60掌子面及兩壁發(fā)育1組剪切張裂隙：L3，走向360°W∠80°,泥沙質充填其中。涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向層面涌出(地層產(chǎn)狀：120°∠40°,局部變化大)。隧洞地質編錄展示圖見圖1。

圖1 1號引水隧洞S0+690.00～S0+720.00段隧洞地質編錄展示圖

3 超前灌漿思路

由于隧洞地質條件復雜，巖溶裂隙發(fā)育、延伸長、連通性好，采用常規(guī)的堵水灌漿不能將隧洞涌水封堵。故在引水隧洞涌水處理過程中創(chuàng)新地采取了“堵排水結合，以排水為主、堵水為輔”的超前灌漿思路，及時封堵較大的涌水點，控制隧洞涌水量，保證施工進度和安全，同時降低隧洞開挖排水費用。灌漿時綜合考慮開挖期堵水效果，同時考慮后期隧洞襯砌灌漿過程中耗漿量。通過綜合效率對比分析，解決了灌漿施工難問題，縮短了隧洞灌漿施工時間，加快隧洞循環(huán)開挖速度。

灌漿前對掌子面進行了超前探測，根據(jù)超前探測的結果確定超前灌漿的原則。超前探測采用潛孔鉆對掌子面中部富水集中段鉆設1～3個水平探水孔。在富水段布設的水平探水孔可兼做卸壓孔和超前堵水灌漿時的灌漿孔，探水孔深15～20m，孔徑76mm。若在鉆孔過程中出現(xiàn)掉鉆等情況，應停止鉆孔，立即進行灌漿，完成后重新進行掃孔鉆進。

由于地質條件特殊、涌水大，灌漿思路應保持一致，但不同的地質條件還應采取不同的灌漿方式。在1號引水隧洞S0+609.00～S0+710.00洞段掘進施工過程中，視掌子面開挖情況，分別在3個部位進行了3種超前灌漿方式，分別為S0+693、S0+701、S0+705樁號掌子面。

在材料選擇上，考慮水玻璃-水泥雙液價格便宜、凝結時間短、速度快、結石強度高、安全無毒，不僅具有水泥漿的優(yōu)點，同時還有化學漿液凝結時間可控的特性[7-10]，因此采用水泥-水玻璃雙液漿進行引水隧洞超前灌漿。

4 水泥-水玻璃漿液配比及凝結時間

水泥基漿配比采用0.8 ∶1、0.5 ∶1兩級，水玻璃稀釋濃度為39.5Bé；雙液體積比(C/S)為1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25、1 ∶0.1，水泥基漿凝結時間見表1，水泥-水玻璃雙液漿配比的凝結時間(室內試驗)見表2，水泥漿與水玻璃不同體積比的膠凝時間見圖2。

表1 水泥基漿凝結時間

表2 水泥-水玻璃雙液漿配比的凝結時間

圖2 水泥漿與水玻璃不同體積比的膠凝時間

5 超前灌漿

5.1 掌子面淺孔灌漿+全斷面雙液灌漿

5.1.1 概述

在1號引水隧洞S0+693樁號開挖過程中揭露掌子面及兩壁發(fā)育2組剪切裂隙，涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向層面涌出。目測流量Q>300m3/h。

首先采用掌子面淺孔灌漿的方式對掌子面的滲水進行淺孔灌漿，完成后利用YQ70潛孔鉆在掌子進行超前探水孔施工，視探水孔涌水情況確定是否進行系統(tǒng)灌漿，灌漿完成后進行隧洞正常開挖掘進。

5.1.2 掌子面淺孔灌漿

掌子面淺孔灌漿主要采取對掌子面集中涌水部位進行鉆孔灌漿的方式，灌漿布置見圖3。灌漿操作步驟如下：

圖3 掌子面淺孔灌漿孔位布置

a.對掌子面目前正在涌水的炮孔、錨桿孔分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分別依次進行灌漿，采用孔口封閉全孔段灌漿的方法，灌漿壓力0.5MPa，水泥基漿的配比采用0.8 ∶1和0.5 ∶1。

b.將現(xiàn)有的涌水孔灌漿封堵后，在掌子面布置φ108、L=6m灌漿孔對掌子面再次進行灌漿(同樣分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔)，掌子面灌漿完成后形成巖塞閉漿。

c.鉆孔過程中未涌水的，就一鉆到底，全孔一次壓入式注漿；在鉆孔過程中，如發(fā)現(xiàn)有水，即停止鉆孔，采取注一段鉆一段的前進式注漿，直至達到設計段長位置。

在水壓、水量較大的情況下，采用分層泄水減壓、分層注漿方式，注漿順序為由下而上，由里向外。

d.超前探水孔鉆孔時，如果涌水量大，則利用探孔進行灌漿，采取邊灌邊鉆的方式，完成后進行系統(tǒng)灌漿；如果涌水量小或者不涌水時，則進行隧洞開挖。

5.1.3 系統(tǒng)灌漿

系統(tǒng)灌漿則是按照規(guī)定的灌漿孔間排距對掌子面進行系統(tǒng)的鉆孔灌漿，灌漿布置見圖4。系統(tǒng)灌漿說明如下：

圖4 系統(tǒng)灌漿孔位布置

a.在掌子面開挖邊線間隔2m布置φ70超前灌漿孔，采用YQ70潛孔鉆或巖石電鉆進行鉆孔，深度20～30m，鉆孔深度根據(jù)物探結果和實際鉆孔情況可做調整，有條件盡量加大鉆孔深度以便減小循環(huán)次數(shù)；灌漿孔沿隧洞軸線方向水平布置，并便于鉆孔施工。

b.灌漿工藝與上述的掌子面淺孔灌漿工藝一致。在采用0.5 ∶1水泥漿液灌注耗灰量達到2t仍未達結束標準時，則在灌漿過程中參入水玻璃。

雙液漿采用2臺注漿泵灌注，在孔口混合，通過控制灌漿時的漿液流量來調整和控制漿液比例。雙液體積比(C/S)為1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25，按照每一級耗灰量不超過2t逐級變漿。

c.水泥基漿灌注結束標準：在最大注入壓力下，吸漿量不大于1.0L/min，繼續(xù)灌注10min即可結束。水泥-水玻璃雙液灌漿結束標準：在最大注入壓力下，注入量小于1.0L/min即可結束，避免管路堵塞。

d.灌漿結束后，在掌子面周邊和中心位置隨機布設φ108超前孔，間距2m，孔深20～30m，如果涌水明顯減小或者消失，則說明超前灌漿達到了預定的效果。

5.1.4 灌漿效果

首先以集中灌漿的方式對掌子面涌水大的炮孔依次進行灌漿。實際灌漿參數(shù)：孔深L=4.5～6.4m，灌漿壓力p=0.5MPa，灌漿吸漿Q=26804.854～43578.08L，未摻入水玻璃。

淺孔灌漿完成后，掌子面仍有部分裂隙在滲水，對滲水部位進行了系統(tǒng)灌漿。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在滲水部位用潛孔鉆鉆孔，采取邊鉆孔邊灌漿的方式，鉆孔過程中出現(xiàn)涌水時立即對鉆孔進行灌漿處理，為加快水泥漿的凝結速度，漿液中摻入水玻璃，封堵完成后再重新鉆孔和灌漿。

灌漿參數(shù)：孔深L=6.3～17.3m，灌漿壓力p=0.5MPa，灌漿吸漿Q=35062.51～39060.60L，水玻璃摻量為0～1930.43kg。

灌漿完成后掌子面未見滲水，開挖了4個循環(huán)，出現(xiàn)了較大涌水，灌漿前后現(xiàn)場情況見圖5。

圖5 S0+693樁號灌漿前后對比

5.2 掌子面淺孔灌漿+全斷面雙液灌漿(控制吸漿量)

5.2.1 概述

在1號引水隧洞開挖過程中揭露S0+701樁號掌子面及兩壁發(fā)育2組剪切裂隙，涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向層面涌出，目測流量Q=300m3/h。

掌子面采用潛孔鉆造超前探水孔時，發(fā)現(xiàn)超前探水孔的涌水量大，同時在鉆孔過程中出現(xiàn)了掉鉆的現(xiàn)象，說明掌子面前方存在溶洞或大的裂隙，同時在S0+693樁號掌子面灌漿時發(fā)現(xiàn)灌漿水泥消耗量較大，對灌漿方案進行了調整，開灌采用0.5 ∶1純水泥漿液，之后按不同比級摻入水玻璃加快漿液的凝結。

參照S0+693樁號灌漿方法對S0+701樁號掌子面進行超前灌漿，由于涌水水壓變大，灌漿最大壓力提高到1.0MP，灌漿開始時直接采用0.5 ∶1純水泥漿液灌注，如果灌入2t水泥后吸漿量和壓力沒有明顯變化時，則采用雙液漿灌注(摻入水玻璃)。

5.2.2 灌漿效果

灌漿時先用0.5 ∶1純水泥漿液依次對掌子面的集中涌水孔進行灌注；灌入2～3t水泥后吸漿量和壓力沒有明顯變化，在漿液中摻入了水玻璃，按照體積比1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25依次逐級進行灌注。加入水玻璃后完成灌漿孔封堵，掌子面無滲水。

灌漿參數(shù)：孔深L=2.8～22.7m，灌漿壓力p=0.5～1.0MPa，灌漿吸漿量Q=1918.96～8758.4L，水玻璃摻量為288.96～1586.82kg。

灌漿完成后掌子面未見滲水，開挖了2個循環(huán)，灌漿前后現(xiàn)場情況見圖6。

圖6 S0+701樁號灌漿前后對比

5.3 掌子面淺孔灌漿+全斷面砂漿灌漿+砂漿超前灌漿

5.3.1 概述

根據(jù)開挖后揭露的情況發(fā)現(xiàn)，S0+705樁號掌子面裂隙發(fā)育、滲水量較大，并且溶洞溶腔發(fā)育。結合前面兩次的灌漿情況和灌后的效果，對S0+705樁號掌子面采取如下措施：

a.參照S0+701樁號的灌漿方法(水泥-水玻璃雙液灌漿)對S0+705樁號掌子面進行淺孔灌漿。

b.由于裂隙、溶腔較大，采取灌注砂漿的方式對大的裂隙和溶腔進行填充，以減小水泥耗量，然后再進行超前灌漿(純水泥漿或者雙液漿灌漿)。

5.3.2 砂漿灌漿

砂漿灌漿的流程為：鉆孔→安裝孔口管→砂漿灌漿→灌漿完成閉孔→進行二次超前灌漿→涌水減小、灌漿完成→隧洞開挖。

在灌漿表面存在滲水裂縫時，避免在灌漿過程中出現(xiàn)較大的串漿和滲漏現(xiàn)象，在灌漿前人工敲擊將裂隙擴大，然后用麻絲等進行嵌縫封堵處理。

砂漿使用GS50E灌漿泵進行灌注，水泥使用P·O42.5水泥，砂最大顆粒小于5mm，水為抽取的洞內滲水，水玻璃濃度為39.5Bé，注漿方式采用全孔一次壓入式。

砂漿的配比為0.5 ∶1 ∶0.3～0.5 ∶1 ∶1(水 ∶水泥 ∶砂，質量比)，水泥漿液用高速制漿機拌制，然后將拌制好的漿液輸送到GS50E灌漿泵，砂在GS50E灌漿泵中添加后直接泵入灌漿孔內。灌漿時砂的摻量由小變大，先在水泥漿液中摻入少量的砂(0.3比例的摻量)，如果灌入15～20min砂漿注入量沒有變化，則分級加大砂的摻量，按照0.1比例分級增加砂的摻量，要求摻砂后不能堵塞管路。如果灌漿孔內的涌水量大、壓力大，或者摻入大比例砂進行灌注時都無法封堵，可在砂漿中摻入10%～50%(體積比)的水玻璃作為速凝劑。

由于裂隙和溶洞、溶腔中的涌水有流動性，與外界水源貫通，為了增加砂漿對縫隙和空腔的封堵效果，在砂漿中摻入5%～20%(質量比)的麻絲，麻絲采用人工切割麻袋制造成成品，摻入麻絲時摻量由小變大，根據(jù)現(xiàn)場的灌漿情況進行調整，要求不能堵塞灌漿管路。

砂漿灌注的壓力為0.5～2MPa，最大不超過2MPa。灌漿完成后閉漿12h，然后使用YQ70潛孔鉆進行超前鉆探，探明前方的灌漿效果和滲水情況，如果出現(xiàn)大的涌水且裂隙較小時，為保證漿液的擴散半徑和灌漿效果，優(yōu)先采用水泥漿或者雙液漿灌漿的方法進行封堵；如果遇到大的溶洞和裂隙，或者采用水泥漿(雙液漿)灌漿后未達到封堵效果時，則采用上述的方案再次進行砂漿灌漿封堵。重復上述工作直到探孔滲水變小、不影響開挖為止，灌漿結束后進行隧洞開挖。灌漿孔位布置見圖7。

圖7 灌漿孔位布置

5.3.3 灌漿效果

a.掌子面淺孔灌漿。由于開挖后掌子面揭露裂隙和溶腔發(fā)育，并且比較明顯，灌漿時漏漿嚴重，故先對掌子面進行淺孔水玻璃雙液漿灌漿，將裂隙和溶洞溶腔封閉，使掌子面封閉。

參數(shù)如下：孔深L=2.3～5m，灌漿壓力p=0.5～2.0MPa，灌漿吸漿量Q=136.64～1948.6L，水玻璃摻量為0～179.31kg。

掌子面淺孔灌漿時為防止掌子面大面積串漿，首先對滲水小的部位進行鉆孔灌漿，然后依次對滲水大的部位進行鉆孔灌漿。

由于大滲水孔的水壓和水量較大，灌漿時先在大滲水孔的周圍鉆卸壓孔，卸壓孔以20°角斜穿裂隙，然后安裝φ100PE管將涌水引排，將裂隙進行噴混凝土覆蓋，最后依次分別進行灌漿。灌漿時，先依次灌注卸壓孔，最后灌注大滲水孔。

b.砂漿灌漿。掌子面淺孔灌漿完成后，按照前述兩次灌漿的方法進行超前灌漿，同樣采取邊鉆邊灌的方式。

在鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)裂隙和溶腔較大，使用純水泥漿和水玻璃雙液漿不能達到封堵效果，采用了灌注砂漿的方式進行灌漿。

超前灌漿實際參數(shù)如下：第一段孔深3.3～8.7m，灌漿壓力0.28～1.61MPa；第二段灌漿孔深10.3～11.5m，灌漿壓力0.24～1.53MPa。摻砂量725.41～4638.6kg，水玻璃參量86.4～1870.01kg。

在掌子面超前灌漿鉆孔過程中37號孔、42號孔在第二段灌漿鉆孔過程中遭遇溶洞，鉆桿存在掉鉆現(xiàn)象，空腔深度約0.6m。為此，在灌漿過程中直接灌注砂漿，并在漿液中添加麻絲、水玻璃，對溶洞進行回填封堵。

在掌子面超前灌漿完成后，進行鉆孔超前探測，鉆至15m孔內水量較小，證明本次試驗灌漿取得預期效果，灌漿前后現(xiàn)場情況見圖8。

圖8 S0+705樁號灌漿前后對比

6 灌漿效果對比

6.1 工期對比

經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計，引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705樁號涌水超前灌漿工期對比見表3。

結論：由表3可以看出，引水隧洞S0+705、S0+701樁號超前灌漿每延米耗時0.71天，S0+693樁號超前灌漿每延米耗時1.1天。在裂隙發(fā)育地段，掌子面淺孔灌漿+全斷面雙液灌漿(控制吸漿量)的方式對施工進度有利(S0+701)；在裂隙、溶洞溶腔發(fā)育地段，使用掌子面淺孔灌漿+全斷面砂漿灌漿+砂漿超前灌漿(S0+705m)的方式，在工期上具有優(yōu)勢，可節(jié)約工期，對引水隧洞開挖進度有利。

表3 超前灌漿工期對照

6.2 材料消耗對比

經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計，引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705樁號涌水超前灌漿在材料消耗對比見表4。

表4 超前灌漿材料消耗對照

通過材料消耗對比，可得出以下結論：

a.掌子面淺孔灌漿+全斷面砂漿灌漿+砂漿超前灌漿(S0+705)的灌漿方式每延米進尺消耗水泥量更少。

b.掌子面淺孔灌漿+全斷面雙液灌漿(S0+693)的灌漿方式延米進尺消耗水玻璃更少。

6.3 投資對比

對引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705樁號涌水超前灌漿在工期、誤工補償、材料消耗等方面進行了投資對比，見表5。

表5 超前灌漿投資對照

續(xù)表

結論：從表5可以看出，掌子面淺孔灌漿+全斷面砂漿灌漿+砂漿超前灌漿(S0+705)的灌漿方式延米進尺費用最少。

7 結 語

在引水隧洞超前灌漿過程中，提出了“堵排水結合，以排水為主、堵水為輔”的超前灌漿思路，及時封堵了較大的涌水點，控制了掌子面涌水量，保證了施工進度和安全，同時降低了隧洞排水費用。

經(jīng)過工期、材料投入、投資幾個方面的對比，在裂隙發(fā)育地段未出現(xiàn)溶洞溶腔時，采用掌子面淺孔灌漿+全斷面雙液灌漿(控制吸漿量)(S0+701)的方式對進度、經(jīng)濟等方面有利；在裂隙、溶洞溶腔發(fā)育地段，采用樁號掌子面淺孔灌漿+全斷面砂漿灌漿+砂漿超前灌漿(S0+705)能夠更加有效地封閉涌水，在進度、經(jīng)濟方面等均有明顯優(yōu)勢。