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管理局，山西 太原 030002）

0 前言

隧洞涌水造成開挖施工作業條件惡劣，也嚴重影響工程進度及施工安全，造成隧洞涌水洞段后期支護更無法施工，大量長期的排水不僅會破壞地下水平衡，同時也必然增加施工費用，因此，在施工過程中一般會要求對滲水、涌水洞斷進行堵漏灌漿[1～4]。本文結合山西省中部引黃工程施工25標15#施工支洞透水層灌漿堵水方案進行分析和闡述。

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標輸水隧洞位于山西省呂梁市石樓縣境內，隧洞施工總長29.13 km，其中輸水主洞長22.81 km，支洞與主洞均為城門形斷面。

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

地質條件：施工支洞開挖出滲水斷面的地質情況主要為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，巖石塊狀構造，圍巖節理發育，巖石破碎，層間明顯，斷層裂隙巖石有風化現象，地下水較發育，地下水主要沿節理面涌出，裂隙交匯處往往形成股水,最大滲水量超過2000 m3/h。

1.2 現有方案分析

施工支洞現階段采用“抽、排”為主的施工，主要缺點如下：

1）附近居民較多，抽排水過多，破壞生態環境，并造成居民水源枯竭，飲用水和土地灌溉用水短缺，為后續施工埋下隱患。

2）抽水過多，破壞圍巖自穩，形成較大安全隱患。

3）水泵易損壞，每次維修耗用較多人工、機械重新安裝。隨著隧洞進尺增大，抽水泵機耗用量極大，抽水狀態不穩定，造成資源浪費，施工難度增大。

1.3 初擬方案及其優點

根據現場情況，本次施工方案遵循“以堵為主，限量排放”的原則，對隧洞透水層進行灌漿施工，按施工區域和滲水情況分為超前灌漿和透水層封堵灌漿，灌漿優點如下:

1）灌漿施工可提高圍巖整體性和穩定性，降低安全事故發生幾率。

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

3）灌漿施工處理時間短，效果明顯且經濟合理。

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 方案設計

2.1 施工方案

針對現場出水情況及工程地質條件，經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，探清開挖前方30 m距離內的滲水情況。若單孔出水量大于30 L/min，進行超前注漿。

2）在掌子面布置超前灌漿孔，孔深擬設計為30 m，鉆孔完成后，根據涌水壓力采取栓塞或埋孔口管進行灌漿。

3）在已成形隧洞斷面出水處采用手風鉆環向鉆孔，埋設灌漿管，進行灌漿處理。

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

2.2 施工位置

根據現場隧洞透水層出水特點和位置，初擬在15#施 工 支洞施工樁號 KO+290-K0+293、KO+380-K0+385、K0+465-K0+478、K0+485-K0+490已成形斷面滲水處，分四次進行封堵灌漿；由于在掌子面K0+493.9位置施工時，出現大量涌水，初擬樁號K0+493.9開始進行30 m超前鉆孔和灌漿。本段30 m開挖工作支護完成后，每30 m進行一個循環超前探孔，根據出水情況確定是否進行超前灌漿。

2.3 技術參數設計

2.3.1 超前灌漿設計

（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，孔位環向間距1.5 m，排距0.5 m，孔位按梅花形布置，具體孔位根據現場靈活布置，可根據實際滲水情況適當減少。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，鉆孔進尺480 m。注漿孔布置圖見圖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

采用先外環后內環灌漿次序，內、外環序號為單數的為I序孔先灌，序號為雙數的II序孔后灌。采用循環式灌漿方式，全孔一次灌漿。鋼管（或阻塞器）與注漿軟管的進回漿系統具體設計見圖3。

圖3 進回漿系統設計圖

（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（實際灌漿壓力為設計壓力+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等兩個比級，開灌水灰比采用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，具體孔位根據現場靈活布置，單孔鉆孔深度3.0 m～3.5 m，布置圖見圖4。

圖4 封堵灌漿孔布置圖

（2）注漿方式

采用循環式灌漿方式，全孔一次灌漿。鋼管與注漿軟管的進回漿系統具體設計見圖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 施工準備

開始施工前，預備好所需鉆孔灌漿設備，依據現場進行風水電線路布置，人工鉆孔時，使用爆破鉆孔臺車配合。

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

（1）鉆孔

①所有鉆孔統一編號、孔深、孔序、段長的劃分按設計圖紙和規定執行。

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鉆孔機械：100型潛孔鉆機；氣腿式風鉆。

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：每段鉆孔結束后，用大流量水流對鉆孔內的殘留巖粉進行敞開沖洗，直至回水澄清為止。沖洗后，孔內殘留物的厚度不得超過20 cm。

裂隙清洗：采用高壓水脈動方式進行，高、低壓脈動時間間隔為5 min～10 min，其沖洗結束標準為：至回水澄清后再延續10 min為止。串通孔不少于2h。

對回水達不到澄清要求的孔段，繼續進行沖洗直至滿足要求。

同一孔段的裂隙沖洗結束后24 h內必須進行灌漿作業，否則灌前重新進行裂隙沖洗，沖洗壓力一般采用相應灌漿孔段80%的灌漿壓力。

（3）灌漿作業

①灌漿入巖與孔深相同，采用全孔作一次灌漿。

②水灰比：使用多級水灰比漿液時由稀到濃逐級變換，當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率保持不變而灌漿壓力持續升高時，不得改變水灰比。

③變漿標準：當某一級水灰比漿液注入量達300 L以上或灌注時間已達30 min，而灌漿壓力或注入率均無改變或改變不顯著時，改濃一級水灰比的漿液灌注。當注入率大于30 L/min時，視具體情況可越級變濃水灰比。

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，立即回稀至原級水灰比進行灌注，并查明原因。

④結束標準：結束標準：在規定壓力下，當灌漿孔單孔注入率不大于1 L/min，延續30 min結束灌漿。

（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，封孔結束后，先帶壓扎管，后停泵，閉漿時間不少于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灌漿過程中如果發生冒漿或漏漿現象時，若冒漿量較小，可不作專門處理，按正常灌漿方式灌注至達灌漿結束標準。

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。必要時，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，按正常規定繼續進行灌漿。

②采用限制進漿量法。除采用低壓、濃漿外，還可限制進漿量，控制單位吸漿量不超過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，測記滲水量及滲水壓力，灌漿時灌漿壓力為設計灌漿壓力＋滲水壓力，在達到正常灌漿結束標準后，繼續屏漿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灌漿，恢復灌漿時使用開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，如恢復灌漿后，注入率較中斷前減少很多，且在短時間內停止吸漿，報告監理工程師研究相應的處理措施。

4 結論

通過在山西省中部引黃工程隧洞灌漿施工實踐證明：對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挖成形斷面滲水，有效保證了施工安全、加快了施工進度和保持了地下水生態平衡。