隧洞工程堵水技術綜述

劉松富

(中國水電基礎局有限公司，天津 301700)

近些年我國的隧洞掘進技術及設備制造能力越來越強，但即使是再高的基建技術水平，也有碰上“硬茬”的時候。比如云南省掌鳩河引水工程采用雙護盾TBM掘進隧洞至上公山進口段K7+568樁號處時，在前端掌子面發生的單點、多頻次突涌水、涌砂、塌方多達幾十次，涌出物回填洞段長度達百米以上。突涌水發生后, 突水封堵極其困難,使得TBM掘進機機頭受阻達10個月之久，開挖人員及機械安全無法得到保障。雅礱江錦屏二級水電站交通輔助洞由A、B兩條單車道隧洞組成，位于南側的A線及北側的B線隧道長度均為17.5km，兩隧道間距35m。隧道地下水發育，突涌水點多，由于錦屏山隧道最大埋深2375m，具有高壓力、流量大、突發性等特點。開挖揭露的單點涌水最大壓力達到4.7MPa，最大涌水量達到6.7m3/s，如此大流量的高壓涌水在國內外尚屬先例，僅采用常規的灌漿工藝往往無法滿足堵水的需要。

隧洞工程的地下水問題始終伴隨隧洞工程設計、施工和運營的整個施工過程。在各種復雜或不良的地質條件中,地下水是影響隧道工程施工運營和導致預算超概的主要原因之一[1]。在隧洞掘進過程中出現的涌水滲漏問題，會直接影響工程進度及安全，惡化作業環境，增加排水設施及排水費用，嚴重者甚至會發生洞段的崩塌或淹沒事故，造成重大的生命和財產損失。

堵水灌漿技術是隧洞開挖過程中滲漏防治的重要技術之一，具有保證隧洞開挖作業安全、減輕洞內排水負擔、節省排水用電、降低施工成本、提高工效和質量等優點。通過對掌鳩河引水洞、錦屏交通輔助洞、田灣河引水洞等幾個典型堵水工程實例的總結及研究，提出了針對隧洞突涌水不同類型，適宜采用的堵水技術、工藝及漿材，可為類似工程提供借鑒。

1 隧洞突涌水的處理原則

在過去大量的工程應用中,經常采用“以排為主”的原則對地下水進行處理,通過減小襯砌結構的外水壓力來保證結構的安全。但隨著時間的推移,以排為主的處理方法,不僅會降低地下水水位,打破隧址區水資源平衡,還會造成隧址區生態環境的破壞,影響周圍居民的生產生活用水。

因此,對富水隧道采用“以堵為主，限量排水”的原則進行地下水的處理就顯得異常重要[2]。為實現快速堵水，還應遵循“系統思維、預報先行、堵排結合、先固后堵、先易后難、變動為靜、一點一策”的原則。根據出水點的壓力、流量、穩定時間、水系結構及圍巖條件等實際情況，有針對性地制定專項堵水施工方案，是有效封堵涌水的關鍵。

1.1 系統思維

隧洞堵水處理不可盲目地根據出水點表象作出判斷，有時把一個大出水點封閉，往往會造成該區段的地下水位及壓力迅速抬高，從而可能導致其他部位出水壓力、水量增大以及圍巖失穩，給后續處理增加難度及成本。在灌漿封堵過程中，還應實時觀察其他部位串漿或出水量變化情況，必要時需對有聯系的出水點進行同步處理。因此，在進行地下水處理時，應結合地勘、物探資料及堵水過程現象，系統地分析及決策。

1.2 預報先行

地下水處理前，首先要進行地質探察，摸清涌水區域內的水文地質構造、水系連通補給條件及圍巖穩定狀態。同時超前預報+超前灌漿，也是目前認為在隧洞開挖過程中預防發生突涌水危害最為可靠的一種工程技術手段。超前預報一般采用鉆孔直觀探察及物探測試的手段，目前應用較多且認為可靠的物探方法包括地質雷達及TSP，但這兩種方法各有優缺點，地質雷達在探測含水構造方面有優勢,測試快捷方便,但測試距離短；TSP探測斷層及破碎帶效果較好,測試距離長,但測試過程復雜。以單一的物探手段完成對隧洞的準確預報有時是困難的,而采用地質雷達和TSP探測相結合的方法,能夠大大提高超前預報的準確性。

1.3 堵排結合

對于大流量、大壓力的強富水區，不能開始就考慮全部封堵，首先要通過打孔引排的措施，逼迫水流由預設的分流減壓孔改道排放，分散和釋放原集中出水點的流量和壓力，最終把大流量水分割為小流量水，高壓力水分割為低壓力水，以降低大出水點的處理難度。

1.4 先固后堵

在出水點周邊圍巖整體條件較差時，要先對圍巖進行系統灌漿加固，以確保圍巖安全。若僅實施局部封堵，在出水點封堵后可能會使洞圈圍巖內水壓力增大，造成洞圏巖壁大面積滲水的現象。

1.5 先易后難

難度小的先堵，先從低水壓、小流量的出水部位開始處理，逐漸向高水壓、大流量的部位漸進。

1.6 變動為靜

通過合理的引排分流措施，實現區域阻斷，把動水逐步變為靜水，以降低堵水的難度。

1.7 一點一策

每一個出水點的水文地質特征均不同，其處理方法也應不同，宜有針對性地制定堵水處理方案。

2 突涌水的型式及對應的堵水策略

從以往工程突涌水情況看，根據涌水的性狀，可將涌水大致分為崩塌型涌水和裂隙型涌水。

2.1 崩塌型涌水

崩塌型涌水多發生在大的斷層構造帶或溶塌體內，發生涌水時伴隨斷層帶內松散物質一起涌出，造成隧洞不良洞段的坍塌。例如掌鳩河引水隧洞在上公山進口段K7+568樁號處的突涌水。

崩塌型涌水發生時，由于隧洞掌子面前端一定長度的洞段已被破碎帶涌出物堵塞，無法直接在掌子面進行堵水灌漿，所以必須在掌子面前端建造混凝土堵頭，將涌出物進行封閉，形成良好的灌漿承壓環境，并在堵頭混凝土面上呈放射狀布置1～2環超前灌漿孔進行防滲和加固處理，灌漿加固洞圈的厚度不宜小于1～2倍洞徑。若不良洞段的長度大于單次超前灌漿加固長度，則開挖工作應分段進行，且前一個開挖循環末端需預留大于5m長度的灌漿加固段作為下一個開挖循環的巖體堵頭。例如掌鳩河引水隧洞上公山涌水段，單次灌漿加固長度為30m，灌漿孔按兩排布置，A排放射角度為9.5°，B排放射角度為24.2°；單次開挖循環為18m，為下一個開挖循環預留加固長度為12m。掌鳩河引水隧洞超前灌漿放射狀鉆孔布置型式見圖1[3]。經過堵水灌漿處理后，隧洞開挖區段內破碎帶得到了有效的減滲及固結，巖體的自穩性能夠滿足開挖要求，經過2個開挖作業循環，順利通過不良地質段。

圖1 隧洞超前灌漿放射狀鉆孔布置

2.2 裂隙型涌水

裂隙型涌水多發生在構造裂隙及層間、層內錯動帶，以裂隙為水流通道，涌水裂隙連通性好，多有很好的補給環境。裂隙涌水一般開始涌水量最大，壓力最高，經過一段時間衰減后，達到穩定。裂隙型涌水又可分為淋幫水、單點大流量涌水及單點高壓涌水等。

2.2.1 淋幫水

淋幫水的表現形式是在隧洞一段長度內，分布很多小裂隙，從裂隙中涌出的水順洞壁下流，出水點幾乎遍布整個巖面，包括濕潤、滴流及線流等。淋幫水多為涌水壓力不高，單點涌水量不大，一般采用環狀垂向灌漿孔的常規方案；在裂隙分布規律比較明顯時，可采用針對主裂隙走向定向布置灌漿孔的方案。針對淋幫水，灌漿處理的深度一般控制在3～5m，但需穿過主裂隙的底界面，淋幫水的處理可以采用后處理的方式，即隧洞開挖與灌漿處理并行作業。例如錦屏輔助洞BK15+000～BK14+888m段采用常規的布孔形式，取得了較好的封堵效果，田灣河引水洞樁號2+509～2+530m段呈現面狀涌水，流量達58m3/h，采用了裂隙定向布孔方式，灌漿處理效果顯著。

2.2.2 單點大流量涌水

單點大流量涌水，多有寬大裂隙或巖溶通道，與穩定補給水源連通性好，隧洞開挖破壞了原有的滲流平衡，呈現為管道型出水，出水流量大，若直接進行封堵會造成涌水壓力急速上升，難以實現封堵目的，堵水處理時宜采用先分流后灌漿封堵的方案。首先在洞壁出水點兩側斜向穿設一排或多排引流孔，引流孔的孔、排距為0.5～1.0m，多呈梅花形布置，孔徑宜大不宜小。鉆孔角度、深度不確定，原則上應盡可能穿過較多的裂隙，當富水區圍巖整體性較好時，可直接在出水構造淺層打孔引排；若富水區圍巖破碎，宜從遠端向出水構造打孔。鉆孔完成后在孔內安裝鋼制管道進行分孔引流，最后進行灌漿封堵。當引流管安裝及出水口封堵難度大時也可采用格柵模袋法，首先在出水口的外側固定安裝鋼制格柵，封堵時可輔助模袋抵御內水壓力，然后在內部下設模袋，最后在模袋內注漿使模袋膨脹泌水固結，以實現封堵出水通道的目的。例如錦屏A輔助洞AK14+328.3m處，最大涌水量達到6.7m3/s，穩定流量也達到3.3m3/s，采用了此方案封堵效果良好。

2.2.3 單點高壓涌水

單點高壓涌水，多出現在大埋深洞段的富水構造裂隙，由于地下水壓力高，人或機械均無法靠近進行直接封堵，必須先控制涌水再進行灌漿處理?？刂埔饕瞬捎锰刂频暮蠖藥б鞴芗伴y門的金屬杯罩，用機械直接罩在出水點上進行固定，然后建造混凝土堵頭及封堵灌漿。在金屬罩安裝前可采用在出水點側面斜向打減壓分流孔的措施，以降低封閉引流的難度。錦屏在BK14+888m處開挖時所出現的涌水壓力4.7MPa、流量210 L/s的高壓力出水點，采用了此方案進行封堵。

3 堵水材料及漿液

涌水封堵灌漿與普通灌漿不同，根據涌水形式，需要結合各類漿液的黏度突變性、凝結速度、早期強度、型態及抗沖能力等不同特性合理選擇及使用，且往往需要兩種以上漿液聯合使用，才能達到良好的封堵效果。以下列舉了堵水灌漿常用的幾種漿材。

3.1 普通水泥漿液

與常規灌漿一樣，普通水泥漿液是堵水灌漿中常用的灌漿漿液，具有操作簡單、結石強度高、使用成熟、成本低等優點。一般在流速和涌水量較小時使用。

3.2 水泥-水玻璃漿液

水泥-水玻璃漿液是涌水封堵灌漿中最常用的一種雙液灌漿材料，具有凝結速度快、凝結時間可調、結石率高、成本較低等優點，是封堵灌漿中不可缺少的灌漿漿液。在錦屏工程中采用的水泥-水玻璃漿液配合比及性能指標見表1。

3.3 硫鋁酸鹽水泥

硫鋁酸鹽水泥為抗凍混凝土施工材料，具有早強、高強、高抗滲、高抗凍、耐蝕、低堿和生產能耗低等特點。其凝結時間短、早期強度高、抗沖能力好，失去流動性的同時即具有一定的抗沖能力，數分鐘后抗沖能力急劇上升，強度增長迅速，早期強度很高。注漿加固巖體試驗表明硫鋁酸鹽水泥結石體強度也顯著高于普通硅酸鹽材料,對多孔隙砂巖的剛性改善效果最優,且結石體沿巖-漿界面產生滑移破壞的概率最小[4]。這些特點恰恰對堵水非常有利，是普通硅酸鹽水泥材料所不可比擬的。錦屏工程中采用的硫鋁酸鹽水泥主要性能指標見表2。

表1 錦屏工程水泥-水玻璃漿液配合比及性能指標

表2 錦屏工程用硫鋁酸鹽水泥漿液的性能指標

3.4 膏狀漿液

膏狀漿液最初是針對覆蓋層灌漿所開發的一種水泥基灌漿材料，通過在普通水泥漿中摻入大量的膨潤土(或黏土)、粉煤灰等摻和料及少量外加劑而構成的小水灰比的膏狀漿液，其基本特征是漿液的初始剪切屈服強度值可以克服其本身重力的影響，因其抗水流沖釋性能和自堆積性能而具有一定的動水抗沖能力，膏漿的抗水稀釋能力使膏漿作為一個整體來抗擊水流的沖擊，因此要使膏漿產生流動，水流必須克服膏漿的剪切屈服強度，而水泥膏漿的剪切屈服強度值通?？梢赃_到100Pa以上[5]。此類漿液適用于地下水流速小于0.5m/s的崩塌型以及裂隙性高壓力、大流量涌水的灌漿處理。田灣河工程中采用的膏狀漿液的性能指標見表3。

表3 田灣河工程用膏狀漿液的性能指標

3.5 化學漿液

化學漿液品種多樣，性能各異，可根據所處理的問題采用相應的材料，一般能夠很好地解決問題，但與水泥基類漿材相比價格偏高?；瘜W漿液主要包括以下幾種。

3.5.1 水玻璃類

具有無毒、廉價、黏度低、可灌性好、操作方便等優點，可用于破碎帶內的泥沙層及微細裂隙發育類型的淋幫水處理。在掌鳩河引水洞針對溶塌體的固結處理采用了此類漿液，取得了較好的堵水效果。

3.5.2 聚氨酯類

分水溶性及油溶性兩種類型。水溶性聚氨酯化學灌漿材料包水量大，滲透半徑大，適用于動水地層的堵漏處理，土體淺層和表面層的固結和防護；同時水溶性聚氨酯漿材固結體彈性好，適用于混凝土伸縮縫的防滲堵漏。油溶性聚氨酯漿材俗稱氰凝，其所形成的固結體強度大，防滲透性能好，適用于加固地基、防護林水堵漏兼備的工程。同時油溶性聚氨酯漿材彈性小，適用于混凝土靜止縫的防滲堵漏及加固。聚氨酯灌漿材料除了單獨使用外，也可與水泥組成復合灌漿材料，利用聚氨酯的快速固化及水泥結石強度高的力學性能，實現快速有效堵水的目的。

3.5.3 馬麗散

為雙組分合成高分子——聚亞胺膠脂材料，是一種低黏度的新型堵水材料。當樹脂和催化劑摻在一起反應或遇水產生膨脹時，可生成多元網狀密彈性體，當他被高壓推擠注入巖層或混凝土裂縫時，在高壓作用下可以使巖層的閉合裂隙張開，可沿巖層或混凝土裂縫延展直到將所有裂隙充填。馬麗散材料黏度低，易滲透進入微小裂隙；與水迅速反應膨脹，快速堵水，施工簡單；并且黏合強度和抗壓強度高，能迅速黏合地層及松散巖體，不受地層變形破壞。2008年馬麗散在武廣高鐵隧道堵水中得到應用，并取得良好效果。

3.6 纖維型灌漿材料

對于寬大涌水裂隙的封堵，尤其是裂縫內流速較高、滲壓較大的裂隙封堵，使用單一的水泥-水玻璃漿液或膏狀漿液容易被沖散稀釋，施工時可在漿液中摻加聚丙烯纖維材料，以增加漿液的黏聚力，并可在裂隙中產生橋架作用，提高漿液的抗沖能力。

在錦屏B輔助洞BK14+876.2m段開挖鉆爆破孔時，出現較大涌水，經鉆孔驗證，前方裂隙寬度為50～60cm，涌水壓力2MPa左右，且裂隙與B輔助洞相連通，屬典型的大裂隙、大壓力、高流速地下水類型。開始灌漿時，僅采用水泥-水玻璃雙液漿灌注，B輔助洞漏漿嚴重，堵水效果不明顯，后期在漿液中增加了纖維型材料，經三次重復灌注后，成功將涌水封堵。

3.7 改性瀝青灌漿

瀝青具有與水不互溶的特點，當瀝青被加熱成流態時具有良好的流動性和可灌性，通過灌漿泵泵入滲漏部位后，遇水發生冷凝作用，逐漸黏附在滲透通道表面，堵塞漏水通道，利用瀝青加熱后變為易于流動的液體、冷卻后又變為固體的物理性能實現堵漏的目的。改性瀝青漿液是通過在瀝青中添加外加劑進行改性，降低了瀝青熔點，減少了預熱和清洗等工序，使得施工工藝變得相對簡單。改性瀝青灌漿具有加熱溫度低、流動性和擴散性好，凝結體強度高、蠕變小等優點[6]，適合于較大流速的涌水封堵。

4 堵水的關鍵工藝措施

堵水灌漿工藝與涌水的形態密切相關，涌水的形態決定了需采用的灌漿工藝，不能生搬硬套，在堵水過程中與之相配套的工藝措施主要有以下幾種。

4.1 孔口阻塞形式

由于涌水封堵灌漿鉆孔中均有壓力水涌出，因此采用普通灌漿鑲管工藝是不可行的，一般多采用模袋鑲管工藝或下設特制的高壓止水塞。模袋鑲管工藝可在涌水流量不大或壓力不高的情況下使用；高壓止水塞是一種在鉆孔作業中對產生的高壓涌水實現瞬時封閉、實時減壓及安全轉序，具有安全可控能力的孔口保護裝置。其多與超前地質預報、超前灌漿配合使用，在超前預報發現掌子面后端存在高壓涌水時，在掌子面鉆孔的孔口提前安裝高壓止水塞。孔口模袋封閉裝置結構與現場實用效果見圖2。

4.2 雙液灌漿

涌水封堵灌漿一般要求漿液凝結時間較短，采用雙液灌漿工藝能夠使漿液凝結時間可控[7]，是灌漿堵漏的常用方法之一。

a.雙液灌漿中的漿液變換。雙液漿的凝結時間可通過調節兩種漿液的濃度及體積比例來控制。灌漿過程中為了防止因凝結速度過快，將一些無水或流速較小裂隙過早堵塞，雙液漿也需從長凝結時間的配比至短凝結時間的配比逐級變換。變漿原則與普通水泥灌漿不同，有時需要以灌漿時間作為主要變漿條件。

圖2 孔口模袋封閉裝置結構與現場實用效果

b.雙液灌漿管路連接。雙液灌漿中，為使漿液混合均勻，實現黏度突變及速凝效果，漿液出口需要安裝擾流式或噴射式漿液混合器；為了防止因兩條管路壓力不均衡造成漿液倒流堵塞管路，每個灌漿管路均需要安裝逆止閥；為了防止超高壓灌漿時，因管路堵塞產生瞬時高壓造成事故，泵前需安裝自動的過壓卸壓裝置。典型的管路連接形式見圖3。

圖3 雙液灌漿管路連接形式

c.雙液灌漿控制。堵水灌漿需要漿液有一定的凝結速度和凝結體強度，因此灌漿時必須準確控制漿液配比及凝結時間，通常采用以下兩種控制方法：?漿液配比控制：采用流量計或自動灌漿記錄儀準確測讀漿液注入量，通過變頻泵來調節兩種漿材的注入量，以此準確控制漿液配比；?工藝控制法：當使用最短凝結時間的配比仍不能有效封堵涌水時，可加長灌漿管路，使漿液在管路中有一定的混合時間，以漿液擠出管口后已基本凝固為控制標準，以此保證漿液的最大抗沖能力。

4.3 群孔灌漿

群孔灌漿對同一條寬大裂隙或在某一特定區域布置多個鉆孔，用多臺灌漿泵同時進行灌漿，可同時灌注多種材料。一般在封堵動水時使用，目的是通過群孔灌漿在單位時間內形成較大的灌注流量及多種材料的復合，在裂隙通道內盡快形成較大體積的漿體，保證短時間內不被水稀釋而凝固，快速形成具有一定強度的結石體，達到封堵突涌水的目的。

5 結 語

隧洞突涌水的封堵歷來是工程技術難題，尤其是高壓力、大流量涌水封堵更是世界級難題。在堵水過程中，不可機械地照搬灌漿規范條文，針對突涌水的表現特征，需按照“系統思維，一點一策”的原則，并結合各類漿材及工藝的特性，制定科學合理的方案，是隧洞堵水成功的關鍵。

在隧洞開挖過程中，應重視及加強超前地質預報，在探明前端存在富水的不良地質段時，需事先提出有針對性的預處理措施、開挖措施及防排水措施[8]，宜在突涌水未發生前對待開挖的不良地質洞段進行超前灌漿處理，以大大降低后期堵水的難度，減少突水造成的漫洞風險。堵水灌漿材料主要是利用其高觸變、速凝、早強、大黏聚力及高膨脹性等特點，實現對動水的抗沖能力。當采用一種漿液難以達到目的時，往往需要兩種以上漿液聯合使用，才能達到良好的封堵效果。水泥-水玻璃漿材具有凝結時間可調、施工操作簡單、價格低廉等優點，配合雙液灌漿工藝使用通?？梢詫崿F快速堵水的目的，宜作為隧洞堵水的首選材料；聚氨酯及馬麗散類化學灌漿材料，存在一定的化學污染且施工成本高，可用于出水點的表層封堵及應急處理；纖維及瀝青類顆粒材料工藝操作相對復雜，可用于高壓力、大流量的動水環境封堵。?