輸水隧洞Ⅳ級圍巖涌水段注漿堵水治理方案研究

張奇智

(喀左縣水利局,遼寧省 喀左縣 122300)

1 工程背景

阜新市位于水資源比較匱乏的遼寧省西部地區(qū)，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷加快，水資源短缺已經(jīng)成為制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的重要因素。為此，市政府投資興建了“引白濟阜”引水工程。該工程從北票市境內(nèi)大凌河干流上的白石水庫取水，輸水管線經(jīng)過北票市、義縣和阜新市的清河門區(qū)、阜蒙縣和開發(fā)區(qū)，最終接入城市的供水管網(wǎng)。輸水工程主要由取水頭部、預(yù)處理廠、加壓泵站、凈水廠、輸水管線和輸水隧洞組成，管線全長81 km，設(shè)計引水能力為30萬m3/d。工程的輸水隧洞位于北票市的大水泉子村西北，全長1662 m的無壓自流隧洞，進口和出口的洞底高程分別為193.3 m和192.4 m。隧洞斷面為城門洞型設(shè)計，隧洞的進口和出口部位設(shè)置有連接井。根據(jù)施工前的地質(zhì)勘測資料顯示，輸水隧洞在穿越D11斷層部位的圍巖狀態(tài)較差，主要為Ⅳ級巖體，其中存在大量的斷層和破碎帶等不良地質(zhì)。由于該部位和地表水以及地下水的水力聯(lián)系比較緊密，施工中極易發(fā)生涌水災(zāi)害[1]。在隧洞開挖初支到樁號S24+170部位時，開挖斷面出現(xiàn)大涌水并引發(fā)作業(yè)面坍塌，在帶水清理坍塌體之后施工繼續(xù)進行。在施工初支到樁號S24+150部位時，前方拱頂部位出現(xiàn)涌水沖垮形成的坍塌體，洞壁也出現(xiàn)了多處滲水。由于工程的工期比較緊張，決定采用帶水開挖，再對涌水段進行注漿加固的施工方案[2]。

2 隧洞涌水段治理方案

2.1 涌水段治水思路

由于隧洞涌水段的出水量較大，最大值達到2500 m3/d左右。如果不及時治理，地下水必將會長期流失，最終對工程區(qū)的地下水和地質(zhì)環(huán)境造成嚴重不利影響[3]。項目部基于隧洞結(jié)構(gòu)的背水壓力以及水資源保護之間的關(guān)系，綜合考慮施工技術(shù)和成本因素，采用堵水和限排相結(jié)合的治水原則，通過堵水措施提高圍巖和支護結(jié)構(gòu)的隔水性，使施工環(huán)境處于可接受的涌水狀態(tài)，而通過限排措施，則可以排除注漿止水圈沒有堵住的少量地下水，以減小支護結(jié)構(gòu)的背水壓力[4]。結(jié)合工程涌水的實際情況，徑向注漿止水無疑是最簡單可行的方式，不僅可以填充圍巖孔隙，提高止水效果，還可以提高圍巖的整體性，提高支護結(jié)構(gòu)的整體強度和抗水壓能力[5]。在具體的施工過程中，首先進行隧洞底部的垂直注漿，以保證施工安全，待仰拱施工完成后進行徑向注漿，之后再根據(jù)實際情況對涌水點進行治理。

2.2 底部注漿

在涌水洞段底部注漿施工過程中，發(fā)現(xiàn)該部位的巖體十分破碎，在注漿孔鉆孔至3.0 m左右時，就有地下水涌出。在帶水開挖通過該段之后的后續(xù)堵水施工中，勢必會造成地下水壓增大，為了保證隧洞底板不會出現(xiàn)開裂和損傷，就必須要進行底部注漿，其施工范圍為S24+150～S24+96，注漿設(shè)計的示意圖如圖1所示。

圖1 底部注漿設(shè)計示意圖(單位：mm)

具體的注漿設(shè)計施工如下：底部注漿的范圍為隧洞開挖外輪廓線8.0 m以內(nèi)，注漿孔的鉆孔深度為10.0 m，在靠近邊墻部位的鉆孔，要保證注漿孔與隧洞開挖外輪廓線垂直。注漿孔的鉆孔直徑為108.0 mm，在鉆進深度達到3.0 m時進行孔口管的安裝，孔口管直徑為89.0 mm，然后繼續(xù)鉆孔。如果孔內(nèi)沒有地下水涌出或涌出量較小，可以一直鉆進至10.0 m的設(shè)計深度，然后進行全孔一次性注漿；如果孔內(nèi)的涌水量較大，則應(yīng)該停止鉆孔，先注漿施工進行封堵，然后再鉆至設(shè)計深度再次進行注漿作業(yè)[6]。注漿孔的環(huán)向孔間距為3.00 m，縱向孔間距為2.50 m，在注漿過程中按照兩序孔分序進行，先進行單序孔注漿，在注漿結(jié)束之后看實際情況在進行二序孔的作業(yè)，注漿的終漿壓力為3.0 MPa[7]。隧洞涌水段底部注漿施工中的布孔參數(shù)如表1所示。

表1 隧洞底部注漿參數(shù)

洞段底部注漿加固過程中共設(shè)置注漿孔254個，共注入漿液1678.2 m3。其中，普通水泥單漿液和水泥-水玻璃雙漿液分別為357.2 m3和1321.0 m3。注漿施工過程中的漿液損失率為10%，按照15%的地層孔隙率計算，漿液的填充率為86.4%，可以取得良好的注漿加固效果。

2.3 徑向注漿

從研究洞段的地質(zhì)情況來看，涌水段為穿越斷層地帶，地層巖體十分破碎，其中賦存的地下水之間存在明顯聯(lián)系。因此，需要通過徑向注漿止水的方式對涌水進行封堵，這不僅可以填充圍巖孔隙，提高止水效果，還可以提高圍巖的整體性，提高支護結(jié)構(gòu)的整體強度和抗水壓能力。徑向注漿堵水的工程設(shè)計示意圖如圖2所示。

圖2 徑向注漿設(shè)計示意圖(單位：mm)

徑向注漿的加固范圍為隧洞開挖外輪廓線外8.0 m，注漿孔的具體布置方式如圖2所示。注漿孔的環(huán)向和縱向間距分別為1.5 m和2.0 m，按照垂直于開挖輪廓線成梅花形布置。注漿孔的鉆孔直徑為75 mm，在鉆進深度達到3.0 m時進行孔口管的安裝，孔口管直徑為50 mm，然后繼續(xù)鉆孔至設(shè)計長度。為了防止徑向注漿施工過程中出現(xiàn)漏漿問題，在注漿孔布置完成之后，需要在注漿管周圍噴射厚度為20 cm的混凝土。在注漿過程中按照兩序孔分序進行，先進行單序孔注漿，在注漿結(jié)束之后看實際情況再進行二序孔的作業(yè)，注漿的終漿壓力為3.0 MPa。徑向注漿參數(shù)見表2。

表2 徑向注漿參數(shù)

洞段底部注漿加固過程中共設(shè)置注漿孔199個，共注入漿液1123.4 m3。其中，普通水泥單漿液和水泥-水玻璃雙漿液分別為823.5 m3和299.9 m3。注漿施工過程中的漿液損失率為10%，按照10%的地層孔隙率計算，漿液的填充率為83.1%，可以取得良好的注漿加固效果。

2.4 頂水注漿

洞段的底部和徑向注漿結(jié)束之后，如果個別部位的涌水量仍舊較大，就需要通過頂水注漿的方式對出水點進行封堵[8]。在施工過程中，位于S24+220部位的隧洞頂部存在一個較大的突水點，日涌水量達到了530 m3左右。對該段隧洞的開挖顯示，地層巖體十分破碎，巖體節(jié)理發(fā)育，突水主要來自于層間裂隙水。為了預(yù)防該涌水點對隧洞結(jié)構(gòu)整體安全造成影響，需要采取縱向堵水措施，也就是在上游的S26+178～S26+188洞段進行徑向注漿以形成有效的隔水帷幕，最大限度減小突水點的涌水量。注漿施工的范圍為開挖外輪廓線以外10.0 m。注漿孔的環(huán)向和徑向間距設(shè)置為1.0 m和1.5 m，呈梅花形布置。注漿參數(shù)如表3所示。

表3 隧洞頂水注漿參數(shù)

3 注漿效果

在注漿施工之前，洞段的底部存在十分明顯的出水點，在注漿孔鉆孔過程中出水孔占到全部鉆孔數(shù)的60%。特別是部分一序孔，不僅出水量較大，且多為斷層內(nèi)的承壓水，如不采取治理措施，勢必會對地下水環(huán)境和工程安全造成不利影響。隨著注漿施工的進行，鉆孔內(nèi)的出水量呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢，在進行四序鉆孔時，孔內(nèi)已經(jīng)基本無水流出。在灌漿施工結(jié)束之后，洞段的底部已經(jīng)沒有明顯的出水點，總涌水量也由原來的2500 m3/d減小到不足40 m3/d，完全滿足后續(xù)施工要求。由此可見，本次工程注漿治水的效果十分顯著。

4 結(jié) 語

本次研究主要介紹了“引白濟阜”引水工程輸水隧洞穿越斷層破碎帶洞段的注漿堵水工程措施。針對洞段地質(zhì)巖層破碎、涌水量大的實際情況，采用了底部注漿、徑向注漿以及頂水注漿相結(jié)合的方式，進行研究洞段的注漿堵水施工，結(jié)果顯示注漿工程措施有效降低了隧洞圍巖的孔隙度，改善圍巖地層的滲透性，使隧洞涌水量得到最大限度控制，保證了周圍生態(tài)環(huán)境安全和隧洞施工的順利進行，對同類工程具有一定的理論和實踐指導(dǎo)價值。當然，注漿治水效果會受到各種復(fù)雜因素的影響，在具體工程實踐中應(yīng)該結(jié)合實際情況，采取有針對性的工程措施，保證治水效果。