淺談長距離隧洞高壓富水段超前預注漿現場試驗

李文俊，李玉光

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

某生態保護一期工程，其調水隧洞總長約42km，橫跨多個地層，存在高地應力、高富水、大斷層等不良地質因素，給工程施工帶來了很多不便，尤其是本文探討的輸水隧洞主體工程土建Ⅱ標段，此標段采用鉆爆法施工，斜井支洞為施工支洞，支洞長533.07m，縱坡38.64%，為馬蹄形斷面。自隧洞斜井支洞口進入，首先進行支洞施工，后進入輸水隧洞向上、下游掘進。由于本隧洞工程存在多種地層巖性，增加了施工的難度，高承壓水水頭下的高富水洞段施工尤為困難，如何解決這一難題，同時加快工程施工，本文在總結國內外含水洞段的灌漿施工基礎上，提出以超前預注漿為主要手段，來探討此方法在高富水洞段的阻水效果，從而達到分享成果，交流經驗的目的，希望本文能給受到此類問題困擾的水利工程建設者帶來這些啟發和經驗教訓，從而推動該類工程施工。

2 高壓富水洞段分析

2.1 地質分析

該高壓富水洞段隧洞圍巖為志留系(S2j)硅質粉砂巖、粉砂巖，段內發育有F斷層及F69的兩個分支斷裂。斷層帶附近發育有糜棱巖、碎裂巖，風化卸荷帶內的裂隙也有泥質及巖屑充填。洞線附近地下水屬基巖承壓水，承壓水水頭高(高出洞線384～426m)、流量大的特點。具體高承壓水與洞身的相互位置關系如高承壓水與洞身的相互位置關系如圖1所示。樁號6+500～6+700、7+100～7+300附近洞段巖體破碎，承壓水頭高，掌子面涌水、突泥、涌砂危險性大，頂底板突涌危險性大，最大涌水量達到162971m3/d，單點突涌水量為30058m3/d。

2.2 鉆孔分析

當隧洞下游掘進至樁號6+120處實施了超前地質預報。掌子面6+120處上臺階進行了三孔的超前地質鉆探，鉆孔位置詳見掌子面6+120處超前鉆探孔位布置如圖2所示及掌子面樁號6+120鉆孔情況見表1。

根據鉆孔情況初步判斷，6+130～6+147之間圍巖較破碎，可能存在一處小的斷層破碎帶。右側2#鉆孔在6+130處出現動水壓力約1.9MPa，水量約29m3/h高外水；3#鉆孔在6+163處出現水量約60～70m3/h，估測水壓約3.0MPa的高外水。3#鉆孔在鉆進出水后，2#鉆孔水量、水壓沒有明顯降低，若考慮2#鉆孔外水與3#鉆孔外水為同一高壓富水帶，宏觀判斷該高壓富水帶與主洞洞軸線成約17°的夾角。根據該角度判斷主洞6+084～6+111段開挖輪廓線距離高壓富水帶距離約7～15m。詳見掌子面6+120處超前鉆探宏觀判斷分析如圖3所示。

圖1 高承壓水與洞身的相互位置關系

表1 掌子面樁號6+120鉆孔情況匯總表

圖2 掌子面6+120處超前鉆探孔位布置示意圖

通過鉆孔及物探揭示，掌子面6+120前方存在斷層區和富水區，確定在6+120掌子面開展工藝灌漿試驗。

3 實驗方案選定及要求

本試驗方案擬采用前進式鉆孔注漿，鉆孔長度根據鉆機過程中圍巖條件、水量及水壓進行調整，原則上不大于10m。出現以下情況應及時調整：凡遇斷層破碎帶，應繼續鉆進并深入破碎帶1m后停鉆即為分段長度，鉆遇突然涌水量大于100m3/h，水壓大于3MPa時應停止鉆進即為一個分段長度。

開孔孔位必須嚴格按照施工圖紙定的參數進行測量放線定位，鉆機水平放置并固定牢固，鉆進過程中不得產生跳動和位移，各區(段)鉆孔開孔允許誤差見表2，實際開孔孔位應有記錄。

表2 鉆孔開孔允許誤差

為達到試驗預期目標，鉆進中每隔5～6m左右測量一次孔斜，記錄偏斜情況，分析原因并及時加以糾正，鉆孔最大偏斜率規定見表3。

表3 鉆孔最大偏斜率規定

圖3 掌子面6+120處超前鉆探宏觀判斷分析圖

4 工藝性灌漿試驗

4.1 試驗材料選擇及配比

采用52.5普通硅酸鹽水泥，水泥細度為通過80μm方孔篩的篩余量不大于5%，可擇機采用早強水泥；水玻璃溶液的模數(m)為2.4～2.8，其濃度一律采用35波美度(比重1.318)。

水泥漿液采用水灰比為3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1和0.5∶1；漿液配比計量誤差應小于5%；水泥單漿液摻5%水玻璃漿液：水泥單漿液摻5%水玻璃漿液按照水灰比1∶1、0.5∶1(重量比)的水泥漿液摻5%水玻璃做配比注漿；早強外摻劑漿液在封孔閉漿情況下，擬采用濃漿外摻重量比1%～5%速凝劑的方式加快封孔漿液的早強，達到1天內掃孔進行下一循環鉆灌。

4.2 試驗方法及設備

采用型鋼門架搭設鉆孔平臺。鉆機底部加工制作工字鋼托架，鉆機托架采用連接板與鉆孔平臺橫梁進行螺栓連接，做到方便快捷的挪機，進而提高鉆孔功效。鉆機移動采用電動葫蘆進行快速移動，在1#/6#鉆孔頂部掛設定滑輪，在地面布設電動葫蘆，通過電動葫蘆與定滑輪的組合進行鉆機快速上下移動。在2#/5#鉆孔布設定滑輪，通過手動葫蘆+定滑輪進行鉆機橫向牽引移動。

所用自動化制漿系統制漿能力8000L/h；主要2臺型號為3SNS的灌漿泵，額定功率18.5kW；3臺型號為HS-B8的砂漿泵額定功率18.5kW，其中備用一臺等其他輔助設備。

4.3 孔位布置及參數要求

超前預注漿孔數暫定為半徑3m的圓周上布設6個孔，鉆孔為水平孔，根據注漿效果進行孔數的增減優化；如超前預注漿試驗孔位布置如圖4所示。

圖4 超前預注漿試驗孔位布置示意圖

采用兩臺50A鉆機同時鉆孔，根據孔位布置，采用對稱鉆孔的方式進行鉆孔灌漿施工，優先鉆孔1#、4#→3#、6#→2#、5#。

根據規范參考值確定，在最大灌漿壓力6MPa的情況下，初步確定孔口管埋設深度L=5m，并在孔口設置封孔裝置；孔口管采用Φ125無縫鋼管制作花管，花管孔徑8～10mm，對稱布設，孔間距20cm，端頭1m不設灌漿孔作為止漿段；孔口管端頭采用法蘭盤+高壓鋼絲墊+Φ125高壓球閥(耐高壓10～15MPa)裝置防高壓水突涌。高壓球閥后部安裝Φ80的耐高壓10MPa的高壓球閥作為泄壓水孔，安裝Φ25的耐高壓10MPa高壓球閥作為注漿孔。

4.4 灌漿結束與封孔標準

灌注水泥及水泥-水玻璃雙液漿時，當灌漿段在設計灌漿壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續灌注30min，可結束灌漿。

灌注水泥-水玻璃雙液漿時，先開水泥漿泵再開水玻璃溶液泵，灌漿結束或中途因故停止灌漿時，先關水玻璃溶液漿，后關水泥漿泵。

當超前預注漿全孔灌漿達到結束標準，并經驗收合格后，應及時做好封孔工作，封孔采用機械壓漿法。

5 成果分析及特殊處理

5.1 成果分析

灌漿成果統計詳見6+120掌子面超前預注漿工藝性試驗灌漿成果統計表見表4，注漿有效性見灌漿前后水量分析對比如圖5—11所示。

表4 6+120掌子面超前預注漿工藝性試驗灌漿成果統計表

圖5 1#孔灌漿前后水量分析對比

圖6 2#孔灌漿前后水量分析對比

圖7 3#孔灌漿前后水量分析對比

圖8 4#孔灌漿前后水量分析對比

圖9 5#孔灌漿前后水量分析對比

圖10 6#孔灌漿前后水量分析對比

綜合灌漿情況1#孔(1點鐘方向)單位注灰量為0.9t/m，為6孔中最大，其中26～30m單位注入量2.2t/m、40～65m單位注入量1.6t/m；3#孔(5點鐘方向)單位注灰量為0.15t/m，6孔中最小。

從柱狀水量對比圖可以看出，灌后水量明顯減少或基本無水，注漿達到一定效果。

5.2 特殊情況處理

超前預注漿輔助孔灌漿時，當灌漿壓力長時間不能達到設計壓力時，應降低壓力至0，以降低漿液擴散速度，增大漿液擴散通道，當漿液初凝后，逐漸緩慢加壓至設計灌漿壓力，已達到灌漿結束標準；在加壓過程中，特別應注漿加壓速度，以避免破壞暫時封閉的裂隙。

超前預注漿輔助孔灌漿時，當灌漿壓力在短時間內，快速達到設計壓力，單位吸漿量較小時，應延長漿液反應時間，增大漿液擴散半徑，以達到設計擴散半徑。

超前預注漿，對吸漿量長時間不減小，壓力升高及其緩慢的灌漿孔段，應采用“定量供漿、間歇灌注”的方式處理，單液漿間歇時間不宜少于12h，雙液漿間歇時間不宜少于4h。

超前預注漿發生鄰孔串漿時，有條件者可兩孔同時灌注，否則應用灌漿塞封堵串漿孔，當結束灌漿后，對串漿孔再進行掃孔、灌漿。為此要求各灌漿孔在鉆進時盡可能前后錯開一定距離。

超前預注漿發生故障中斷灌漿時，應盡可能縮短中斷時間，及早恢復灌漿，中斷時間超過30min(單液漿)，應立即洗孔，否則應在灌漿前進行掃孔。

6 結語

(1)通過在樁號6+120處進行的高壓富水隧洞段超前預注漿試驗發現預注漿止水效果良好。

(2)試驗有效的檢驗了自制鉆孔平臺+潛孔鉆機、檢驗注漿設備、孔口封閉器等設備選型的工作效率、安全性及合理性。

(3)試驗為后續超前預注漿施工生產提供可靠的技術依據，為類似工程提供借鑒。

(4)試驗為超前預注漿施工功效、工程造價分析、灌漿工程優化及隧洞標段整體工程進度計劃提供依據。