鄂北水资源隧洞采用灌浆方案解决涌水的设计

王贤忠 丁兆亮 张艳君 唐 昕

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程1#施工支洞全长约505 m，采用城门洞断面型式（宽4 m，高4.5 m），隧洞采用钻爆施工，在施工到桩号0+082 时，隧洞突发涌水。其围岩地质如下：隧洞围岩岩性为震旦—青白口系白兆山组（Z2b）黑云母片岩与大理岩互层，掌子面右上侧出露断层f，断层产状290°∠60°，断层破碎带可见宽度大于2 m，主要为原岩块石、碎石充填，沿断层带有多处线状流水现象，流量20 L/s 左右。隧洞轴线走向241°，断层走向与洞轴线夹角41°，据此预测断层f 于掌子面前方穿过洞身。

该涌水现象影响围岩的稳定性，给施工造成困难。

2 设计方案

根据现场工况，采用堵排结合处理方案。首先利用大功率水泵将隧洞积水排出，并保持掌子面不积水；然后对出水洞壁进行堵水灌浆，继续掘进；掘进前进行超前探水，若有水，则进行灌浆，之后开挖。

2.1 排水

2.1.1 排水设备

紧急调集排水设备，做好排水准备。

2.1.2 排水系统布置

排水系统布置如下：

（1）在出水点附近设一集水坑，安置4台5.5 kW水泵，将水抽排至集水坑；

（2）沿支洞铺设管道并安置1 台37 kW 水泵，将水抽排至地面。

2.2 洞壁堵水灌浆

2.2.1 灌浆孔布置

灌浆从桩号0+082 断面开始布置，全洞壁360°布孔。单孔长度5 m，孔向下游，与洞轴线夹角60°。断层影响带上的灌浆孔间排距3 m，每排7 个孔；断层带上的灌浆孔间排距2 m，每排11 个孔，如图1、2 所示。

图1 孔深及方向图

图2 孔位布置图

2.2.2 施工顺序

第1，完成1.5 m 钻孔后采用0.2 MPa 低压灌浆；第2，完成1.5 m 深灌浆后，扫孔继续钻进，直至设计孔深，之后以2 倍涌水压力进行灌浆；第3，逐环向掌子面推进，直至涌水停止。此时灌浆工作完成。

2.3 超前灌浆

2.3.1 灌浆孔布置

2.3.1.1 洞壁周边灌浆孔布置

灌浆孔从开挖掌子面开始布置，全洞壁360°布孔。单孔长度5 m，孔向下游，与洞轴线夹角15°。隧洞开挖循环进尺为2 m，灌浆孔沿隧洞下游方向排距为2 m，沿洞壁环向间距为2 m，每排11 个孔，如图3 所示。

图3 超前灌浆孔深及方向图

2.3.1.2 掌子面灌浆孔布置

以掌子面中心孔为中心进行灌浆孔布置。灌浆孔间距2 m，单孔长度5 m，断面均布20 个灌浆孔。

2.3.2 施工顺序

施工顺序为先灌浆，后开挖。

隧洞出渣、排险后，首先在隧洞中心钻中心孔，孔深5 m。检测出水情况，判定是否需要进行灌浆。如需灌浆，则采用风钻打孔，ZJ-3 挤压式灌浆泵或GZJB 型液压灌浆机灌浆，直至开挖掌子面不再涌水。

洞壁周边灌浆后，灌浆花管不再拔出；开挖掌子面灌浆后，将灌浆花管拔出，以免影响隧洞开挖。

3 施工方法

隧洞洞壁堵水及开挖掌子面预注堵水，均采用纯压式灌浆。灌浆孔清理完后，插入花管，封闭孔口，开始灌浆。

3.1 花管制作与安装

灌浆花管用Φ40 mm 钢管制作，前端制作成尖锥头，尾部1.9 m 范围内不打孔。具体制作如图4所示。

图4 花管制作示意图

钻孔完毕，应进行掏孔检查。在确认没有坍孔和探头石的情况下，方可下管。否则，必须用钻机进行扫孔。完成后，安装灌浆花管。

灌浆管的安装方法：根据确定的灌浆方式确定止浆塞位置。用沾有CS 胶泥的麻丝绳绕成不小于钻孔直径的纺锤形柱塞，把管插入孔内，再用台车把管顶入孔内直至设计深度。施工时，要确保麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧实，在麻丝与孔口空余部分，填充CS 塑胶泥，从而固定灌浆管和止浆塞。顶入灌浆管时，必须将钻头换成冲套，灌浆管须带护丝箍，以保护管口外丝扣。

3.2 止浆盘施工

无盖重堵水灌浆，需在灌浆范围内对开挖岩面进行处理，使之适应高压堵水灌浆。

止浆盘的作用是防止未灌浆地段地下水涌向做业面，并防止下段灌浆时跑浆。根据灌浆终压和岩层的情况，可在预留的岩盘上加喷15～25 mm 厚C20 混凝土，用以加固岩壁。喷混凝土的范围是在灌浆孔周围3 m 范围以内。喷混凝土前，先清理落在作业面的松动岩石，再分层喷混。由于喷混凝土是在灌浆管完成后进行的，所以喷混凝土时要特别注意，灌浆管应安装防护套帽，以保护灌浆管丝扣，同时可避免喷混凝土堵塞灌浆管。

3.3 灌浆孔施工

灌浆孔采用YT28气腿式风钻钻孔，选用Φ50 mm钻头。孔位方向按设计要求施工，并做好钻孔记录。主要记录内容有：钻进进尺、起止深度、钻具尺寸、变径位置、岩石名称、裂隙发育程度及分布位置、出水量、出水位置、处理水事故和时间、终孔深度等。

3.4 灌浆施工

3.4.1 洞壁堵水灌浆及首环超前灌浆

洞壁堵水灌浆及首环超前灌浆均未形成阻浆岩塞，因此，灌浆分两步实施：首先，钻孔1.5 m 深，灌浆采用塑料管，灌浆压力控制在0.2 MPa，以便形成阻浆岩塞；其次，扫孔后继续钻进，达到设计孔深后，插入灌浆花管，灌浆压力控制在2 倍涌水压力（2 MPa），灌浆压力逐渐递增，直至灌浆结束。

3.4.2 注浆工艺流程

单液灌浆堵水效果欠佳时，可采用双液灌浆。

3.4.2.1 单液灌浆

单液灌浆为水泥浆灌浆。单液注浆水灰比采用0.8∶1～0.5∶1，速凝剂用量为水泥用量4%，浆液的控制原则一般是先稀后浓，逐级变换。

灌浆采用ZJ-3 挤压式灌浆泵，主要施工工艺为：水泥+水+速凝剂→搅拌机→储浆桶→注浆泵→灌浆。

3.4.2.2 双液灌浆

双液灌浆为水泥浆中掺入水玻璃进行灌浆。双液灌浆水灰比一般为0.8∶1～0.6∶1，水玻璃浓度（玻美度）35，水泥浆与水玻璃体积比1∶1～1∶0.8，凝固时间控制在1～2 min。根据灌浆效果，现场调整水玻璃掺量。

双液浆在灌浆前（灌浆泵前）进行混合，采用ZJ-3 挤压式灌浆泵灌浆，主要施工工艺如下：

（1）水泥浆液。水泥+水+速凝剂→搅拌机→水泥浆储浆桶。

（2）水玻璃浆。水玻璃原液+水→稀释水玻璃浆储存桶。

（3）灌浆。将A、B 两种浆液同时注入灌浆泵。

3.4.2.3 注浆顺序

先灌注内圈孔，后灌注外圈孔（在双排孔或多排孔的条件下）；先灌注无水孔，后灌注有水孔。

从拱顶开始由上自下灌注，如遇串浆或跑浆，则间隔一孔或几孔灌注。

3.5 施工控制参数

3.5.1 浆液配合比的控制

浆液配合比的控制原则一般是先稀后浓，逐级变换。

（1）当灌浆压力保持不变，注入率均匀减小；或者注入率不变，压力均匀升高时，灌浆工作将持续下去，不得改变水灰比。

（2）当某一比级浆液灌入量已达300 L 以上，此时灌浆压力及注入率无改变或改变不明显，可改浓一级灌注。

（3）当灌入量大于30 L/min 时，可视具体情况越级变浓，但需经现场监理检查批准。

（4）灌浆过程中，由于改变浆液水灰比而使灌浆压力突增或注入率突减，应立即查明原因，随时调整。如因加入掺和料而使注入率突减，则应停止使用掺和料。灌浆过程中，应当每隔一定时间测定浆液比重，灌浆结束时亦应测定浆液比重，作好记录。

（5）当采用最大浓度浆液施灌，注入率很大而不见减小时，经现场监理工程师同意可采用“定量供浆，间歇灌浆”的方式灌浆。

（6）灌浆过程中如发现冒浆、漏浆时，应视具体情况采用嵌缝、表面封堵、加浓浆液、限量、降低压力和间歇灌浆等方法。

3.5.2 凝胶时间的控制

通过配合比调节2 台注浆泵的流量控制系数，凝胶时间的变化由C∶S 来控制，它比用调节浆液浓度来控制凝胶时间的方法具有快速、简单、容易、有效，只需操作泵上的2 个按钮就可以实现，如需2 min 以上的凝胶时间，则掺加缓凝剂来控制。为了确保凝胶时间的准确，在灌浆过程中，须定时测试，一般每拌一筒浆或变换一级浓度或配合比时，需要取样实配，测定凝胶时间。同时，在泄浆口接浆测定通过混合器混合后的浆液实注凝胶时间，通过对比，检查配浆是否准确，操作泵是否正常，吸浆是否正常，混合器混合是否均匀等，从而有助于监控灌浆过程（如压力变化），避免异常事故的发生。

3.5.3 中途意外中断灌浆的处理

灌浆工作必须连续进行，若因故中断，应按下列原则进行处理：

（1）尽可能及时复灌；

（2）中断超过30 min 应立即设法冲洗，如冲洗无效，则应在重新灌浆前进行扫孔或在附近重新钻孔。

3.5.4 灌浆结束、封孔

在设计压力下，当注入率不大于0.4 L/min 时，持续灌浆10 min；当不大于1.0 L/min，持续灌注30 min。

全孔结束并检验合格后，采用机械压浆法封孔，灌浆压力为1.0 MPa，利用原灌浆管灌入水灰比为0.5∶1 的浆液。当灌入率不大于1.0 L/min时，持续灌注30 min 后停止。孔口空余部分长度如大于1 m 采用压浆法继续封孔，如小于1 m 用砂浆人工封填密实。

4 结 语

隧洞掘进过程中，常遇断层、节理裂隙富密集带等不良地质条件，突发性涌水情况时有发生。采用灌浆和预注浆进行工程处理是非常必要的。灌浆过程在起到堵水作用的同时，也有利于隧洞围岩的加固，提高了隧洞施工的安全性。