输水隧洞Ⅳ级围岩涌水段注浆堵水治理方案研究

张奇智

(喀左县水利局,辽宁省 喀左县 122300)

1 工程背景

阜新市位于水资源比较匮乏的辽宁省西部地区，随着工业化和城镇化建设的不断加快，水资源短缺已经成为制约当地经济社会发展的重要因素。为此，市政府投资兴建了“引白济阜”引水工程。该工程从北票市境内大凌河干流上的白石水库取水，输水管线经过北票市、义县和阜新市的清河门区、阜蒙县和开发区，最终接入城市的供水管网。输水工程主要由取水头部、预处理厂、加压泵站、净水厂、输水管线和输水隧洞组成，管线全长81 km，设计引水能力为30万m3/d。工程的输水隧洞位于北票市的大水泉子村西北，全长1662 m的无压自流隧洞，进口和出口的洞底高程分别为193.3 m和192.4 m。隧洞断面为城门洞型设计，隧洞的进口和出口部位设置有连接井。根据施工前的地质勘测资料显示，输水隧洞在穿越D11断层部位的围岩状态较差，主要为Ⅳ级岩体，其中存在大量的断层和破碎带等不良地质。由于该部位和地表水以及地下水的水力联系比较紧密，施工中极易发生涌水灾害[1]。在隧洞开挖初支到桩号S24+170部位时，开挖断面出现大涌水并引发作业面坍塌，在带水清理坍塌体之后施工继续进行。在施工初支到桩号S24+150部位时，前方拱顶部位出现涌水冲垮形成的坍塌体，洞壁也出现了多处渗水。由于工程的工期比较紧张，决定采用带水开挖，再对涌水段进行注浆加固的施工方案[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较大，最大值达到2500 m3/d左右。如果不及时治理，地下水必将会长期流失，最终对工程区的地下水和地质环境造成严重不利影响[3]。项目部基于隧洞结构的背水压力以及水资源保护之间的关系，综合考虑施工技术和成本因素，采用堵水和限排相结合的治水原则，通过堵水措施提高围岩和支护结构的隔水性，使施工环境处于可接受的涌水状态，而通过限排措施，则可以排除注浆止水圈没有堵住的少量地下水，以减小支护结构的背水压力[4]。结合工程涌水的实际情况，径向注浆止水无疑是最简单可行的方式，不仅可以填充围岩孔隙，提高止水效果，还可以提高围岩的整体性，提高支护结构的整体强度和抗水压能力[5]。在具体的施工过程中，首先进行隧洞底部的垂直注浆，以保证施工安全，待仰拱施工完成后进行径向注浆，之后再根据实际情况对涌水点进行治理。

2.2 底部注浆

在涌水洞段底部注浆施工过程中，发现该部位的岩体十分破碎，在注浆孔钻孔至3.0 m左右时，就有地下水涌出。在带水开挖通过该段之后的后续堵水施工中，势必会造成地下水压增大，为了保证隧洞底板不会出现开裂和损伤，就必须要进行底部注浆，其施工范围为S24+150～S24+96，注浆设计的示意图如图1所示。

图1 底部注浆设计示意图(单位：mm)

具体的注浆设计施工如下：底部注浆的范围为隧洞开挖外轮廓线8.0 m以内，注浆孔的钻孔深度为10.0 m，在靠近边墙部位的钻孔，要保证注浆孔与隧洞开挖外轮廓线垂直。注浆孔的钻孔直径为108.0 mm，在钻进深度达到3.0 m时进行孔口管的安装，孔口管直径为89.0 mm，然后继续钻孔。如果孔内没有地下水涌出或涌出量较小，可以一直钻进至10.0 m的设计深度，然后进行全孔一次性注浆；如果孔内的涌水量较大，则应该停止钻孔，先注浆施工进行封堵，然后再钻至设计深度再次进行注浆作业[6]。注浆孔的环向孔间距为3.00 m，纵向孔间距为2.50 m，在注浆过程中按照两序孔分序进行，先进行单序孔注浆，在注浆结束之后看实际情况在进行二序孔的作业，注浆的终浆压力为3.0 MPa[7]。隧洞涌水段底部注浆施工中的布孔参数如表1所示。

表1 隧洞底部注浆参数

洞段底部注浆加固过程中共设置注浆孔254个，共注入浆液1678.2 m3。其中，普通水泥单浆液和水泥-水玻璃双浆液分别为357.2 m3和1321.0 m3。注浆施工过程中的浆液损失率为10%，按照15%的地层孔隙率计算，浆液的填充率为86.4%，可以取得良好的注浆加固效果。

2.3 径向注浆

从研究洞段的地质情况来看，涌水段为穿越断层地带，地层岩体十分破碎，其中赋存的地下水之间存在明显联系。因此，需要通过径向注浆止水的方式对涌水进行封堵，这不仅可以填充围岩孔隙，提高止水效果，还可以提高围岩的整体性，提高支护结构的整体强度和抗水压能力。径向注浆堵水的工程设计示意图如图2所示。

图2 径向注浆设计示意图(单位：mm)

径向注浆的加固范围为隧洞开挖外轮廓线外8.0 m，注浆孔的具体布置方式如图2所示。注浆孔的环向和纵向间距分别为1.5 m和2.0 m，按照垂直于开挖轮廓线成梅花形布置。注浆孔的钻孔直径为75 mm，在钻进深度达到3.0 m时进行孔口管的安装，孔口管直径为50 mm，然后继续钻孔至设计长度。为了防止径向注浆施工过程中出现漏浆问题，在注浆孔布置完成之后，需要在注浆管周围喷射厚度为20 cm的混凝土。在注浆过程中按照两序孔分序进行，先进行单序孔注浆，在注浆结束之后看实际情况再进行二序孔的作业，注浆的终浆压力为3.0 MPa。径向注浆参数见表2。

表2 径向注浆参数

洞段底部注浆加固过程中共设置注浆孔199个，共注入浆液1123.4 m3。其中，普通水泥单浆液和水泥-水玻璃双浆液分别为823.5 m3和299.9 m3。注浆施工过程中的浆液损失率为10%，按照10%的地层孔隙率计算，浆液的填充率为83.1%，可以取得良好的注浆加固效果。

2.4 顶水注浆

洞段的底部和径向注浆结束之后，如果个别部位的涌水量仍旧较大，就需要通过顶水注浆的方式对出水点进行封堵[8]。在施工过程中，位于S24+220部位的隧洞顶部存在一个较大的突水点，日涌水量达到了530 m3左右。对该段隧洞的开挖显示，地层岩体十分破碎，岩体节理发育，突水主要来自于层间裂隙水。为了预防该涌水点对隧洞结构整体安全造成影响，需要采取纵向堵水措施，也就是在上游的S26+178～S26+188洞段进行径向注浆以形成有效的隔水帷幕，最大限度减小突水点的涌水量。注浆施工的范围为开挖外轮廓线以外10.0 m。注浆孔的环向和径向间距设置为1.0 m和1.5 m，呈梅花形布置。注浆参数如表3所示。

表3 隧洞顶水注浆参数

3 注浆效果

在注浆施工之前，洞段的底部存在十分明显的出水点，在注浆孔钻孔过程中出水孔占到全部钻孔数的60%。特别是部分一序孔，不仅出水量较大，且多为断层内的承压水，如不采取治理措施，势必会对地下水环境和工程安全造成不利影响。随着注浆施工的进行，钻孔内的出水量呈现出逐渐减少的趋势，在进行四序钻孔时，孔内已经基本无水流出。在灌浆施工结束之后，洞段的底部已经没有明显的出水点，总涌水量也由原来的2500 m3/d减小到不足40 m3/d，完全满足后续施工要求。由此可见，本次工程注浆治水的效果十分显著。

4 结 语

本次研究主要介绍了“引白济阜”引水工程输水隧洞穿越断层破碎带洞段的注浆堵水工程措施。针对洞段地质岩层破碎、涌水量大的实际情况，采用了底部注浆、径向注浆以及顶水注浆相结合的方式，进行研究洞段的注浆堵水施工，结果显示注浆工程措施有效降低了隧洞围岩的孔隙度，改善围岩地层的渗透性，使隧洞涌水量得到最大限度控制，保证了周围生态环境安全和隧洞施工的顺利进行，对同类工程具有一定的理论和实践指导价值。当然，注浆治水效果会受到各种复杂因素的影响，在具体工程实践中应该结合实际情况，采取有针对性的工程措施，保证治水效果。