隧洞掘进极破碎富水洞段注浆施工技术

张建庭,裴剑,高永亮

(山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

1 工程背景

某隧洞工程8#支洞上游工作面即7#支洞控制主洞绕线段(桩号G1+127)处于中条山东侧山前大断裂带内，断裂带内岩石破碎严重，根据对本隧洞所进行的地表踏勘和洞内超前勘探，桩号G1+127～G1+091段为典型的岩层裂隙发育地段，具备相对的富水性，在隧洞掘进施工的过程中可能会发生较大规模的顶板渗水，水流持续冲刷红泥、破碎岩石等会导致隧洞发生垮塌。经参建各方多次讨论协商并结合专家会意见，最终建议应先对已开挖洞段进行注浆加固处理，在掌子面后方安全得到保证的基础上，采用全断面或周边帷幕注浆+大管棚+小导管+台阶法通过掌子面中不具自稳状态的断层破碎带。为保证顺利通过该隧洞富水洞段，桩号G1+127～G1+091极破碎带洞段拟采用全断面深孔超前帷幕注浆+大管棚+台阶法+小导管及化灌材料注浆回填等相结合的施工方案，通过断层破碎带。

2 超前帷幕注浆施工

为保证施工质量，桩号G1+127～G1+091极破碎带洞段帷幕灌浆分为两个循环进行，每个循环注浆25 m。

2.1 制作止浆墙

在进行超前帷幕灌浆施工前必须进行止浆墙施作，待完成止浆墙基础开挖后彻底清理基底杂物，并采用长度0.50 m的φ22螺纹钢按0.60 m的间距和1.00 m的排距打设2排连接筋。止浆墙立模浇筑使用强度等级C20混凝土，浇筑厚度2.00 m，且应保证止浆墙开挖轮廓线和周边接触部位的密实性，避免灌浆过程中发生漏浆。

2.2 修建钻机操作平台

钻机操作平台采用返渣回填，并在平台顶面与拱顶之间预留出长10 m、宽4.50 m的钻机可移动空间，在临近止浆墙的平台两侧预留出0.50 m的空间发挥排水沟的作用，待修建好钻机操作平台后还应增设至少3.5 m宽、最大为25°的钻机爬坡坡道。

2.3 钻孔施工

本隧洞极破碎富水洞段超前帷幕灌浆注浆孔设计孔径Φ130 mm，在注浆前还应预埋长度2.50 m的Φ108 mm孔口管，以后全部采用孔径Φ90 mm的注浆管。为保证注浆施工质量，应加强孔位的准确定位，偏差值不得超出±5 cm，并在钻进的过程中按照设计节段进行偏角检测与纠偏。按照由外向内的次序间隔钻孔施工，并对钻进过程中所出现的堵钻、掉块、钻速不稳、坍塌等情况如实记录。

本隧洞极破碎富水洞段钻进施工采用MC8钻机，按照设计孔位及试验段所确定的钻进参数测放孔位后标定，调整钻杆并移动钻机，使钻头与标定孔位对准。采用Φ130 mm钻头进行长度2.20 m的预埋孔口管段钻进，完毕后将壁厚6.00 mm的Φ108 mm钢管装入钻孔内，并将工程用锚固剂灌入钢管外凝固24 h，以充分固定钢管。按照设计要求及从外圈向里圈的次序钻孔，以保证能从后序孔进行前序孔注浆效果的检查。这种逐步加密的注浆方式既能结合地质条件的变化随时调整注浆施工参数，又能在注浆效果达到设计要求时及时进入下个圈孔的钻进施工，保证施工进度。钻孔过程中必须加强对钻孔耗时、进尺、孔号、围岩条件、涌水量等的记录。

2.4 注浆施工

在注浆前采用压力骤变的给水方式彻底冲洗钻孔中残留的岩粉以及粘土等杂物，并待出水管中的水体肉眼目测洁净后再继续冲水10 min，总的冲洗时间至少为30 min。考虑到本隧洞掘进段实际地质条件及裂隙和断层情况，应采用普通水泥、硫铝酸盐水泥或超细水泥等注浆材料并通过超前预注浆及后径向注浆等的措施进行堵水处理。

注浆浆液使用水灰比0.80∶1～1∶1的纯水泥浆，其中水泥材料选用细度模数为通过80 μm方孔筛筛余量最大5%并有出厂合格证明、分析报告单且检验合格的PO42.5普通硅酸盐水泥。制浆过程中主要采用搅拌桶，还应配备2台容量1 m3的搅拌储浆桶，通过支架将立式电动机倒置在储浆桶上进行搅拌。待水泥浆液制备完成后通过筛孔尺寸1 mm×1 mm的滤网过滤，并将过滤后的浆液置入立式搅拌机继续按要求搅拌。

按照从外到内、从上到下、跳孔灌注的原则进行浆液灌注施工，并应加强断层内软弱围岩段浆液的改良和挤密处理。本隧洞掘进极破碎富水洞段注浆施工工艺流程具体见图1。

图1 超前注浆施工工艺流程图

结合本隧洞地勘结果，所采用的超前注浆施工方案旨在加固全段面地层，而全断面径向注浆施工范围其实就是工作面和开挖轮廓线以外1.50 m的范围。为保证注浆施工加固效果，应在注浆前，选择与本隧洞地质条件类似的岩层展开注浆试验，并根据试验获取纵向加固段设计长度、横向加固设计范围、终孔间距、浆液扩散半径、注浆终压设计压力等参数取值。本隧洞掘进极破碎富水洞段注浆施工所涉及的参数及取值情况详见表1。

表1 第1循环注浆设计参数表

在注浆施工的过程中，在注浆孔涌水量在30 L/min以内时，应使用纯水泥浆；若涌水量超出30 L/min，但不足200 L/min时，应使用胶凝时间4-6 min的水泥浆液；若涌水量超出200 L/min时，使用胶凝时间3-4 min的水泥浆液。在注浆过程中，如果注浆压力按设计速度升高并达到设计终压水平后还应继续注浆10-15 min，在进浆量至少为设计注浆量80%、进浆速度至少为初始速度的25%时结束注浆。

注浆完毕，根据注浆过程中的P-Q-t曲线进行注浆后隧洞掘进极破碎富水洞段地层浆液填充率的反复计算，并根据计算结果进行注浆实际效果的评价，所得出的极破碎富水洞段地层裂隙浆液填充率在90%及以上时即可开挖。注浆施工结束后还应按设计要求在开挖轮廓线以内的左右边墙、拱部、底部等位置设置检查孔，以进行塌孔情况及涌泥情况等的检测，检测结果显示的实际涌水量达到0.20 L/m·min及以下时便可进入下一循环。

2.5 特殊情况下的注浆控制

注浆过程中如遇突发性的注浆中断，应采取应急措施控制中断时间，并尽快恢复注浆，如果中断时间超出30 min，则应冲洗钻孔并扫孔，全面检查注浆设备后对中断孔段复注浆液。注浆施工中如果发生串浆，则应同时灌注正常孔和串浆孔，或是彻底封堵串浆孔，等结束注浆后打开串浆孔并冲洗和清扫，继续完成剩余管段注浆。

如遇隧洞岩层大量漏浆，应立即暂停注浆并尽快查明原因，如果大量漏浆发生在溶腔或裂隙发育位置，则应改用后退式注浆方式尽快通过，并降低注浆压力和注浆段标高，增大浆液浓度，减小进浆量，控制浆液用量，保证注浆质量。

3 结论

通过对隧洞掘进极破碎富水洞段注浆施工过程的分析表明，超前帷幕灌浆能够有效加固极破碎地层并改善其透水特性，止水效果极佳，且超前帷幕灌浆施工过程中必须严格控制钻孔内出水、实际水压及隧洞掘进极破碎富水洞段地质条件，并加强注浆材料的选择，全面掌握钻注机械设备性能，根据施工情况加强浆液配合比控制和施工参数的不断优化调整，以确保注浆效果。