大涌水隧洞超前灌浆技术研究

蔡 畅

(中国水利水电第九工程局有限公司， 贵州 贵阳 550081)

灌浆技术可以起到对地层的填充加固、防水堵漏等作用,是地下岩土工程建设中不可或缺的一个关键环节,对地下空间的开发有着重要意义。

堵水注浆技术最早可以追溯到1802年，当时法国工程师Charles Bering将石灰和黏土用水混合成泥浆压入岩石裂隙中。1824年英国人发明了“Portland水泥”后，水泥灌浆法作为一种重要的工程措施被广泛应用到工程中[1-4]。1884年英国工程师将灌浆法引入隧道开挖工程中，灌浆理论也随着灌浆法的发展而产生[2]。

我国的工程灌浆技术发展相对较晚，20世纪50年代初期我国初步掌握了地质条件较好的岩石地基中的灌浆处理技术。随着人类活动范围的扩大，出现了一些特殊工程，需要灌浆材料能迅速固化。如采用单液灌浆方式易造成灌浆管堵管，因此人们开发出了双液灌浆工艺，1967年水泥-水玻璃双液灌浆开始出现[5]。1987年，中国建材研究院在研究膨胀剂的基础上研制成无收缩超早强二次灌浆砂浆，得到了较大的推广和应用[6]。

在水利工程建设过程中，往往会遇到不同地质情况、不同涌水情况的隧洞工程，特别是在遇到不良地质段、大涌水量、富水层、高地下水位时，隧洞施工存在很大安全隐患和施工难度，制约着施工进度和经济投入。

1 工程概述

山西省小浪底引黄工程位于山西省运城市，是自黄河干流上的小浪底水利枢纽工程向山西省涑水河流域调水的大型引调水工程。工程主要解决运城市区及其周边县城的生活用水、农业灌溉、工业用水问题，工程社会效益和意义重大。

施工I标负责新建设的1号引水隧洞的范围为S0+000～S5+000，长5000m。其中，0号施工支洞及其控制段设计最大涌水量为12000m3/d，0号施工支洞紧邻小浪底库区，在掘进施工过程中大涌水问题突出，实测最大的涌水量达100000m3/d；围岩条件差，Ⅳ类、Ⅴ类围岩所占比例达到98.3%，涌水不但增加了施工难度和安全风险，还成为制约施工进度最关键的因素。

2 地质情况概述

工程区地处省界边缘，属水文地质构造条件复杂区域。地表沟谷纵横区域大断裂横切隧洞轴线，并与库区贯通，延伸长、切割深，破坏性强，不明构造交错重叠，地层起伏颠倒杂乱，设计围岩类型与揭露围类型差别较大，地质条极差，施工难度极大。

隧洞洞底高程在226.00m以下，常年低于库区水位40～50m，洞段东侧有区域F1大断层，延长大于1.5km，错距大于200m，破碎带宽度为30～50m，影响带大于100m，并自南部库区与北侧板涧河贯通，施工区地下水主要受库区补给，其次为大气降水补给。该段揭露地层为奥陶系碳酸盐岩(灰岩、泥质灰岩)，裂隙岩溶极为发育，性脆，易裂，易溶蚀，水位线以下地下水活动频繁、岩溶裂隙串通，溶腔、中小型溶洞发育黄色软弱溶蚀泥灰岩，且厚度大、延伸长；受区域大型断裂构造和多期次活动叠加及自身理化性质不稳定影响，该部位围岩的稳定性极差。

S0+690.00～S0+709.00段为奥陶系中统(O2)灰黄色泥质灰岩夹泥灰岩；S0+709.00～S0+720.00段为泥质白云质灰岩夹泥灰岩，围岩结构破碎，小型构造裂隙极发育，0+705.2～0+720.0掌子面及洞段有较大涌水，约400m3/h左右，围岩极不稳定，为Ⅴ类围岩。S0+705.20掌子面及两壁发育2组剪切裂隙，L1组走向20°NW∠70°，L2组走向80°NW∠60°，结构面平直表面有铁质氧化物，破碎块体在 3～5cm。S0+717.60掌子面及两壁发育1组剪切张裂隙：L3，走向360°W∠80°,泥沙质充填其中。涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向层面涌出(地层产状：120°∠40°,局部变化大)。隧洞地质编录展示图见图1。

图1 1号引水隧洞S0+690.00～S0+720.00段隧洞地质编录展示图

3 超前灌浆思路

由于隧洞地质条件复杂，岩溶裂隙发育、延伸长、连通性好，采用常规的堵水灌浆不能将隧洞涌水封堵。故在引水隧洞涌水处理过程中创新地采取了“堵排水结合，以排水为主、堵水为辅”的超前灌浆思路，及时封堵较大的涌水点，控制隧洞涌水量，保证施工进度和安全，同时降低隧洞开挖排水费用。灌浆时综合考虑开挖期堵水效果，同时考虑后期隧洞衬砌灌浆过程中耗浆量。通过综合效率对比分析，解决了灌浆施工难问题，缩短了隧洞灌浆施工时间，加快隧洞循环开挖速度。

灌浆前对掌子面进行了超前探测，根据超前探测的结果确定超前灌浆的原则。超前探测采用潜孔钻对掌子面中部富水集中段钻设1～3个水平探水孔。在富水段布设的水平探水孔可兼做卸压孔和超前堵水灌浆时的灌浆孔，探水孔深15～20m，孔径76mm。若在钻孔过程中出现掉钻等情况，应停止钻孔，立即进行灌浆，完成后重新进行扫孔钻进。

由于地质条件特殊、涌水大，灌浆思路应保持一致，但不同的地质条件还应采取不同的灌浆方式。在1号引水隧洞S0+609.00～S0+710.00洞段掘进施工过程中，视掌子面开挖情况，分别在3个部位进行了3种超前灌浆方式，分别为S0+693、S0+701、S0+705桩号掌子面。

在材料选择上，考虑水玻璃-水泥双液价格便宜、凝结时间短、速度快、结石强度高、安全无毒，不仅具有水泥浆的优点，同时还有化学浆液凝结时间可控的特性[7-10]，因此采用水泥-水玻璃双液浆进行引水隧洞超前灌浆。

4 水泥-水玻璃浆液配比及凝结时间

水泥基浆配比采用0.8 ∶1、0.5 ∶1两级，水玻璃稀释浓度为39.5Bé；双液体积比(C/S)为1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25、1 ∶0.1，水泥基浆凝结时间见表1，水泥-水玻璃双液浆配比的凝结时间(室内试验)见表2，水泥浆与水玻璃不同体积比的胶凝时间见图2。

表1 水泥基浆凝结时间

表2 水泥-水玻璃双液浆配比的凝结时间

图2 水泥浆与水玻璃不同体积比的胶凝时间

5 超前灌浆

5.1 掌子面浅孔灌浆+全断面双液灌浆

5.1.1 概述

在1号引水隧洞S0+693桩号开挖过程中揭露掌子面及两壁发育2组剪切裂隙，涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向层面涌出。目测流量Q>300m3/h。

首先采用掌子面浅孔灌浆的方式对掌子面的渗水进行浅孔灌浆，完成后利用YQ70潜孔钻在掌子进行超前探水孔施工，视探水孔涌水情况确定是否进行系统灌浆，灌浆完成后进行隧洞正常开挖掘进。

5.1.2 掌子面浅孔灌浆

掌子面浅孔灌浆主要采取对掌子面集中涌水部位进行钻孔灌浆的方式，灌浆布置见图3。灌浆操作步骤如下：

图3 掌子面浅孔灌浆孔位布置

a.对掌子面目前正在涌水的炮孔、锚杆孔分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分别依次进行灌浆，采用孔口封闭全孔段灌浆的方法，灌浆压力0.5MPa，水泥基浆的配比采用0.8 ∶1和0.5 ∶1。

b.将现有的涌水孔灌浆封堵后，在掌子面布置φ108、L=6m灌浆孔对掌子面再次进行灌浆(同样分Ⅰ序孔、Ⅱ序孔)，掌子面灌浆完成后形成岩塞闭浆。

c.钻孔过程中未涌水的，就一钻到底，全孔一次压入式注浆；在钻孔过程中，如发现有水，即停止钻孔，采取注一段钻一段的前进式注浆，直至达到设计段长位置。

在水压、水量较大的情况下，采用分层泄水减压、分层注浆方式，注浆顺序为由下而上，由里向外。

d.超前探水孔钻孔时，如果涌水量大，则利用探孔进行灌浆，采取边灌边钻的方式，完成后进行系统灌浆；如果涌水量小或者不涌水时，则进行隧洞开挖。

5.1.3 系统灌浆

系统灌浆则是按照规定的灌浆孔间排距对掌子面进行系统的钻孔灌浆，灌浆布置见图4。系统灌浆说明如下：

图4 系统灌浆孔位布置

a.在掌子面开挖边线间隔2m布置φ70超前灌浆孔，采用YQ70潜孔钻或岩石电钻进行钻孔，深度20～30m，钻孔深度根据物探结果和实际钻孔情况可做调整，有条件尽量加大钻孔深度以便减小循环次数；灌浆孔沿隧洞轴线方向水平布置，并便于钻孔施工。

b.灌浆工艺与上述的掌子面浅孔灌浆工艺一致。在采用0.5 ∶1水泥浆液灌注耗灰量达到2t仍未达结束标准时，则在灌浆过程中参入水玻璃。

双液浆采用2台注浆泵灌注，在孔口混合，通过控制灌浆时的浆液流量来调整和控制浆液比例。双液体积比(C/S)为1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25，按照每一级耗灰量不超过2t逐级变浆。

c.水泥基浆灌注结束标准：在最大注入压力下，吸浆量不大于1.0L/min，继续灌注10min即可结束。水泥-水玻璃双液灌浆结束标准：在最大注入压力下，注入量小于1.0L/min即可结束，避免管路堵塞。

d.灌浆结束后，在掌子面周边和中心位置随机布设φ108超前孔，间距2m，孔深20～30m，如果涌水明显减小或者消失，则说明超前灌浆达到了预定的效果。

5.1.4 灌浆效果

首先以集中灌浆的方式对掌子面涌水大的炮孔依次进行灌浆。实际灌浆参数：孔深L=4.5～6.4m，灌浆压力p=0.5MPa，灌浆吸浆Q=26804.854～43578.08L，未掺入水玻璃。

浅孔灌浆完成后，掌子面仍有部分裂隙在渗水，对渗水部位进行了系统灌浆。根据现场实际情况，在渗水部位用潜孔钻钻孔，采取边钻孔边灌浆的方式，钻孔过程中出现涌水时立即对钻孔进行灌浆处理，为加快水泥浆的凝结速度，浆液中掺入水玻璃，封堵完成后再重新钻孔和灌浆。

灌浆参数：孔深L=6.3～17.3m，灌浆压力p=0.5MPa，灌浆吸浆Q=35062.51～39060.60L，水玻璃掺量为0～1930.43kg。

灌浆完成后掌子面未见渗水，开挖了4个循环，出现了较大涌水，灌浆前后现场情况见图5。

图5 S0+693桩号灌浆前后对比

5.2 掌子面浅孔灌浆+全断面双液灌浆(控制吸浆量)

5.2.1 概述

在1号引水隧洞开挖过程中揭露S0+701桩号掌子面及两壁发育2组剪切裂隙，涌水受剪切裂隙控制，由裂隙面向层面涌出，目测流量Q=300m3/h。

掌子面采用潜孔钻造超前探水孔时，发现超前探水孔的涌水量大，同时在钻孔过程中出现了掉钻的现象，说明掌子面前方存在溶洞或大的裂隙，同时在S0+693桩号掌子面灌浆时发现灌浆水泥消耗量较大，对灌浆方案进行了调整，开灌采用0.5 ∶1纯水泥浆液，之后按不同比级掺入水玻璃加快浆液的凝结。

参照S0+693桩号灌浆方法对S0+701桩号掌子面进行超前灌浆，由于涌水水压变大，灌浆最大压力提高到1.0MP，灌浆开始时直接采用0.5 ∶1纯水泥浆液灌注，如果灌入2t水泥后吸浆量和压力没有明显变化时，则采用双液浆灌注(掺入水玻璃)。

5.2.2 灌浆效果

灌浆时先用0.5 ∶1纯水泥浆液依次对掌子面的集中涌水孔进行灌注；灌入2～3t水泥后吸浆量和压力没有明显变化，在浆液中掺入了水玻璃，按照体积比1 ∶1、1 ∶0.75、1 ∶0.5、1 ∶0.25依次逐级进行灌注。加入水玻璃后完成灌浆孔封堵，掌子面无渗水。

灌浆参数：孔深L=2.8～22.7m，灌浆压力p=0.5～1.0MPa，灌浆吸浆量Q=1918.96～8758.4L，水玻璃掺量为288.96～1586.82kg。

灌浆完成后掌子面未见渗水，开挖了2个循环，灌浆前后现场情况见图6。

图6 S0+701桩号灌浆前后对比

5.3 掌子面浅孔灌浆+全断面砂浆灌浆+砂浆超前灌浆

5.3.1 概述

根据开挖后揭露的情况发现，S0+705桩号掌子面裂隙发育、渗水量较大，并且溶洞溶腔发育。结合前面两次的灌浆情况和灌后的效果，对S0+705桩号掌子面采取如下措施：

a.参照S0+701桩号的灌浆方法(水泥-水玻璃双液灌浆)对S0+705桩号掌子面进行浅孔灌浆。

b.由于裂隙、溶腔较大，采取灌注砂浆的方式对大的裂隙和溶腔进行填充，以减小水泥耗量，然后再进行超前灌浆(纯水泥浆或者双液浆灌浆)。

5.3.2 砂浆灌浆

砂浆灌浆的流程为：钻孔→安装孔口管→砂浆灌浆→灌浆完成闭孔→进行二次超前灌浆→涌水减小、灌浆完成→隧洞开挖。

在灌浆表面存在渗水裂缝时，避免在灌浆过程中出现较大的串浆和渗漏现象，在灌浆前人工敲击将裂隙扩大，然后用麻丝等进行嵌缝封堵处理。

砂浆使用GS50E灌浆泵进行灌注，水泥使用P·O42.5水泥，砂最大颗粒小于5mm，水为抽取的洞内渗水，水玻璃浓度为39.5Bé，注浆方式采用全孔一次压入式。

砂浆的配比为0.5 ∶1 ∶0.3～0.5 ∶1 ∶1(水 ∶水泥 ∶砂，质量比)，水泥浆液用高速制浆机拌制，然后将拌制好的浆液输送到GS50E灌浆泵，砂在GS50E灌浆泵中添加后直接泵入灌浆孔内。灌浆时砂的掺量由小变大，先在水泥浆液中掺入少量的砂(0.3比例的掺量)，如果灌入15～20min砂浆注入量没有变化，则分级加大砂的掺量，按照0.1比例分级增加砂的掺量，要求掺砂后不能堵塞管路。如果灌浆孔内的涌水量大、压力大，或者掺入大比例砂进行灌注时都无法封堵，可在砂浆中掺入10%～50%(体积比)的水玻璃作为速凝剂。

由于裂隙和溶洞、溶腔中的涌水有流动性，与外界水源贯通，为了增加砂浆对缝隙和空腔的封堵效果，在砂浆中掺入5%～20%(质量比)的麻丝，麻丝采用人工切割麻袋制造成成品，掺入麻丝时掺量由小变大，根据现场的灌浆情况进行调整，要求不能堵塞灌浆管路。

砂浆灌注的压力为0.5～2MPa，最大不超过2MPa。灌浆完成后闭浆12h，然后使用YQ70潜孔钻进行超前钻探，探明前方的灌浆效果和渗水情况，如果出现大的涌水且裂隙较小时，为保证浆液的扩散半径和灌浆效果，优先采用水泥浆或者双液浆灌浆的方法进行封堵；如果遇到大的溶洞和裂隙，或者采用水泥浆(双液浆)灌浆后未达到封堵效果时，则采用上述的方案再次进行砂浆灌浆封堵。重复上述工作直到探孔渗水变小、不影响开挖为止，灌浆结束后进行隧洞开挖。灌浆孔位布置见图7。

图7 灌浆孔位布置

5.3.3 灌浆效果

a.掌子面浅孔灌浆。由于开挖后掌子面揭露裂隙和溶腔发育，并且比较明显，灌浆时漏浆严重，故先对掌子面进行浅孔水玻璃双液浆灌浆，将裂隙和溶洞溶腔封闭，使掌子面封闭。

参数如下：孔深L=2.3～5m，灌浆压力p=0.5～2.0MPa，灌浆吸浆量Q=136.64～1948.6L，水玻璃掺量为0～179.31kg。

掌子面浅孔灌浆时为防止掌子面大面积串浆，首先对渗水小的部位进行钻孔灌浆，然后依次对渗水大的部位进行钻孔灌浆。

由于大渗水孔的水压和水量较大，灌浆时先在大渗水孔的周围钻卸压孔，卸压孔以20°角斜穿裂隙，然后安装φ100PE管将涌水引排，将裂隙进行喷混凝土覆盖，最后依次分别进行灌浆。灌浆时，先依次灌注卸压孔，最后灌注大渗水孔。

b.砂浆灌浆。掌子面浅孔灌浆完成后，按照前述两次灌浆的方法进行超前灌浆，同样采取边钻边灌的方式。

在钻孔过程中发现裂隙和溶腔较大，使用纯水泥浆和水玻璃双液浆不能达到封堵效果，采用了灌注砂浆的方式进行灌浆。

超前灌浆实际参数如下：第一段孔深3.3～8.7m，灌浆压力0.28～1.61MPa；第二段灌浆孔深10.3～11.5m，灌浆压力0.24～1.53MPa。掺砂量725.41～4638.6kg，水玻璃参量86.4～1870.01kg。

在掌子面超前灌浆钻孔过程中37号孔、42号孔在第二段灌浆钻孔过程中遭遇溶洞，钻杆存在掉钻现象，空腔深度约0.6m。为此，在灌浆过程中直接灌注砂浆，并在浆液中添加麻丝、水玻璃，对溶洞进行回填封堵。

在掌子面超前灌浆完成后，进行钻孔超前探测，钻至15m孔内水量较小，证明本次试验灌浆取得预期效果，灌浆前后现场情况见图8。

图8 S0+705桩号灌浆前后对比

6 灌浆效果对比

6.1 工期对比

经现场统计，引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705桩号涌水超前灌浆工期对比见表3。

结论：由表3可以看出，引水隧洞S0+705、S0+701桩号超前灌浆每延米耗时0.71天，S0+693桩号超前灌浆每延米耗时1.1天。在裂隙发育地段，掌子面浅孔灌浆+全断面双液灌浆(控制吸浆量)的方式对施工进度有利(S0+701)；在裂隙、溶洞溶腔发育地段，使用掌子面浅孔灌浆+全断面砂浆灌浆+砂浆超前灌浆(S0+705m)的方式，在工期上具有优势，可节约工期，对引水隧洞开挖进度有利。

表3 超前灌浆工期对照

6.2 材料消耗对比

经现场统计，引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705桩号涌水超前灌浆在材料消耗对比见表4。

表4 超前灌浆材料消耗对照

通过材料消耗对比，可得出以下结论：

a.掌子面浅孔灌浆+全断面砂浆灌浆+砂浆超前灌浆(S0+705)的灌浆方式每延米进尺消耗水泥量更少。

b.掌子面浅孔灌浆+全断面双液灌浆(S0+693)的灌浆方式延米进尺消耗水玻璃更少。

6.3 投资对比

对引水隧洞S0+693、S0+701、S0+705桩号涌水超前灌浆在工期、误工补偿、材料消耗等方面进行了投资对比，见表5。

表5 超前灌浆投资对照

续表

结论：从表5可以看出，掌子面浅孔灌浆+全断面砂浆灌浆+砂浆超前灌浆(S0+705)的灌浆方式延米进尺费用最少。

7 结 语

在引水隧洞超前灌浆过程中，提出了“堵排水结合，以排水为主、堵水为辅”的超前灌浆思路，及时封堵了较大的涌水点，控制了掌子面涌水量，保证了施工进度和安全，同时降低了隧洞排水费用。

经过工期、材料投入、投资几个方面的对比，在裂隙发育地段未出现溶洞溶腔时，采用掌子面浅孔灌浆+全断面双液灌浆(控制吸浆量)(S0+701)的方式对进度、经济等方面有利；在裂隙、溶洞溶腔发育地段，采用桩号掌子面浅孔灌浆+全断面砂浆灌浆+砂浆超前灌浆(S0+705)能够更加有效地封闭涌水，在进度、经济方面等均有明显优势。