隧洞开挖过程中阻水灌浆的施工方法

2014-08-15程文旭辽宁省东水西调工程建设局

河南水利与南水北调 2014年2期

□程文旭（辽宁省东水西调工程建设局）

1 工程概况

某隧洞工程在支洞开挖掘进过程中，遇到地下水丰富、地质较复杂的地质段，该出水点位于掌子面右下角，呈上升泉状涌出。出水点外侧距掌子面约1.5m左右处有一条顺层小断层（或顺层错动带），走向与洞轴线斜交，倾角＞75°，断层带内发育灰白色断层泥，厚10 cm左右，断层面倾向洞外，断层下盘掌子面一带及出水点附近节理发育。掌子面以外揭露岩性为白云质灰岩，互层状结构，岩石硬度一般，未见溶孔、溶蚀裂隙等溶蚀现象，节理破碎，沿层理面多夹泥。

根据洞室开挖揭露的岩性及结构面特征，结合出水点周边岩层及构造特征、完整性等分析，掌子面右下角出水点属裂隙涌水，且涌水量随时间推移不见减少，所以采取阻水灌浆方案，以便进一步施工。

2 选择灌浆方法

隧洞开挖过程中掌子面钻孔出现漏水，呈柱状射流状，喷射距离约4～5m，为了防止随后的开挖过程中再发生涌水情况，根据现场查勘综合研究，拟采取先阻水灌浆再向前局部深孔超前预注浆的施工方案。

该方法可以改善洞室围岩结构，提高洞室围岩的整体性和自承能力、降低初期支护成本、提高初期支护效果，并利用HSC水泥浆液充填并胶结围岩中的裂隙，提高洞室围岩的整体性和抗渗性，为掘进工作面安全、快速向前推进创造有利条件。施工过程中结合爆破循环钻孔布设超前勘探孔（顶拱1个，两侧墙各2个，孔深6 m）的钻进，查看掌子面前方是否存在富水地层，对超前勘探孔出水部位进行局部超前预注浆止水，灌浆结束待浆液凝固后，再进行下一循环钻爆施工。

3 超前阻水灌浆施工

3.1 钻孔

3.1.1 钻孔布置

超前预注浆孔孔位布设根据掌子面掘进过程中超前循环勘探孔出水情况，在出水部位附近50～100cm单环布置灌浆孔，环间距为1.0 m，最外环距洞壁开挖边线为40 cm，最外环底孔距隧洞底部开挖边线为60cm，钻孔深度15～20m。洞壁和洞顶部位周边孔与隧洞走向成5°外倾角，洞底部位底孔为向下倾斜5°外倾角。

3.1.2 钻孔要求

钻孔孔位与设计孔位的偏差≤10cm，钻进过程中如发现钻孔偏斜应及时纠正。因故变更孔位时，应征得现场监理工程师批准，对实际孔位应有记录。对钻孔过程中的异常情况（掉钻、涌水、涌砂等）进行记录分析并测定钻孔中的涌水流量、涌水压力和静水压力，以此确定合适的注浆压力和待凝时间。

3.1.3 钻孔冲洗

灌浆开始前，需对所有孔进行风水联合清洗，冲洗压力采用灌浆压力的80%，但不得＞1MPa。

3.2 灌浆

3.2.1 灌浆设备

制浆设备：ZJ-400型高速制浆机，转速1200～1500 r/min，浆液搅拌时间≥30s；灌浆设备：采用3SNS型三柱塞灌浆泵，排量100 L/min，可以满足要求；储浆设备：灌浆泵配备JJS-2B型低速浆液搅拌机，防止浆液沉淀。

3.2.2 灌浆材料

超前预灌浆根据掌子面的涌水量，拟选用两种特种灌浆材料。一种为HSC（防渗帷幕型）注浆材料，另一种为HSC（含水细砂型）注浆材料。

HSC（防渗帷幕型）注浆材料浆液（呈胶状）具有抗冲刷、凝结时间易于控制、强度高等特点。可在0.5～1.0m/s流速的水中凝固，留存率＞95%，一般用于流动水的堵漏灌浆；HSC（含水细砂型）注浆材料浆液（属超细水泥）具有可灌注性好，凝结时间易于控制、强度高、对地层扰动小等特点。既可注入细小缝隙，又可避免围岩承压水对留存浆液的移位，适用于难注入地层（含水粉细砂、淤泥质、高应力软弱破碎围岩等）的加固注浆。

3.2.3 制浆方式

制浆材料必须称重，称重误差应＜5%，水泥等固相材料宜采用重量称量法；水泥浆液配制应先加水后加料拌制。各类浆液必须搅拌均匀并测定浆液密度。开灌水灰比初选1∶1（特殊情况时可适当进行调整），然后根据现场实际情况逐渐变级（0.8∶1、0.6∶1）。

拌制HSC（防渗帷幕型）材料的水灰比为0.6～1.0（重量比），制浆机转速1200～1800 r/min，浆液搅拌时间3 min以上。HSC（防渗帷幕型）浆材是用来处理较大的涌水情况；拌制HSC（含水细砂型）材料的水灰比为0.8～1.0（重量比），制浆机转速1200～2000r/min，浆液搅拌时间2-3min，注意不要超过搅拌时间。

3.2.4 灌浆方法

预灌浆拟分先后二次进行，第一次钻、灌Ⅰ序孔，可全孔一次性钻孔、灌浆。在钻孔的过程中：如遇有涌水、溶蚀洞穴、塌孔或掉块难以钻进时，应立即停止钴进，采用HSC（防渗帷幕型）注浆材料进行灌浆处理。

经灌浆处理后，扫孔继续钻进，直至设计孔深。每一孔都需重复上述程序，目的是为了在二次灌浆之前，通过对一个环的探钻和集中注浆，对掌子面前方可能存在的深层主含水构造裂隙的承压涌水（主要来水通道），导水性较好的次生裂隙首先进行封堵。以保证二次灌浆时没有大的裂隙涌水和通道，提高其加固灌浆效果。第二次钻灌Ⅱ序孔，可全孔一次性钻孔、灌浆。

3.2.5 灌浆压力

Ⅰ序孔灌浆设计压力为1.0～1.5MPa；Ⅱ序孔灌浆设计压力均为2.0MPa。

3.2.6 灌浆结束标准

Ⅰ序孔：上面任意的预留浆液导向孔浓浆出浆后，采取封堵措施，持续灌注30min结束。或灌浆压力已达到1.0～1.5MPa，注入率≤1 L/min，可再持续灌注30 min结束，灌浆结束后闭浆24 h；Ⅱ序孔：达到设计压力2.0 MPa，注入率≤1 L/min，可再持续灌注30 min即可结束；封孔采用压力灌浆封孔法，灌浆压力达到1.0MPa后，注入率≤1L/min，可再持续灌注30min即可结束。

4 质量控制

原材料：进入本工程的各种原材料质量由试验室和质检站把关，杜绝不合格的原材料进场使用。浆液密度检测：现场配备密度计，随时检测浆液密度。掺合料：按比例加入掺合料，并严格称量。配合比：所用混凝土配合比由试验室提供，严格按设计配合比拌制混凝土。钻孔2m后应安装孔口管或注浆管，量测水压力及出水量，并填写记录。在涌水量大、压力高的地段钻孔时，应先设置带闸阀的孔口管，当出现大量涌水时，拔出钻具，关闭孔口管上安装的闸阀，再进行注浆；当开挖断面围岩破碎，应先设置止浆墙和孔口管，孔口管埋入止浆墙深度随最大注浆压力而定。注浆过程中应根据浆液扩散情况、注浆量、注浆压力等参数调整注浆材料和配比。灌浆作业过程中采用自动记录仪实时监控灌浆注入率、灌浆压力等参数的变化，以便及时调整。

5 灌浆注意事项

灌浆施工前先进行现场试验施工，再根据现场实际情况调整灌浆参数，选定最佳值。严格控制水灰比，水和水泥要秤量，水泥浆搅拌要均匀，保证搅拌时间。搅拌好的水泥浆送到准备好的储浆斗内过滤，将浆体的块状及颗粒物质过滤掉，不断搅拌储浆斗的浆液，以防管道堵塞，保证灌浆质量及效果。沉浆时注意观察灌浆泵和孔口压力值的变化及灌浆量的变化，随时采取应变措施。每次灌浆前，要认真检查安全阀和压力表的有效性。安装高压管路和泵头各部件时，各丝口的联接必须牢固。在不良地质段出现串浆、冒浆现象时，除了封堵外，要采用间歇的方法灌注。灌浆现场操作人员必须佩戴安全帽、防护眼镜、口罩和手套等防护用品。封堵灌浆过程中和灌浆结束后，距封堵位置30～50m距离内开挖爆破作业要慎重进行，严格控制炮孔单响装药量，避免对灌浆段的震动影响。止水灌浆结束，待浆液凝固后方可进行隧洞开挖掘进。