隧洞施工中裂隙饱和水的防治

裴 云

（水利部山西水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

0 引言

某隧洞工程为城门洞型，多为Ⅳ类和Ⅴ类围岩。Ⅳ类围岩洞挖尺寸，宽度4.55 m，高度4.0 m。Ⅴ类围岩洞挖尺寸，宽度4.69 m，高度4.12 m。隧洞衬砌后尺寸，宽度3.65 m，高度3.2 m。

隧洞施工过程中，遇到裂隙饱和渗水、涌水、冒水及喷水时，长时间将水排出，容易影响当地生活、破坏生态环境及正常的地下水资源分布。另外，在渗水的浸泡下，易造成围岩失稳，产生安全隐患。所以，隧洞洞挖过程中遇到裂隙饱和水时，应采用合理地注浆方式，对渗水、涌水、冒水及喷水，进行有效封堵。

1 裂隙饱和水的成因

一项隧洞工程某洞段，地质岩性复杂，砂岩与泥岩互层，砂岩占该段隧洞的80%以上。节理裂隙发育，地下水位位于洞顶以上。该洞段桩号62+100～64+300，洞底埋深约300 m。洞顶2 m为泥岩及细砂岩，洞挖工程的工作面、侧墙及底板多为砂岩。砂岩多为块状构造，节理裂隙发育，较为破碎，分层明显，为强风化。地下水丰富，主要沿节理面涌出，裂隙交汇处形成股水。裂隙饱和水区域，遇到大的渗水、涌水、冒水及喷水，出水量每天约为4 000 m3。

裂隙饱和水主要由裂隙岩溶水、石炭系和三叠系砂岩裂隙水与松散岩类孔隙水等组成。

2 裂隙饱和水的常规处理方法

裂隙饱和水的处理方法，多采用固结注浆、径向注浆和超前注浆等方法。

固结注浆，是在节理裂隙发育区域，采用一定压力，将特制的水泥浆充填在缝隙中，使松散体达到固结的目的。固结注浆需要较为封闭的环境，外界条件适宜。在隧洞工程施工过程中，外界条件不确定，难以准确把握，致使固结效果较差。

径向注浆，是垂直洞轴线的直径或横断面方向，设置一定的注浆孔，采用适宜压力，将水泥浆或其他液体注入岩体裂隙中。垂直于隧洞轴线的径向方向，不确定因素较多，围岩节理裂隙无法明确判断，注浆后质量不宜控制，难以达到预期的目的。

超前注浆，主要是在隧洞洞挖的工作面上，根据地质岩性，渗水、涌水、冒水及喷水情况，设置一定数量的超前孔，采用比渗水、涌水、冒水及喷水压力较大的压力，将水泥浆或水泥—水玻璃浆，注入工作面超前的一定区域裂隙中，达到充填、封堵、止水的目的。

因为超前注浆较为适用封堵裂隙饱和渗水、涌水、冒水及喷水，本文进行重点论述。

3 超前注浆法

通过超前探孔和超前注浆孔的布置与设计，在明确超前注浆的主要技术参数的前提下，详细论述了超前注浆施工。

3.1 超前探孔和超前注浆孔布设

①采用潜孔钻，在掌子面中部施工超前探孔，探明洞挖轴线前方约30 m区域饱和裂隙水的分布情况，初步估测出水量、渗水压力及其他有关参数。

②在洞挖工作面上布设一定数量的超前注浆孔，确定超前注浆孔的设计深度，布置数量，施工角度，间距及排距等。

3.2 超前注浆的主要技术参数

①超前探孔和超前注浆孔的具体要求及孔口封闭

探孔布置在隧洞工作面中心偏下，倾角与洞轴线基本倾角一致，钻孔孔深30 m，钻孔直径80 mm。超前注浆孔直径与探孔直径一致，布置多排，孔位环间距1.5 m，排距0.6 m，孔位按梅花形布置。注浆孔深度30 m，沿洞轴线外偏12°～18°。全断面布置注浆孔16孔，钻孔进尺480 m。详见图1和图2。

渗水、涌水、冒水及喷水压力大于或等于0.5 MPa的钻孔，埋设孔口管。孔口管采用Φ76 mm钢管，埋深2 m，外露50 cm，管壁与孔口接触处用麻丝填塞封闭。渗水、涌水、冒水及喷水压力小于0.5 MPa的钻孔，采用简易装置，进行孔口阻塞。

②超前注浆使用的材料、注浆压力及水灰比

图1 超前探孔布置图

图2 注浆孔布置图

超前注浆的使用的材料主要由水泥-水玻璃等。水泥采用普通硅酸盐水泥P.O42.5，I序孔采用注浆压力为0.5 MPa，II序孔采取注浆压力0.8 MPa（实际注浆压力为设计压力+渗水、涌水、冒水、喷水压力）。

超前注浆水灰比（ 重量比）采用 1∶1、0.6∶1 两个比级，初始注浆使用的水灰比为1∶1。

③超前注浆的次序设定

超前注浆宜采用先外环后内环注浆次序。内、外环序号单数I序孔先注浆，序号双数II序孔后注浆。循环式全孔一次注浆。

3.3 超前注浆的具体实施

①钻孔

钻孔实行统一编号，孔深、孔序的划分按设计图纸及现场试验确定。超前注浆孔的深度为30 m，设备型号为100型潜孔钻机，钻头直径为80 mm。

②注浆孔冲洗

注浆孔冲洗：每段钻孔结束后，采用一定压力的水流对钻孔内的残留岩粉进行循环冲洗，直至回水澄清为止。冲洗后.孔内残留物的厚度不得超过20 cm。

裂隙清洗：采用高、低压水脉动方式进行，高、低压脉动时间间隔为5～8 min。冲洗结束标准为：至回水澄清后再延续8 min为止，串通孔不少于1 h。

对回水达不到澄清要求的孔段，继续进行冲洗直至满足要求。

裂隙冲洗结束12 h后，允许注浆作业。

③注浆

a、浆液进入岩体与注浆孔深度一致，进行全孔一次注浆。

b、水灰比：注浆水灰比（ 重量比）采用 1∶1、0.6∶1 两个比级，首次注浆水灰比采用1∶1。使用注浆水灰比由稀到浓逐级变换，当注浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而注浆压力持续升高时，不得改变水灰比。

c、变浆标准：当某一级注浆水灰比注入量达250 L以上或注浆时间超过20 min，而注浆压力或注入率均无改变或改变不明显时，改浓一级水灰比注浆。

当注入率大于25 L/min时，根据具体情况可越级变浓水灰比。

当注浆水灰比改变后，如注浆压力突增或注入率突减至原注入率的1/2以下时，立即回稀至原级水灰比进行注浆，并了解和分析原因，采取相应的措施。

d、注浆结束：在规定注浆压力下，当注浆孔单孔注入率不大于3 L/min，延续30 min结束注浆。

④注浆孔的封堵

水平孔、仰孔及有渗水的孔采用注浆法封孔，封孔压力同注浆压力。封孔结束后，浆液在注浆管中停留一段时间，之后停止加压。封闭注浆时间不少于2～5 h。然后取出闭浆管，清洗孔口段浮浆，回填干硬性膨胀水泥砂浆并抹平。水泥砂浆配比为水∶灰∶砂=0.2～0.25∶1∶2～2.5。

垂直孔封堵采用浓浆置换法。

3.4 注浆过程中出现漏浆、孔口渗水和注浆中断情况的处理

①漏浆处理

注浆过程中如果发生较小冒浆时，可不作专门处理，按正常注浆方式注浆到达结束标准。若冒浆量较大，一般采用低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆等方法处理，必要时采取嵌缝、封堵方法处理。局部裂隙发育区，采用旧棉花、麻丝、棉线等物，表面涂抹速凝水泥浆或水泥砂浆，紧密嵌入缝隙之中。

②孔口渗水处理

注浆过程中出现渗水的注浆孔，测试渗水量及渗水压力，注浆时采用提高注浆压力0.1 MPa，在达到正常注浆结束标准后，继续保持注浆压力注浆10 min，继而以0.5∶1浓浆保持压力封孔10 min，封闭注浆时间为 5～7 h。

③注浆中断后的恢复

超前注浆过程中，因故中断，应尽快恢复注浆。恢复注浆时使用首次注浆水灰比进行。如注入率与中断前相近，可采用中断前水灰比进行注浆。如恢复注浆后，注入率较中断前增大，应采用浓浆注浆。

4 注浆效果检验分析

针对隧洞洞挖过程中出现裂隙饱和水洞段，按30 m进行一次超前注浆施工，共实施注浆3个区段。注浆结束后，检验裂隙充填密实度、围岩完整性、岩石的强度。分析注浆施工前期资料、试灌情况记录、渗水量注浆前后监测值等项目，进行综合比较分析。

4.1 裂隙充填密实度、围岩完整性、岩性强度

钻孔注浆结束12 h后，采用机械设备、仪器，对裂隙充填密实度、围岩完整性、岩性强度等进行检测和检验。

（1）密实度检测

采用弹性波雷达扫描和全程衰减法检测，共检测3段，密实度达90%以上。

直观检查：洞挖过程中选取50个点观察，充填效果较好，充填面积达89%以上。

（2）完整性检验

声波透射法检测是对已进行钻孔注浆的洞段，预埋声测管，在两个声测管之间发射和接收超声波。实测声波在介质中传播时间、频率和波幅等参数的变化，由数据处理系统进行综合判断。根据完整性指标判断，注浆结束后完整性较好，达85%以上。

（ 3）强度检验

在注浆结束15 d后，选取有代表性的隧洞洞段，钻孔取芯，送有资质的实验室进行试验。检测抗压强度和抗拉强度，与注浆前对应值进行比较。本次选取试样24组。其中抗压试验12组，抗压强度提高11组，强度增长率达91%；抗拉强度试验12组，抗拉强度提高9组，强度增长率达75%。

4.2 超前注浆前期资料综合比较

超前注浆前期资料主要有：岩性分布记录、裂隙发育程度、试灌条件、材料检验、配合比试验、钻孔记录、钻孔冲洗和裂隙冲洗记录、注浆施工措施、准备条件等，进行综合比较。表明该部分资料，为合理实施超前注浆，提供技术支撑。

4.3 超前注浆吃浆量分析

根据超前注浆过程记录数据分析，表明节理裂隙发育区，吃浆量达到一定的数值，渗水量明显减少。裂隙饱和水丰富区，吃浆量较大，浆液流动距离长，涌水、冒水、喷水封堵效果较好。

4.4 超前注浆前后渗水量监测

在实施超前注浆的隧洞洞段，设置15个监测点分析。超前注浆前每天渗水量4 000 m3，超前注浆后每天渗水量为500 m3，注浆后渗水、涌水、冒水及喷水量，减少了88%。

5 结束语

在某隧洞洞挖过程中，采用超前注浆施工，可提高隧洞围岩整体稳定性及完整性，在一定范围内形成透水率低或隔水层，提高隧洞洞挖工程的工作效率。超前注浆对饱和裂隙水防治效果良好。