某隧洞工程支洞涌水段堵水处理措施
2015-10-29张辉映
张辉映
（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）
1 工程概况
1.1 规模
某支洞设计长1198.9m，断面为城门洞形，开挖断面尺寸4.69m×4.12m（宽×高），成型断面尺寸为3.65m×3.2m（ 宽×高）。 目前已开挖至桩号 0+857，长度899.4m。
1.2 水文地质条件
本洞段正处于向斜核部、F10断层与F22断层交汇处，受断层影响，岩溶水具有贯通性。断层又横切地表河流，河流水与地下水贯通，地下水在工程地质勘察时，具有明显的承压性，从河道勘探钻孔喷涌出地面10余米水柱，证明本洞段地下水位为岩溶裂隙承压水。
随着隧洞的深度加深，地下水的承压性越来越大，水量也越来越大。而F10断层平行支洞洞轴线和倒转向斜轴向，横切主洞线和河流，为地下水的主要通道，其地下水水量短时间内不可能减少，不但对支洞开挖有影响，对主支洞交叉段以及主洞的开挖也极为不利。
1.3 突发涌水情况及紧急措施
进行桩号0+857掌子面开挖作业时，左下角钻孔过程中突然喷出一股强势水流，将钻杆喷出，水柱喷出20余米，水位迅速上涨，很快将掌子面淹没，立即启动全部排水设施，进行强排水至掌子面。
2 总体施工思路
目前掌子面处出水量约6 000m3/d，确定总体堵水施工思路为：堵排水结合，以堵水为主，排水为辅，将掌子面处排水量控制在最小范围，以便能够钻孔装药、爆破出渣作业。
3 堵水处理措施
根据现场实际情况，计划分两步进行堵水：首先对桩号0+857掌子面处涌水孔进行注浆封堵；第二对桩号0+857以后未开挖洞段，每15m一个循环进行超前预注浆，直至开挖掌子面出水量减少至可以方便开挖作业时，不再进行超前预注浆。
3.1 桩号0+857掌子面处涌水孔注浆封堵
（1）在掌子面上游侧壁2～3m处开挖水仓，降低现有水位，清除石渣，露出左下侧大的涌水孔。
（2）对掌子面已有钻孔安装Φ25×1m注浆管，并用固孔器固定。
（3）针对左下侧涌水孔处理，安装Φ25×1m注浆管，并用固孔器固定。如在安装过程中，因水压过大无法固定，首先对其1m周边钻设泄压孔，泄压孔孔径Φ42mm、孔深2m（泄压孔孔数根据施工情况定）；如不能满足泄压要求，改用液压架柱式回转钻钻泄压孔，泄压孔孔径Φ60mm、孔深1.5m（泄压孔孔数根据施工情况定）安装Φ50mm套管，套管前端铰接方式安装法兰盘，法兰盘上焊接Φ25钢管并安装球阀，以便于控制涌水量。
（4）先周边孔注浆，后涌水孔注浆，注浆管均采用Φ25钢管，根据实际情况调整注浆管长度。
3.2 桩号0+857掌子面后超前预注浆堵水
3.2.1 孔位布置及钻孔参数设计
本段钻孔分三序钻孔，Ⅰ序孔（孔号：1-19、钻孔角度：30°、孔深：4m）采用 YT-28 手风钻钻孔；Ⅱ序孔（ 孔号：1′-19′、钻孔角度：20°、孔深：7m）和Ⅲ序孔（ 孔号：1″-19″、钻孔角度：13°、孔深：17m；孔号：20″-25″、钻孔角度：0°、孔深：15m）采用 Zyj-380/210液压架柱式回转钻机钻孔，孔位布置见图1、图2。
3.2.2 超前预注浆循环及施工方法
为了达到较好的封堵效果，每个注浆循环为15m，掘进10m，预留5m，再进行下一注浆循环。
超前预注浆平面布置图（见图3）和纵断面布置图（见图4）为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔合并示意图，施工中根据钻孔参数进行钻孔、注浆，具体为先按照Ⅰ、Ⅱ序钻孔示意图进行Ⅰ、Ⅱ序孔的钻孔及注浆（19个孔），再按Ⅲ序孔钻孔示意图进行Ⅲ序孔的钻孔及注浆（25个孔）。
图1 掌子面0+857超前预注浆Ⅰ、Ⅱ序孔钻孔示意图
图2 掌子面0+857超前预注浆Ⅲ序孔钻孔示意图
图3 超前预注浆钻孔平面示意图
图4 超前预注浆钻孔示意图（纵断面）
（1）正常工况下钻孔
①Ⅰ序孔先用液压架柱式回转钻机开孔Φ60mm，孔深2m，安装Φ50mm×2m套管，套管前端铰接方式安装法兰盘，法兰盘上焊接Φ25钢管并安装球阀，以便于控制涌水量。安装套管后，用风钻钻孔，孔径Φ42，孔深 4m，注浆管Φ25mm长度2m，钻孔19个。
②Ⅱ序孔先用液压架柱式回转钻机开孔Φ91mm，孔深2m，安装Φ75mm×2m套管，套管前端铰接方式安装法兰盘，法兰盘上焊接Φ25钢管并安装球阀，以便于控制涌水量。安装套管后，换小钻头，孔径Φ60，孔深7m，注浆管Φ25mm长度2m，钻孔19个。
③Ⅲ序孔先用液压架柱式回转钻机开孔Φ91mm，孔深2m，安装Φ75mm×3m套管，套管前端铰接方式安装法兰盘，法兰盘上焊接Φ25钢管并安装球阀，以便于控制涌水量。安装套管后，换小钻头，孔径Φ60，注浆管Φ25mm长度3m，外围孔（周边孔）孔深17m，中间孔孔深15m，钻孔共25个。
（2）不良地质工况下钻孔
①如围岩破碎钻孔无法成形，沿孔深全长安装套管（Ⅰ序孔4m、Ⅱ序孔7m、Ⅲ序孔17m），安装Φ25mm注浆花管，长度分别为3.5m、6.5m、16.5m。
②如钻孔未达到设计深度时发生大突水，紧急关闭法兰盘后注浆，待浆液凝固24h后，沿该孔位进行扫孔后，继续钻灌，达到设计标准。
根据围岩情况、外水压力情况及时调整套管长度，套管长度范围2～5m。安装套管后示意图见图5。
图5 安装套管后示意图
（3）注浆
①注浆材料
由于围岩裂隙发育，出水量大、压力大，注浆材料应能保证快速封堵涌水裂隙。
根据以往堵水注浆经验，注浆材料采用低密度、扩散性强、无污染的DS系列化学灌浆材料，DS系列化学灌浆材料具有凝结时间短、粘结力强、固体抗压强度高等特点，可与水泥混合灌注，浆液通过灌浆泵的压力推动渗透、扩散至岩石涌水裂隙，形成隔水帷幕，并将围岩凝结成一个整体，达到封堵出水目的，同时起到围岩固结作用。DS化学堵水材料参数见表1。
②注浆管采用Φ25钢管，钢管长度根据实际情况现场调整。
③注浆压力
注浆压力是最重要的参数之一，目前水头压力约3MPa，注浆终压采用6MPa。
（4）注浆前试验
表1 DS化学堵水材料参数表
①管路耐压试验
当整套注浆系统准备完毕后，开泵打压清水，逐渐加压到压力表值0.3MPa，并维持10～15min不泄压为合格。
②含水层压水试验
管路耐压合格后，将收水管闸阀打开，对含水层做压水试验。据压水试验中单位钻孔吸水量确定浆液起始浓度和各种系数，并绘制P-Q-t曲线图，做为施工的参考依据，压水试验结束并符合要求后，开始注浆。
（ 5）注浆作业
①选用DS系列化学堵水材料和水泥浆交叉注浆。
②根据涌水状况选用注浆材料配比，当孔内涌水量小时，水灰比W∶C=2∶1～0.8∶1，孔内涌水量较大时，水灰比W∶C=1∶1～0.6∶1。
③当注浆压力上升到5MPa左右时，若无法控制跑浆时，开始注入DS化学浆，直到达到设计终压6mPa。
④根据水泵的压水流量，决定注浆孔的起始浓度及凝结时间，然后开始注浆，当浆液注入渗水裂隙后，要根据注浆压力表的变化以及注浆量的变化，对各项注浆参数进行控制和调整。随着注浆的进行，后期孔的注浆量比前期孔有明显减少，则帷幕逐渐形成。
⑤注浆时一般由稀浆液到浓浆液，逐级加大，达到设计压力值时停止注浆，30min后卸下注浆管路，拧紧螺母即可。注浆压力应由低向高逐渐加压，在注浆刚开始时，注浆压力要控制低一些，当一次注浆达不到终压而注入量较大时，可暂停注浆，待2天后再复注，直到本孔段达到终压。
（6）注浆结束标准
①注浆压力呈规律性增加，并达到注浆设计终压6MPa，经改变浆液的种类、配比后仍不能注入浆液，即停止该孔注入。
②达到注浆终压时最小吸浆量为10～20L/min，时间为10～15min。
4 投入主要设备
投入主要设备见表2。
表2 投入主要设备表
5 封堵水施工安全技术措施
5.1 钻孔安全技术措施
（1）施工人员钻孔作业时，要将不需要的器具设备捆绑好，并佩戴防护眼镜、手套等安全防护用品。
（2）施工时严格执行“敲帮问顶”制度，施工前、施工中、施工后都要观察顶、帮，对有不稳定的顶、帮必须立即处理。
（3）确定钻孔位置，持钻工要站稳，气腿要选好着力点，防止滑动影响打钻等。
（4）在钻孔作业时，把钻工要严禁戴厚胶皮手套，开动钻机后固定钻头，开始钻进后双手要在远离钻头20cm以外扶持，防止钻杆跑偏改变钻进位置和角度，同时防止角度偏离造成卡钻、夹钎、塌孔。
（5）钻孔作业过程中，持钻工要掌握钻进深度，随时注意钻孔内涌水情况，若出现涌水量大于10m3/h时或塌孔卡钻现象时，应停止钻进，准备注浆。
（6）换孔时，要先关停，钻工要拔出钻杆（防止松动坠落），并摆顺管路；确定位置后换上相应长度的钎杆开始钻孔。
（7）钻孔作业结束后，要先关闭风管截止阀，钻机泄压后方可拆开管路。
（8）钻孔时，出现突水现象，立即加大排水，并安排注浆堵水控制涌水量，如遇突水不可控制，先将人员、设备撤离到安全位置，并立即上报有关人员和部门。
（9）现场配备充足的水泵，以备突水时应急抽排。
5.2 注浆安全技术措施
（1）注浆前要先将注浆泵固定牢靠，稳当后对整个管路做压水、耐压试验，检查注浆泵是否正常工作。检查管路上的接口、闸阀、管件等耐压性能，符合要求才能开始注浆。
（2）注浆作业时，要随时注意压力、流量及油量变化，注意吸浆管接头、管路是否堵塞，是否连接牢固，检查压风管路、水管是否畅通。
（3）检查注浆枪头是否畅通，阀门是否安全灵活；注意枪头连接管件是否符合要求。
（4）水泥浆和化学浆注浆时，要及时对管路进行清洗，并严格控制配比方量和注浆方量。
（5）注浆时出现跑浆，应先停止注浆，用粉状DS化学材料将其封堵后，再进行注浆。
（6）注浆孔倒管时，要先停泵，同时关闭孔口管球阀，打开注浆枪头泄水阀，待泄压后方可拆卸。
（7）注浆结束后，要先关风管，开泵泄压后方可拆卸；并将注浆管路盘好捆好。
