隧洞开挖掌子面多孔高压涌水施工技术

2017-09-19靳念柱

东北水利水电 2017年9期

关键词：孔口掌子面隧洞

靳念柱

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110003）

隧洞开挖掌子面多孔高压涌水施工技术

靳念柱

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳110003）

文章结合东湖输水隧洞开挖掌子面多孔高压涌水的实际情况，重点介绍承压水减压及掌子面系统超前预注浆的涌水治理原则、施工工艺的制定过程及施工方法，运用该施工技术顺利地通过F42断层影响带，取得了良好的工程效果。希望能为类似工程提供借鉴。

隧洞研究；多孔；高压；涌水；超前系统注浆；施工技术

1 工程概况

东湖输水工程位于辽宁省境内，沿线涉及桓仁、新宾、清源3县，全长130.88 km，是辽宁省流域区间调水重要组成部分，可以有效缓解水资源分布不均的现状。其中施工三标位于新宾县境内，隧洞采用钻爆法施工，标段隧洞长23.47 km，纵坡i=0.03 112%，成洞净空高H=7.28 m，断面形式为马蹄形。根据地质剖面图及实际揭露的地质分析，此处位于沟谷带的边缘，为F42断层影响带，断层为压扭性，产状328°∠80°，宽度大约50 m，洞顶埋深190～306 m，洞室围岩主要岩性为小东沟组凝灰质粉砂岩、凝灰岩，以微风化为主，为较软属～中硬岩。节理裂隙较发育，岩体完整性差，地下水呈线状流水～涌水状态，判定为Ⅳ类围岩。

2 掌子面涌水情况

隧洞开挖到62+458.3段，掌子面钻孔过程中开始出水，主要出水点为3个，沿掌子面中间横向节理面流出，出水方量约350 m3/h。由于出水量大，洞内积水较深，施工现场新增一套220 kW水泵及排水管路进行排水。洞内水位下降后开始打超前探孔，钻孔孔径φ42，钻杆钻至1～1.5 m时，掌子面中间拱顶下方1.5 m位置有一处承压水喷出，现场停止钻孔，喷出距离25～30 m，见图1中②号出水点。周边的其它几个探孔深度2～2.5 m，掌子面左、右侧起拱线靠近边墙位置各有出水点一处有承压水喷出，喷出距离为1～2 m，见图1中①号、③号出水点。掌子面其他位置有渗水延节理裂隙面流出，见图1中④号、⑤号出水点。掌子面出水点如下图1所示。

图1 桩号62+458.3掌子面出水点位置示意图

3 减压及超前预注浆方案

涌水治理原则：对掌子面中线拱顶下方1.5 m处即图1中②号点的承压水进行减压，然后进行预注浆处理，其它几处出水点直接进行注浆处理。

对②号点减压注浆完成后再进行扩孔、注浆，使目前现有的岩盘有足够的承载能力。钻孔过程中探明前方围岩情况，待现有岩盘的能够承受注浆压力时，再确定系统注浆方案及注浆长度。

由于②号点在减压过程中，下方有一块0.2 cm× 0.2 cm岩石脱落，②号孔水压力增大。在掌子面右侧③号点左上方钻2个减压孔分别为④、⑤号孔对②号孔进行减压。其中④孔钻孔深度8 m，外斜角度30°；⑤号孔钻孔深度4 m，外斜角度20°。

④、⑤号孔钻孔结束后都出现承压水，喷射距离1.5 m左右，此时②号孔承压水压力增大，现场暂停施工。重新决定对④、⑤号孔使用普通硅酸盐水泥进行注浆封堵，封堵后重新在掌子面右上方布置⑥孔进行钻孔注浆。

采用普通水泥对④、⑤号孔注浆封堵，经过现场注浆试验，④、⑤号孔无法封堵。现场将注浆材料更换为HSC防渗帷幕型水泥对④、⑤号孔进行注浆，若注浆后浆液沿裂隙流出量较大时，可在注浆时加入锯末。此方法经过现场试验后能够将掌子面出水点堵住。

3.1 掌子面裂隙及探孔封堵

1）对掌子面出水量较大的探孔安装注浆器，出水量比较小的探孔直接进行封堵。②号由于水压力较大，周边围岩较破碎，作业时进行引排，不影响作业面施工即可。

2）将④、⑤孔安装孔口管，对⑤孔进行注浆，注浆时关闭④孔口管闸阀。注浆结束后若④孔仍有水流出，对④孔进行注浆，若无大的水流出则继续下一步施工。

3）对④、⑤号孔安装注浆器的孔进行注浆，注浆材料采用HSC(防渗帷幕型)灌浆材料，注浆时先采用小压力，大流量灌浆。当注浆后浆液沿裂隙流出量较大时，在注浆时加入适量锯末。拌制HSC（防渗帷幕型）材料的水灰比为0.6∶1（重量比）。

4）④、⑤孔封堵结束后，在掌子面右侧起拱线位置开⑥孔，如图1中所示。⑥孔开孔直径为φ130 mm，钻进1.5 m时安装孔口管，孔口管锚固稳定。孔口管固定后采用φ90 mm钻头继续钻进，钻至出水时，停止钻孔，对⑥孔进行注浆。注浆采用HSC（含水细砂型）灌浆材料，水灰比为0.8∶1。

5）⑥孔注浆完成后再继续再进行扩孔、加深钻孔深度，钻至出水时，再次进行注浆。通过反复钻孔、注浆达到加固现有岩盘、阻水和探明前方地质的目的。⑥孔最终钻孔长度按20 m，外斜角度15°控制。

6）注浆时采用孔内循环注浆方式，第一次注浆压力0.3～0.5 MPa，以后几次加固注浆压力可根据岩盘加固情况加大注浆压力。

7）注浆过程中发生沿裂隙漏浆时，及时采用棉花、锚固剂进行封堵。

8）掌子面裂隙及探孔封堵完成后，进行超前系统注浆。

3.2 超前系统注浆

3.2.1 钻孔布置及灌浆范围

根据涌水情况，共布设3环注浆孔。先沿掌子面周边进行外环孔布置，共布设13个孔，孔间距1 500 mm，最外环距洞壁开挖线400 mm。第二环孔孔间距1 700 mm，共布设11个孔，内环设4个孔。具体详见图2。灌浆外环钻孔与隧洞走向成10°外倾角，其它钻孔为水平向。超前预注浆范围为：长15 m，开挖12 m，预留3 m止浆岩盘。

3.2.2 钻孔

1）钻孔孔位与设计孔位的偏差不得大于10 cm，钻进过程中如发现钻孔偏斜及时纠正。因故变更孔位时，必须上报监理工程师批准后实施，实际孔位均有记录，孔深符合设计规定。

2）在灌浆开始前，用水和压缩空气(水压1 MPa)对所有灌浆孔进行清洗。冲洗时将刚性塑料软管插入孔底，打开水和压气，一边冲洗一边将软管缓慢拔出，将孔内彻底冲洗。

3）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调凝时间。

4）若钻孔中遇到有可能坍塌的区域、浸水或测到的孔中渗水大于10 L/min时，及时取消冲洗。

5）考虑到灌浆是采用单一水灰比，取消灌浆前通常所需做的简易常规压水试验，以缩短灌浆工序的时间。

3.2.3 灌浆材料

灌浆材料采用HSC超细水泥灌浆，静水中采用HSC（含水细砂型）灌浆材料、动水中采用HSC（防渗帷幕型）灌浆材料。

3.2.4 灌浆设备

1）选用高压注浆泵，满足最大压力12 MPa、最大排量达200 L/min。

2）根据注浆材料的特点，采用转速大于1 400 r/min的高速搅拌机，搅拌时间控制在3 min之上。配备与高速搅拌机相配套的立式双筒储浆搅拌机。

3）灌浆管路须保证浆液流动畅通，并能承受1.5倍的最大灌浆压力。

4）使用压力宜在压力表最大标值的1/4～3/4之间。压力表经常进行检查，不合格的和已损坏的压力表杜绝使用。压力表和管路之间设有隔浆装置。

5）孔口封闭器具有良好的封闭和耐高压性能，在其使用的最大灌浆压力下能可靠的封闭灌浆孔段，并且宜于安装和拆卸。

3.2.5 制浆方式

1）制浆材料均采用称重，称重误差应小于5%。水泥等固相材料采用重量称量法；按水泥单液浆配制方法，先加水后加料拌制。各类浆液必须搅拌均匀并测定浆液浓度；

2）拌制HSC（防渗帷幕型）材料的水灰比为0.6∶1（重量比），制浆机转速120～180 r/min，浆液搅拌时间3 min以上；

3）拌制HSC（含水细砂型）材料的水灰比为0.8∶1（重量比），制浆机转速1 200～2 000 r/min，浆液搅拌时间2～3 min，控制不要超过搅拌时间；

3.2.6 注浆方法及顺序

注浆方法采用孔口封闭、孔内循环注浆，开始时小压力、大流量注浆，逐渐采用大压力、小流量注浆。采用自外向内、从下而上的次序进行。按照钻孔编号顺序进行，拱顶部位涌水量较大的点可在其它孔注浆完成后再进行。当外环孔布置注浆完成后，再进行第二环孔注浆，第二环孔孔注浆时可根据情况左、右侧同时开孔注浆。

3.2.7 孔口管要求

由于采用高压注浆，每个注浆孔均埋设孔口管，作为承受高压注浆的支撑管。开孔直径φ130 mm，栽设φ110 mm、壁厚3 mm、长2.5～3.0 m的孔口管，钻孔直径90 mm。管口用药卷锚固剂固定，待凝3 h后采用0.6∶1的HSC浆液低压注浆固定。每个孔口管必须采用法兰连接安装孔口封闭器。孔口封闭器应具有良好的封闭和耐高压性能，易于安装和拆卸。

3.2.8 灌浆结束标准

在设计压力下，当注入率小于5 L/min时，持续灌浆10 min结束。