超前帷幕灌浆技术在隧洞岩溶突水处理中的应用

郭天德

（甘肃省引洮工程建设管理局，730000，兰州）

一、工程概况

引洮供水一期工程是为重点解决甘肃省中部干旱地区兰州市，定西市与白银市辖属“三市六县（区）”区域的 2 个县（区）、64 个镇（乡）、743 个行政村155.06万人生活与生产、工业与生态、牲畜养殖以及新发展面积19万亩（1亩=1/15 hm2）灌区农业灌溉等多元化用水的工程，是具有综合性供水功能的大型跨流域自流引调水水利建设项目。工程设计水平年（2030年）调水量2.37亿m3，其中非农业供水量1.72亿m3，农业用水量0.65亿m3。

引洮供水一期工程总干渠#3隧洞全长13.33 km，为总干渠第四长无压引输水、硬岩向软岩过渡的中硬—软岩隧洞工程。隧洞设计引水流量32.0 m3/s，加大引水流量36.0 m3/s，横断面型式为2倍半径关系标准马蹄型，圆拱曲墙反拱底板型式，开挖掘进施工横断面尺寸为宽×高＝（5.68～5.88）×（5.48～5.63）m， 二次衬砌后净断面尺寸为宽×高＝4.68×4.68 m，纵坡1/1 500，采用一次喷锚与二次现浇钢筋混凝土的复合式支护衬砌结构型式。

总干渠3#隧洞进口工作面洞段开挖掘进施工中，在向斜构造灰岩侵入体中发生岩溶突水，掌子面及洞周产生股状压力大涌水，向斜构造灰岩侵入体及其上游桩号 8+606.00～8+931.00总长325.0 m洞段，洞身开挖掘进施工揭示的工程地质及水文地质状况分段为：

①桩号 8+606.00～8+715.00长109.0 m洞段：围岩岩性为三叠系变质砂岩夹泥钙质板岩，岩体呈薄层—中厚层状，软硬相间，属于中硬—软岩，裂隙较发育，埋深750.0 m，其中桩号 8+598.00～8+604.00长 6.0 m 洞段有线状流水，确认为Ⅴ类围岩。

②桩号 8+715.00～8+764.00长49.0 m洞段：围岩岩性为三叠系肉红色灰岩，结构致密，块状构造，属于坚硬—中硬岩，岩体呈中厚层状，裂隙不发育，完整性及稳定性较好，埋深740.0 m，沿层面有滴、渗水，在桩号8+750.00及8+754.00处产生股状流水，水量约150.0 L/min，本段为两组岩性接触带，埋深大，地下水水量大，确认为Ⅴ类围岩。自桩号8+715.00开始向斜构造灰岩侵入体出露，地下水水量也随之加大，呈现明显的岩溶管道突水和涌水特征。向斜构造侵入体岩性为肉红色灰岩，岩石坚硬，受向斜构造影响强烈，岩体破碎。

③桩号 8+764.00～8+855.00长91.0 m洞段：围岩岩性为三叠系肉红色灰岩，结构致密，块状构造，属于中硬—坚硬岩，岩体呈厚层状，并有方解石条带，裂隙不发育，完整性及稳定性较好，埋深680.0 m，沿层面有滴、渗水，确认为Ⅲ类围岩。本段中桩号8+807.00～8+833.00段，沿裂隙面有溶隙及溶洞，溶洞直径200.0～300.0 mm，溶洞内有股状地下水涌出，水量约80.0 m3/h且逐步增大。

④桩号 8+855.00～8+885.00长30.0m洞段：围岩为断层破碎带及其影响带，裂隙发育，岩体破碎，呈现“泥包石”形态，自稳性差，沿裂隙面有滴、渗水，顶拱存在塌落与掉块，埋深680.0m，确认为Ⅴ类围岩。

⑤桩号 8+885.00～8+931.00长46.0m洞段：围岩岩性为三叠系灰黑色灰岩，钙质胶结，结构致密，属于中硬—坚硬岩，沿层面有方解石条带，岩体呈现薄—中厚层状，沿裂隙面有滴、渗水。该段为向斜构造核部，为裂隙密集带，岩体成碎裂状结构，自稳性差，围岩类别确定为Ⅴ类。本段中桩号8+914.00处掌子面上部沿层面有1个小溶洞，直径 30.0～50.0mm，长150.0～250.0 mm，产生股状流水，水量约30.0 m3/h，附近有多处较小的股状流水；桩号8+928.00处沿钻爆孔喷射出4股股状流水，流水中带有石碴及泥质物，射程4.0～5.5 m，水量约146.0 m3/h；桩号8+931.00处洞身底部产生溶洞，成条带状，溶洞宽50.0～80.0 mm，长 550.0～600.0 mm，产生股状流水，旁侧钻爆孔中喷射出3股股状流水，流水中带有石碴及泥质物，射程2.5～3.0 m，水量最初约为150.0 m3/h，后逐渐加大至约320.0 m3/h。

隧洞开挖掘进施工在桩号8+931.00处，因掌子面与后方洞周岩溶突水及其股状压力涌水而被迫停工。岩溶突水及其股状压力涌水量之后逐步增大，最大为1 640.0 m3/h，最终基本稳定在860.0 m3/h，地表泉水水量大幅度降低。隧洞进口工作面已完成开挖掘进施工的2.43 km长洞段全部淹没，掌子面部位最大水深约2.5 m，水流自隧洞进口反坡流出，洞内机电与施工设备全部被淹。

二、施工技术方案

根据隧洞岩溶突水及其压力涌水洞段围岩岩性、岩体构造、突涌水状况，并参照隧洞（隧道）岩溶突水及压力涌水封堵的工程实践与成功经验，确定对洞身开挖掘进施工轮廓线外围全断面采用超前预埋花管帷幕灌浆法堵水，将岩溶管道及裂隙注浆充填封堵，形成洞身周边围岩固结堵水圈。帷幕灌浆采取分段灌浆法，每循环帷幕灌浆洞长20.0 m，开挖掘进施工洞长16.0 m，为防止开挖掘进施工停工掌子面失稳，以及受压浆液与岩溶水自帷幕灌浆工作面涌出，保证浆液沿岩溶管道及裂隙有效扩散充填封堵，预留厚4.0 m的止浆岩塞及封堵体，并作为下一帷幕灌浆循环造孔的工作面。在首循环帷幕灌浆施作前，于停工掌子面浇筑厚2.0 m的C20钢筋混凝土止浆墙，止浆墙内预埋3根φ150 mm钢管，用于临时排出岩溶及裂隙水，并在管口安装DN150闸阀进行控制。洞身周边围岩岩溶及其裂隙超前帷幕灌浆充填封堵固结区及其注浆钻孔布置分别见图1、图2。

三、帷幕灌浆施工

预埋花管法工艺，又称袖阀管双栓塞注浆工艺，是由法国Soletanche灌浆公司首创的一种注浆工法，也称索列坦休斯工法。该工法具有许多优点，国内外应用广泛，能有针对性地选择压力和材料，对各种地层适应性强，对围岩岩溶突水及其压力涌水封堵固结具有良好的效果。

1.注浆孔布置

裂隙及岩溶管道中等发育的围岩单孔注浆浆液的扩散半径，理论及经验为1.5～2.0 m，根据隧洞洞身周边及其掌子面围岩岩溶管道分布特征，为使注浆达到全面有效的堵水效果，

图1 帷幕灌浆孔布置（单位：cm）

在隧洞开挖掘进施工停工掌子面布置四圈发散注浆孔，发散外倾角15.0°～34.0°不等，注浆孔共 28个，间距 1.5 m，排距 0.5 m，孔径 φ150 mm，预埋花管外径φ108 mm。洞身断面中部布置的4个灌浆孔同时作为检查孔，主要对掌子面前方进行固结封闭。实际注浆施工过程中，还需根据每循环围岩固结封堵及涌水等具体情况，对注浆孔进行适当调整。

2.灌浆材料及配合比

超前帷幕灌浆材料根据围岩岩溶突水及其压力涌水情况，选用具有快凝及早强技术性能特点的42.5R硅酸盐水泥、水玻璃、缓凝型填料等注浆材料。施工之前对不同水灰比及水玻璃浓度在不同温度条件下进行试配，优选满足不同涌水量及围岩裂隙程度的配合比。在实际注浆施工过程中，根据实际进浆量及其堵水、封堵与充填效果，适时进行配合比的调整。

3.灌浆压力

灌浆压力与围岩岩体内岩溶管道及裂隙发育程度、涌水压力、浆液材料黏度，以及凝胶时间长短相关联。隧洞岩溶突水及其压力涌水洞段埋深为680.0 m，外水压力按55.0%折减计算为3.7 MPa，灌浆压力按大于地下水压2.0～4.0 MPa控制。为使超前帷幕灌浆效果达到预期目的，实际灌浆施工过程中，根据岩溶突水压力及灌浆量的大小，通过试验随时对灌浆压力进行调整。

4.灌浆设备配置

隧洞岩溶突水及其压力涌水超前帷幕灌浆封堵堵水施工主要设备配置见表1。

5.施工工序

预埋花管法超前帷幕灌浆施工工序为：施工准备→钻孔→预埋花管安装→灌浆→封孔→灌浆效果检查→补灌。

（1）钻孔

根据超前帷幕灌浆预埋花管设计布设位置，采用风动150型潜孔跟管钻进，下内径φ110 mm套管。在钻孔孔深达到设计值后拔出套管，采用φ18 mm弯头钢管通入高压风吹净孔中石屑、细小石块与积水。

图2 超前帷幕灌浆封堵固结区（单位：cm）

表1 钻孔及灌浆主要设备配置

（2）预埋花管安装

①预埋花管加工制作。采用外径φ108 mm的无缝钢管，加工成前端圆锥形并予以封焊严实，管身设若干溢浆孔，孔径为10.0 mm，孔间距为200.0 mm，按梅花形排列，后端长500.0 mm范围内不设溢浆孔，尾部管端设一加固环，并保持管身顺直。

②预埋花管安装。对灌浆孔进行冲洗后将预埋花管顶入孔内，管尾安装阀门，在出现大量涌水时，既可做排水孔，也可做灌浆孔，在灌浆时关闭阀门，形成静水压力灌浆。

（3）灌浆

①制浆。采用NJ-1500泥浆搅拌机现场拌制浆液，根据现场试验情况，确定水灰比为 1∶0.6～1∶1.0，水玻璃及水泥用量配比为0.83∶1.0，缓凝型填料用量为水泥用量的5.0%。

②灌浆顺序。采用下行式灌浆，自上而下隔孔由外到内进行灌浆。

③注浆结束标准。单孔注浆压力上升至终压并持续注浆l0 min以上；单孔注浆结束时进浆量小于20.0～30.0 L ／min。

（4）灌浆效果检查

采用开挖掘进施工通过掌子面4个注浆钻孔作为检查孔，并测定渗漏水量，当渗漏水量不影响掌子面开挖掘进施工时，可认为达到超前帷幕注浆堵水封堵目的，否则再进行补灌浆。

（5）补灌

虽采取了超前预埋花管法帷幕灌浆堵水封堵，但在隧洞开挖掘进施工过程中仍出现了较大的渗漏水及涌水，仍需再次进行补灌浆，实际施工中采取以下具体补灌浆方式：

①当有集中水流或岩溶管道出水时，首先埋管将水流引出，降低地下水压，并在管口距出水口一定距离处安装闸阀，向出水裂隙或岩溶管道钻注浆孔并再次安装注浆管，采用水泥—水玻璃双液浆进一步灌浆封堵。

②当开挖面渗漏面积和水量较大时，在渗漏处采用钻机钻孔，找出渗漏水的主要裂隙，由钻孔引流，将渗漏水由面流改变为集中点流，然后再次采用水泥—水玻璃双液浆进行灌浆封堵。

6.后期防治

岩溶突水处理后,工程采用TSP及水平钻孔相结合方法进行超前地质探孔预报，采用地质钻机进行超前取芯钻探，每断面设2～4个超前探孔，以利对掌子面前方地质条件及涌水情况进行分析判断。超前探孔在每注浆循环段段长5.0 m之前施作，探测洞长一般为25.0 m左右，相邻两循环探孔之间搭接长5.0 m。

四、结 语

超前预埋花管帷幕灌浆法解决了常规排水方式不能解决的岩溶突水及其股状压力涌水对人员、机电设备、工程施工造成的威胁与安全隐患问题，大幅度提高了洞室岩体稳定及施工，全面有效封堵了岩溶突水，掌子面及洞周涌水量大为减小，达到预期效果，保证了隧洞正常开挖掘进施工。

超前预埋花管帷幕灌浆法封堵堵水对隧洞（隧道）岩溶突水及其股状压力涌水的处理效果总体上优于其他灌浆方法，具有堵水效果显著、施工工效高等技术优越性，可为类似地下工程岩溶突水及其股状压力涌水封堵堵水处理提供参考借鉴。 ■

[1]李荣伟,侯恩科.岩溶地区水下隧洞帷幕灌浆实践与研究[J].水科学与工程技术,2007(2).

[2]李彬,等.山西引黄隧洞涌水封堵灌浆施工技术[J].中国建筑防水,2017(1).

[3]胡威东,等.锦屏水利枢纽辅助洞高压大流量突涌水防治[J].人民长江,2008(15).

[4]王志刚.超前止水灌浆技术在观音阁输水工程中的应用[J].水利规划与设计,2016(2).

[5]王跃峰,等.高地下水压深埋长隧洞施工阻水帷幕设计探讨[J].水利水电工程设计,2007(2).