深孔固结灌浆法在下穿河道经过断层施工中的应用

(中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550008)

山西省小浪底引黄工程1号引水隧洞下穿河道与断层破碎带，施工难度和安全风险极大，如何采取技术措施，在保证安全的前提下加快隧洞施工进度，直接影响到整个项目通水目标的实现。国内外虽然有较多地表灌浆的施工案例，但同时具有洞身深埋、下穿河道且经过大断层的深孔灌浆情形目前并不多见，相关研究资料较少。本文以工程实践为例，阐述深孔固结灌浆方法，并通过控制底部灌浆深度范围和隧洞两侧灌浆压力，起到固结岩层、阻断渗水通道的作用。

1 工程概述

山西省小浪底引黄工程(引水干线部分)施工Ⅱ标段1号引水隧洞长841.996m(S5+000～S5+841.966)，其中穿板涧河段桩号为S5+574～S5+774，总长200m。板涧河河床底高程约为280m，河床常年流水，流量为1～2m3/s，隧洞设计洞中线高程约为207.9m，隧洞埋深70～90m。引水隧洞、河流、断层带位置关系如图1所示。

2 工程地质情况

1号引水隧洞地处板涧河下游与黄河小浪底库区的交汇三角形地带，隧洞围岩岩溶发育，多中等透水性。穿板涧河洞段，以泥质灰岩、灰岩、泥灰岩为主，含有少量白云岩，属极软岩～中硬岩，极软岩、较软岩为主，泥质灰岩～泥灰岩遇水泥化严重，溶洞发育。在桩号S5+740.00～S5+780.00洞段发育F24正断层，断层产状NE 26～61°SE∠60～80°，走向与洞轴线夹角约50°，延伸长度约1km，地表可见断层带宽度2～10m。断层影响带宽50～100m，断层两侧岩层不连续，断层带内岩体破碎、松散无强度，泥质胶结，胶结性较差。在开挖隧洞过程中，易对断层带内已沉积的稳定岩体产生扰动，与地表板涧河形成通道，大涌水或突泥等情况发生概率大。

3 施工方案比选

3.1 隧洞超前灌浆法

“隧洞超前灌浆法”施工指先对隧洞进行灌浆处理后再进行开挖，在开挖掌子面结构边线超前灌浆封闭10m，然后再开挖5m，预留5m搭接长度。隧洞“超前灌浆法”的处理方案如图2、图3所示。

图2 超前预注浆剖面 (单位：cm)

图3 超前预注浆断面 (单位：cm)

原设计施工方案采取单向施工，预计每个循环(超前灌浆10m，开挖5m)灌浆5d，隧洞开挖5d，均进尺0.5m/d，同时由于受洞内裂隙承压水的影响，灌浆难度较大，工期无法保证。1号引水隧洞从S5+730～S5+780共50m，预计100d开挖完成，工期较长，无法满足施工节点目标要求。同时由于隧洞施工下穿河流和断层破碎带，围岩条件差，存在大涌水和突水突泥的可能，不可预见性较高，洞内施工安全风险高。

3.2 地表深孔固结灌浆法

“深孔固灌浆法”即从地面造孔对底部隧洞进行固结灌浆，由于是洞外施工，可提前进行施工，且不占用直线工期，可多点位同时施工，施工干扰小，有利于提高灌浆进度，同时洞外施工相比洞内施工安全风险低。

先通过多方法、多方位综合物探分析与预测，确定F24断层在引水隧洞内固结灌浆范围。由于引水隧洞埋深大于70m，若全孔灌浆，大部分为无效孔，为节约投资，只对洞底以下3m，洞顶以上5m，洞高5.8m段范围进行固结灌浆。

因隧洞下穿河道与断层破碎带位置埋深较大，预计地质情况复杂，采取地震波法、瞬变电磁法、网络并行电法等进行多方位地质勘察，分析断层、岩体含水、导水构造、富水区分布，经综合研究对S5+730～S5+780段从地表进行深孔固结灌浆，详见图4。

图4 1号引水隧洞地面物探补充综合分析剖面

4 施工方案介绍

4.1 深孔固结灌浆造孔

采用地质钻机从地面钻孔，在钻孔过程中如遇到溶洞等特殊地段无法钻进时，采取护壁灌浆处理。为避免塌孔埋钻，钻孔孔径为91～130mm，灌浆套管跟管钻进，套管采用130mm、110mm、91mm不同孔径跟进钻孔。钻孔过程中采取“先大后小”的方法，即在分段钻孔时，先采用大直径钻头加装套管先行钻孔，待该钻头无法钻进时再更换小直径钻头加装套管钻孔，钻孔孔径变化依次为φΦ130→φ110→φ91。钻孔φ130套管跟进钻孔约15m，φ110套管跟进钻孔约20m，在施工过程中尽量向下多打。

4.2 灌浆范围

安装止浆塞对引水隧洞洞顶以上5m至洞底以下3m范围自上而下分段灌浆，套管区域不进行灌浆，详见图5。根据物探探测结果布置范围，沿洞轴线每排布置5个/4个灌浆孔，梅花形布置，间距2.5m，排距2.5m，从S5+780开始奇数排奇数号和偶数排偶数号孔为Ⅰ序孔，其余为Ⅱ序，详见图6。

图5 深孔固结灌浆剖面 (单位：m)

图6 深孔固结灌浆孔位及分序布置

4.3 施工程序及要求

按照以下顺序进行施工：先导孔钻孔→Ⅰ序孔钻孔→Ⅰ序孔灌浆→Ⅱ序孔钻孔→Ⅱ序孔灌浆→检查孔布置→检查孔压水→检查孔封堵。

深孔固结灌浆按排分序，循序加密，先施工S5+780～S5+730区域奇数排Ⅰ序孔，待Ⅰ序孔灌浆结束后再施工偶数排Ⅰ序孔；上述Ⅰ序孔施工完成后再施工S5+780～S5+730区域奇数排Ⅱ序孔和偶数排Ⅱ序孔，Ⅰ、Ⅱ序孔之间灌浆待凝时间均为8h～12h。

灌浆浆液采用纯水泥浆或水泥+水玻璃双浆液灌浆，遇溶洞、空腔等采用水泥砂浆灌注，灌浆最大压力1.5MPa。

灌浆采用孔内循环式按分序、加密的原则进行，自上而下分二次灌浆，第一次灌浆段长7.0m，第二次长6.8m。

隧洞中间灌浆孔灌浆压力：第一段采用1.0MPa，第二段采用1.5MPa；隧洞两侧灌浆孔灌浆压力：第一段采用0.5MPa，第二段采用0.8MPa。采用一次升压至设计压力，压力表安装在回浆管路上。灌浆应尽快达到设计压力，但注入率大时应分级升压；灌浆时，若灌浆压力保持不变吸浆量均匀减小时，或当吸浆量保持不变压力均匀上升时，灌浆应持续进行，不得改变水灰比。

灌浆水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四个比级，隧洞中间灌浆孔开灌水灰比选用2∶1，为控制灌浆范围隧洞两侧灌浆孔开灌水灰比为0.8∶1；只能采用一泵灌注一孔的方法，进浆管气囊塞应塞入距离段长处50cm以上，进浆管伸入孔底，回浆管位于灌浆气囊塞处。

变浆标准：当某一级水灰比的注入量已到300L或持续时间达30min，而灌浆压力及注入率均无明显改变时，浆液可加浓一级；当吸浆量大于30L/min时，可根据具体情况适当越级变浓灌注。

采用自动记录仪记录灌浆过程，灌浆站每10min测定一次浆液比重并记录备查。

4.4 特殊情况处理

a.灌浆过程中，发现冒浆、漏浆，应根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆等方法进行处理。

b.灌浆过程中如出现灌浆压力突然增加或注入率突然升高时，应立即查明原因，采取相应措施，并报监理工程师。灌浆过程中如发现串浆时，宜采用下述方法处理：

ⓐ如被串孔正在钻进，应立即停钻，以防发生埋钻事故。

ⓑ串浆量不大于1L/min时，可在被串孔内通入水流。

ⓒ串浆量较大时，尽可能与被串孔同时灌注，但应注意控制灌浆压力，防止岩体抬动；当无条件同时灌注时，应立即在串浆孔内串浆部位以上用灌浆塞塞住，待灌浆孔灌浆结束后，串浆孔再继续钻进或灌浆。

c.灌浆工程必须连续进行，因故中断，按以下原则进行处理，并作记录：

ⓐ尽可能缩短中断时间，及早恢复灌浆。

ⓑ若中断时间超过30min，应设法冲洗钻孔，如冲洗无效，则应扫孔重灌。

ⓒ恢复灌浆后，开始应使用中断前的水灰比，如果吸浆量相似或略有减少，则应逐渐加浓浆液，直至灌浆结束。如吸浆量较中断前减少很多，且在很短时间内停止吸浆，则认为该灌浆段不合格。

d.灌浆段注入量大，灌浆难于结束时，可选用下列处理措施：

ⓐ低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆。

ⓑ浆液中掺加速凝剂。

ⓒ灌注稳定浆液或改用水泥+水玻璃双浆液。经处理后应扫孔，重新依照技术要求进行灌浆，直至结束。灌浆过程中，若浆液漏失严重，则可采用双管双液法，即将水泥、水玻璃分别送入灌段内混合灌注，并根据混合浆液灌注情况确定掺入量。

e.灌浆过程中如回浆变浓，宜换用相同水灰比的新浆，若效果不明显，延续灌注30min，即可停止灌注。在溶洞、空腔灌浆时，应先查明溶洞的充填类型和规模，然后采取如下处理措施：

ⓐ溶洞无充填物时，根据溶洞的大小，可采用泵送高流态混凝土、投入碎石再灌注水泥砂浆、灌注混合浆液等措施。待凝后，扫孔，再灌水泥浆。

ⓑ溶洞内有充填物时，根据充填物类型、性态以及充填程度，可采用高压灌浆、高压喷射灌浆等措施。

4.5 质量检查

a.深孔固结灌浆质量检查，采用压水试验的方法进行。

b.检查孔的布置，由业主、设计、监理根据施工单位灌浆资料、施工情况确定。

c.深孔固结灌浆检查孔数量为灌浆总孔数的10%。

d.深孔固结灌浆检查孔的压水试验工作应在该部位灌浆结束14天后进行。

e.压水试验压力为该孔段最大灌浆压力的80%，但不大于1.0MPa，采用单点法。压水时间20min，每5min测读一次压入流量，压水检查孔的标准为透水率不大于3Lu，其孔段合格率应在100%以上，对于不合格孔，应根据业主、设计及监理要求重新进行补灌。

f.经检查合格的检查孔做弹性模量的测试检查，其与灌浆分段吻合，然后按灌浆孔要求进行灌浆封孔。

4.6 灌浆结果

深孔固结灌浆耗时2个月，灌浆孔数90孔，灌浆长度1242.2m，消耗水泥2078t。其中Ⅰ序孔(50孔)灌浆长度690m，Ⅱ序孔(40孔)灌浆长度552.2m，详见表1。同时进行了检查孔压水试验，成果详见表2。

表1 深孔固结灌浆分序成果汇总表

表2 深孔固结灌浆检查孔汇总表

5 结 语

地表深孔固结灌浆在隧洞正常掘进至S5+730桩号前完成，未占用直线工期，1号引水隧洞S5+730～S5+780段开挖过程中，掌子面基本无渗水，岩体的整体性较好，说明通过控制底部灌浆深度范围和隧洞两侧灌浆压力，起到了固结岩层、阻断渗水通道的作用，确保了施工质量和安全，该段仅历时30d就开挖完成，最少节省了工期70d，同时也节约了工程投资。该施工方法可供类似工程参考。