水底隧洞遇断层带钻灌一体灌浆施工技术

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 概 述

国内外修建水底隧道过程中发生大流量突涌水的工程案例屡见不鲜，一旦发生突涌水，往往会带来人员、设备的重大损失，导致建设成本的大幅度增加、工期拖延，甚至还会造成工程被迫改线的情况。

随着新技术、新手段在水底隧道工程中的应用，突涌水风险防范能力得到了显著改善。如超前地质预报准确性、钻孔及灌浆设备功能和效率的提高，使得各种突发情况下的现场应对能力有显著的提升。

本文以杭州市第二水源千岛湖配水工程分水江穿江隧洞工程为例，介绍穿江隧洞施工过程中通过运用多种超前地质预报手段，准确掌握了掌子面前方围岩条件，根据实际情况进行了有针对性的钻灌一体注浆施工工艺。本工程选用钻灌一体机配合常规灌浆设备进行注浆，顺利完成了穿江段施工。该设备曾在厦门翔安海底隧道中成功完成了海底风化囊槽钻灌一体灌浆。

杭州市第二水源千岛湖配水工程输水线路全长112.34km，为Ⅰ等工程。分水江穿江隧洞段起讫里程为55+360.500～56+519.500m，洞段长度1159m。穿江隧洞底板结构高程-50m，千岛湖正常蓄水位高程108m，静水压力158m，是目前国内内压最高的大直径穿江钢衬输水隧洞。

穿江隧洞河床段约200m范围河床段上覆岩体厚度薄，最薄处仅16m，且断裂构造发育，岩石破碎，围岩类别一般为Ⅳ类，工程地质条件差，存在突水等影响施工安全的地质隐患。特别是左岸山脚揭露有一系列陡倾断裂，影响带宽约50m，地下水补给丰富，透水性好，输水隧洞通过该断层带时施工风险大。

分水江穿江隧洞纵剖面布置详见图1。

图1 穿江隧洞纵剖面布置

2 总体施工方案

考虑到穿江隧洞段上覆岩体厚度薄,且发育一系列断层和导水构造，突涌水、坍塌冒顶同江水联通的风险大，为确保施工安全，拟定施工方案如下：

ⓐ江底水平段约200m段长范围内全段进行TSP超前地质预报、地质雷达、红外探水、水平钻孔取芯。

ⓑ长大断层破碎带部位采用台阶法开挖，其余洞段采用全断面短进尺法开挖。

ⓒ每开挖循环布置5～7个加深炮孔探水，孔深6m，每开挖循环进尺控制在2m以内。

ⓓ采用RPD-150C钻灌一体机进行灌浆，出水量较大时直接灌浆止水，出水量较小时换用常规灌浆设备堵水灌浆，以便加快施工进度。

ⓔ为确保分水江穿江隧洞段安全、快速掘进，在施工期间成立由参建各方组成的技术小组，在地质超前预报和超前钻孔的基础上根据实际情况，确定前方灌浆及掘进参数。

3 钻灌一体灌浆设计

3.1 灌浆参数

a.超前灌浆加固圈厚度。

ⓐ根据水工隧洞设计规范，固结灌浆深度应根据围岩情况分析确定，可取0.5倍隧洞直径(或洞宽)，灌浆压力可采用1～2倍内水压力。本工程隧洞开挖跨度7.3m，灌浆圈厚度7.7m，满足规范要求。

ⓑ水工隧洞封堵体设计中，堵头长度一般按照水力梯度5～10控制，本工程防洪度汛标准按照20年一遇洪水考虑，相应水位高程15.8m，隧洞底板高程-50m，按照全水头考虑为65.8m，灌浆圈厚度7.7m，水力梯度为8.5。

b.浆液类型及灌浆压力。输水隧洞穿江段拟采用普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆为主要灌浆材料。浆液配合比详见表1。灌浆压力暂定2～3MPa，具体需根据施工情况进行调整。

表1 浆液配合比

3.2 灌浆布置

钻灌一体灌浆在地质超前预报和超前钻孔的判定基础上实施，根据分水江穿江段地质条件，分为长距离钻灌一体灌浆和短距离钻灌一体灌浆两种类型。

ⓐ长距离钻灌一体灌浆在江底断层影响带(长度约50m)实施，单循环灌浆长度30m，开挖24m，预留6m作为下一循环止浆岩盘，直至通过断层影响带。灌浆示意图及灌浆孔布置详见图2。共计88个钻孔，钻孔总长度2218m。

ⓑ短距离钻灌一体灌浆在规模较小的孤立断层实施，单循环灌浆长度13.5m，开挖10m，预留3.5m作为下一循环止浆岩盘，直至通过孤立断层。灌浆示意图及灌浆孔布置详见图3。共计52个钻孔，钻孔总长度762m。

图2 长距离钻灌一体灌浆施工示意及布孔设计 (单位：cm)

图3 短距离钻灌一体灌浆施工示意及布孔设计 (单位：cm)

3.3 灌浆进度分析

长距离钻灌一体灌浆施工强度见表2。

表2 长距离钻灌一体灌浆施工强度

续表

短距离钻灌一体灌浆施工强度见表3。

表3 短距离钻灌一体灌浆施工强度

4 现场实施

根据超前地质预报成果，穿江段共实施了两次系统钻灌一体灌浆：

4.1 输水隧洞56+026～55+996m洞段

该段地下水较发育，五个钻孔(含超前取芯孔、超前探孔、检查孔)内揭露多个水点，最大水量为65L/min，稳定水压力为0.51MPa，与江水联通，现场实施了系统钻灌一体灌浆。考虑到单个钻孔内出水量较小，水压较低，因此布置一环灌浆孔，孔数24个，孔深24m，孔底距离开挖边线约3m，灌浆孔末端孔距1.72m。钻灌一体灌浆孔布置详见图4。

4.2 输水隧洞55+987～55+970m洞段

根据超前地质预报成果，55+972.5～55+985.55m段岩体完整性差～破碎，地下水较发育，在55+976.85～981.4m洞段钻孔内集中出水水量达70L/min，压力0.3MPa，存在较大突涌水风险，需对该段进行全断面钻灌一体灌浆。

现场讨论后商定开挖至K55+987m后，对55+987m～K55+970m段实施钻灌一体灌浆施工，钻灌一体灌浆孔数为24个、孔深17m。

上述两处出水带经钻灌一体灌浆后，开挖过程中洞壁以渗滴水为主，灌浆效果极佳。

图4 56+026～55+996m洞段钻灌一体灌浆孔布置 (单位:m)

5 结 语

分水江穿江隧洞于2016年12月18日顺利实现贯通，比原计划提前28天(原计划2017年1月15日贯通)，施工期间未发生围岩稳定导致的安全事故，也未出现不可控突涌水的情况。

穿江隧洞施工过程中根据超前地质预报成果对钻灌一体灌浆参数进行动态设计，实际钻灌一体灌浆费用比按原设计钻灌一体灌浆方案费用节约178万元，抽排水费用节约90万元。

总结穿江段施工，高水平的技术人员、流畅的工作流程、全面的地质预报、合理的灌浆参数、先进的施工设备、谨慎的掘进策略均起到了积极的作用。

ⓐ施工现场有数名专业的地质工程师和水工结构工程师，另外施工操作人员也都经过专门培训，具有水底隧洞施工经验。

ⓑ针对穿江隧洞施工而成立的联合技术小组涵盖参建各方，可以根据现场遇到的各种突发情况及时决策，指导现场施工。

ⓒ现场分层次实施了超前地质预报工作：TSP超前地质预报、地质雷达、红外探水等物探手段宏观判断；超前地质钻孔取芯验证；超前加深炮孔近距离探查。可以准确掌握掌子面前方围岩情况，合理确定灌浆参数。

ⓓ灌浆参数是否合理直接影响到工程的安全、进度、成本等各方面，本工程钻灌一体灌浆参数经过详细讨论、外部专家评审，根据不同出水构造进行动态设计，选取有针对性的钻灌一体灌浆方案，实施效果良好。

ⓔ本工程钻灌一体灌浆实施采用钻灌一体机配合灌浆泵施工的方案，出水量较大时直接用该设备灌浆止水，出水量较小时换用常规灌浆设备堵水灌浆，加快施工进度。

ⓕ穿江段施工严格践行新奥法的“管超前、严灌浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”原则，施工监测成果表明各项数据均在安全范围内。