小断面隧洞灌浆堵水施工措施

刘彩花 昝伯阳 陈 超

（山西中部引黄工程建设管理有限公司 山西太原 030000）

1 工程概况

山西省中部引黄工程某标段输水隧洞断面型式为马蹄形，洞高3.4 m，洞宽3.4 m。隧洞使用铣挖机进行开挖，围岩为低液限黏土层，施工过程中隧洞底板出现涌水，涌水量约50 m3/h，同时有细粉砂伴随涌水涌出，初步判断隧洞底部有粉砂层。涌水及粉砂造成开挖段底部形成泥水混合物，铣挖行驶和作业困难，严重影响开挖作业效率，此外长期的涌水有可能会影响隧洞后期的稳定性，增加施工安全风险。

2 灌浆试验及灌浆方案的确定

2.1 灌浆试验

水玻璃为改性水玻璃，即酸性水玻璃。改性水玻璃浆液是采用料源广、价格低、无污染的普通水玻璃和硫酸为主要原料，掺入少量外加剂配制成的粘度低、可靠性好、凝胶时间可控、稳定性好的浆液。水玻璃模数在2.4～3.2 之间，其浓度为40 波美度。

先配置水泥-水玻璃浆液，采用水玻璃作为添加剂调节注浆液的初凝时间，水泥浆的水灰比1：1，水玻璃稀释比例为1：1，注浆前做配比凝固时间试验。根据压浆试验，发现进浆量很小，泵的压力升高较快，浆液凝胶时间可选用5～6 min，经现场试验调整，确定浆液配比为：水泥浆的水灰比1：0.6，水玻璃掺量为水泥用量的12%～18%。

试验时，注浆压力控制在0.3～3.0 MPa 以内，从上部往下分孔注浆，先灌注水泥-水玻璃浆液。水泥浆必须经过搅拌机搅拌均匀后，才能开始压注，并在注浆过程中不停顿地缓慢搅拌；注浆压力一般为0.3～3.0 MPa，浆液在泵送前经过筛网过滤，在喷口处与水玻璃混合，注浆施工采用跳孔间隔注浆，保证注浆质量。

2.2 灌浆方案

鉴于隧洞渗水中含有粉细砂，需通过灌浆在隧洞掌子面和底板范围内形成一道止水帷幕。灌浆浆液渗透扩散至围岩孔隙中并快速凝固，与周围岩体结成具有一定强度的结石体，形成一个堵水帷幕，切断地下水流通路，同时利用灌浆时的高压对土体进行填充和挤压，使得土体更加密实，从而达到固结围岩和止水、保持围岩稳定、保障施工安全的目的[1]。

其次，隧洞断面小，钻孔操作不方便，钻孔施工应分序进行，先掌子面后地板。掌子面钻孔时，先钻中心线任一孔，钻孔后要根据出水情况，确定继续钻孔的位置，中心线孔若出水，说明内部透水层在掌子面中心线以上，则往掌子面上部钻孔，若不出水，则往掌子面下部钻孔，灌浆试验发现掌子面中心、底部均有不同程度出水情况，决定采用全断面灌浆。此外，底板与隧洞两侧的孔位角度可根据现场操作条件进行微调。

堵水方案是：对隧洞掌子面及距掌子面25 m 范围内底板进行超前、加固复合灌浆[2]，钻孔深度20～25 m，灌注材料为水泥-水玻璃灌浆料或丙烯酸盐灌浆料。灌浆堵水时先使用水泥-水玻璃灌浆料，若遇到粉砂层，水泥-水玻璃进浆料少或不能有效止水，则灌注丙烯酸盐灌浆料。丙烯酸盐灌浆料具有黏度低、流动性好、吸水膨胀等特点，浆液可以注入粉细砂层中扩散凝胶，把松散的砂粒固结成一个强度适中的块体，在隧洞周围形成一个防坍塌、防涌水的固结圈，从而达到加固和防水的目的。

3 施工工艺

3.1 掌子面和底板灌浆孔布置

3.1.1 掌子面布孔

沿隧洞掌子面中心设置三排注浆孔，孔径为50mm，注浆孔间距为1.2 m，排距为1.2 m，成孔深度20～25 m，梅花形布孔，孔号分别为1#～9#；在隧洞掌子面与底板交汇处分三列分别以与底板夹角30°和60°布孔，孔号分别为10#～15#；在隧洞掌子面边墙两侧与底板相交处布孔，孔号分别为16#、17#。隧洞掌子面布孔示意图详见图1。

3.1.2 底板布孔

掌子面灌浆施工前，为确保施工操作时底板稳定，可根据底板出水情况，提前对底板进行灌浆处理，处理范围为距掌子面25 m 范围内底板，间距1.2 m，深度20 m，中间注浆孔垂直于底板，两侧的注浆孔与中间孔夹角20°。隧洞底板布孔平面示意图详见图2。

图2 隧洞底板布孔平面示意图

3.2 灌浆施工

3.2.1 钻孔

根据设计图纸孔位、钻孔参数，在工作面上放出钻孔位置[3]。调整钻杆的仰角和水平角，移动钻机，将钻头对准所标孔位，检查并调整好钻杆的姿态，按照孔位和设计间距进行钻孔，掌子面沿隧洞轴线钻孔剖面示意图详见图3。钻孔过程中记录每个孔的出水和地质情况，并插入管径40 mm 钢管作为注浆管。

图3 掌子面沿隧洞轴线钻孔剖面示意图

3.2.2 配置浆液

水泥-水玻璃灌浆材料，采用水玻璃作为添加剂调节注浆液的初凝时间，水玻璃掺量为水泥用量的12%～18%，浆液粘度应为80 s～90 s，水泥浆的水灰比1：0.6，注浆的流量为8 L/min。

丙烯酸盐灌浆材料为双组份材料，使用时一般按A 组份：B 组份=1：1（质量比）比例混合。A 组份含主剂、促进剂、交联剂等组分；B 组份包括引发剂、膨胀剂、溶剂等组分；两种组分按比例混合后形成浆液。

3.2.3 注浆

自上而下分孔注浆，先灌注水泥-水玻璃浆液。其中，水泥浆必须经搅拌机搅拌均匀后，才能开始压注，并在注浆过程中不停顿地缓慢搅拌；注浆压力一般为0.3～2.0 MPa，浆液在泵送前经过筛网过滤，在喷口处与水玻璃混合，注浆施工采用跳孔间隔注浆，保证注浆质量，注浆段在规定的最大压力下，注入率不大于0.4 L/min 后继续灌注10 min 即可结束灌浆，或注入率不大于1 L/min 后继续灌注15 min 即可结束灌浆。

当水泥-水玻璃进浆料小或不能有效止水时，采用丙烯酸盐材料灌浆，灌浆压力0.3～2.0 MPa，当相邻灌浆管冒浆或压力恒定5 min 视为灌浆结束。

压浆完成后，待浆液凝固后及时清除孔内浮浆和污水，采用水泥砂浆将注浆孔填塞密实。

4 结语

为确保两种灌浆材料的合理使用，在实际操作过程中，要特别注意钻孔时对孔内围岩的观察和判断，灌浆过程中，根据进浆量和止水效果，适时更换灌浆材料[4]。通过现场科学的施工安排和严格的质量控制，本工程灌浆施工洞段，能够较为有效的形成隔离透水层帷幕，渗水量显著下降，掌子面施工条件有了明显改善。小断面隧洞灌浆施工由于操作空间有限，钻孔施工具有一定难度，本文通过对现场经验的介绍，旨在提供一种小断面隧洞布孔方式的参考，为其他工程提供借鉴。