浅谈长距离隧洞高压富水段超前预注浆现场试验

李文俊，李玉光

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

某生态保护一期工程，其调水隧洞总长约42km，横跨多个地层，存在高地应力、高富水、大断层等不良地质因素，给工程施工带来了很多不便，尤其是本文探讨的输水隧洞主体工程土建Ⅱ标段，此标段采用钻爆法施工，斜井支洞为施工支洞，支洞长533.07m，纵坡38.64%，为马蹄形断面。自隧洞斜井支洞口进入，首先进行支洞施工，后进入输水隧洞向上、下游掘进。由于本隧洞工程存在多种地层岩性，增加了施工的难度，高承压水水头下的高富水洞段施工尤为困难，如何解决这一难题，同时加快工程施工，本文在总结国内外含水洞段的灌浆施工基础上，提出以超前预注浆为主要手段，来探讨此方法在高富水洞段的阻水效果，从而达到分享成果，交流经验的目的，希望本文能给受到此类问题困扰的水利工程建设者带来这些启发和经验教训，从而推动该类工程施工。

2 高压富水洞段分析

2.1 地质分析

该高压富水洞段隧洞围岩为志留系(S2j)硅质粉砂岩、粉砂岩，段内发育有F断层及F69的两个分支断裂。断层带附近发育有糜棱岩、碎裂岩，风化卸荷带内的裂隙也有泥质及岩屑充填。洞线附近地下水属基岩承压水，承压水水头高(高出洞线384～426m)、流量大的特点。具体高承压水与洞身的相互位置关系如高承压水与洞身的相互位置关系如图1所示。桩号6+500～6+700、7+100～7+300附近洞段岩体破碎，承压水头高，掌子面涌水、突泥、涌砂危险性大，顶底板突涌危险性大，最大涌水量达到162971m3/d，单点突涌水量为30058m3/d。

2.2 钻孔分析

当隧洞下游掘进至桩号6+120处实施了超前地质预报。掌子面6+120处上台阶进行了三孔的超前地质钻探，钻孔位置详见掌子面6+120处超前钻探孔位布置如图2所示及掌子面桩号6+120钻孔情况见表1。

根据钻孔情况初步判断，6+130～6+147之间围岩较破碎，可能存在一处小的断层破碎带。右侧2#钻孔在6+130处出现动水压力约1.9MPa，水量约29m3/h高外水；3#钻孔在6+163处出现水量约60～70m3/h，估测水压约3.0MPa的高外水。3#钻孔在钻进出水后，2#钻孔水量、水压没有明显降低，若考虑2#钻孔外水与3#钻孔外水为同一高压富水带，宏观判断该高压富水带与主洞洞轴线成约17°的夹角。根据该角度判断主洞6+084～6+111段开挖轮廓线距离高压富水带距离约7～15m。详见掌子面6+120处超前钻探宏观判断分析如图3所示。

图1 高承压水与洞身的相互位置关系

表1 掌子面桩号6+120钻孔情况汇总表

图2 掌子面6+120处超前钻探孔位布置示意图

通过钻孔及物探揭示，掌子面6+120前方存在断层区和富水区，确定在6+120掌子面开展工艺灌浆试验。

3 实验方案选定及要求

本试验方案拟采用前进式钻孔注浆，钻孔长度根据钻机过程中围岩条件、水量及水压进行调整，原则上不大于10m。出现以下情况应及时调整：凡遇断层破碎带，应继续钻进并深入破碎带1m后停钻即为分段长度，钻遇突然涌水量大于100m3/h，水压大于3MPa时应停止钻进即为一个分段长度。

开孔孔位必须严格按照施工图纸定的参数进行测量放线定位，钻机水平放置并固定牢固，钻进过程中不得产生跳动和位移，各区(段)钻孔开孔允许误差见表2，实际开孔孔位应有记录。

表2 钻孔开孔允许误差

为达到试验预期目标，钻进中每隔5～6m左右测量一次孔斜，记录偏斜情况，分析原因并及时加以纠正，钻孔最大偏斜率规定见表3。

表3 钻孔最大偏斜率规定

图3 掌子面6+120处超前钻探宏观判断分析图

4 工艺性灌浆试验

4.1 试验材料选择及配比

采用52.5普通硅酸盐水泥，水泥细度为通过80μm方孔筛的筛余量不大于5%，可择机采用早强水泥；水玻璃溶液的模数(m)为2.4～2.8，其浓度一律采用35波美度(比重1.318)。

水泥浆液采用水灰比为3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1和0.5∶1；浆液配比计量误差应小于5%；水泥单浆液掺5%水玻璃浆液：水泥单浆液掺5%水玻璃浆液按照水灰比1∶1、0.5∶1(重量比)的水泥浆液掺5%水玻璃做配比注浆；早强外掺剂浆液在封孔闭浆情况下，拟采用浓浆外掺重量比1%～5%速凝剂的方式加快封孔浆液的早强，达到1天内扫孔进行下一循环钻灌。

4.2 试验方法及设备

采用型钢门架搭设钻孔平台。钻机底部加工制作工字钢托架，钻机托架采用连接板与钻孔平台横梁进行螺栓连接，做到方便快捷的挪机，进而提高钻孔功效。钻机移动采用电动葫芦进行快速移动，在1#/6#钻孔顶部挂设定滑轮，在地面布设电动葫芦，通过电动葫芦与定滑轮的组合进行钻机快速上下移动。在2#/5#钻孔布设定滑轮，通过手动葫芦+定滑轮进行钻机横向牵引移动。

所用自动化制浆系统制浆能力8000L/h；主要2台型号为3SNS的灌浆泵，额定功率18.5kW；3台型号为HS-B8的砂浆泵额定功率18.5kW，其中备用一台等其他辅助设备。

4.3 孔位布置及参数要求

超前预注浆孔数暂定为半径3m的圆周上布设6个孔，钻孔为水平孔，根据注浆效果进行孔数的增减优化；如超前预注浆试验孔位布置如图4所示。

图4 超前预注浆试验孔位布置示意图

采用两台50A钻机同时钻孔，根据孔位布置，采用对称钻孔的方式进行钻孔灌浆施工，优先钻孔1#、4#→3#、6#→2#、5#。

根据规范参考值确定，在最大灌浆压力6MPa的情况下，初步确定孔口管埋设深度L=5m，并在孔口设置封孔装置；孔口管采用Φ125无缝钢管制作花管，花管孔径8～10mm，对称布设，孔间距20cm，端头1m不设灌浆孔作为止浆段；孔口管端头采用法兰盘+高压钢丝垫+Φ125高压球阀(耐高压10～15MPa)装置防高压水突涌。高压球阀后部安装Φ80的耐高压10MPa的高压球阀作为泄压水孔，安装Φ25的耐高压10MPa高压球阀作为注浆孔。

4.4 灌浆结束与封孔标准

灌注水泥及水泥-水玻璃双液浆时，当灌浆段在设计灌浆压力下，注入率不大于1L/min后，继续灌注30min，可结束灌浆。

灌注水泥-水玻璃双液浆时，先开水泥浆泵再开水玻璃溶液泵，灌浆结束或中途因故停止灌浆时，先关水玻璃溶液浆，后关水泥浆泵。

当超前预注浆全孔灌浆达到结束标准，并经验收合格后，应及时做好封孔工作，封孔采用机械压浆法。

5 成果分析及特殊处理

5.1 成果分析

灌浆成果统计详见6+120掌子面超前预注浆工艺性试验灌浆成果统计表见表4，注浆有效性见灌浆前后水量分析对比如图5—11所示。

表4 6+120掌子面超前预注浆工艺性试验灌浆成果统计表

图5 1#孔灌浆前后水量分析对比

图6 2#孔灌浆前后水量分析对比

图7 3#孔灌浆前后水量分析对比

图8 4#孔灌浆前后水量分析对比

图9 5#孔灌浆前后水量分析对比

图10 6#孔灌浆前后水量分析对比

综合灌浆情况1#孔(1点钟方向)单位注灰量为0.9t/m，为6孔中最大，其中26～30m单位注入量2.2t/m、40～65m单位注入量1.6t/m；3#孔(5点钟方向)单位注灰量为0.15t/m，6孔中最小。

从柱状水量对比图可以看出，灌后水量明显减少或基本无水，注浆达到一定效果。

5.2 特殊情况处理

超前预注浆辅助孔灌浆时，当灌浆压力长时间不能达到设计压力时，应降低压力至0，以降低浆液扩散速度，增大浆液扩散通道，当浆液初凝后，逐渐缓慢加压至设计灌浆压力，已达到灌浆结束标准；在加压过程中，特别应注浆加压速度，以避免破坏暂时封闭的裂隙。

超前预注浆辅助孔灌浆时，当灌浆压力在短时间内，快速达到设计压力，单位吸浆量较小时，应延长浆液反应时间，增大浆液扩散半径，以达到设计扩散半径。

超前预注浆，对吸浆量长时间不减小，压力升高及其缓慢的灌浆孔段，应采用“定量供浆、间歇灌注”的方式处理，单液浆间歇时间不宜少于12h，双液浆间歇时间不宜少于4h。

超前预注浆发生邻孔串浆时，有条件者可两孔同时灌注，否则应用灌浆塞封堵串浆孔，当结束灌浆后，对串浆孔再进行扫孔、灌浆。为此要求各灌浆孔在钻进时尽可能前后错开一定距离。

超前预注浆发生故障中断灌浆时，应尽可能缩短中断时间，及早恢复灌浆，中断时间超过30min(单液浆)，应立即洗孔，否则应在灌浆前进行扫孔。

6 结语

(1)通过在桩号6+120处进行的高压富水隧洞段超前预注浆试验发现预注浆止水效果良好。

(2)试验有效的检验了自制钻孔平台+潜孔钻机、检验注浆设备、孔口封闭器等设备选型的工作效率、安全性及合理性。

(3)试验为后续超前预注浆施工生产提供可靠的技术依据，为类似工程提供借鉴。

(4)试验为超前预注浆施工功效、工程造价分析、灌浆工程优化及隧洞标段整体工程进度计划提供依据。