无盖重固结灌浆在高瓦斯水工隧洞施工中的应用

摘要：

针对夹岩水利枢纽及黔西北供水工程水打桥隧洞进口段围岩地质条件差、瓦斯浓度高、初期支护变形大且变形洞段长、安全风险高和工期严重滞后的情况，选取K0+700～K0+720和K0+740～K0+760作为试验段，采用不同的灌浆参数，在试验段无盖重固结灌浆完成后，通过对压水试验、钻孔取芯、灌前和灌后声波测试检查结果进行综合分析，确定了科学合理的灌浆技术参数。后續施工结果表明：通过提前开展无盖重固结灌浆，可显著提高围岩的整体强度和抗变形能力，降低煤层中的瓦斯溢出量，为变形段的拆除施工提供安全保障；将固结灌浆提前至衬砌施工前进行，可以减少后续灌浆施工与衬砌施工之间的相互干扰，加快施工进度。研究成果可为类似工程施工提供借鉴。

关键词：

无盖重固结灌浆； 水工隧洞； 瓦斯突出； 初期支护； 变形段拆除； 混凝土衬砌； 夹岩水利枢纽及黔西北供水工程

中图法分类号：TV543.5

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.012

文章编号：1006-0081（2023）04-0069-07

0 引 言

大型输配水工程常采用深埋长隧洞作为输水建筑物，在建设过程中可能遇到复杂的地质构造和工程难题［1］。根据过往工程经验，当隧洞开挖过程中围岩地质条件差时，会大大增加施工时间，甚至影响工程总工期。当隧洞开挖贯通时，前期围岩地质条件差的洞段，因开挖及初期支护完成后未能及时进行二衬施工，初期支护可能出现大的变形，甚至会侵占二衬结构断面，因而不得不对变形段进行拆除和重新支护，不仅安全风险高，还会进一步导致总工期延长和工程投资大幅增加。此类项目往往工期紧、任务重、安全风险高，因而既保证安全又节约工期的施工方案成了参建各方研究的重点。在水利工程施工中，为了减少地质条件差的项目混凝土浇筑施工与灌浆施工之间的相互干扰，加快施工进度，多采用无盖重固结灌浆的施工方案。部分专家学者针对大坝坝基无盖重固结灌浆施工技术［2-5］、厂房基础无盖重固结灌浆施工技术［6］、隧洞无盖重固结灌浆施工技术［7-9］开展了研究，实际应用中均取得了加快施工进度、保证工程质量的效果，而将隧洞围岩固结灌浆与初期支护变形段拆除处理施工相结合，尤其是在高瓦斯水工隧洞施工中的应用较少。本文以贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程北干渠上的水打桥隧洞进口段为例，研究了在工期严重滞后、需要拆除与重新支护的变形洞段长和煤层瓦斯浓度高的情况下，在隧洞衬砌混凝土施工前开展围岩固结灌浆施工技术的效果。

1 工程概述

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程为以城乡供水和农田灌溉为主要任务、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的综合性I等大（1） 型水利枢纽工程，是国务院纳入规划的172项重大水利工程之一，工程总投资186.49亿元，由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3个部分组成。水打桥隧洞为灌区骨干输水工程北干渠上的一条深埋长隧洞，总长20.36 km，为无压隧洞，隧洞断面为圆形，开挖半径3.2～3.7 m，初期支护及衬砌后半径2.7 m。隧洞穿越地层以峰丛洼地岩溶地貌为主，地表海拔 1 300～1 750 m，埋深4～435 m。水打桥隧洞进口K0-025～K1+410段埋深4～310 m，开挖揭露地层岩性为二迭系上统龙潭组（P3l）泥岩、砂岩夹煤层，自稳能力差，判定为Ⅴ类围岩，洞口采用大管棚提前25 m进洞、全断面爆破开挖，从进口至K1+410，揭露煤层10层，煤层厚薄不一，厚度0.2～1.2 m，以薄煤层为主，揭露的同一煤层在隧洞顶板与底板之间厚度变化较大，岩层层面扭曲，多见挤压破碎现象，岩层挤压更加强烈，岩体破碎，甚至难以辨认岩层层理。瓦斯气体含量高，隧洞底板可见瓦斯气体从水中逸出现象。K1+410～K1+625段穿越的6中煤层，煤层倾向与洞向近一致，平均厚度4 m，最大厚度达6 m，煤层瓦斯压力大、瓦斯浓度高，经第三方专业机构鉴定，同时结合设计单位的勘察成果判定K1+410～K1+625段为瓦斯突出洞段，按瓦斯突出洞段专项治理方案［10］进行瓦斯抽排、开挖和支护施工。进口段初期支护在外水压力、泥岩遇水软化后的附加膨胀压力和瓦斯压力的长时间作用下，K0+650～K1+410段喷射混凝土脱落、开裂，钢拱架扭曲变形，侵占了二衬结构断面，为保证隧洞净空及衬砌厚度，需对部分变形较大洞段进行换拱处理，其中有长约450 m的洞段因变形较大，需要将初期支护的钢拱架全部拆除后重新支护。由于瓦斯突出洞段专项治理占用的时间长，在工期严重滞后的情况下，水打桥隧洞进口已成为影响夹岩水利枢纽工程干渠通水的最关键节点。

按照以往水工隧洞初期支护变形段的处理经验，通常是先采用径向注浆小导管、锚杆等对变形段进行加固，再进行拆换拱作业。然而，这会使工期进一步滞后、投资进一步增加，干渠延期通水造成的社会负面影响也会越来越大。水打桥隧洞进口开挖贯通后剩余的主要工作内容有变形段拆换拱处理、二衬施工、二衬施工完成后的回填灌浆及围岩固结灌浆等，其中又以变形段的拆换拱处理安全风险最高且占用工期较长。隧洞围岩固结灌浆是最后一项施工内容，通常都采用有混凝土盖重的灌浆方式，即在隧洞衬砌混凝土达到70%设计强度后先进行回填灌浆，固结灌浆在回填灌浆结束7 d后再进行。因变形段处理前也需要进行小导管注浆加固，如能将二衬后的围岩固结灌浆与变形段拆换拱前的小导管注浆结合，即在二衬前提前对围岩进行固结灌浆处理而取消径向注浆小导管，则可节省工期和降低投资。

2 无盖重固结灌浆试验

2.1 试验目的与内容

（1） 试验目的。通过2个试验段试验结束后的压水试验、岩体弹性波速检查和钻孔取芯进行综合评定，论证采用无盖重固结灌浆方案的可行性、确定后续无盖重固结灌浆的施工方法及技术参数，为后续施工提供参考和依据。2个试验段的试验目的具体如下。① 验证和确定灌浆孔间排距：通过对不同间排距灌浆孔的加固效果进行综合分析，确定合适的灌浆孔间排距。② 确定裂隙冲洗方法、灌浆压力、浆液水灰比、灌浆次序及结束条件等灌浆技术参数。③ 分析无盖重固结灌浆方案对工程安全、工程进度和工程投资的影响，论证方案的可行性。

（2） 试验内容。① 通过监测不同灌浆压力下围岩的变形及抬动情况，确定合适的灌浆压力和压力控制措施；② 通过不同灌浆技术参数下灌浆后压水试验、岩体弹性波速检查和钻孔取芯结果，分析灌浆后围岩的透水性、整体强度和抗变形能力等改善程度，同时通过监测灌浆后煤层中瓦斯溢出量的变化情况，综合分析确定科学合理的灌浆技术参数。

2.2 试验段选择及孔位布置

（1） 试验段选取及地质围岩情况。为论证无盖重固结灌浆的可行性及确定灌浆技术参数，选取2个洞段作为试验段，分别为K0+700～K0+720和K0+740～K0+760段，试验段均为煤系地层，开挖揭露围岩为泥质粉砂岩夹粉质泥岩，裂隙发育、风化严重且夹煤层，呈碎裂-镶嵌状结构，围岩整体稳定性差，渗水较大，属软弱围岩，初期支护变形均较大，需要拆除拱架后重新进行支护。

（2） 孔位布置。钻孔布置遵循环间分序、环内加密的原则，即环间分两序（Ⅰ序排、Ⅱ序排）、环内分两序（Ⅰ序孔、Ⅱ序孔），呈梅花形布置，每排6孔，灌浆孔按60°角度间隔垂直均布在隧洞初期支护断面上，孔入岩深度不小于5 m，孔径不小于38 mm。孔位布置如图1所示。

2.3 试验方案

试验洞段固结灌浆采取全孔一次性灌浆法，其中K0+740～K0+760试验段固结灌浆孔排距为3 m，K0+700～K0+720試验段固结灌浆孔排距为2 m，孔深均为入岩深度不小于5 m；每段均设置抬动监测孔1个、声波检测孔6个、灌后压水试验检查孔4个。

2.3.1 灌浆技术参数

（1） 结合水打桥隧洞进口段固结灌浆设计要求及相关工程经验，Ⅰ序孔采用0.3～0.5 MPa、Ⅱ序孔拟采用0.5～0.8 MPa的注浆压力，根据现场施工情况动态调整灌浆压力，以初期支护不抬动为原则；在不产生抬动的条件下尽快达到设计灌浆压力，对注入率较大的孔需分级升压至设计压力，以防抬动发生。

（2） 浆液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1和0.5∶1等4个比级，开灌水灰比为3∶1并遵照浆液由稀到浓逐级变换的原则，灌浆过程中可根据现场实际注入率情况采取越级变浆的措施，水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

（3） 在灌浆最大设计压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注30 min可结束灌浆。

（4） 灌浆过程中按要求做好初期支护和围岩的抬动（变形）监测工作。

2.3.2 灌浆方式及施工顺序

灌浆方式为循环式灌浆，按先底部、再侧壁、最后顶部的顺序进行施工。灌浆次序为：Ⅰ序排Ⅰ序孔→Ⅰ序排Ⅱ序孔→Ⅱ序排Ⅰ序孔→Ⅱ序排Ⅱ序孔。

2.4 试验成果

2.4.1 各序孔透水率变化情况

为了解围岩透水率随孔序的变化情况，各试验段灌前选取不少于总孔数20%的孔进行简易压水试验，压水压力为灌浆压力的80％。试验段灌前压水结果详见表1～2。

两段试验段的透水率成果显示：各序孔平均透水率表现为Ⅰ序孔大于Ⅱ序孔，并随着灌浆次序的递增而呈现依次递减的变化规律；当排距越小时，围岩透水率递减效果越明显，尤其在Ⅱ序排灌浆后，围岩透水率递减效果显著，符合正常的灌浆规律，表明灌浆效果良好。

2.4.2 各序孔单位注入率统计

本次固结灌浆2个试验段严格按照设计及规范要求进行施工。2个试验段共计108个孔，灌浆长度540 m，注入水泥83.94 t。其中0+740～0+760试验段共42个孔，灌浆长度210 m，注入水泥34.19 t；0+700～0+720试验段共66个孔，灌浆长度330 m，注入水泥49.75 t；试验段各序孔单位注灰量区间段和频率详见表3～4。从成果数据可以看出：水泥单位注入量均表现为随孔序的递增而呈现依次递减的变化规律，尤其当注浆孔的排距越小时，水泥单位注入量递减效果越明显，符合正常的灌浆变化规律，说明采用无盖重固结灌浆的施工方案是可行的。

2.4.3 注浆量与围岩透水率关系

对比表1～4中的数据可以发现：灌前透水率小的孔，单位注灰量也小，反之亦然，即试验段灌浆孔灌前透水率与水泥单位注入量之间总体上表现为正相关关系，符合正常灌浆规律，说明在压力灌浆下试验段的围岩裂隙得到了有效充填。

3 试验段灌浆效果检验

3.1 检查孔压水试验

（1） 0+740～0+760段。本试验段共布设4个检查孔，均布置在两孔之间，固结灌浆试验检查孔压水试验采用“单点法”进行，压水试验成果详见表5。从检查孔压水试验成果可以看出：最大透水率为11.23 Lu，最小透水率为4.82 Lu，平均透水率为7.65 Lu，其中只有1个孔压水透水率满足设计要求的不大于5 Lu标准，其余3个孔透水率均不满足设计要求，虽然通过固结灌浆，围岩的渗透性与灌前相比得到了改善，但灌浆效果只能达到局部岩体的加固，无法满足围岩整体加固的目的，较难保障拆换拱架时的施工安全和工程完工后的运行安全。

（2） 0+700～0+720段。固结灌浆压水试验检查方法与0+740～0+760段相同，压水试验成果详见表6。从检查孔压水试验成果可以看出：各检查孔压水试验透水率均符合设计要求，最大透水率为3.38 Lu，最小透水率为2.85 Lu，平均透水率为3.145 Lu，各孔透水率均小于设计标准5 Lu，说明通过固结灌浆，围岩的渗透性得到了改善，达到了加固围岩的目的。

3.2 声波检测

（1） 0+700～0+720段。共布置6个孔进行单孔声波测试，灌浆前后声波波速对比分析详见表7。通过对灌前、灌后声波资料的对比分析，单孔最大提高率为16.40%、最小为9.07%，灌后波速较灌前平均增长率12.73%，灌后波速平均提高371 m/s。岩体波速与灌前相比整体有较大增长，说明通过灌浆，围岩整体性的改善效果较为明显。

（2） 0+740～0+760段。共布置6个孔进行单孔声波测试，灌浆前后声波波速对比分析详见表8。通过对灌前、灌后声波资料的对比分析，单孔最大提高率为10.70%、最小为5.33%，灌后波速较灌前平均增长率8.31%，灌后波速平均提高243 m/s。岩体波速比灌前整体有一定增长，说明通过灌浆，围岩整体性有一定改善，但效果比0+700～0+720试验段稍弱。

3.3 取芯检查

为了进一步验证2个试验段的灌浆效果，以便更好地确定灌浆参数和施工工艺，分别在2个试验段进行了灌浆后取芯检查：0+700～0+720段灌浆效果优于0+740～0+760段，裂隙充填效果更好，芯样的可取率和完整率更高（图2～3）。根据钻孔取芯情况分析：在煤系地层或泥质粉砂岩夹粉质泥岩中，浆液的扩散效果不好，同时考虑到不能让初期支护变形，所采用的灌浆压力不高，因而浆液的扩散半径较小，因此在灌浆压力不高的情况下，采用较小的孔排距才能达到比较理想的灌浆效果。

3.4 试验小结

通过对2个试验段的压水试验、单位注浆量、灌前和灌后声波测试及钻孔取芯结果综合分析，得到小结如下。

（1） 0+740～0+760试验段围岩的整体性有一定改善，但固结灌浆只能达到局部岩体加固的效果，不满足围岩整体加固的目的，难以保障后期拆换拱架的施工安全和后续隧洞的运行安全，在后续施工中还需要对本段进行补灌，因而其参数不能作为剩余洞段无盖重固结灌浆施工的技术参数。

（2） 0+700～0+720试验段采用的灌浆参数合理，灌浆效果满足设计与规范要求，达到围岩加固的目的，可保障后续隧洞施工安全和运行安全，可以将其参数作为剩余洞段无盖重固结灌浆施工的技术参数。

（3） 因本次采用无盖重固结灌浆方案的洞段需要封闭岩层裂隙，提高围岩的完整性，减少岩体的变形与不均匀沉陷，降低岩层中瓦斯溢出量，还需要避免在进行变形段拆除时发生大的掉块、垮塌等危险，确保变形段拆换拱架时的施工安全可控，因而灌浆后围岩的整体强度和刚度很重要，即要求固结灌浆对岩层裂隙有良好的充填效果，灌浆后的结石率和结石体的强度需要足够高。在煤系地层或泥质粉砂岩夹粉质泥岩中，浆液的扩散效果不好，加之灌浆压力不高，采用小的孔排距和浓浆时，围岩的结石率更高。因此，在后续灌浆施工中采取如下灌浆参数。① 排距：灌浆孔排距2 m，每排环向布置6孔，如图1所示。② 灌浆压力：Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分别采用0.5 MPa和0.8 MPa的注浆压力。③ 水灰比：灌浆浆液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1和0.5∶1等4个比级，开灌水灰比为3∶1，按由稀到浓逐级变换的原则进行变换。④ 灌浆结束标准：在该孔最大设计灌浆压力下，注入率不大于1 L/min后，继续灌注30 min可结束灌浆，并采取“全孔灌浆封孔法”封孔。

4 无盖重固结灌浆实施情况及成果

（1） 考虑到1+410～1+625洞段为煤与瓦斯突出专项治理洞段（以下简称“瓦突段”），在瓦突段专项治理过程中已经加强了初期支护，提高了初期支护结构的刚度，同时对围岩进行了一定范围的灌浆加固，不存在初期支护变形的情况；1+625～1+800段为非煤系地层常规洞段，也不存在初期支护变形的情况，且以上两段的后续灌浆施工不会影响总工期。因此，根据现场围岩地质情况、初期支护变形情况和工期情况，确定无盖重固结灌浆的实施范围为0-025～1+410洞段，共计1 435 m，共完成4 310个孔、21 550 m无盖重固结灌浆施工（含0+740～0+760试验段补灌增加的23个孔），平均单耗90.85 kg/m，灌后平均透水率为2.76 Lu，均满足设计要求。

（2） 在施工过程中，通过多次钻孔取芯检查浆液的扩散、结石、胶凝和充填情况，发现稀浆结石率低，而一般注浆压力越高，浆液扩散半径越大，浆液充填越饱满、浆液越浓，结石体的强度越高。因此，在后续施工过程中进一步优化了灌浆工艺，即开灌后尽快达到设计灌浆压力并尽可能采用1∶1和0.5∶1的浓浆。工艺优化后的取芯照片见图4～5。

（3） 在变形段拆换拱架施工时，因无盖重固结灌浆施工后围岩整体强度较高，需要采用破碎锤凿除侵占衬砌断面的围岩，同时监测发现洞内瓦斯溢出量明显减少，瓦斯浓度明显降低，为变形段拆换拱架施工和衬砌施工提供了安全保障，同时大幅节约了工期。

（4） 进行无盖重固结灌浆施工时，为瓦斯突出洞段的专项治理施工配备了2台2×110 kW轴流风机（共440 kW）、匹配2根风管进行压入式通风，同时为了防止局部瓦斯聚集，在每个避车洞的位置均安置了YBT-5.5KW矿用隔爆型轴流式局部通风机进行通风，充分保证洞内通风风量，快速稀释固结灌浆钻孔施工时释放出的瓦斯，使得洞内的瓦斯浓度始终保持在0.5%的安全值以下（通过加强洞内通风，洞内瓦斯浓度基本在0.2%以下）；同时，洞内具有瓦斯浓度超标智能报警系统［10］（超过0.5%自动报警，超过0.75%自动断电），并配有专职瓦检员，随时对洞内瓦斯浓度进行检测，大大降低了瓦斯对固结灌浆施工的影响，同时也确保了固结灌浆施工期间的安全。

5 结 论

（1） 水打桥隧洞进口段主要以砂岩夹泥岩及煤层为主，为防止水压对岩体产生破坏，固结灌浆孔钻进结束后采用高压风替代大流量水来冲净孔内岩粉、杂质，同时灌浆孔在灌浆前不采用压力水头进行裂隙冲洗，直接进行灌浆，也可以达到灌浆效果。

（2） 在灌浆孔钻孔时，释放部分之前在初期支护后被封闭的瓦斯气体，可降低瓦斯压力，随后通过对围岩裂隙进行固結灌浆封闭处理，增强了对煤层中的瓦斯气体的封闭效果，减少了瓦斯溢出量，降低了后续施工的安全风险。

（3） 在衬砌施工前开展围岩无盖重固结灌浆，取消了变形段拆除施工前的径向注浆小导管，固结灌浆的灌浆压力较径向注浆小导管的注浆压力大，其浆液的扩散范围也更大，可以在洞室围岩周边形成一定深度的灌浆加固圈，改善了围岩的力学性能，提高了围岩的整体强度、稳定性和抗变形能力，以防初期支护变形范围进一步扩大，既可减少变形段需要进行拆除后重新支护的范围，也利于保证工程施工安全和降低投资。此外，由于瓦斯洞段的无盖重固结灌浆施工在隧洞还未开挖贯通前就已经施工完成，不占直线工期，避免了衬砌施工与灌浆施工之间的相互干扰，有利于加快衬砌施工进度，可达到节约工期的目的。

参考文献：

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（编辑：江 焘，高小雲）

Application of consolidation grouting technology without cover weight in construction of high gas hydraulic tunnel

REN Mingwu

（Guizhou Water Conservancy Investment （Group） Co.，Ltd.，Guiyang 520001，China）Abstract：

In view of the poor geological conditions of surrounding rock at the entrance section of Shuidaqiao Tunnel in Jiayan Water Conservancy Project，such as high gas concentration，large deformation of initial support，long deformation tunnel section，high safety risk and serious delay in construction period，different grouting parameters were used in the K0+700～K0+720 and K0+740～K0+760 test sections.After the completion of the consolidation grouting without cover weight in the test section，scientific and reasonable grouting technical parameters were determined through comprehensive analysis of the inspection results of water pressure test，borehole coring，pre grouting and post grouting acoustic testing.The results of subsequent construction showed that the overall strength and deformation resistance of the surrounding rock were greatly improved by carrying out the consolidation grouting without cover weight in advance，which also reduced the gas overflow in the coal seam and provided a safety guarantee for the demolition construction of the deformation section.With consolidation grouting carring out ahead of the lining construction，the mutual interference between the subsequent grouting construction and the lining construction could be reduced，and the construction progress would be speeded up.The research results can provide useful reference for similar projects.

Key words：

consolidation grouting without cover weight； hydraulic tunnel； gas outburst； initial stage support； dismantle of deformation section； concrete lining； Jiayan Water Conservancy Project

收稿日期：

2022-12-27

作者简介：

任明武，男，高级工程师，主要从事大型水利工程项目建设管理和技术研究工作。E-mail：649677593@qq.com