已揭露高壓地下水隧道注漿參數與工藝

張慧峰，吳建文，張 恒

1. 四川工程職業技術學院 建筑工程系，四川 德陽 618000

2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031

已揭露高壓地下水隧道注漿參數與工藝

Grouting Parameters and Technology for Tunnel Exposed to High Pressure Groundwater

張慧峰1，吳建文1，張 恒2

1. 四川工程職業技術學院 建筑工程系，四川 德陽 618000

2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031

0 引 言

地下水處理是在富水地層修建隧道工程中一項決定工程進度、施工安全甚至是工程整個生命周期的關鍵工作，隧道施工所揭露的地下水對結構本身的承載力、圍巖的穩定性都將產生不利影響。在施工過程中，地下水處理不當會使整個工程處于癱瘓狀態，國內外已有的隧道突涌水工程案例已表明：由于隧道開挖的揭露，使得圍巖周圍的富水區域突然向隧道內涌出，這種突涌水過程往往發生突然，具體位置難以準確判斷，加之其動力特性和發展規模預測較難，在狹小封閉的隧道空間內很難實施快速而有效的處治，從而威脅施工作業的安全[1-4]。例如，大瑤山隧道、云南西苑引水排污隧道和日本青函海底隧道等工程問題由于施工中的突涌水都造成了隧道本身不同程度的損害[5-8]。地下水在揭露之前采取超前帷幕灌漿能夠有效地應對涌水，主要原因是地下水處于靜止或相對靜止狀態時，帷幕灌漿的漿液能夠有效結石并與圍巖共同形成防滲漏性較好的止水帷幕；然而超前帷幕灌漿施工周期長，對于工期緊迫的情況只能在預報地下水有可能危及施工安全時才采用，當確認地下水對施工安全不構成威脅的時候，對其揭露后再行封堵才是比較有效的途徑之一[9-12]。因此，合理有效地處理地下水對確保工程安全、快速施工具有重要的現實意義。

1 工程概況

錦屏山隧道位于錦屏二級水電站引水隧洞軸線南側，為上、下行分離式雙洞隧道（A、B線，間距35 m），隧道長為17.5 km，其平均埋深1 500 m的洞段占隧道全長的73%，最大埋深2 375 m。錦屏山受NNE向主構造線與橫向(NWW、NEE)扭-張扭性斷裂交叉網絡的影響，構成了河間地塊集水、導水網絡，其中T2z主要以集中突(涌)水為主，進入T2b主要以穩定的富水帶為主。對錦屏山隧道西端8 000 m進行統計分析，A、B線按每30 m連續洞段出水量級劃分，統計結果見表1，圖1為錦屏山隧道西端沿線巖性分布[13-14]。

2 地下水揭露后的封堵原理

灌漿材料在外力作用下滲入到巖土的裂隙或孔隙中，一般在不損壞巖盤的前提下，灌漿壓力越大，注入的漿液越多，擴散的距離越遠，加固的效果也就越好。然而上述情形只有在地下水處于靜止或者流動緩慢的情況下才能達到理想的效果。根據以往的工程經驗，地下水揭露后再封堵的施工難度會大大增加，因為地下水被揭露后呈流動狀態，不利于漿液的凝結，再加上錦屏山隧道地下水有高壓、大流量的特征，更加大了封堵難度。因此，錦屏山隧道在揭露后對地下水的處理分2個過程，即針對地下水臨時封堵的表層灌漿封堵和系統的高壓固結灌漿封堵。作為臨時封堵地下水的先行注漿，所面臨的主要技術難題是克服高壓水的壓力；為了對前期注漿起到加固作用，后期采用高壓固結注漿，其目的是與圍巖形成一個止水固結圈，共同抵抗高水壓，為隧道運營期間的安全提供保障，屬于長期封堵[17-18]。

表1 每30 m連續洞段出水量統計

高壓固結灌漿封堵類似于超前帷幕灌漿，是在靜水或準靜水條件下對地下水進行處理，而臨時封堵是直接面對流動的高壓水，其難度要遠遠大于高壓固結灌漿。前期封堵處理的關鍵問題是克服高水壓。灌漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關，如巖土的孔隙率以及孔隙大小、材料的可注性、注漿的施工方法、圍巖的非均質性、地下水的流動、注漿材料的時間特性等。針對主出水管道的前期封堵，錦屏山隧道采用了大量惰性材料，其原理是在保證巖盤不被擊穿的前提下，采用高壓灌漿技術克服分流后的主出水管道水壓，充分利用地下水的流動帶動漿液流動，而漿液中的惰性材料能夠在流水帶動下堵塞巖體的微小裂隙，再與漿液、圍巖一起凝固，最終形成止水體。所謂分流技術，即在主出水管道旁邊打設分流孔，并設置高壓止水閥，利用分流孔的分流減小主出水孔的水壓，在成功封堵主出水孔之后再關閉高壓止水閥，達到對高壓水成功封堵的目的。若采取無壓或低壓小流量灌漿工藝則不能達到上述要求。

3 局部封堵灌漿參數設計

3.1 鉆孔參數

（1）鉆孔布置。堵水灌漿沒有普遍適用的布孔方式和布孔規律，圖2為裂隙水封堵示意圖。灌漿孔應該根據隧道現場情況靈活布置，依據的主要原則是：在裂隙發育、巖體結構面較多的位置要有針對性的布孔，盡量使鉆孔較多地穿過裂隙并與巖體結構面相交。布置的引排孔孔口位置的高程盡量低于集中出水點、出水帶；由于前期布置的引排孔基本上是作為后期的灌漿孔，所以在鉆孔時應考慮兼顧灌漿系統安裝和操作的方便性。

（2）孔徑與孔深。鉆孔直徑是根據隧道出水量、涌水壓力、地層情況而定，主要采用150~42 mm，終孔孔徑保證不小于42 mm。主要堵水灌漿鉆孔孔深控制在4.5~8.0 m，保證淺層封堵厚度不小于3 m，即鉆孔長度徑向投影長不小于3 m，深層堵水厚度結合不同洞段設計要求，通過系統防滲高壓灌漿實現。根據滲水情況需要增加部分深孔或淺孔，進行局部加密，孔間距一般控制在1~3 m。

3.2 灌漿參數

（1）灌漿壓力。高壓水被揭露后，其壓力有不同程度的衰減，而在設置減壓分流孔后，壓力一般在2 MPa以內，屬于低壓灌漿。因此，灌漿壓力原則上為涌水壓力的2~3倍，但為了保證圍巖的穩定，初定灌漿壓力為3 MPa，可根據實際情況酌情調整。

圖1 錦屏山隧道西端沿線地質剖面

底板灌漿壓力的經驗計算公式為

P＝P0＋P1×D

式中：P0為表層地層允許的壓力；P1為巖石每增加1 m孔深其允許增加的壓力；D為灌漿段頂以上的巖石厚度。不同巖石類別的P0與P1取值見表2。

若有壓重，灌漿壓力可以提高為

P＝k×r×h+P0＋P1×D

式中：k為灌漿方法系數，可選1~3；h為壓重層厚度；r為壓重層的容重。

與此同時，應根據采用的不同灌漿方法在表3中選取P值，若采用自下而上分段灌漿法，P宜取較小值。

（2）灌漿材料。灌漿材料以水泥、砂為主，并輔以微纖維、麻絲、水玻璃及其他特殊材料。

圖2 裂隙水封堵示意

表2 不同巖石類別P0、P1取值

（3）漿液比級。一般情況使用用純水泥漿灌注，擬定1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四個比級。特殊情況選用特殊漿材灌注。

當在富水區灌漿的耗灰量較大時，必須先灌注水泥砂漿并外加惰性材料或其他特殊材料。水灰比使用0.6 1、0.5 1，水泥與砂的重比為1 1~1 1.5。

（4）耗漿量、注入率的估算與超前帷幕灌漿采用的方法一致。

（5）根據相關規范，結束標準為，在設計壓力下，當吸漿量小于5 L·min－1時，繼續灌注10 min即可結束。

4 高壓固結灌漿技術

對一般富水區、富水區、強富水區、特強富水區、巖溶發育區等滲漏水進行封堵后，地下水缺乏涌出通道而在圍巖內聚集，隨著時間的積累水位會逐漸升高，達到一定程度后可能會擊穿先期灌漿處理好的巖盤。為最終改善圍巖的整體穩定性，使滲漏水洞段形成一個環狀防滲固結以承受高壓水的作用，并具有一定的防滲厚度，確保隧洞在安全狀態下運行，應對隧洞富水段進行全面、系統的高壓固結灌漿處理，以達到形成止水帷幕并承受外水壓力作用的目的。

4.1 鉆孔參數

對局部集中滲漏巖體結構面進行封堵、噴錨或澆混凝土后，全面、系統地展開高壓固結灌漿處理。灌漿孔按環均勻布孔，排間距為2~3 m，第1段鉆孔深度為3 m，待凝72 h后，重新掃孔，鉆孔深度超過固結圈厚度至少0.5 m。孔位布置詳見圖3。

4.2 灌漿參數

（1）灌漿壓力。高壓固結灌漿是為鞏固地下水進行封堵灌漿之后的灌漿效果，確保隧道建成后運營安全的必要步驟。由于封堵灌漿后地下水一般屬于低壓水，固結灌漿壓力采用3~8 MPa。分段灌漿時，首段灌漿壓力比滲水壓力大1.5 MPa或是滲水壓力的2~3倍，第二段灌漿壓力宜為5~8 MPa，具體根據現場實際情況確定。

圖3 A、B線高壓固結灌漿孔位布置

（2）灌漿方式。灌漿孔基巖段長度小于6 m時，可采用全孔一次灌漿法；基巖段長度大于6 m時，可選用自淺而深分段灌漿法、自深而淺分段灌漿法或綜合灌漿法。

錦屏山隧道高壓固結灌漿設計固結圈厚度為6 m，鉆孔深度為6.5 m，因此分2段高壓固結灌漿。第1段灌漿段長3.0 m，采用專用孔口管進行純壓式灌漿，灌漿結束后掃孔鑲鑄孔口管；第2段灌漿段長為3.0~6.5 m，下入離孔底0.5 m的1 inch鋼管，采用專用的孔口密封器進行孔內大循環灌漿，灌漿結束后將1 inch鋼管封堵于孔內，作為巖體錨桿加強筋，提高圍巖的整體承載能力[19-20]。

鉆進中若遇嚴重塌孔或溶蝕破碎帶，可根據具體情況將第2段分幾段進行純壓式灌漿，終孔段按第2段總體要求采用孔內循環式灌漿。其灌漿分段、灌漿壓力及灌漿方式詳見表3。

（3）灌漿材料。灌漿材料以純水泥漿和水泥砂漿為主，也可摻入其他材料，如粉煤灰、膨潤土或黏性土等。

（4）漿液配比及變換。高壓固結灌漿水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四個級配，開灌水灰比采用2 1，漿液濃度由稀到濃逐級變化。漿液變換可按下述原則進行變換：當灌漿壓力保持不變，注入率持續減少時，或當注入率不變而壓力持續升高時，不得改變水灰比；當某一比級漿液已注入300 L以上或灌注時間已達到1 h，而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時，漿液濃度應加一級，變漿后壓力突增或注入率突減時，應立即查明原因及時處理，并報告監理工程師；當注入率大于30 L·min－1時，根據施工具體情況，可越級變濃，若孔內灌漿量較大，可采用0.5 1 0.25的水泥砂漿進行灌注。

表3 灌漿孔段長劃分、各段灌漿壓力及灌漿方式

（5）灌漿結束標準。在設計壓力下，當吸漿量小于1 L·min－1時，繼續灌注30 min即可結束。

5 灌漿工藝及地下水處理效果

5.1 孔口管形式與孔口管的安裝

在高壓大流量地下水條件下，孔口管或專用密封器是確保灌漿順利進行的關鍵技術環節。在水壓不大的情況下直接利用無縫地質鋼管加工制作，并安裝簡易球閥。在水壓較高的情況下，必須設計專用的栓塞、孔口管或專用密封器。灌漿栓塞可加工成機械的，也可加工成液壓的，但栓塞的承受壓力一般小于2 MPa；當壓力大于2 MPa且水量較大時必須設計專用的孔口管或密封裝置。

采用耐壓無縫地質鋼管，規格為φ142~φ32 mm，長度為2~3 m，根據鉆孔中滲漏水大小確定使用孔口管規格。孔口管安裝可采用特種水泥摻入速凝材料、模袋、特種灌漿材料、純水泥漿固定鑲鑄，對出水量和壓力較大的孔采用高壓水巖層鉆灌專用封閉裝置，如圖4所示。高壓大流量突涌水采用特制孔口封閉器，其結構如圖5所示。對于一般涌水，孔口管采用有閘門的無縫地質鋼管制作，如圖6所示。

5.2 灌漿設備及工藝

灌漿設備應考慮以灌注純水泥漿、水泥砂漿及水泥水玻璃等材料為主的灌漿設備，并配備各種壓力的灌漿設備。純水泥漿灌注宜選用多缸柱塞式灌漿泵。砂漿泵可選用華式泵（HSB-5）注漿泵，壓力4~6 MPa，砂粒徑小于5 mm，每小時注漿可達5 m3。

（1）封堵灌漿工藝。在強富水區進行封堵灌漿時，耗灰量較大應先灌水泥砂漿，當無明顯的串、漏及冒漿時，再變換水泥漿。在灌漿過程中可結合輔助措施對串、冒、漏漿進行處理，如用木楔纏麻紗等材料封堵。封堵灌漿工藝流程如圖7所示。

圖4 孔口管結構

圖5 孔口封閉器結構

圖6 強富水封堵簡易孔口管

（2）高壓系統固結灌漿工藝。系統固結灌漿按環間分Ⅰ、Ⅱ序以及環內加密的原則進行，灌漿時要求從低孔向高孔灌漿。防止巖石面或混凝土面抬動，固結灌漿原則上一泵灌一孔，當相互串漿時，可采用群孔并聯灌注，但并聯孔數不宜多于3個，孔位宜保持對稱，并應控制灌漿壓力。高壓固結灌漿施工工藝流程如圖8所示。

5.3 現場地下水處理效果

錦屏山隧道西端在不考慮封堵的情況下, 單是T2b的總出水量就達到2 .85 m3·s－1,針對該富水洞段的地下水出露特征，設置地下水分流孔，兩邊包抄，最后封堵主出水孔。封堵過程中采用孔口管與孔口封閉器（圖9）、惰性材料進行封堵，效果較好，其中AK5+010~020、AK5+030~065、AK5+100~274等典型洞段經封堵灌漿后還作了系統的固結灌漿封堵，典型洞段處理前后如圖10、11所示。經過檢查發現，僅小部分洞壁有小量線滴水或小滴水外，大部分洞壁干燥（圖12），布置壓水試驗檢查孔，做壓水試驗，效果較好，透水率均小于3 Lu。

圖7 封堵灌漿工藝流程

圖8 高壓固結灌漿施工工藝流程

6 結語

（1）封堵灌漿材料以水泥、砂為主，并輔以微纖維、麻絲、水玻璃及其他特殊材料；漿材水灰比采用1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四個比級，特殊情況根據出水特點選用特殊漿材灌注。

（2）封堵灌漿孔孔徑須根據出水量、涌水壓力、地層情況采用φ150~φ42 mm，終孔孔徑保證不小于φ42 mm；主要堵水灌漿鉆孔孔深控制在4.5~8 m，保證淺層封堵厚度不小于3 m；孔間距一般控制在1~3 m。

(3)高壓固結灌漿材料以純水泥漿和水泥砂漿為主，灌漿水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四個比級。

圖9 止水后的孔口封閉器

圖10 AK5+165~+175強富水區

圖11 AK5+165~+175封堵后

圖12 高壓固結灌漿封堵效果

(4)高壓固結灌漿采用耐壓無縫地質鋼管，規格為φ142~φ32 mm，長度為2~3 m，根據鉆孔中滲漏水大小確定孔口管規格。高壓固結灌漿孔鉆孔深度應大于6.5 m，保證固結圈厚度不小于6 m；孔間距控制在200~300 cm，呈梅花形布置。

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中央高校基本科研業務費專項資金項目（SWJTU11ZT33）；教育部創新團隊發展計劃項目（IRT0955）