高壓富水隧洞硬巖地層徑向注漿堵水施工技術及應用

孫振川, 游金虎

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001; 2. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

高壓富水隧洞硬巖地層徑向注漿堵水施工技術及應用

孫振川1, 2, 游金虎2

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001; 2. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

引漢濟渭工程嶺南隧洞TBM施工穿越高壓富水破碎帶等不良地質段，施工過程中隧道斷面高壓突涌水嚴重。為解決高壓富水破碎帶的大量出水問題，本文提出“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層封堵+深層加固”的裂隙徑向注漿堵水處理技術，配合新型注漿材料，實現了對高壓富水裂隙出水的有效封堵。結合嶺南隧洞工程隧道斷面出水情況，給出裂縫寬度、注漿量、注漿壓力等計算公式以及注漿過程控制標準。通過對工程現場8個出水段實施徑向注漿堵水技術，洞內出水量由原來的46 000 m3/d降至7 800 m3/d左右，實踐證明該技術方法有效，可為同類高壓富水破碎地層徑向注漿提供參考。

硬巖地層； 高壓富水破碎帶； TBM施工； 突涌水； 徑向注漿

0 引言

全斷面隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)已廣泛應用于市政、水利隧洞、鐵路以及煤礦巷道等工程領域[1-2]。與傳統鉆爆法隧道施工相比，TBM具有安全、快速、優質、高效掘進等優點，大大提升了施工機械化水平[3]。然而，針對不良地質條件，如巖層破碎帶、高壓富水地層、軟弱地層、溶洞等，TBM適應性較差，掘進效率低，處理不當甚至會發生突水、塌方、卡機、淹機等工程事故，嚴重影響工程的安全、質量、經濟與社會效益[4-6]。

高壓富水破碎帶是隧道施工風險較高的不良地質之一，易發生突涌水、塌方、設備被淹等事故。目前，針對高壓富水破碎帶的突涌水預防與處理，施工人員堅持“堵排結合、限量排放”的原則，采用徑向注漿、局部堵水注漿、超前注漿等多種措施[7-8]。從設計角度出發，包德勇[9]針對高壓富水破碎帶易發生突涌水問題，提出加強型抗水壓襯砌、全斷面防水設計等措施。從施工角度出發，張健儒[10]根據圍巖情況和地層超前預報結果采取超前預注漿堵水措施，以降低圍巖滲透系數；吳海之[11]結合大瑤山1#隧道F6斷層發生大規模涌水、涌泥問題，提出“先探水、預注漿、后管棚、管棚補注漿、后開挖、徑向補注漿、快襯砌”的施工原則；張民慶等[12]結合齊岳山隧道出現的高壓裂隙水問題，提出采用普通水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿的注漿堵水措施并明確堵水范圍，取得良好效果。根據工程應用情況，以上學者提出的處理隧道突涌水的措施對傳統鉆爆法是有效的，而對于TBM隧道，由于受作業空間及設備限制，常規的注漿堵水方式較難實施，且注漿堵水效果較差[13-14]。

引漢濟渭嶺南工程TBM施工穿越高壓富水破碎帶等不良地質段，開挖面及隧道周邊發生突涌水事故，水壓高，涌水量大[15]。由于TBM設備占用隧道空間，注漿設備作業受到限制。本文通過分析引漢濟渭嶺南工程的突涌水事故，提出新型注漿材料以及徑向注漿堵水施工技術，改進裂隙徑向注漿技術，合理布設注漿孔，規劃鉆孔與注漿順序，實現對出水裂隙的有效封堵，以期為類似TBM穿越高壓富水破碎帶出現的突涌水問題提供參考。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞TBM施工段嶺南工程位于陜西省寧陜縣四畝地鎮境內，設計流量15億m3，主洞全長18 275 m(K28+085～K46+360)，埋深500～2 000 m，其中采用TBM掘進施工2段，分別長9 880 m和7 630 m，中間設檢修洞，采用φ8.02 m敞開式硬巖掘進機施工。

嶺南工程隧洞穿越地層主要為石英巖、花崗巖、閃長巖、碎裂巖和糜棱巖，巖體完整性較好，呈弱風化-微風化狀態。沿隧洞軸向方向，石英巖段長545 m，花崗巖段長13 750 m，閃長巖段長3 980 m，碎裂巖段長220 m(f7斷層為30 m、QF4斷層為190 m)，如圖1所示。其中： QF4為山陽—鳳鎮區域性大斷裂，走向為北西西向，表現為張性，具有切割深、延伸長、規模大的特點；f7為地區性一般斷裂，走向多為近東西向，表現為壓性，規模相對較小。

圖1 引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程地質剖面圖

工程區域地表水較發育，包括蘿卜峪溝、木河、東木河等，受大氣降水補給影響，常年流水，水量充沛。受構造、節理、裂隙的發育和分布情況控制，地下水主要表現為基巖裂隙水和構造裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給。結合區域地質和水文地質條件，嶺南工程隧洞位于地下水位以下，設計最大涌水量為12 226.00 m3/d。

根據對已掘進段2 425 m(K28+490～K30+915)的26處共計345 m出水段的涌水量統計，掘進段涌水量已達46 000 m3/d，超過設計最大涌水量，見圖2。其中，K30+140～+146段涌水量達到4 704 m3/d，單位長度涌水量為784 m3/d。2016年2月28日出現的開挖面單點單次涌水量超過20 000 m3/d。

圖2 出水段涌水量統計

根據對各出水點位置及出水量統計，左右側邊墻、拱腰以高壓股狀水為主，并伴有大范圍散水，拱頂出露集中股狀水、線狀水、大范圍散水等，如圖3所示。由于已掘進段的出水量過大，運輸車輛及電器設備已出現不同程度的損壞；同時，突涌水處理時間長以及在涌水環境下現場施工效率低的問題已嚴重制約施工進度。

(a) 高壓集中裂隙水

(b) 集中小股狀出水

(c) 大面積散狀出水

(d) 集中大股狀出水

圖3嶺南工程出水點示意

Fig. 3 Water inrush situation of Lingnan Tunnel

2 封堵方案

針對引漢濟渭嶺南工程出現的隧道斷面出水情況，為了有效控制出水量，減小洞內抽排水壓力，需對隧道出水量大的地段采取封堵措施。受傳統注漿方法的空間及封堵能力限制，本文提出“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層注漿封堵+深層注漿加固”相結合的隧道斷面出水封堵方案，以及集中封堵和補充注漿的后處理手段。

2.1鉆孔分流

針對裂隙水壓高、水量大的出水點，在凝固時間內漿液隨出水流走，無法實現對出水點的直接注漿堵漏，因而降低水壓和分流成為實現注漿封堵的前提條件。

鉆孔分流作為降低裂隙水壓、減少出水量的措施被應用于引漢濟渭嶺南工程的高水壓、高水流量出水孔的前期處理中。根據出水點位置、出水狀態等劃分隧道斷面局部涌水范圍(分別以無水—滲水、滲水—線狀出水為界)，判斷出水程度(股狀水、流水、滲水)，根據出水量及水壓由淺入深布設一定數量的分流孔，如圖4所示。分流孔的作用是揭穿更多出水路徑，降低局部出水范圍的水壓力與水流量。分流孔的孔徑根據裂隙水量大小而定，一般不小于φ38 mm；分流孔鉆孔方向應根據隧道斷面、巖層結構面、節理裂隙面的方向確定，盡量與主裂隙面或巖體結構面斜交，以穿過更多的裂隙，分流更多裂隙水；分流孔孔深應根據出水量確定，若出水量過大，且出水斷面與隧道斷面垂直時，可適當加深鉆孔深度，但不宜超過6 m。

分流孔不僅可以降低水壓和出水量，同時也可以作為后期處理的集中封堵孔。

(a) 涌水范圍示意

(b) 分流孔方向

Fig. 4 Determination of water inrush range and direction of diffluence hole

2.2表面嵌縫

通過分流減壓孔的分流和減壓，圍巖表面的裂隙出水量減小，出水壓力明顯降低，具備對開挖表面嵌縫的條件。使用嵌縫材料對主裂隙及影響范圍內的次生裂隙進行嵌堵，如圖5所示，防止或減少注漿時出現漏漿現象。

(a)

(b)

圖5表面嵌縫

Fig. 5 Surface caulking

2.3深層注漿加固

為了實現對集中出水點的有效封堵，必須對集中出水點進行深層注漿加固。在高水壓、大流量的出水點及周圍布設深層加固孔，孔間距宜為1.2 m×1.2 m，孔深宜為5.0～6.0 mm，孔徑宜為38～50 mm。深層加固孔方向應根據結構面/節理裂隙面、隧道斷面的方向確定，鉆孔深度應根據水壓和流量確定，鉆孔布置范圍見圖6。

當隧道斷面仰拱、拱頂、側腰等均出現較大出水點時，應自下而上依次封堵，即“先仰拱、后側腰、最后拱頂”。

圖6 鉆孔布置示意

2.4淺層注漿封堵

為了實現隧道斷面的全面封堵，必須堅持系統處理的原則，即不僅對出水點進行封堵處理，而且對出水區域周邊一定范圍的隧道斷面進行系統淺層封堵注漿，特別是對于隧道斷面整體裂隙較發育的地段。對于淺層封堵注漿孔，孔間距宜為1.5 m×1.5 m，孔深宜為3.5～5.0 m，孔徑宜為38～50 mm。淺層封堵孔鉆孔方向應根據節理裂隙面、隧道斷面等的方向以及裂隙發育深度、寬度等確定，鉆孔布置范圍見圖6。

通過實施淺層注漿封堵，可以有效防止地下水沿巖體內淺層裂隙溢流，形成新的出水帶或通道，對實現隧道斷面的整體封堵具有重要作用。

2.5閉水試驗

在進行頂水注漿之前，應先進行閉水試驗，即關閉全部預留分流減壓孔的控制閘閥24 h，檢查是否還有未發現的次生裂隙或出水現象。若沒有發現新的出水點，才能進行頂水注漿封堵。

2.6頂水注漿封堵

深層加固和淺層封堵施工結束后，對水壓高、出水量大的分流減壓孔進行頂水注漿封堵。注漿封堵順序應由淺孔至深孔、由遠及近、由外向內依次進行，注漿漿液采用防水稀釋、膠凝時間可控的特種漿液。注漿過程中，需打開部分分流減壓孔閥門，觀察串漿情況，待所串漿液達到一定濃度后逐步關閉分流減壓孔。將漿液由裂隙口向深部堆積填充，達到完全封堵裂隙的目的。

2.7補充注漿

頂水注漿封堵以后，若仍存在出水部位，需對該部位進行針對性的鉆孔注漿封堵，直至滿足封堵要求。補充注漿孔根據出水情況與前期堵水注漿孔情況進行布置，見圖6。孔深同周邊注漿孔。

3 注漿作業實施

3.1裂縫寬度分析

在進行滲流出水注漿封堵之前應分析和掌握裂隙發育情況，根據涌水量計算裂縫寬度，計算公式為：

(1)

式中：Q1為區域裂隙涌水量，m3/h；c為經驗常數；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；a為裂隙寬度，m；L1為裂隙長度，m；η為黏度，Pa·s。

根據嶺南隧洞工程隧道斷面出水情況，選取K30+380～+405出水段作為計算示例，并根據現場工程師對出水流量及裂隙情況的判斷，由式(1)得出計算結果見表1。

表1 嶺南工程出水裂隙寬度計算結果

3.2注漿材料及配比

對于富水高壓、水量大的出水段，一般的注漿材料很容易被水流稀釋，難以凝膠、固結，無法起到注漿封堵作用。因此，根據引漢濟渭嶺南隧洞出水點的情況，開展了特殊材料的配比優化比選。一類漿液為純水泥漿，另一類漿液分別加入3種不同的特殊材料。特種材料見圖7： 1)特材A，水下抗分散劑，有良好的抗水流稀釋性能和抗水流沖擊性能，可使混合后的水泥漿性能達到初凝≥12 h、終凝≤36 h、28 d抗壓強度≥20 MPa、28 d水陸抗壓強度比≥70%； 2)特材B，聚合物纖維，可實現混合后的水泥漿細度≤8.0%、干燥失重率≤6.0%、黏度=100 000 mPa·s(-10%，+20%)、凝膠溫度為58.0～64.0 ℃； 3)特材C，液態速凝劑，具有凝結時間快、早期強度高、收縮變形小的特點，水不溶物(%)≤0.4，密度為1.368～1.394 g/mL。

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；砂子選用天然河砂，粒徑不宜大于2.0 mm，細度模數不宜大于2.0，SO3含量不宜大于1%(以質量計)，含泥量不宜大于3%，有機物含量不宜大于3%。

根據純水泥漿和加入不同特殊材料的特種堵水漿液在引漢濟渭嶺南隧洞工程的應用情況，得出：

1)對于雨淋狀和小股狀出水洞段的地下水，m水∶m水泥∶m特A∶m特C=(0.5～2)∶1∶0.05∶(0.1～0.2)。

2)對于較大流量股狀(或主通道)出水洞段地下水，m水∶m水泥∶m砂∶m特A∶m特B∶m特C=0.5∶1∶1∶0.05∶0.025∶0.2。

3)對于一般滲水面，可采用純水泥漿，根據滲水量可選擇水灰質量比分別為3∶1、2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1的水泥漿液。

(a) 特材A(水下抗分散劑)

(b) 特材B(聚合物纖維)

(c) 特材C(液態速凝劑)

圖7特種堵水注漿材料樣品

Fig. 7 Samples of special water stop grouting materials

3.3注漿壓力

根據隧道斷面不同的水壓、水流量以及注漿孔不同作用選擇不同的注漿壓力，注漿壓力一般控制在裂隙水壓力+(1.0～2.0) MPa。

3.4注漿量

為了保證裂隙被安全封堵，需根據加固范圍、加固深度、出水點裂隙間距、裂隙數量等確定注漿量，計算涌水點處的總注漿量

Q2=αNL2WH(1+β)。

(2)

式中：Q2為總注漿量，m3；α為充填系數，一般取0.8～1.0；N為注漿范圍內裂隙條數；L2為裂隙長度，m；W為裂隙寬度，m；H為裂隙高度，m；β為損失系數，一般取0.1～0.2。

根據嶺南隧洞工程隧道斷面出水情況，選取K30+023～+035出水段作為計算示例，由式(2)得出計算結果見表2。

表2 嶺南工程注漿量計算結果

考慮到裂隙的聯通性和隨機性，現場注漿時，實際最大注漿量一般不超過Q2的4倍，即22.8 m3。

3.5注漿順序

注漿封堵應按照“先無水后有水、先小水后大水、先淺層后深層、先兩端后中間、先拱腳后拱頂再邊墻”的順序依次進行灌注。

3.6注漿原則

漿液變換標準： 1)當注漿壓力保持不變、注入率逐漸減少或注入率不變而注漿壓力逐漸升高時，不得改變水灰質量比； 2)當某級漿液注入量已達300 L以上或注漿時間已大于30 min，而注漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時，應采用高一級水灰質量比的漿液； 3)當注入率達到30 L/min，但注漿壓力和注入率均無改變或改變不明顯時，可根據情況越級變濃，直至灌注特種堵水漿材。

注漿結束標準： 1)采用純水泥漿時，注漿壓力逐步升高至設計壓力，注入率小于1 L/min，持續灌注20 min即可結束； 2)采用特種堵水漿液時，注漿壓力逐步升高，注入率小于1 L/min時即可結束。

閉漿： 注漿結束后，采用閉漿措施(關閉孔口封閉的高壓球閥)，繼續保持注漿孔封閉狀態直至漿液完全凝固(終凝)后才能拆除孔口封閉器或膜袋塞。

3.7封孔

注漿孔全部安裝膜袋塞或安裝孔口封閉器，采用孔口封閉純壓式注漿法。注漿結束后，割除孔口封閉器或膜袋塞，使用M25水泥砂漿對孔口部分進行封填處理。

4 特殊情況處理措施

4.1鉆孔遇出水處理

若鉆孔過程中遇小流量出水(<10 m3/h)，則繼續鉆進至目標孔深后進行注漿；若鉆孔過程中遇大流量涌水(≥10 m3/h)，則停止鉆進并進行注漿封堵，封堵完成之后再繼續鉆進，如此反復，直至達到目標孔深。

4.2出水孔注漿處理

小涌水孔處理方法： 采用純壓式注漿法，同時提高注漿壓力(設計壓力+(1.0～2.0) MPa)，注漿結束后進行閉漿待凝，待凝時間不少于8 h。

大涌水孔處理方法： 大涌水孔應測記涌水量與壓力，直接使用特種堵水注漿材料灌注至結束標準，之后旁邊掃孔使用純水泥漿灌注至結束標準。

4.3注漿中斷處理

注漿工作應連續進行，若因故中斷，必須馬上處理，盡早恢復注漿。如被迫中斷時間超過30 min，則應進行鉆孔沖洗；如沖洗無效，則應掃孔。恢復注漿時應使用水灰質量比3∶1(無水孔、小水孔)或0.5∶1(股狀水)的水泥漿進行灌注，若注入率為中斷前的90%及以上，應逐級加濃漿液繼續灌注；若注入率為中斷前的70%～90%，可采用中斷前注漿水灰質量比的水泥漿繼續灌注；若注入率小于中斷前的70%，且在短時間內停止吸漿，則該段注漿應視為不合格，需要重新掃孔、洗孔后復灌。

4.4串漿、冒漿、漏漿處理

注漿過程中發現冒漿、漏漿時，應根據具體情況及時采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇、待凝等方法進行處理。若漏水或漏稀漿時可繼續灌注；若漏濃漿則應降低注漿壓力，直至漏漿停止，然后逐漸升壓至原來注漿壓力后繼續灌注。若降壓無效再變濃漿液灌注；若降壓和變濃均無效，且漏漿量接近注入量，應停止灌注進行待凝，待凝時間不少于8 h；若恢復注漿后吸漿量接近于零或停止吸漿，此段應作為不合格孔段，需視情況進行處理。

注漿過程中發生串漿時，若串漿孔具備注漿條件，可進行并聯注漿，但并聯注漿孔不宜多于3個，否則應塞住串漿孔，待注漿孔注漿結束后，再在串漿孔旁邊掃孔、沖洗，而后繼續鉆進或注漿。

4.5鉆孔漏水的處理

鉆孔過程中遇破碎帶不能成孔，或遇巖脈及影響帶導致鉆進循環水漏失而不能繼續鉆孔時，可先進行注漿加固處理，而后旁邊鉆孔進行深部注漿。

4.6大耗漿孔段處理

為保證注漿質量，無水孔和小水孔宜先采用純水泥漿進行灌注。若單孔灌注量達到1.2 m3，流量、壓力均無明顯變化時，應待終凝至少8 h后掃孔復注。若單孔注漿次數達到3次，壓力、流量仍無明顯變化，則應改用特種堵水注漿材料進行灌注，結束后再用純水泥漿復注，直至達到結束標準。

5 注漿封堵質量檢測

注漿封堵完畢后3～7 d內進行壓水試驗。壓水試驗布孔應設置在耗漿量大、注漿不正常、地質條件差的出水段，孔數不少于總孔數的5%。試驗采用壓水試驗法，其壓力控制在1.0 MPa。

壓水試驗吸水量的穩定標準： 壓力穩定后，每3 min測讀一次壓入流量，連續4次讀數中最大值與最小值之差小于最終值的10%，或最大值與最小值之差小于1 L/min時，本階段壓水試驗結束。

壓水試驗時，單位吸水率w≤3 Lu即為合格，孔段合格率應在80%以上，不合格孔段的單位吸水率不超過設計規定值的50%且不集中，注漿質量可認為合格。

6 封堵效果

引漢濟渭嶺南隧洞工程注漿封堵施工從2016年3月28日開始，截至2016年9月28日共計完成8個出水段的封堵工作，累計鉆孔1 191個，鉆孔總長度為5 348 m；灌注水泥量共計400 t，特材A、特材B、特材C消耗共計30 t；檢查鉆孔178個進行壓水試驗。檢查結果表明： 注漿封堵效果良好，完全滿足規范要求，且洞內出水量由原來的46 000 m3/d降至7 800 m3/d左右。注漿前后的效果對比如圖8所示。

圖8注漿前后對比

Fig. 8 Grouting effect

7 結論與建議

引漢濟渭嶺南工程TBM施工段遭遇裂隙水壓高、流量大的不良地質，為正常施工帶來了巨大的困難。針對上述問題，本文提出了高壓富水隧洞硬巖地層徑向注漿堵水施工技術，提出“鉆孔分流+表面嵌縫+淺層封堵+深層加固”的裂隙注漿堵水處理措施，配合新型的注漿材料，實現了對高壓富水裂隙滲流出水的有效封堵。同時，結合引漢濟渭嶺南工程的滲流出水情況，給出裂縫寬度、注漿量、注漿壓力的計算公式以及注漿過程控制標準。通過在嶺南工程的注漿封堵實踐，表明該技術具有良好的封堵效果，值得推廣應用。

1)加入特種注漿材料(水下抗分散劑、聚合物纖維、液態速凝劑)的一定配比的堵水材料對高水壓、大水量的裂隙涌水具有良好的注漿封堵作用。

2)應根據隧道斷面不同的出水量、出水面積、地質構造、節理裂隙發育等情況設計注漿封堵方案。根據出水量的大小對隧道斷面劃分區域，針對不同區域采取不同封堵措施，包括鉆孔分流、表面嵌縫、淺層封堵、深層加固等，合理布置各類鉆孔位置。

3)對于水壓高、流量大的隧道斷面應堅持“鉆孔分流+深層加固”的深部處理原則，根據隧道斷面、節理裂隙面等確定鉆孔方向，根據出水量大小、裂隙寬度等確定鉆孔深度、注漿量等。

4)對于隧道斷面出水特殊情況應采取特殊處理措施，從注漿材料、注漿時間、注漿控制等方面進行針對性設計。

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Radial-groutingWater-stopTechnologyandItsApplicationtoHigh-pressureWater-richHardRockTunnel

SUN Zhenchuan1, 2, YOU Jinhu2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

The TBM-bored Lingnan Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project crosses high pressure and water-rich fractured zones; and high-pressure water inrush is serious during TBM construction. As a result, the fissure radial grouting technology, i.e. grouting diffluence + surface caulking + shallow plugging + deep reinforcement, is put forward. By adopting the radial grouting technology and new type of grouting material, the high pressure water inrush from the fissure has been effectively controlled and stopped. The calculation formulas for crack width, grouting volume and grouting pressure and control standards for grouting process are provided by taking the water inrush situation of Lingnan Tunnel for example. The application result of the technology, the water inrush volume of 7 800 m3/d (original one of 46 000 m3/d), indicates that the technology adopted is effective. The results can provide reference for radial grouting of similar high-pressure water-rich fractured ground.

hard rock ground; high pressure water-rich fractured zone; TBM construction; water inrush; radial grouting

2017-03-29;

2017-10-16

孫振川(1972—)，男，陜西韓城人， 2009年畢業于石家莊鐵道學院，土木與建筑專業，碩士，教授級高級工程師，現從事隧道與地下工程技術創新與管理工作。E-mail： szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.2096-4498.2017.11.015

U 455.43

B

2096-4498(2017)11-1455-07