深孔固結灌漿法在下穿河道經過斷層施工中的應用

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550008)

山西省小浪底引黃工程1號引水隧洞下穿河道與斷層破碎帶，施工難度和安全風險極大，如何采取技術措施，在保證安全的前提下加快隧洞施工進度，直接影響到整個項目通水目標的實現。國內外雖然有較多地表灌漿的施工案例，但同時具有洞身深埋、下穿河道且經過大斷層的深孔灌漿情形目前并不多見，相關研究資料較少。本文以工程實踐為例，闡述深孔固結灌漿方法，并通過控制底部灌漿深度范圍和隧洞兩側灌漿壓力，起到固結巖層、阻斷滲水通道的作用。

1 工程概述

山西省小浪底引黃工程(引水干線部分)施工Ⅱ標段1號引水隧洞長841.996m(S5+000～S5+841.966)，其中穿板澗河段樁號為S5+574～S5+774，總長200m。板澗河河床底高程約為280m，河床常年流水，流量為1～2m3/s，隧洞設計洞中線高程約為207.9m，隧洞埋深70～90m。引水隧洞、河流、斷層帶位置關系如圖1所示。

2 工程地質情況

1號引水隧洞地處板澗河下游與黃河小浪底庫區的交匯三角形地帶，隧洞圍巖巖溶發育，多中等透水性。穿板澗河洞段，以泥質灰巖、灰巖、泥灰巖為主，含有少量白云巖，屬極軟巖～中硬巖，極軟巖、較軟巖為主，泥質灰巖～泥灰巖遇水泥化嚴重，溶洞發育。在樁號S5+740.00～S5+780.00洞段發育F24正斷層，斷層產狀NE 26～61°SE∠60～80°，走向與洞軸線夾角約50°，延伸長度約1km，地表可見斷層帶寬度2～10m。斷層影響帶寬50～100m，斷層兩側巖層不連續，斷層帶內巖體破碎、松散無強度，泥質膠結，膠結性較差。在開挖隧洞過程中，易對斷層帶內已沉積的穩定巖體產生擾動，與地表板澗河形成通道，大涌水或突泥等情況發生概率大。

3 施工方案比選

3.1 隧洞超前灌漿法

“隧洞超前灌漿法”施工指先對隧洞進行灌漿處理后再進行開挖，在開挖掌子面結構邊線超前灌漿封閉10m，然后再開挖5m，預留5m搭接長度。隧洞“超前灌漿法”的處理方案如圖2、圖3所示。

圖2 超前預注漿剖面 (單位：cm)

圖3 超前預注漿斷面 (單位：cm)

原設計施工方案采取單向施工，預計每個循環(超前灌漿10m，開挖5m)灌漿5d，隧洞開挖5d，均進尺0.5m/d，同時由于受洞內裂隙承壓水的影響，灌漿難度較大，工期無法保證。1號引水隧洞從S5+730～S5+780共50m，預計100d開挖完成，工期較長，無法滿足施工節點目標要求。同時由于隧洞施工下穿河流和斷層破碎帶，圍巖條件差，存在大涌水和突水突泥的可能，不可預見性較高，洞內施工安全風險高。

3.2 地表深孔固結灌漿法

“深孔固灌漿法”即從地面造孔對底部隧洞進行固結灌漿，由于是洞外施工，可提前進行施工，且不占用直線工期，可多點位同時施工，施工干擾小，有利于提高灌漿進度，同時洞外施工相比洞內施工安全風險低。

先通過多方法、多方位綜合物探分析與預測，確定F24斷層在引水隧洞內固結灌漿范圍。由于引水隧洞埋深大于70m，若全孔灌漿，大部分為無效孔，為節約投資，只對洞底以下3m，洞頂以上5m，洞高5.8m段范圍進行固結灌漿。

因隧洞下穿河道與斷層破碎帶位置埋深較大，預計地質情況復雜，采取地震波法、瞬變電磁法、網絡并行電法等進行多方位地質勘察，分析斷層、巖體含水、導水構造、富水區分布，經綜合研究對S5+730～S5+780段從地表進行深孔固結灌漿，詳見圖4。

圖4 1號引水隧洞地面物探補充綜合分析剖面

4 施工方案介紹

4.1 深孔固結灌漿造孔

采用地質鉆機從地面鉆孔，在鉆孔過程中如遇到溶洞等特殊地段無法鉆進時，采取護壁灌漿處理。為避免塌孔埋鉆，鉆孔孔徑為91～130mm，灌漿套管跟管鉆進，套管采用130mm、110mm、91mm不同孔徑跟進鉆孔。鉆孔過程中采取“先大后小”的方法，即在分段鉆孔時，先采用大直徑鉆頭加裝套管先行鉆孔，待該鉆頭無法鉆進時再更換小直徑鉆頭加裝套管鉆孔，鉆孔孔徑變化依次為φΦ130→φ110→φ91。鉆孔φ130套管跟進鉆孔約15m，φ110套管跟進鉆孔約20m，在施工過程中盡量向下多打。

4.2 灌漿范圍

安裝止漿塞對引水隧洞洞頂以上5m至洞底以下3m范圍自上而下分段灌漿，套管區域不進行灌漿，詳見圖5。根據物探探測結果布置范圍，沿洞軸線每排布置5個/4個灌漿孔，梅花形布置，間距2.5m，排距2.5m，從S5+780開始奇數排奇數號和偶數排偶數號孔為Ⅰ序孔，其余為Ⅱ序，詳見圖6。

圖5 深孔固結灌漿剖面 (單位：m)

圖6 深孔固結灌漿孔位及分序布置

4.3 施工程序及要求

按照以下順序進行施工：先導孔鉆孔→Ⅰ序孔鉆孔→Ⅰ序孔灌漿→Ⅱ序孔鉆孔→Ⅱ序孔灌漿→檢查孔布置→檢查孔壓水→檢查孔封堵。

深孔固結灌漿按排分序，循序加密，先施工S5+780～S5+730區域奇數排Ⅰ序孔，待Ⅰ序孔灌漿結束后再施工偶數排Ⅰ序孔；上述Ⅰ序孔施工完成后再施工S5+780～S5+730區域奇數排Ⅱ序孔和偶數排Ⅱ序孔，Ⅰ、Ⅱ序孔之間灌漿待凝時間均為8h～12h。

灌漿漿液采用純水泥漿或水泥+水玻璃雙漿液灌漿，遇溶洞、空腔等采用水泥砂漿灌注，灌漿最大壓力1.5MPa。

灌漿采用孔內循環式按分序、加密的原則進行，自上而下分二次灌漿，第一次灌漿段長7.0m，第二次長6.8m。

隧洞中間灌漿孔灌漿壓力：第一段采用1.0MPa，第二段采用1.5MPa；隧洞兩側灌漿孔灌漿壓力：第一段采用0.5MPa，第二段采用0.8MPa。采用一次升壓至設計壓力，壓力表安裝在回漿管路上。灌漿應盡快達到設計壓力，但注入率大時應分級升壓；灌漿時，若灌漿壓力保持不變吸漿量均勻減小時，或當吸漿量保持不變壓力均勻上升時，灌漿應持續進行，不得改變水灰比。

灌漿水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1四個比級，隧洞中間灌漿孔開灌水灰比選用2∶1，為控制灌漿范圍隧洞兩側灌漿孔開灌水灰比為0.8∶1；只能采用一泵灌注一孔的方法，進漿管氣囊塞應塞入距離段長處50cm以上，進漿管伸入孔底，回漿管位于灌漿氣囊塞處。

變漿標準：當某一級水灰比的注入量已到300L或持續時間達30min，而灌漿壓力及注入率均無明顯改變時，漿液可加濃一級；當吸漿量大于30L/min時，可根據具體情況適當越級變濃灌注。

采用自動記錄儀記錄灌漿過程，灌漿站每10min測定一次漿液比重并記錄備查。

4.4 特殊情況處理

a.灌漿過程中，發現冒漿、漏漿，應根據具體情況采用嵌縫、表面封堵、低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進行處理。

b.灌漿過程中如出現灌漿壓力突然增加或注入率突然升高時，應立即查明原因，采取相應措施，并報監理工程師。灌漿過程中如發現串漿時，宜采用下述方法處理：

?如被串孔正在鉆進，應立即停鉆，以防發生埋鉆事故。

?串漿量不大于1L/min時，可在被串孔內通入水流。

?串漿量較大時，盡可能與被串孔同時灌注，但應注意控制灌漿壓力，防止巖體抬動；當無條件同時灌注時，應立即在串漿孔內串漿部位以上用灌漿塞塞住，待灌漿孔灌漿結束后，串漿孔再繼續鉆進或灌漿。

c.灌漿工程必須連續進行，因故中斷，按以下原則進行處理，并作記錄：

?盡可能縮短中斷時間，及早恢復灌漿。

?若中斷時間超過30min，應設法沖洗鉆孔，如沖洗無效，則應掃孔重灌。

?恢復灌漿后，開始應使用中斷前的水灰比，如果吸漿量相似或略有減少，則應逐漸加濃漿液，直至灌漿結束。如吸漿量較中斷前減少很多，且在很短時間內停止吸漿，則認為該灌漿段不合格。

d.灌漿段注入量大，灌漿難于結束時，可選用下列處理措施：

?低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿。

?漿液中摻加速凝劑。

?灌注穩定漿液或改用水泥+水玻璃雙漿液。經處理后應掃孔，重新依照技術要求進行灌漿，直至結束。灌漿過程中，若漿液漏失嚴重，則可采用雙管雙液法，即將水泥、水玻璃分別送入灌段內混合灌注，并根據混合漿液灌注情況確定摻入量。

e.灌漿過程中如回漿變濃，宜換用相同水灰比的新漿，若效果不明顯，延續灌注30min，即可停止灌注。在溶洞、空腔灌漿時，應先查明溶洞的充填類型和規模，然后采取如下處理措施：

?溶洞無充填物時，根據溶洞的大小，可采用泵送高流態混凝土、投入碎石再灌注水泥砂漿、灌注混合漿液等措施。待凝后，掃孔，再灌水泥漿。

?溶洞內有充填物時，根據充填物類型、性態以及充填程度，可采用高壓灌漿、高壓噴射灌漿等措施。

4.5 質量檢查

a.深孔固結灌漿質量檢查，采用壓水試驗的方法進行。

b.檢查孔的布置，由業主、設計、監理根據施工單位灌漿資料、施工情況確定。

c.深孔固結灌漿檢查孔數量為灌漿總孔數的10%。

d.深孔固結灌漿檢查孔的壓水試驗工作應在該部位灌漿結束14天后進行。

e.壓水試驗壓力為該孔段最大灌漿壓力的80%，但不大于1.0MPa，采用單點法。壓水時間20min，每5min測讀一次壓入流量，壓水檢查孔的標準為透水率不大于3Lu，其孔段合格率應在100%以上，對于不合格孔，應根據業主、設計及監理要求重新進行補灌。

f.經檢查合格的檢查孔做彈性模量的測試檢查，其與灌漿分段吻合，然后按灌漿孔要求進行灌漿封孔。

4.6 灌漿結果

深孔固結灌漿耗時2個月，灌漿孔數90孔，灌漿長度1242.2m，消耗水泥2078t。其中Ⅰ序孔(50孔)灌漿長度690m，Ⅱ序孔(40孔)灌漿長度552.2m，詳見表1。同時進行了檢查孔壓水試驗，成果詳見表2。

表1 深孔固結灌漿分序成果匯總表

表2 深孔固結灌漿檢查孔匯總表

5 結 語

地表深孔固結灌漿在隧洞正常掘進至S5+730樁號前完成，未占用直線工期，1號引水隧洞S5+730～S5+780段開挖過程中，掌子面基本無滲水，巖體的整體性較好，說明通過控制底部灌漿深度范圍和隧洞兩側灌漿壓力，起到了固結巖層、阻斷滲水通道的作用，確保了施工質量和安全，該段僅歷時30d就開挖完成，最少節省了工期70d，同時也節約了工程投資。該施工方法可供類似工程參考。