某隧道涌水處理技術(shù)研究及應(yīng)用

陳穩(wěn)科

(中國葛洲壩集團(tuán)建設(shè)工程有限公司，云南 昆明 650217)

0 引言

涌水是水電站的進(jìn)場公路隧道、引水隧洞等施工中常見的水文地質(zhì)現(xiàn)象，大量的涌水會(huì)造成施工人員被困，給工程施工帶來困難，甚至引發(fā)嚴(yán)重安全事故，給后續(xù)工程運(yùn)行帶來一定的安全隱患。隧道涌水受水壓力、氣候(降水)條件、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)及施工擾動(dòng)等諸多因素的影響。在涌水處理方面，已總結(jié)出許多施工方法，而巖溶地下水具有不均一性，涌水成因復(fù)雜，各個(gè)工程處理方案也不盡相同，處理效果各異。

本文以四川某隧道作為工程實(shí)例，分析其涌水原因，采用堵水和排水相結(jié)合的措施，進(jìn)行點(diǎn)面統(tǒng)籌處理，利用水泥—水玻璃雙漿液進(jìn)行壓漿固結(jié)，達(dá)到快速截?cái)嘤克ǖ赖哪康摹９酀{后出水點(diǎn)如仍有少量水流滲出，則將滲水引至中央排水溝，確保隧道表面干燥，保證隧道施工及運(yùn)行安全。

1 涌水情況

該隧道地處四川沉降盆地與龍門山，受龍門山斷裂帶影響，洞身圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道部分段落地下水豐富，出現(xiàn)中小規(guī)模的涌突水幾率較大。

該隧道出口段在掘進(jìn)至K7+485時(shí)，在右側(cè)壁約2 m高處出現(xiàn)一個(gè)直徑約20 cm的涌水點(diǎn)，涌水流量170 m3/h左右。隨著隧道的掘進(jìn)，涌水點(diǎn)又出現(xiàn)在K7+445隧道底面左側(cè)仰拱處，涌水直徑約25 cm，涌水流量約200 m3/h，原K7+485涌水點(diǎn)停止涌水。當(dāng)隧道繼續(xù)向前掘進(jìn)2.5 m，至K7+442.5時(shí)，涌水點(diǎn)又向前移動(dòng)2.2 m，出現(xiàn)在掌子面前左下角邊墻部位K7+442.8處，涌水流量約220 m3/h。隧道掘進(jìn)貫通后，涌水點(diǎn)固定在K7+442.8處，暴雨天氣時(shí)該點(diǎn)涌水流量可達(dá)900 m3/h以上。

2 涌水原因分析

經(jīng)勘查分析，導(dǎo)致涌水現(xiàn)象的原因主要包括三個(gè)方面：①工程地質(zhì)復(fù)雜。該隧道巖性基本為砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差。隧道K7+485～K7+442段洞身周圍巖溶較發(fā)育，爆破開挖后封堵巖層暴露，便形成突水；②通過涌水點(diǎn)連續(xù)變化的觀察，判斷來水方向在隧道左側(cè)后方。該涌水水源為較大的地下潛水、山體裂隙水并且與大氣降水相通，涌水通道與山體外表面相通，受暴雨影響，涌水流量突變；③施工原因。在施工中對溶洞、突水問題不夠重視，施工過程沒有進(jìn)行隧道側(cè)壁及拱腳處的超前鉆探、紅外探水、超前注漿等防突水措施。

3 處理措施

隧道涌水處理方式主要有截水法、排水法和止水法，遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。

隧道涌水處理要考慮施工現(xiàn)場地形、地貌、水文、氣象和地質(zhì)等因素。根據(jù)該隧道涌水情況分析，選擇采用堵水和排水相結(jié)合的措施。在K7+442.8處左邊墻腳部位、K7+445左側(cè)仰拱中部、K7+448左側(cè)底板等有涌水點(diǎn)的部位利用水泥—水玻璃雙漿液進(jìn)行壓漿固結(jié)，提高巖體的整體性及彈性模量值，達(dá)到截?cái)嘤克ǖ赖哪康摹９酀{后出水點(diǎn)如仍有水流出，則選用內(nèi)徑為100～150 mm的PVC管，將滲水引至中央排水溝。

涌水處理主要包括灌漿封堵施工和引水管安裝施工，具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 涌水處理施工工藝流程圖

4 灌漿參數(shù)選擇

灌漿參數(shù)主要包括鉆孔間距、鉆孔直徑、灌漿材料和灌漿壓力。

1)鉆孔間距按1 000 mm，梅花型布置。

2)鉆孔直徑按150 mm，孔深5.0 m。

3)灌漿材料選取可灌性強(qiáng)、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、無毒、價(jià)格便宜、結(jié)石強(qiáng)度高的水泥—水玻璃雙漿液，該灌漿材料以水泥和水玻璃作為主劑，性能取決于水泥漿的水灰比、水玻璃模數(shù)和濃度。試驗(yàn)表明，該灌漿材料在同等條件下，水玻璃模數(shù)較大，水泥漿濃度較高，水玻璃濃度較小，凝結(jié)時(shí)間縮短，結(jié)石強(qiáng)度高；反之亦然。

結(jié)合試驗(yàn)成果，該隧道在涌水處理時(shí)選用P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比W：C在1：1～0.5：1之間。水玻璃模數(shù)在2.4～3.2之間，濃度為35 Be，水玻璃與水泥體積比為0.8：1。

4)灌漿壓力：根據(jù)測試水壓，灌漿最終壓力為水壓的2～3倍。

5 灌漿封堵施工工藝流程

灌漿施工工藝流程為：施工準(zhǔn)備→孔位放樣→固結(jié)灌漿鉆孔→孔壁沖洗→孔口阻塞→裂隙沖洗→壓水實(shí)驗(yàn)→灌漿→封孔→質(zhì)量檢查。

5.1 施工準(zhǔn)備

灌漿施工準(zhǔn)備主要包括以下四個(gè)方面：

1)澆筑K7+438.8～K7+452段左側(cè)仰拱作為灌漿壓重混凝土，混凝土齡期達(dá)到7 d以上；

2)施工電源、水源引至灌漿點(diǎn)；

3)水泥、水玻璃、細(xì)砂、水等材料及鉆孔、制漿、灌漿等設(shè)備準(zhǔn)備到位；

4)布置并標(biāo)記出各灌漿孔的位置，如圖2和圖3所示。

圖2 隧道底板灌漿平面布置圖

圖3 隧道拱腳灌漿平面布置圖

5.2 鉆孔

固結(jié)灌漿孔位布置按圖示進(jìn)行。所有鉆孔統(tǒng)一編號(hào)，并注明施工次序。固結(jié)灌漿孔鉆孔按先Ⅰ序孔后Ⅱ序孔的原則進(jìn)行，利用孔徑為150 mm的潛孔鉆機(jī)進(jìn)行成孔，孔深為5 m。鉆孔時(shí)鉆機(jī)安裝平整穩(wěn)固，保證鉆孔垂直度且孔底偏差不大于1/40的孔深。

5.3 沖洗及壓水試驗(yàn)

鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，采用大流量壓力水脈動(dòng)方式進(jìn)行孔壁沖洗與裂隙沖洗，直至回水澄清并延續(xù)10 min結(jié)束，沖洗水壓力為灌漿壓力的80%，讀值若大于1 MPa時(shí)，采用1 MPa。沖洗結(jié)束后，選擇有代表性的孔段進(jìn)行壓水試驗(yàn)(試驗(yàn)孔數(shù)不小于總孔數(shù)的5%)，壓水試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，壓水壓力為灌漿壓力的80%。

5.4 制漿

采用YJ-200雙層攪拌桶。漿液采用P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥拌制，摻入水玻璃摻合劑，雙液體積比(C：S)為1：0.8，制漿用水符合拌制混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)。

制漿要求：制漿材料稱量誤差小于5%，漿液攪拌均勻并測定密度，制漿能力與灌漿速度相適應(yīng)，勻速連續(xù)制漿。

5.5 灌漿施工

1)灌漿方法：灌漿泵采用雙液灌漿泵，分序進(jìn)行，采用全孔一次灌漿法灌漿。為防止混凝土面抬動(dòng)，原則上采用一泵灌一孔。孔口利用機(jī)械栓塞加壓封孔，孔內(nèi)循環(huán)灌漿方法，整個(gè)灌漿過程采用手工記錄。

2)灌漿壓力：固結(jié)灌漿壓力Ⅰ序孔采用0.1～0.3 MPa，Ⅱ序孔采用0.1～0.4 MPa。施灌過程中可根據(jù)壓水試驗(yàn)成果調(diào)整灌漿壓力，灌漿最終壓力為水壓力的2～3倍。

3)灌漿漿液：灌漿漿液水灰比采用1：1、0.8：1、0.6：1 和 0.5：1 這四個(gè)比級(jí)，固結(jié)壓漿遵循“先稀后濃”的灌漿原則。

5.6 特殊情況處理

1)灌漿過程中，發(fā)現(xiàn)冒漿、漏漿，應(yīng)根據(jù)具體情況采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇灌漿等方法進(jìn)行處理。

2)灌漿過程中發(fā)生串漿，如串漿孔具備灌漿條件，可以同時(shí)進(jìn)行灌漿，應(yīng)一泵灌一孔；否則應(yīng)將串漿孔用塞塞住，待灌漿孔灌漿結(jié)束后，串漿孔再行掃孔、沖洗，而后繼續(xù)鉆進(jìn)和灌漿。

3)孔口有涌水的灌漿孔段，在灌漿前應(yīng)測記涌水壓力和涌水量，根據(jù)涌水情況可選用高壓、濃漿結(jié)束、屏漿、閉漿、純壓式灌漿、摻加速凝劑、待凝、壓力灌漿封孔措施處理。灌漿結(jié)束時(shí)采取屏漿措施，屏漿時(shí)間不少于1 h；閉漿待凝時(shí)間不少于48 h。

4)遇有大量耗漿孔段時(shí)，首先應(yīng)降低灌漿壓力，采用濃漿，減少并限制其注入率，并視耗漿量情況，采用漿液中摻中、細(xì)砂，速凝劑等。待該段耗灰量超過3 t/段，仍不見壓力回升，地面又無漏漿的跡象，則應(yīng)停止灌漿，待凝24 h后復(fù)灌。復(fù)灌時(shí)注入率逐漸減少，則應(yīng)灌至正常結(jié)束。

5)灌漿過程中，若回漿變濃，應(yīng)該稀釋后繼續(xù)灌注；若仍然無效，再改較稀的新漿灌注；若回漿仍然變濃，延續(xù)灌注30 min，即可結(jié)束灌漿。

5.7 封孔

當(dāng)進(jìn)漿量達(dá)到60～100 L/min及灌漿壓力達(dá)到終壓，且穩(wěn)定10 min時(shí)，可終止灌漿。灌漿結(jié)束后，采用水灰比為0.5：1漿液置換孔內(nèi)清漿，然后純壓灌注10 min，結(jié)束封孔。

6 引水管安裝施工

灌漿后出水點(diǎn)比較分散，如果出水點(diǎn)仍有少量水流出，根據(jù)流量大小，選用直徑為100～150 mm PVC管，將涌水引至中心排水溝排出。出水口設(shè)置鎖口，鎖口的大小根據(jù)排水管的直徑確定，以防止孔口被水流擴(kuò)大，且有利于同PVC管銜接、PVC管出口處，增加一道檢查井。引水管安裝示意圖如圖4所示。

圖4 引水管安裝示意圖

7 結(jié)語

通過對隧道涌水處理技術(shù)研究，采用排、堵相結(jié)合的隧道涌水處理方法，選取合理的水泥—水玻璃配合比，現(xiàn)場實(shí)施過程中，加強(qiáng)灌漿施工質(zhì)量控制，增強(qiáng)了隧道抗?jié)B能力，保證了隧道運(yùn)行后車輛通行的安全。

該隧道涌水處理歷時(shí)8 d，水泥用量29.6 t，水玻璃用量28.8 t。施工結(jié)束2個(gè)月之后進(jìn)行表面檢查，涌水點(diǎn)處沒有滲水，壓漿固結(jié)周圍表面干燥，隧道中央排水管排水量明顯減少，說明此方法有效。