地表灌漿技術(shù)在隧道施工涌水地段中的應(yīng)用與研究
——以引綽濟(jì)遼工程輸水工程為例

初明亮 鞏寅魁

(中國(guó)水利水電第六工程局有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000)

該樣本項(xiàng)目所在支洞為TBM 設(shè)備運(yùn)入隧道的進(jìn) 口支洞，位于扎賚特旗寶力根花蘇木三合村附近，支洞全長(zhǎng)1 278.64 m，為圓拱直墻式斷面，圍巖巖性以花崗巖為主，最大縱坡10.21%，設(shè)置5處3%的緩坡段，縱坡段坡長(zhǎng)156.44 m，緩坡段長(zhǎng)60.0 m。

2019年9月，支洞開(kāi)挖至樁號(hào)0+950附近時(shí)，出露地質(zhì)條件：巖石節(jié)理發(fā)育，局部節(jié)理雜亂，節(jié)理面銹蝕強(qiáng)烈，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，局部巖質(zhì)較軟，主要呈弱風(fēng)化狀態(tài)，受構(gòu)造影響，附近巖石存在差異風(fēng)化，地下水呈線狀流水和涌水流出。從而導(dǎo)致#2-4 支洞施工進(jìn)度受到嚴(yán)重影響。

據(jù)實(shí)地情況分析，對(duì)不同樁號(hào)處定點(diǎn)、分段完成超前預(yù)灌漿施工以及地表注水灌漿施工[1]，如表1所示。

表1 工程施工段及技術(shù)方案選用

1 開(kāi)挖時(shí)涌水情況

#2-4 支洞施工至樁號(hào)0+950 附近開(kāi)始出現(xiàn)涌水，直至樁號(hào)1+064。施工過(guò)程中，經(jīng)建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理及施工四方聯(lián)合進(jìn)行涌水量確認(rèn)，統(tǒng)計(jì)具體如表2所示。

表2 實(shí)地測(cè)量地下涌水情況

2 補(bǔ)充勘探分析

2.1 TST法與CFC法綜合物探法

為了確保施工安全，施工至樁號(hào)1+034 時(shí)，采用TST 與CFC 技術(shù)[2]綜合的物探法進(jìn)行隧洞地質(zhì)和含水性超前預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)范圍100 m，即樁號(hào)1+034～1+134。物探成果分析具體如表3所示。

表3 TST與CFC巖層物探結(jié)果

2.2 高密度電法地表勘探

根據(jù)地勘資料及會(huì)議內(nèi)容，對(duì)組裝連接洞段采用“高密度電法”[3-4]完成地質(zhì)勘探，并對(duì)剩余支洞約240 m洞線做地表地質(zhì)勘探，成果分析具體如表4所示。

表4 高密度電法勘測(cè)成果

2.3 鉆孔補(bǔ)充勘探

胡爾勒河谷擴(kuò)大洞室段主洞段補(bǔ)充工程地質(zhì)勘察共布置地表勘探孔6個(gè)，成果分析具體如表5所示。

表5 鉆孔補(bǔ)充勘探成果

3 灌漿方案比較

隧洞涌水，傳統(tǒng)的施工措施是強(qiáng)排水，開(kāi)挖通過(guò)后，再采用洞內(nèi)系統(tǒng)灌漿的方式進(jìn)行阻水；如此處理，進(jìn)度異常緩慢，且無(wú)法保證安全、質(zhì)量。

該工程因工期要求緊，安全、質(zhì)量要求高。故采用超前灌漿的處理措施。洞內(nèi)超前灌漿是常用的方法，工程進(jìn)行試驗(yàn)段施工后，對(duì)進(jìn)度的提高效果不理想。最終采用地表灌漿的方法進(jìn)行超前預(yù)處理，對(duì)進(jìn)度的提高非常理想且保證了安全和質(zhì)量[5]。

4 方案介紹

4.1 洞內(nèi)超前灌漿

樁號(hào)1+067～1+087 段洞內(nèi)超前灌漿，共計(jì)完成探孔4個(gè)，基本孔13個(gè)。

灌漿孔分兩序進(jìn)行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。全孔做一次性鉆灌，施工順序?yàn)椋恒@孔→固管→下入射漿管→洗孔→壓水→灌漿→封孔。

支洞斷面為城門洞形，采用天然巖體作為止?jié){墻；灌漿壓力為1.0～2.0 MPa，灌漿采用從孔底向孔口分段純壓式灌漿法施工，分段長(zhǎng)度為7 m；涌水量較大孔采取由孔口向孔底分段純壓式灌漿法施工，分段長(zhǎng)度5～7 m。

注漿材料采用水泥漿。水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為P·O42.5。

注漿壓力：屏漿壓力采用1.0～2.0 MPa。注漿漿液的濃度應(yīng)由稀到濃，逐級(jí)變換。注漿漿液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1這4個(gè)比級(jí)。

4.2 地表灌漿

支洞樁號(hào)1+134～1+182 段為地表灌漿試驗(yàn)段，試驗(yàn)段完成后對(duì)支洞樁號(hào)1+185～1+273.5 和主洞樁號(hào)W40+302.46～W40+542.46進(jìn)行了地表灌漿的實(shí)施。

樁號(hào)范圍主要是1+134～1+273.5、W40+422.46～W 40+542.46 和W40+368.46～W40+302.46。鉆孔采用工程鉆機(jī)鉆孔→套管跟管至基巖進(jìn)行護(hù)壁→鉆孔至灌段底高程→下入114 mm 鋼管至灌段頂高程→固管→拔出套管→待凝→下入射漿管→焊接孔口封閉器→洗孔→灌漿及封孔→拆除孔口封閉器。灌漿方法為孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式全孔一次灌漿法。

樁號(hào)范圍W40+419.46～W40+371.46 為斷層處理段，鉆孔先采用工程鉆機(jī)鉆孔→套管跟管至基巖進(jìn)行護(hù)壁→鉆孔至灌段頂高程→下入114 mm 鋼管至灌段頂高程→固管→拔出套管→待凝→采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行主洞第一段造孔（孔徑為75 mm）5 m 或6 m（根據(jù)灌段總長(zhǎng)調(diào)整）→地質(zhì)鉆機(jī)移位→下入射漿管→焊接孔口封閉器→洗孔→主洞第一段灌漿→拆除孔口封閉器→拔出射漿管→地質(zhì)鉆機(jī)就位→掃孔→主洞第二段鉆孔至灌段底高程→地質(zhì)鉆機(jī)移位→下入射漿管→焊接孔口封閉器→洗孔→主洞第二段灌漿→封孔→拆除孔口封閉器。灌漿方法為孔口封閉自上而下孔內(nèi)循環(huán)式分段灌漿法。

每排分兩序進(jìn)行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。在每單元上選取一個(gè)Ⅰ序孔作為先導(dǎo)孔施工，并做灌漿前壓水試驗(yàn)，對(duì)比灌漿后施工效果。灌漿屏漿壓力Ⅰ序孔采用1.5 MPa，Ⅱ序孔采用2.0 MPa。水泥采用P·O42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。水泥漿液的水灰比則采用2、1、0.8、0.5 共4 個(gè)比級(jí)。當(dāng)注入率不大于1 L/min，繼續(xù)灌注30 min，即可結(jié)束該孔灌漿。封孔采用水灰比為0.5∶1的水泥漿進(jìn)行置換后壓力封孔。

5 灌后效果

洞內(nèi)超前灌漿和地表灌漿的范圍內(nèi)，開(kāi)挖揭露出水量明顯減少，洞壁未出現(xiàn)新的涌水點(diǎn)，地下水多呈滴水狀。灌漿效果均非常明顯。洞內(nèi)超前灌漿效果如圖1所示，地表灌漿效果如圖2所示。

圖1 洞內(nèi)超前灌漿效果圖

圖2 地表灌漿效果圖

6 分析

6.1 進(jìn)度分析

綜合技術(shù)方案實(shí)施，對(duì)施工用時(shí)成果整理具體見(jiàn)表6。

表6 進(jìn)度分析數(shù)據(jù)情況

因地表灌漿支洞段施工至樁號(hào)1+182 處時(shí)，暫停了一段時(shí)間的地表灌漿，而開(kāi)挖施工至樁號(hào)1+183 時(shí)發(fā)生涌水；造成支洞開(kāi)挖受到相應(yīng)影響；地表灌漿主洞連接洞段洞徑大采用的是分層法開(kāi)挖；故地表灌漿加快進(jìn)度的分析采用主洞交通洞段的數(shù)據(jù)。具體為：灌漿后進(jìn)度為灌漿前進(jìn)度的2.19/0.82=2.67倍。

綜上所述，地表灌漿的實(shí)施加快了施工的進(jìn)度。

6.2 環(huán)保、水保分析

從灌漿前后圍巖情況可以看出，阻水灌漿前斷面存在多股線流狀涌水，施工時(shí)存在較大的突水的風(fēng)險(xiǎn)，洞內(nèi)排水、洞外環(huán)保水保壓力極大。地表阻水灌漿影響范圍外的區(qū)域存在涌水，在接近地表阻水灌漿影響范圍時(shí)明顯減小，進(jìn)入影響范圍后，鉆爆后的掌子面呈局部滲滴水狀態(tài)，進(jìn)行地表阻水灌漿后，掌子面巖石縫隙處可見(jiàn)清晰水泥結(jié)石，達(dá)到了阻水的目的，減小了環(huán)保水保的壓力。

6.3 安全、質(zhì)量分析

隧洞開(kāi)挖完成后需進(jìn)行初期支護(hù)，進(jìn)行灌漿之前大量地下水順節(jié)理裂隙涌出，造成噴混施工困難，初期支護(hù)質(zhì)量難以保證，安全隱患極大。

進(jìn)行地表灌漿之后基本不受地下水的影響，對(duì)初期支護(hù)質(zhì)量控制和二次襯砌的實(shí)施創(chuàng)造了有利條件，保障了施工安全[6]。

6.4 灌漿區(qū)與開(kāi)挖區(qū)距離分析

灌漿后灌漿水泥漿需要一定的時(shí)間來(lái)凝結(jié)硬化，灌漿水泥漿的硬化效果直接決定了灌漿后的整體效果。加之地表灌漿段洞內(nèi)采用的開(kāi)挖方式為鉆爆法開(kāi)挖，爆破后會(huì)形成一定的爆破松動(dòng)圈，所以受灌漿區(qū)與鉆爆開(kāi)挖區(qū)安全距離和爆破擾動(dòng)影響支洞段的灌漿效果沒(méi)有主洞段的效果好[7]。

6.5 灌漿參數(shù)分析

工程所采用的兩種施工參數(shù)經(jīng)實(shí)踐證明均是可行的。

采用灌漿范圍以支洞（主支洞）開(kāi)挖邊線為基準(zhǔn)，洞頂中心高程以上3 m為灌頂高程，洞底高程以下3 m為灌底高程，左、右向外各3 m進(jìn)行固結(jié)灌漿加固巖體的方式，灌漿段長(zhǎng)固定，對(duì)施工的控制有利。

采用以支洞（主支洞）開(kāi)挖邊線為基準(zhǔn)，洞頂輪廓高程以上5 m為灌頂高程、洞底高程以下2 m為灌底高程、左右兩側(cè)向外各3 m 進(jìn)行固結(jié)灌漿加固巖體的方式，灌漿段長(zhǎng)不固定，施工控制較復(fù)雜。

7 結(jié)語(yǔ)

孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式全孔一次灌漿法及孔口封閉孔內(nèi)循環(huán)式分段灌漿法，分兩序施工灌漿的施工方法均是可行的，采用的屏漿壓力適宜；從灌漿前后壓水結(jié)果可以看出，灌漿對(duì)巖體的裂隙有封閉效果，起到了阻水效果，保證了施工安全，防止突水的發(fā)生；地表阻水灌漿與洞內(nèi)施工可以平行作業(yè)，互不干擾，大幅度地加快施工進(jìn)度；地表阻水灌漿與洞內(nèi)鉆爆開(kāi)挖需要一定的安全距離。需采用地表阻水灌漿的方式進(jìn)行提前阻水，越早實(shí)施對(duì)阻水的質(zhì)量和效果越有利；地表阻水灌漿對(duì)阻水的效果較好，但采用鉆爆法開(kāi)挖時(shí)受爆破擾動(dòng)固結(jié)效果不是特別理想；地表阻水灌漿的實(shí)施有效地加快了施工進(jìn)度，工程采用的地表阻水灌漿參數(shù)均是可行的，具體采用何種參數(shù)，需視具體情況做出判斷；若埋深過(guò)大地表阻水灌漿難于實(shí)施，可采用洞內(nèi)超前灌漿的型式超前預(yù)注漿；采用地表灌漿雖然費(fèi)用上有所增加，但在節(jié)約工期方面效果明顯，在地表具備灌漿條件且工期緊張的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用地表灌漿方案。