無蓋重固結灌漿在高瓦斯水工隧洞施工中的應用

摘要：

針對夾巖水利樞紐及黔西北供水工程水打橋隧洞進口段圍巖地質條件差、瓦斯濃度高、初期支護變形大且變形洞段長、安全風險高和工期嚴重滯后的情況，選取K0+700～K0+720和K0+740～K0+760作為試驗段，采用不同的灌漿參數，在試驗段無蓋重固結灌漿完成后，通過對壓水試驗、鉆孔取芯、灌前和灌后聲波測試檢查結果進行綜合分析，確定了科學合理的灌漿技術參數。后續施工結果表明：通過提前開展無蓋重固結灌漿，可顯著提高圍巖的整體強度和抗變形能力，降低煤層中的瓦斯溢出量，為變形段的拆除施工提供安全保障；將固結灌漿提前至襯砌施工前進行，可以減少后續灌漿施工與襯砌施工之間的相互干擾，加快施工進度。研究成果可為類似工程施工提供借鑒。

關鍵詞：

無蓋重固結灌漿； 水工隧洞； 瓦斯突出； 初期支護； 變形段拆除； 混凝土襯砌； 夾巖水利樞紐及黔西北供水工程

中圖法分類號：TV543.5

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.04.012

文章編號：1006-0081（2023）04-0069-07

0 引 言

大型輸配水工程常采用深埋長隧洞作為輸水建筑物，在建設過程中可能遇到復雜的地質構造和工程難題［1］。根據過往工程經驗，當隧洞開挖過程中圍巖地質條件差時，會大大增加施工時間，甚至影響工程總工期。當隧洞開挖貫通時，前期圍巖地質條件差的洞段，因開挖及初期支護完成后未能及時進行二襯施工，初期支護可能出現大的變形，甚至會侵占二襯結構斷面，因而不得不對變形段進行拆除和重新支護，不僅安全風險高，還會進一步導致總工期延長和工程投資大幅增加。此類項目往往工期緊、任務重、安全風險高，因而既保證安全又節約工期的施工方案成了參建各方研究的重點。在水利工程施工中，為了減少地質條件差的項目混凝土澆筑施工與灌漿施工之間的相互干擾，加快施工進度，多采用無蓋重固結灌漿的施工方案。部分專家學者針對大壩壩基無蓋重固結灌漿施工技術［2-5］、廠房基礎無蓋重固結灌漿施工技術［6］、隧洞無蓋重固結灌漿施工技術［7-9］開展了研究，實際應用中均取得了加快施工進度、保證工程質量的效果，而將隧洞圍巖固結灌漿與初期支護變形段拆除處理施工相結合，尤其是在高瓦斯水工隧洞施工中的應用較少。本文以貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠上的水打橋隧洞進口段為例，研究了在工期嚴重滯后、需要拆除與重新支護的變形洞段長和煤層瓦斯濃度高的情況下，在隧洞襯砌混凝土施工前開展圍巖固結灌漿施工技術的效果。

1 工程概述

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程為以城鄉供水和農田灌溉為主要任務、兼顧發電并為區域扶貧開發及改善生態環境創造條件的綜合性I等大（1） 型水利樞紐工程，是國務院納入規劃的172項重大水利工程之一，工程總投資186.49億元，由水源工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程3個部分組成。水打橋隧洞為灌區骨干輸水工程北干渠上的一條深埋長隧洞，總長20.36 km，為無壓隧洞，隧洞斷面為圓形，開挖半徑3.2～3.7 m，初期支護及襯砌后半徑2.7 m。隧洞穿越地層以峰叢洼地巖溶地貌為主，地表海拔 1 300～1 750 m，埋深4～435 m。水打橋隧洞進口K0-025～K1+410段埋深4～310 m，開挖揭露地層巖性為二迭系上統龍潭組（P3l）泥巖、砂巖夾煤層，自穩能力差，判定為Ⅴ類圍巖，洞口采用大管棚提前25 m進洞、全斷面爆破開挖，從進口至K1+410，揭露煤層10層，煤層厚薄不一，厚度0.2～1.2 m，以薄煤層為主，揭露的同一煤層在隧洞頂板與底板之間厚度變化較大，巖層層面扭曲，多見擠壓破碎現象，巖層擠壓更加強烈，巖體破碎，甚至難以辨認巖層層理。瓦斯氣體含量高，隧洞底板可見瓦斯氣體從水中逸出現象。K1+410～K1+625段穿越的6中煤層，煤層傾向與洞向近一致，平均厚度4 m，最大厚度達6 m，煤層瓦斯壓力大、瓦斯濃度高，經第三方專業機構鑒定，同時結合設計單位的勘察成果判定K1+410～K1+625段為瓦斯突出洞段，按瓦斯突出洞段專項治理方案［10］進行瓦斯抽排、開挖和支護施工。進口段初期支護在外水壓力、泥巖遇水軟化后的附加膨脹壓力和瓦斯壓力的長時間作用下，K0+650～K1+410段噴射混凝土脫落、開裂，鋼拱架扭曲變形，侵占了二襯結構斷面，為保證隧洞凈空及襯砌厚度，需對部分變形較大洞段進行換拱處理，其中有長約450 m的洞段因變形較大，需要將初期支護的鋼拱架全部拆除后重新支護。由于瓦斯突出洞段專項治理占用的時間長，在工期嚴重滯后的情況下，水打橋隧洞進口已成為影響夾巖水利樞紐工程干渠通水的最關鍵節點。

按照以往水工隧洞初期支護變形段的處理經驗，通常是先采用徑向注漿小導管、錨桿等對變形段進行加固，再進行拆換拱作業。然而，這會使工期進一步滯后、投資進一步增加，干渠延期通水造成的社會負面影響也會越來越大。水打橋隧洞進口開挖貫通后剩余的主要工作內容有變形段拆換拱處理、二襯施工、二襯施工完成后的回填灌漿及圍巖固結灌漿等，其中又以變形段的拆換拱處理安全風險最高且占用工期較長。隧洞圍巖固結灌漿是最后一項施工內容，通常都采用有混凝土蓋重的灌漿方式，即在隧洞襯砌混凝土達到70%設計強度后先進行回填灌漿，固結灌漿在回填灌漿結束7 d后再進行。因變形段處理前也需要進行小導管注漿加固，如能將二襯后的圍巖固結灌漿與變形段拆換拱前的小導管注漿結合，即在二襯前提前對圍巖進行固結灌漿處理而取消徑向注漿小導管，則可節省工期和降低投資。

2 無蓋重固結灌漿試驗

2.1 試驗目的與內容

（1） 試驗目的。通過2個試驗段試驗結束后的壓水試驗、巖體彈性波速檢查和鉆孔取芯進行綜合評定，論證采用無蓋重固結灌漿方案的可行性、確定后續無蓋重固結灌漿的施工方法及技術參數，為后續施工提供參考和依據。2個試驗段的試驗目的具體如下。① 驗證和確定灌漿孔間排距：通過對不同間排距灌漿孔的加固效果進行綜合分析，確定合適的灌漿孔間排距。② 確定裂隙沖洗方法、灌漿壓力、漿液水灰比、灌漿次序及結束條件等灌漿技術參數。③ 分析無蓋重固結灌漿方案對工程安全、工程進度和工程投資的影響，論證方案的可行性。

（2） 試驗內容。① 通過監測不同灌漿壓力下圍巖的變形及抬動情況，確定合適的灌漿壓力和壓力控制措施；② 通過不同灌漿技術參數下灌漿后壓水試驗、巖體彈性波速檢查和鉆孔取芯結果，分析灌漿后圍巖的透水性、整體強度和抗變形能力等改善程度，同時通過監測灌漿后煤層中瓦斯溢出量的變化情況，綜合分析確定科學合理的灌漿技術參數。

2.2 試驗段選擇及孔位布置

（1） 試驗段選取及地質圍巖情況。為論證無蓋重固結灌漿的可行性及確定灌漿技術參數，選取2個洞段作為試驗段，分別為K0+700～K0+720和K0+740～K0+760段，試驗段均為煤系地層，開挖揭露圍巖為泥質粉砂巖夾粉質泥巖，裂隙發育、風化嚴重且夾煤層，呈碎裂-鑲嵌狀結構，圍巖整體穩定性差，滲水較大，屬軟弱圍巖，初期支護變形均較大，需要拆除拱架后重新進行支護。

（2） 孔位布置。鉆孔布置遵循環間分序、環內加密的原則，即環間分兩序（Ⅰ序排、Ⅱ序排）、環內分兩序（Ⅰ序孔、Ⅱ序孔），呈梅花形布置，每排6孔，灌漿孔按60°角度間隔垂直均布在隧洞初期支護斷面上，孔入巖深度不小于5 m，孔徑不小于38 mm。孔位布置如圖1所示。

2.3 試驗方案

試驗洞段固結灌漿采取全孔一次性灌漿法，其中K0+740～K0+760試驗段固結灌漿孔排距為3 m，K0+700～K0+720試驗段固結灌漿孔排距為2 m，孔深均為入巖深度不小于5 m；每段均設置抬動監測孔1個、聲波檢測孔6個、灌后壓水試驗檢查孔4個。

2.3.1 灌漿技術參數

（1） 結合水打橋隧洞進口段固結灌漿設計要求及相關工程經驗，Ⅰ序孔采用0.3～0.5 MPa、Ⅱ序孔擬采用0.5～0.8 MPa的注漿壓力，根據現場施工情況動態調整灌漿壓力，以初期支護不抬動為原則；在不產生抬動的條件下盡快達到設計灌漿壓力，對注入率較大的孔需分級升壓至設計壓力，以防抬動發生。

（2） 漿液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1和0.5∶1等4個比級，開灌水灰比為3∶1并遵照漿液由稀到濃逐級變換的原則，灌漿過程中可根據現場實際注入率情況采取越級變漿的措施，水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

（3） 在灌漿最大設計壓力下，注入率不大于1 L/min后，繼續灌注30 min可結束灌漿。

（4） 灌漿過程中按要求做好初期支護和圍巖的抬動（變形）監測工作。

2.3.2 灌漿方式及施工順序

灌漿方式為循環式灌漿，按先底部、再側壁、最后頂部的順序進行施工。灌漿次序為：Ⅰ序排Ⅰ序孔→Ⅰ序排Ⅱ序孔→Ⅱ序排Ⅰ序孔→Ⅱ序排Ⅱ序孔。

2.4 試驗成果

2.4.1 各序孔透水率變化情況

為了解圍巖透水率隨孔序的變化情況，各試驗段灌前選取不少于總孔數20%的孔進行簡易壓水試驗，壓水壓力為灌漿壓力的80％。試驗段灌前壓水結果詳見表1～2。

兩段試驗段的透水率成果顯示：各序孔平均透水率表現為Ⅰ序孔大于Ⅱ序孔，并隨著灌漿次序的遞增而呈現依次遞減的變化規律；當排距越小時，圍巖透水率遞減效果越明顯，尤其在Ⅱ序排灌漿后，圍巖透水率遞減效果顯著，符合正常的灌漿規律，表明灌漿效果良好。

2.4.2 各序孔單位注入率統計

本次固結灌漿2個試驗段嚴格按照設計及規范要求進行施工。2個試驗段共計108個孔，灌漿長度540 m，注入水泥83.94 t。其中0+740～0+760試驗段共42個孔，灌漿長度210 m，注入水泥34.19 t；0+700～0+720試驗段共66個孔，灌漿長度330 m，注入水泥49.75 t；試驗段各序孔單位注灰量區間段和頻率詳見表3～4。從成果數據可以看出：水泥單位注入量均表現為隨孔序的遞增而呈現依次遞減的變化規律，尤其當注漿孔的排距越小時，水泥單位注入量遞減效果越明顯，符合正常的灌漿變化規律，說明采用無蓋重固結灌漿的施工方案是可行的。

2.4.3 注漿量與圍巖透水率關系

對比表1～4中的數據可以發現：灌前透水率小的孔，單位注灰量也小，反之亦然，即試驗段灌漿孔灌前透水率與水泥單位注入量之間總體上表現為正相關關系，符合正常灌漿規律，說明在壓力灌漿下試驗段的圍巖裂隙得到了有效充填。

3 試驗段灌漿效果檢驗

3.1 檢查孔壓水試驗

（1） 0+740～0+760段。本試驗段共布設4個檢查孔，均布置在兩孔之間，固結灌漿試驗檢查孔壓水試驗采用“單點法”進行，壓水試驗成果詳見表5。從檢查孔壓水試驗成果可以看出：最大透水率為11.23 Lu，最小透水率為4.82 Lu，平均透水率為7.65 Lu，其中只有1個孔壓水透水率滿足設計要求的不大于5 Lu標準，其余3個孔透水率均不滿足設計要求，雖然通過固結灌漿，圍巖的滲透性與灌前相比得到了改善，但灌漿效果只能達到局部巖體的加固，無法滿足圍巖整體加固的目的，較難保障拆換拱架時的施工安全和工程完工后的運行安全。

（2） 0+700～0+720段。固結灌漿壓水試驗檢查方法與0+740～0+760段相同，壓水試驗成果詳見表6。從檢查孔壓水試驗成果可以看出：各檢查孔壓水試驗透水率均符合設計要求，最大透水率為3.38 Lu，最小透水率為2.85 Lu，平均透水率為3.145 Lu，各孔透水率均小于設計標準5 Lu，說明通過固結灌漿，圍巖的滲透性得到了改善，達到了加固圍巖的目的。

3.2 聲波檢測

（1） 0+700～0+720段。共布置6個孔進行單孔聲波測試，灌漿前后聲波波速對比分析詳見表7。通過對灌前、灌后聲波資料的對比分析，單孔最大提高率為16.40%、最小為9.07%，灌后波速較灌前平均增長率12.73%，灌后波速平均提高371 m/s。巖體波速與灌前相比整體有較大增長，說明通過灌漿，圍巖整體性的改善效果較為明顯。

（2） 0+740～0+760段。共布置6個孔進行單孔聲波測試，灌漿前后聲波波速對比分析詳見表8。通過對灌前、灌后聲波資料的對比分析，單孔最大提高率為10.70%、最小為5.33%，灌后波速較灌前平均增長率8.31%，灌后波速平均提高243 m/s。巖體波速比灌前整體有一定增長，說明通過灌漿，圍巖整體性有一定改善，但效果比0+700～0+720試驗段稍弱。

3.3 取芯檢查

為了進一步驗證2個試驗段的灌漿效果，以便更好地確定灌漿參數和施工工藝，分別在2個試驗段進行了灌漿后取芯檢查：0+700～0+720段灌漿效果優于0+740～0+760段，裂隙充填效果更好，芯樣的可取率和完整率更高（圖2～3）。根據鉆孔取芯情況分析：在煤系地層或泥質粉砂巖夾粉質泥巖中，漿液的擴散效果不好，同時考慮到不能讓初期支護變形，所采用的灌漿壓力不高，因而漿液的擴散半徑較小，因此在灌漿壓力不高的情況下，采用較小的孔排距才能達到比較理想的灌漿效果。

3.4 試驗小結

通過對2個試驗段的壓水試驗、單位注漿量、灌前和灌后聲波測試及鉆孔取芯結果綜合分析，得到小結如下。

（1） 0+740～0+760試驗段圍巖的整體性有一定改善，但固結灌漿只能達到局部巖體加固的效果，不滿足圍巖整體加固的目的，難以保障后期拆換拱架的施工安全和后續隧洞的運行安全，在后續施工中還需要對本段進行補灌，因而其參數不能作為剩余洞段無蓋重固結灌漿施工的技術參數。

（2） 0+700～0+720試驗段采用的灌漿參數合理，灌漿效果滿足設計與規范要求，達到圍巖加固的目的，可保障后續隧洞施工安全和運行安全，可以將其參數作為剩余洞段無蓋重固結灌漿施工的技術參數。

（3） 因本次采用無蓋重固結灌漿方案的洞段需要封閉巖層裂隙，提高圍巖的完整性，減少巖體的變形與不均勻沉陷，降低巖層中瓦斯溢出量，還需要避免在進行變形段拆除時發生大的掉塊、垮塌等危險，確保變形段拆換拱架時的施工安全可控，因而灌漿后圍巖的整體強度和剛度很重要，即要求固結灌漿對巖層裂隙有良好的充填效果，灌漿后的結石率和結石體的強度需要足夠高。在煤系地層或泥質粉砂巖夾粉質泥巖中，漿液的擴散效果不好，加之灌漿壓力不高，采用小的孔排距和濃漿時，圍巖的結石率更高。因此，在后續灌漿施工中采取如下灌漿參數。① 排距：灌漿孔排距2 m，每排環向布置6孔，如圖1所示。② 灌漿壓力：Ⅰ序孔、Ⅱ序孔分別采用0.5 MPa和0.8 MPa的注漿壓力。③ 水灰比：灌漿漿液水灰比采用3∶1，2∶1，1∶1和0.5∶1等4個比級，開灌水灰比為3∶1，按由稀到濃逐級變換的原則進行變換。④ 灌漿結束標準：在該孔最大設計灌漿壓力下，注入率不大于1 L/min后，繼續灌注30 min可結束灌漿，并采取“全孔灌漿封孔法”封孔。

4 無蓋重固結灌漿實施情況及成果

（1） 考慮到1+410～1+625洞段為煤與瓦斯突出專項治理洞段（以下簡稱“瓦突段”），在瓦突段專項治理過程中已經加強了初期支護，提高了初期支護結構的剛度，同時對圍巖進行了一定范圍的灌漿加固，不存在初期支護變形的情況；1+625～1+800段為非煤系地層常規洞段，也不存在初期支護變形的情況，且以上兩段的后續灌漿施工不會影響總工期。因此，根據現場圍巖地質情況、初期支護變形情況和工期情況，確定無蓋重固結灌漿的實施范圍為0-025～1+410洞段，共計1 435 m，共完成4 310個孔、21 550 m無蓋重固結灌漿施工（含0+740～0+760試驗段補灌增加的23個孔），平均單耗90.85 kg/m，灌后平均透水率為2.76 Lu，均滿足設計要求。

（2） 在施工過程中，通過多次鉆孔取芯檢查漿液的擴散、結石、膠凝和充填情況，發現稀漿結石率低，而一般注漿壓力越高，漿液擴散半徑越大，漿液充填越飽滿、漿液越濃，結石體的強度越高。因此，在后續施工過程中進一步優化了灌漿工藝，即開灌后盡快達到設計灌漿壓力并盡可能采用1∶1和0.5∶1的濃漿。工藝優化后的取芯照片見圖4～5。

（3） 在變形段拆換拱架施工時，因無蓋重固結灌漿施工后圍巖整體強度較高，需要采用破碎錘鑿除侵占襯砌斷面的圍巖，同時監測發現洞內瓦斯溢出量明顯減少，瓦斯濃度明顯降低，為變形段拆換拱架施工和襯砌施工提供了安全保障，同時大幅節約了工期。

（4） 進行無蓋重固結灌漿施工時，為瓦斯突出洞段的專項治理施工配備了2臺2×110 kW軸流風機（共440 kW）、匹配2根風管進行壓入式通風，同時為了防止局部瓦斯聚集，在每個避車洞的位置均安置了YBT-5.5KW礦用隔爆型軸流式局部通風機進行通風，充分保證洞內通風風量，快速稀釋固結灌漿鉆孔施工時釋放出的瓦斯，使得洞內的瓦斯濃度始終保持在0.5%的安全值以下（通過加強洞內通風，洞內瓦斯濃度基本在0.2%以下）；同時，洞內具有瓦斯濃度超標智能報警系統［10］（超過0.5%自動報警，超過0.75%自動斷電），并配有專職瓦檢員，隨時對洞內瓦斯濃度進行檢測，大大降低了瓦斯對固結灌漿施工的影響，同時也確保了固結灌漿施工期間的安全。

5 結 論

（1） 水打橋隧洞進口段主要以砂巖夾泥巖及煤層為主，為防止水壓對巖體產生破壞，固結灌漿孔鉆進結束后采用高壓風替代大流量水來沖凈孔內巖粉、雜質，同時灌漿孔在灌漿前不采用壓力水頭進行裂隙沖洗，直接進行灌漿，也可以達到灌漿效果。

（2） 在灌漿孔鉆孔時，釋放部分之前在初期支護后被封閉的瓦斯氣體，可降低瓦斯壓力，隨后通過對圍巖裂隙進行固結灌漿封閉處理，增強了對煤層中的瓦斯氣體的封閉效果，減少了瓦斯溢出量，降低了后續施工的安全風險。

（3） 在襯砌施工前開展圍巖無蓋重固結灌漿，取消了變形段拆除施工前的徑向注漿小導管，固結灌漿的灌漿壓力較徑向注漿小導管的注漿壓力大，其漿液的擴散范圍也更大，可以在洞室圍巖周邊形成一定深度的灌漿加固圈，改善了圍巖的力學性能，提高了圍巖的整體強度、穩定性和抗變形能力，以防初期支護變形范圍進一步擴大，既可減少變形段需要進行拆除后重新支護的范圍，也利于保證工程施工安全和降低投資。此外，由于瓦斯洞段的無蓋重固結灌漿施工在隧洞還未開挖貫通前就已經施工完成，不占直線工期，避免了襯砌施工與灌漿施工之間的相互干擾，有利于加快襯砌施工進度，可達到節約工期的目的。

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（編輯：江 燾，高小雲）

Application of consolidation grouting technology without cover weight in construction of high gas hydraulic tunnel

REN Mingwu

（Guizhou Water Conservancy Investment （Group） Co.，Ltd.，Guiyang 520001，China）Abstract：

In view of the poor geological conditions of surrounding rock at the entrance section of Shuidaqiao Tunnel in Jiayan Water Conservancy Project，such as high gas concentration，large deformation of initial support，long deformation tunnel section，high safety risk and serious delay in construction period，different grouting parameters were used in the K0+700～K0+720 and K0+740～K0+760 test sections.After the completion of the consolidation grouting without cover weight in the test section，scientific and reasonable grouting technical parameters were determined through comprehensive analysis of the inspection results of water pressure test，borehole coring，pre grouting and post grouting acoustic testing.The results of subsequent construction showed that the overall strength and deformation resistance of the surrounding rock were greatly improved by carrying out the consolidation grouting without cover weight in advance，which also reduced the gas overflow in the coal seam and provided a safety guarantee for the demolition construction of the deformation section.With consolidation grouting carring out ahead of the lining construction，the mutual interference between the subsequent grouting construction and the lining construction could be reduced，and the construction progress would be speeded up.The research results can provide useful reference for similar projects.

Key words：

consolidation grouting without cover weight； hydraulic tunnel； gas outburst； initial stage support； dismantle of deformation section； concrete lining； Jiayan Water Conservancy Project

收稿日期：

2022-12-27

作者簡介：

任明武，男，高級工程師，主要從事大型水利工程項目建設管理和技術研究工作。E-mail：649677593@qq.com