已揭露高压地下水隧道注浆参数与工艺

张慧峰，吴建文，张 恒

1. 四川工程职业技术学院 建筑工程系，四川 德阳 618000

2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031

已揭露高压地下水隧道注浆参数与工艺

Grouting Parameters and Technology for Tunnel Exposed to High Pressure Groundwater

张慧峰1，吴建文1，张 恒2

1. 四川工程职业技术学院 建筑工程系，四川 德阳 618000

2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031

0 引 言

地下水处理是在富水地层修建隧道工程中一项决定工程进度、施工安全甚至是工程整个生命周期的关键工作，隧道施工所揭露的地下水对结构本身的承载力、围岩的稳定性都将产生不利影响。在施工过程中，地下水处理不当会使整个工程处于瘫痪状态，国内外已有的隧道突涌水工程案例已表明：由于隧道开挖的揭露，使得围岩周围的富水区域突然向隧道内涌出，这种突涌水过程往往发生突然，具体位置难以准确判断，加之其动力特性和发展规模预测较难，在狭小封闭的隧道空间内很难实施快速而有效的处治，从而威胁施工作业的安全[1-4]。例如，大瑶山隧道、云南西苑引水排污隧道和日本青函海底隧道等工程问题由于施工中的突涌水都造成了隧道本身不同程度的损害[5-8]。地下水在揭露之前采取超前帷幕灌浆能够有效地应对涌水，主要原因是地下水处于静止或相对静止状态时，帷幕灌浆的浆液能够有效结石并与围岩共同形成防渗漏性较好的止水帷幕；然而超前帷幕灌浆施工周期长，对于工期紧迫的情况只能在预报地下水有可能危及施工安全时才采用，当确认地下水对施工安全不构成威胁的时候，对其揭露后再行封堵才是比较有效的途径之一[9-12]。因此，合理有效地处理地下水对确保工程安全、快速施工具有重要的现实意义。

1 工程概况

锦屏山隧道位于锦屏二级水电站引水隧洞轴线南侧，为上、下行分离式双洞隧道（A、B线，间距35 m），隧道长为17.5 km，其平均埋深1 500 m的洞段占隧道全长的73%，最大埋深2 375 m。锦屏山受NNE向主构造线与横向(NWW、NEE)扭-张扭性断裂交叉网络的影响，构成了河间地块集水、导水网络，其中T2z主要以集中突(涌)水为主，进入T2b主要以稳定的富水带为主。对锦屏山隧道西端8 000 m进行统计分析，A、B线按每30 m连续洞段出水量级划分，统计结果见表1，图1为锦屏山隧道西端沿线岩性分布[13-14]。

2 地下水揭露后的封堵原理

灌浆材料在外力作用下渗入到岩土的裂隙或孔隙中，一般在不损坏岩盘的前提下，灌浆压力越大，注入的浆液越多，扩散的距离越远，加固的效果也就越好。然而上述情形只有在地下水处于静止或者流动缓慢的情况下才能达到理想的效果。根据以往的工程经验，地下水揭露后再封堵的施工难度会大大增加，因为地下水被揭露后呈流动状态，不利于浆液的凝结，再加上锦屏山隧道地下水有高压、大流量的特征，更加大了封堵难度。因此，锦屏山隧道在揭露后对地下水的处理分2个过程，即针对地下水临时封堵的表层灌浆封堵和系统的高压固结灌浆封堵。作为临时封堵地下水的先行注浆，所面临的主要技术难题是克服高压水的压力；为了对前期注浆起到加固作用，后期采用高压固结注浆，其目的是与围岩形成一个止水固结圈，共同抵抗高水压，为隧道运营期间的安全提供保障，属于长期封堵[17-18]。

表1 每30 m连续洞段出水量统计

高压固结灌浆封堵类似于超前帷幕灌浆，是在静水或准静水条件下对地下水进行处理，而临时封堵是直接面对流动的高压水，其难度要远远大于高压固结灌浆。前期封堵处理的关键问题是克服高水压。灌浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如岩土的孔隙率以及孔隙大小、材料的可注性、注浆的施工方法、围岩的非均质性、地下水的流动、注浆材料的时间特性等。针对主出水管道的前期封堵，锦屏山隧道采用了大量惰性材料，其原理是在保证岩盘不被击穿的前提下，采用高压灌浆技术克服分流后的主出水管道水压，充分利用地下水的流动带动浆液流动，而浆液中的惰性材料能够在流水带动下堵塞岩体的微小裂隙，再与浆液、围岩一起凝固，最终形成止水体。所谓分流技术，即在主出水管道旁边打设分流孔，并设置高压止水阀，利用分流孔的分流减小主出水孔的水压，在成功封堵主出水孔之后再关闭高压止水阀，达到对高压水成功封堵的目的。若采取无压或低压小流量灌浆工艺则不能达到上述要求。

3 局部封堵灌浆参数设计

3.1 钻孔参数

（1）钻孔布置。堵水灌浆没有普遍适用的布孔方式和布孔规律，图2为裂隙水封堵示意图。灌浆孔应该根据隧道现场情况灵活布置，依据的主要原则是：在裂隙发育、岩体结构面较多的位置要有针对性的布孔，尽量使钻孔较多地穿过裂隙并与岩体结构面相交。布置的引排孔孔口位置的高程尽量低于集中出水点、出水带；由于前期布置的引排孔基本上是作为后期的灌浆孔，所以在钻孔时应考虑兼顾灌浆系统安装和操作的方便性。

（2）孔径与孔深。钻孔直径是根据隧道出水量、涌水压力、地层情况而定，主要采用150~42 mm，终孔孔径保证不小于42 mm。主要堵水灌浆钻孔孔深控制在4.5~8.0 m，保证浅层封堵厚度不小于3 m，即钻孔长度径向投影长不小于3 m，深层堵水厚度结合不同洞段设计要求，通过系统防渗高压灌浆实现。根据渗水情况需要增加部分深孔或浅孔，进行局部加密，孔间距一般控制在1~3 m。

3.2 灌浆参数

（1）灌浆压力。高压水被揭露后，其压力有不同程度的衰减，而在设置减压分流孔后，压力一般在2 MPa以内，属于低压灌浆。因此，灌浆压力原则上为涌水压力的2~3倍，但为了保证围岩的稳定，初定灌浆压力为3 MPa，可根据实际情况酌情调整。

图1 锦屏山隧道西端沿线地质剖面

底板灌浆压力的经验计算公式为

P＝P0＋P1×D

式中：P0为表层地层允许的压力；P1为岩石每增加1 m孔深其允许增加的压力；D为灌浆段顶以上的岩石厚度。不同岩石类别的P0与P1取值见表2。

若有压重，灌浆压力可以提高为

P＝k×r×h+P0＋P1×D

式中：k为灌浆方法系数，可选1~3；h为压重层厚度；r为压重层的容重。

与此同时，应根据采用的不同灌浆方法在表3中选取P值，若采用自下而上分段灌浆法，P宜取较小值。

（2）灌浆材料。灌浆材料以水泥、砂为主，并辅以微纤维、麻丝、水玻璃及其他特殊材料。

图2 裂隙水封堵示意

表2 不同岩石类别P0、P1取值

（3）浆液比级。一般情况使用用纯水泥浆灌注，拟定1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四个比级。特殊情况选用特殊浆材灌注。

当在富水区灌浆的耗灰量较大时，必须先灌注水泥砂浆并外加惰性材料或其他特殊材料。水灰比使用0.6 1、0.5 1，水泥与砂的重比为1 1~1 1.5。

（4）耗浆量、注入率的估算与超前帷幕灌浆采用的方法一致。

（5）根据相关规范，结束标准为，在设计压力下，当吸浆量小于5 L·min－1时，继续灌注10 min即可结束。

4 高压固结灌浆技术

对一般富水区、富水区、强富水区、特强富水区、岩溶发育区等渗漏水进行封堵后，地下水缺乏涌出通道而在围岩内聚集，随着时间的积累水位会逐渐升高，达到一定程度后可能会击穿先期灌浆处理好的岩盘。为最终改善围岩的整体稳定性，使渗漏水洞段形成一个环状防渗固结以承受高压水的作用，并具有一定的防渗厚度，确保隧洞在安全状态下运行，应对隧洞富水段进行全面、系统的高压固结灌浆处理，以达到形成止水帷幕并承受外水压力作用的目的。

4.1 钻孔参数

对局部集中渗漏岩体结构面进行封堵、喷锚或浇混凝土后，全面、系统地展开高压固结灌浆处理。灌浆孔按环均匀布孔，排间距为2~3 m，第1段钻孔深度为3 m，待凝72 h后，重新扫孔，钻孔深度超过固结圈厚度至少0.5 m。孔位布置详见图3。

4.2 灌浆参数

（1）灌浆压力。高压固结灌浆是为巩固地下水进行封堵灌浆之后的灌浆效果，确保隧道建成后运营安全的必要步骤。由于封堵灌浆后地下水一般属于低压水，固结灌浆压力采用3~8 MPa。分段灌浆时，首段灌浆压力比渗水压力大1.5 MPa或是渗水压力的2~3倍，第二段灌浆压力宜为5~8 MPa，具体根据现场实际情况确定。

图3 A、B线高压固结灌浆孔位布置

（2）灌浆方式。灌浆孔基岩段长度小于6 m时，可采用全孔一次灌浆法；基岩段长度大于6 m时，可选用自浅而深分段灌浆法、自深而浅分段灌浆法或综合灌浆法。

锦屏山隧道高压固结灌浆设计固结圈厚度为6 m，钻孔深度为6.5 m，因此分2段高压固结灌浆。第1段灌浆段长3.0 m，采用专用孔口管进行纯压式灌浆，灌浆结束后扫孔镶铸孔口管；第2段灌浆段长为3.0~6.5 m，下入离孔底0.5 m的1 inch钢管，采用专用的孔口密封器进行孔内大循环灌浆，灌浆结束后将1 inch钢管封堵于孔内，作为岩体锚杆加强筋，提高围岩的整体承载能力[19-20]。

钻进中若遇严重塌孔或溶蚀破碎带，可根据具体情况将第2段分几段进行纯压式灌浆，终孔段按第2段总体要求采用孔内循环式灌浆。其灌浆分段、灌浆压力及灌浆方式详见表3。

（3）灌浆材料。灌浆材料以纯水泥浆和水泥砂浆为主，也可掺入其他材料，如粉煤灰、膨润土或黏性土等。

（4）浆液配比及变换。高压固结灌浆水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四个级配，开灌水灰比采用2 1，浆液浓度由稀到浓逐级变化。浆液变换可按下述原则进行变换：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率不变而压力持续升高时，不得改变水灰比；当某一比级浆液已注入300 L以上或灌注时间已达到1 h，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，浆液浓度应加一级，变浆后压力突增或注入率突减时，应立即查明原因及时处理，并报告监理工程师；当注入率大于30 L·min－1时，根据施工具体情况，可越级变浓，若孔内灌浆量较大，可采用0.5 1 0.25的水泥砂浆进行灌注。

表3 灌浆孔段长划分、各段灌浆压力及灌浆方式

（5）灌浆结束标准。在设计压力下，当吸浆量小于1 L·min－1时，继续灌注30 min即可结束。

5 灌浆工艺及地下水处理效果

5.1 孔口管形式与孔口管的安装

在高压大流量地下水条件下，孔口管或专用密封器是确保灌浆顺利进行的关键技术环节。在水压不大的情况下直接利用无缝地质钢管加工制作，并安装简易球阀。在水压较高的情况下，必须设计专用的栓塞、孔口管或专用密封器。灌浆栓塞可加工成机械的，也可加工成液压的，但栓塞的承受压力一般小于2 MPa；当压力大于2 MPa且水量较大时必须设计专用的孔口管或密封装置。

采用耐压无缝地质钢管，规格为φ142~φ32 mm，长度为2~3 m，根据钻孔中渗漏水大小确定使用孔口管规格。孔口管安装可采用特种水泥掺入速凝材料、模袋、特种灌浆材料、纯水泥浆固定镶铸，对出水量和压力较大的孔采用高压水岩层钻灌专用封闭装置，如图4所示。高压大流量突涌水采用特制孔口封闭器，其结构如图5所示。对于一般涌水，孔口管采用有闸门的无缝地质钢管制作，如图6所示。

5.2 灌浆设备及工艺

灌浆设备应考虑以灌注纯水泥浆、水泥砂浆及水泥水玻璃等材料为主的灌浆设备，并配备各种压力的灌浆设备。纯水泥浆灌注宜选用多缸柱塞式灌浆泵。砂浆泵可选用华式泵（HSB-5）注浆泵，压力4~6 MPa，砂粒径小于5 mm，每小时注浆可达5 m3。

（1）封堵灌浆工艺。在强富水区进行封堵灌浆时，耗灰量较大应先灌水泥砂浆，当无明显的串、漏及冒浆时，再变换水泥浆。在灌浆过程中可结合辅助措施对串、冒、漏浆进行处理，如用木楔缠麻纱等材料封堵。封堵灌浆工艺流程如图7所示。

图4 孔口管结构

图5 孔口封闭器结构

图6 强富水封堵简易孔口管

（2）高压系统固结灌浆工艺。系统固结灌浆按环间分Ⅰ、Ⅱ序以及环内加密的原则进行，灌浆时要求从低孔向高孔灌浆。防止岩石面或混凝土面抬动，固结灌浆原则上一泵灌一孔，当相互串浆时，可采用群孔并联灌注，但并联孔数不宜多于3个，孔位宜保持对称，并应控制灌浆压力。高压固结灌浆施工工艺流程如图8所示。

5.3 现场地下水处理效果

锦屏山隧道西端在不考虑封堵的情况下, 单是T2b的总出水量就达到2 .85 m3·s－1,针对该富水洞段的地下水出露特征，设置地下水分流孔，两边包抄，最后封堵主出水孔。封堵过程中采用孔口管与孔口封闭器（图9）、惰性材料进行封堵，效果较好，其中AK5+010~020、AK5+030~065、AK5+100~274等典型洞段经封堵灌浆后还作了系统的固结灌浆封堵，典型洞段处理前后如图10、11所示。经过检查发现，仅小部分洞壁有小量线滴水或小滴水外，大部分洞壁干燥（图12），布置压水试验检查孔，做压水试验，效果较好，透水率均小于3 Lu。

图7 封堵灌浆工艺流程

图8 高压固结灌浆施工工艺流程

6 结语

（1）封堵灌浆材料以水泥、砂为主，并辅以微纤维、麻丝、水玻璃及其他特殊材料；浆材水灰比采用1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四个比级，特殊情况根据出水特点选用特殊浆材灌注。

（2）封堵灌浆孔孔径须根据出水量、涌水压力、地层情况采用φ150~φ42 mm，终孔孔径保证不小于φ42 mm；主要堵水灌浆钻孔孔深控制在4.5~8 m，保证浅层封堵厚度不小于3 m；孔间距一般控制在1~3 m。

(3)高压固结灌浆材料以纯水泥浆和水泥砂浆为主，灌浆水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四个比级。

图9 止水后的孔口封闭器

图10 AK5+165~+175强富水区

图11 AK5+165~+175封堵后

图12 高压固结灌浆封堵效果

(4)高压固结灌浆采用耐压无缝地质钢管，规格为φ142~φ32 mm，长度为2~3 m，根据钻孔中渗漏水大小确定孔口管规格。高压固结灌浆孔钻孔深度应大于6.5 m，保证固结圈厚度不小于6 m；孔间距控制在200~300 cm，呈梅花形布置。

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中央高校基本科研业务费专项资金项目（SWJTU11ZT33）；教育部创新团队发展计划项目（IRT0955）