地表灌浆技术在隧道施工涌水地段中的应用与研究——以引绰济辽工程输水工程为例

初明亮 巩寅魁

(中国水利水电第六工程局有限公司 辽宁沈阳 110000)

该样本项目所在支洞为TBM 设备运入隧道的进 口支洞，位于扎赉特旗宝力根花苏木三合村附近，支洞全长1 278.64 m，为圆拱直墙式断面，围岩岩性以花岗岩为主，最大纵坡10.21%，设置5处3%的缓坡段，纵坡段坡长156.44 m，缓坡段长60.0 m。

2019年9月，支洞开挖至桩号0+950附近时，出露地质条件：岩石节理发育，局部节理杂乱，节理面锈蚀强烈，岩质较坚硬，局部岩质较软，主要呈弱风化状态，受构造影响，附近岩石存在差异风化，地下水呈线状流水和涌水流出。从而导致#2-4 支洞施工进度受到严重影响。

据实地情况分析，对不同桩号处定点、分段完成超前预灌浆施工以及地表注水灌浆施工[1]，如表1所示。

表1 工程施工段及技术方案选用

1 开挖时涌水情况

#2-4 支洞施工至桩号0+950 附近开始出现涌水，直至桩号1+064。施工过程中，经建设、设计、监理及施工四方联合进行涌水量确认，统计具体如表2所示。

表2 实地测量地下涌水情况

2 补充勘探分析

2.1 TST法与CFC法综合物探法

为了确保施工安全，施工至桩号1+034 时，采用TST 与CFC 技术[2]综合的物探法进行隧洞地质和含水性超前预报，预报范围100 m，即桩号1+034～1+134。物探成果分析具体如表3所示。

表3 TST与CFC岩层物探结果

2.2 高密度电法地表勘探

根据地勘资料及会议内容，对组装连接洞段采用“高密度电法”[3-4]完成地质勘探，并对剩余支洞约240 m洞线做地表地质勘探，成果分析具体如表4所示。

表4 高密度电法勘测成果

2.3 钻孔补充勘探

胡尔勒河谷扩大洞室段主洞段补充工程地质勘察共布置地表勘探孔6个，成果分析具体如表5所示。

表5 钻孔补充勘探成果

3 灌浆方案比较

隧洞涌水，传统的施工措施是强排水，开挖通过后，再采用洞内系统灌浆的方式进行阻水；如此处理，进度异常缓慢，且无法保证安全、质量。

该工程因工期要求紧，安全、质量要求高。故采用超前灌浆的处理措施。洞内超前灌浆是常用的方法，工程进行试验段施工后，对进度的提高效果不理想。最终采用地表灌浆的方法进行超前预处理，对进度的提高非常理想且保证了安全和质量[5]。

4 方案介绍

4.1 洞内超前灌浆

桩号1+067～1+087 段洞内超前灌浆，共计完成探孔4个，基本孔13个。

灌浆孔分两序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。全孔做一次性钻灌，施工顺序为：钻孔→固管→下入射浆管→洗孔→压水→灌浆→封孔。

支洞断面为城门洞形，采用天然岩体作为止浆墙；灌浆压力为1.0～2.0 MPa，灌浆采用从孔底向孔口分段纯压式灌浆法施工，分段长度为7 m；涌水量较大孔采取由孔口向孔底分段纯压式灌浆法施工，分段长度5～7 m。

注浆材料采用水泥浆。水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为P·O42.5。

注浆压力：屏浆压力采用1.0～2.0 MPa。注浆浆液的浓度应由稀到浓，逐级变换。注浆浆液水灰比采用2∶1、1∶1、0.8∶1、0.5∶1这4个比级。

4.2 地表灌浆

支洞桩号1+134～1+182 段为地表灌浆试验段，试验段完成后对支洞桩号1+185～1+273.5 和主洞桩号W40+302.46～W40+542.46进行了地表灌浆的实施。

桩号范围主要是1+134～1+273.5、W40+422.46～W 40+542.46 和W40+368.46～W40+302.46。钻孔采用工程钻机钻孔→套管跟管至基岩进行护壁→钻孔至灌段底高程→下入114 mm 钢管至灌段顶高程→固管→拔出套管→待凝→下入射浆管→焊接孔口封闭器→洗孔→灌浆及封孔→拆除孔口封闭器。灌浆方法为孔口封闭孔内循环式全孔一次灌浆法。

桩号范围W40+419.46～W40+371.46 为断层处理段，钻孔先采用工程钻机钻孔→套管跟管至基岩进行护壁→钻孔至灌段顶高程→下入114 mm 钢管至灌段顶高程→固管→拔出套管→待凝→采用地质钻机进行主洞第一段造孔（孔径为75 mm）5 m 或6 m（根据灌段总长调整）→地质钻机移位→下入射浆管→焊接孔口封闭器→洗孔→主洞第一段灌浆→拆除孔口封闭器→拔出射浆管→地质钻机就位→扫孔→主洞第二段钻孔至灌段底高程→地质钻机移位→下入射浆管→焊接孔口封闭器→洗孔→主洞第二段灌浆→封孔→拆除孔口封闭器。灌浆方法为孔口封闭自上而下孔内循环式分段灌浆法。

每排分两序进行施工，先施工Ⅰ序孔，再施工Ⅱ序孔。在每单元上选取一个Ⅰ序孔作为先导孔施工，并做灌浆前压水试验，对比灌浆后施工效果。灌浆屏浆压力Ⅰ序孔采用1.5 MPa，Ⅱ序孔采用2.0 MPa。水泥采用P·O42.5 级普通硅酸盐水泥。水泥浆液的水灰比则采用2、1、0.8、0.5 共4 个比级。当注入率不大于1 L/min，继续灌注30 min，即可结束该孔灌浆。封孔采用水灰比为0.5∶1的水泥浆进行置换后压力封孔。

5 灌后效果

洞内超前灌浆和地表灌浆的范围内，开挖揭露出水量明显减少，洞壁未出现新的涌水点，地下水多呈滴水状。灌浆效果均非常明显。洞内超前灌浆效果如图1所示，地表灌浆效果如图2所示。

图1 洞内超前灌浆效果图

图2 地表灌浆效果图

6 分析

6.1 进度分析

综合技术方案实施，对施工用时成果整理具体见表6。

表6 进度分析数据情况

因地表灌浆支洞段施工至桩号1+182 处时，暂停了一段时间的地表灌浆，而开挖施工至桩号1+183 时发生涌水；造成支洞开挖受到相应影响；地表灌浆主洞连接洞段洞径大采用的是分层法开挖；故地表灌浆加快进度的分析采用主洞交通洞段的数据。具体为：灌浆后进度为灌浆前进度的2.19/0.82=2.67倍。

综上所述，地表灌浆的实施加快了施工的进度。

6.2 环保、水保分析

从灌浆前后围岩情况可以看出，阻水灌浆前断面存在多股线流状涌水，施工时存在较大的突水的风险，洞内排水、洞外环保水保压力极大。地表阻水灌浆影响范围外的区域存在涌水，在接近地表阻水灌浆影响范围时明显减小，进入影响范围后，钻爆后的掌子面呈局部渗滴水状态，进行地表阻水灌浆后，掌子面岩石缝隙处可见清晰水泥结石，达到了阻水的目的，减小了环保水保的压力。

6.3 安全、质量分析

隧洞开挖完成后需进行初期支护，进行灌浆之前大量地下水顺节理裂隙涌出，造成喷混施工困难，初期支护质量难以保证，安全隐患极大。

进行地表灌浆之后基本不受地下水的影响，对初期支护质量控制和二次衬砌的实施创造了有利条件，保障了施工安全[6]。

6.4 灌浆区与开挖区距离分析

灌浆后灌浆水泥浆需要一定的时间来凝结硬化，灌浆水泥浆的硬化效果直接决定了灌浆后的整体效果。加之地表灌浆段洞内采用的开挖方式为钻爆法开挖，爆破后会形成一定的爆破松动圈，所以受灌浆区与钻爆开挖区安全距离和爆破扰动影响支洞段的灌浆效果没有主洞段的效果好[7]。

6.5 灌浆参数分析

工程所采用的两种施工参数经实践证明均是可行的。

采用灌浆范围以支洞（主支洞）开挖边线为基准，洞顶中心高程以上3 m为灌顶高程，洞底高程以下3 m为灌底高程，左、右向外各3 m进行固结灌浆加固岩体的方式，灌浆段长固定，对施工的控制有利。

采用以支洞（主支洞）开挖边线为基准，洞顶轮廓高程以上5 m为灌顶高程、洞底高程以下2 m为灌底高程、左右两侧向外各3 m 进行固结灌浆加固岩体的方式，灌浆段长不固定，施工控制较复杂。

7 结语

孔口封闭孔内循环式全孔一次灌浆法及孔口封闭孔内循环式分段灌浆法，分两序施工灌浆的施工方法均是可行的，采用的屏浆压力适宜；从灌浆前后压水结果可以看出，灌浆对岩体的裂隙有封闭效果，起到了阻水效果，保证了施工安全，防止突水的发生；地表阻水灌浆与洞内施工可以平行作业，互不干扰，大幅度地加快施工进度；地表阻水灌浆与洞内钻爆开挖需要一定的安全距离。需采用地表阻水灌浆的方式进行提前阻水，越早实施对阻水的质量和效果越有利；地表阻水灌浆对阻水的效果较好，但采用钻爆法开挖时受爆破扰动固结效果不是特别理想；地表阻水灌浆的实施有效地加快了施工进度，工程采用的地表阻水灌浆参数均是可行的，具体采用何种参数，需视具体情况做出判断；若埋深过大地表阻水灌浆难于实施，可采用洞内超前灌浆的型式超前预注浆；采用地表灌浆虽然费用上有所增加，但在节约工期方面效果明显，在地表具备灌浆条件且工期紧张的情况下，应优先选用地表灌浆方案。