内蒙古东部某调水工程#1输水隧洞超常规涌水处理施工技术

高甫

摘要： 在输水隧洞施工过程中，遇到断层等不良地质段，发生较大涌水时，采用预埋排水管的方式进行引排后，对四周破碎带围岩采用支护钢拱架及喷射混凝土进行封闭，等强后采用自下而上的方式进行双液灌浆，对涌水部位进行封堵，能够有效解决超常规的涌水问题，对今后隧洞施工中遇到类似问题提供参考借鉴。

关键词： 隧洞；涌水；封闭施工；封堵灌浆；技术

1 工程概况

1.1基本情况

内蒙古东部某调水工程#1输水隧洞全长9.035km，洞室断面型式为城门洞型，开挖尺寸（宽×高）5.06m×5.41m，包括三条施工支洞，#1-1支洞、#1-2支洞（#1永久检修洞）和#1-3支洞。此次涌水发生在#1-2支洞上游主洞控制段。

#1-2支洞上游主洞控制段在桩号W4+723.8～W4+721.3出渣完成后，机械处理危石过程中，拱顶左侧发生坍塌，出现大量涌水，现场立即撤离所有人员和机械设备，并及时通知现场监理邀请各方进行现场查勘。由于涌水量大，现有排水设备无法满足需要，主支洞全部被淹没，根据被淹没洞内积水和涌水时间，初步计算涌水量约为700m3～800m3/h。随后建设、监理、设计、地质对涌水情况进行了现场查勘，并对掌子面地表情况进行了查看，初步意见为增加抽排水设施进行强排。

1.2 围岩地质条件

#1-2支洞上游涌水点（桩号W4+721.3）掌子面附近围岩类别为Ⅳ类，揭露岩性为侏罗系上统玛尼吐组凝灰岩，灰黑色，主要成分为晶屑、岩屑及火山灰、凝灰碎块状结构；岩质类型属中硬岩，呈弱风化状态；岩体裂隙发育，裂隙面大多平直光滑，微张，充填岩屑，岩体完整性差，呈碎裂结构，易出现掉块；洞壁有渗水。该部位埋深约66m，覆盖层厚度约28m，洞顶以上弱风化岩体厚度约38m，地下水位埋深约3m（高出洞顶约63m），从地质剖面图上看，此处有两条裂隙性断层，推测掌子面向上游方向围岩地质条件较差，需加强支护。

2 地下水处理方案

2.1 地下水处理原则

根据建设、监理、设计、地质、施工等几方会商意见，采取以下原则：

（1）以堵为主，排堵结合的大原则。

（2）结合超前地质预报，预报分析掌子面前方是否存在大的构造裂隙、岩层裂隙、不良地质段及富水区等，以事前处理为主，事后补救为辅，局部堵水灌浆进行补充处理，且不会对施工人员和机械设备安全造成影响的前提下加快掘进速度，快速进行初期支护封闭岩面。

（3）已揭露段在确保安全的前提下先进行加强支护，对涌水部位支护完成后采用灌浆的方案进行封堵。

（4）结合实际，可采用洞内处理和地表处理两种方案，以投资少、速度快、干扰小、施工方便为原则。

2.2 地下水分类及总体方案

根据隧洞开挖揭露该区域存在的地下水出露方式有：渗水（滴水、线状渗水和股状渗水）、裂隙水（构造裂隙、岩层裂隙）、管状(洞穴)集中涌水、单点高压喷水等多种形式。本次#1-2支洞上游桩号W4+721.3主要为管状(洞穴)集中涌水，导致无法进行正常施工。因此，决定对此段采用灌浆堵水和必要的超前阻水灌浆施工方案，具体方案如下：

（1）首先做好涌水封堵期间的日常抽排水工作，根据涌水量确定合理的抽排水设备，制定合理的措施。

（2）根据现场涌水部位周边实际围岩条件，对桩号W4+729.3～W4+721.3（距掌子面）8m范围增加HM15型钢拱架进行支护，间距50cm，其余系统锚杆、挂网和锚喷支护参数按照1#主洞Ⅴ类围岩参数及时进行支护。支护过程中，在涌水部位预埋8～10根DN125的钢管作为排水管，后期作为灌浆管，将其他部位全部进行封闭。

（3）待喷射混凝土强度满足要求后进行封堵灌浆。封堵灌浆一般以纯水泥浆为主，当涌突水部位封堵困难时，视情况采用特种灌浆材料（如特种水泥或加水玻璃等）。本次涌水因水量大、压力大，因此采用双液灌浆（水泥加水玻璃）的方案，封堵灌浆压力为水压的1～2倍。

（4）封堵灌浆完成后对掌子面前方和洞室周围做超前地质预报，预测分析隧洞前方是否存在构造断裂带及涌水，确定下一步施工方案。

3 主要施工方法

3.1 涌水抽排

自#1-2支洞上游涌水发生后，施工方每昼夜安排两个抽水班组24小时轮流进行抽排水。自支洞口至主支洞交叉段共布设了5排DN125钢管作为排水管，采用5台75KW（扬程80m，流量200 m3/h）的潜水泵进行抽排，水泵和钢管之间采用6吋的加厚消防水带连接。洞外在边坡右侧设置一条1.5m×1.0m（宽×深）的排水沟，长度100m，沟内铺设宽度3m的双层土工膜，将水引排至洞外三级沉淀池，沉淀并经过处理后排放至下游河道。

3.2封闭施工

为了有效封堵此处涌水部位，首先对涌水部位前后一定范围围岩进行封闭，封闭结合初期支护采用20cm厚的C25喷射混凝土，增加HM15型钢拱架加强支护，钢拱架间距50cm，长度为掌子面附近8m范围，其余系统锚杆、挂网和锚喷支护参数按照1#主洞Ⅴ类围岩参数进行支护。

3.2.1钢拱架支护

钢拱架采用HM15型钢，按照Ⅴ类围岩尺寸加工成型,考虑到掌子面左侧涌水部位围岩已被破坏，为了保证钢拱架的整体稳定，在每榀拱架底部横向增加HM15型钢连系梁（见图3.2-1），将左右两侧直腿底部连接形成整体。考虑便于施工，每榀拱架按尺寸加工成5节，两边边墙各1节，圆弧段2节，底部连系梁1节。每节钢拱架两端头焊接10mm厚的连接钢板，连接钢板设4个Φ18螺栓孔，安装自下而上进行，先安装两侧直墙钢拱架，再安装顶部钢拱架，各段拱架采用M16螺栓进行连接。钢拱架间距加密至50cm。

钢拱架纵向连接采用Φ22钢筋连接，连接筋与各榀拱架焊接牢固，环向间距1.0m。每榀钢拱架在底脚及连接处两侧布设两组Φ22锁脚锚杆（每组各两根）进行锁脚固定，并在每榀拱架边顶拱部位布设三组（每组各两根）Φ22锁定锚杆进行拱架锁定，确保拱架稳固。钢拱架安装时确保拱架底部处于坚实岩面上，同时钢拱架与岩面间采用钢楔填塞密实，保证围岩与钢架受力均匀。

3.2.2管路埋设

根据涌水点的形状、尺寸及深度，加工制作相应的排水钢管，当出水点似圆形或近似圆形时，可考虑集中安装钢管引排，当出水点呈条带状且有裂隙存在时，根据现场实际情况增加安装钢管数量。本次在涌水部位自下而上预埋8～10根DN125的钢管作为排水管，钢管布置可根据实际涌水情况进行调整，由于涌水点在顶拱左侧，必须采用防水板将涌水汇集在左侧拱架下部集中引排（如图3.2-1）。

图3.2-1预埋排水管示意图

为了确保涌水能够全部从预埋管路中排出，在钢拱架外侧采用10mm厚的钢板加工一个挡板，尺寸3.0m×1.5m（长×高），钢板上提前焊接排水钢管，放置于拱架外侧涌水部位，并紧贴拱架外侧，钢板周围用棉被封堵流水，确保涌水全部通过钢板上预留的排水管排出。根据涌水部位的实际情况，所有排水管伸出钢拱架内侧长度不小于10cm，排水钢管外露侧焊接法兰盘，并安装闸阀，控制出水和导排水。排水管后期作为灌浆管，灌浆结束后全部割除。

3.2.3系统锚杆施工

系统锚杆采用Φ22注浆锚杆，长度L=2.7m，入岩2.5m，间距1.0m，排距0.8m。人工采用YT-28手风钻在开挖台车上钻锚杆孔。每造完一循环锚杆孔，由现场监理工程师验孔后采用注浆机注浆。锚杆在洞口钢筋加工场加工，自卸汽车运输至洞内工作面附近，人工进行安装。

3.2.4钢筋网片施工

锚杆安装完成后进行钢筋网片施工，网片在洞外加工场集中制作，自卸汽车运至洞内人工挂设，钢筋网片采用Φ8光圆钢筋，网格间距150mm×150mm，全断面挂网，网片搭接长度不小于20cm，焊接成整体，钢筋网片要确保紧贴岩面，网片间连接符合规范要求并与锚杆外露部分焊接牢靠。

3.2.5喷射混凝土施工

混凝土喷射前将涌水部位水流控制在排水管内排出，并采用消防带接排水管将水流引至作业面以外，其余渗漏部位全部封堵严密，清除周围所有松动岩块，验收合格后施喷。喷混凝土自下而上进行，先凹后凸，小螺旋式喷射。喷头与受喷面应尽量垂直，距离控制在0.6～1.0m，由熟练的喷射手操作分层、分段、分片完成，由于此涌水部位水压大，喷射20cm厚混凝土作为止浆墙，分两次进行喷射，施喷后不能侵占二衬断面。喷射混凝土在洞外拌和站按设计配合比集中拌制，混凝土运输车运至洞内作业面，现场掺加速凝剂后施喷。施喷前和施喷后的照片对比如下图所示。

同时对掌子面采用C25喷射混凝土进行封闭，喷射厚度15cm，与加强支护段喷射混凝土连接形成一个整体，确保灌浆时不会漏浆。

喷射混凝土前                         喷射混凝土后

3.3 封堵灌浆

3.3.1灌浆方式

灌浆采用纯压式，由于本次涌水量大，因此确定采用双液灌浆（掺加水玻璃），根据涌水情况确定两种浆液的混合方式（孔内混合或孔口混合），本次采用孔口混合。

3.3.2注浆材料质量要求

（1）水泥：灌浆采用P.O 42.5普通硅酸盐袋装水泥。

（2）水：在高速制浆机旁设置钢板水箱，通过水泵抽取地下水供灌浆用水，施工用水满足《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）规范的要求。

（3）水玻璃：采用符合国家质量要求的模数2.4～3.2，玻美度为35～40°的水玻璃，密度为1.4～1.46g/cm³。

3.3.3双液浆配制

由于#1-2支洞上游涌水压力大且流速较快，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度。水玻璃模数较大时，SiO2含量高，凝结时间短，结石强度高，水玻璃模数较小时，SiO2含量低，凝结时间相对较长，结石强度较低；其他条件相同时，随着水泥浆浓度的增加，凝结时间缩短；水玻璃浓度为30°～50°Be＇时，水玻璃浓度减小，凝结时间缩短。

参考其他项目经验值，当水泥浆与水玻璃体积比在1:0.4～1:0.6时，其抗压强度最高；水泥浆与水玻璃体积比为1:0.5时，凝结时间最短，为50s左右，水泥浆与水玻璃体积比为1:1时，凝结时间稍长，为120s左右。

综合考虑凝胶时间、抗压强度、施工等因素，#1-2支洞初步采用水泥浆与水玻璃体积比1:0.5，水泥浆水灰比拟采用1：1；以上配比可根据灌浆试验随时调整，以达到最佳预期效果。

3.3.4 灌浆参数

灌浆压力原则上为涌水压力的1～2倍，但为了保证围岩的稳定，初定灌浆压力为0.6～1.0MPa，并根据灌浆实际情况酌情调整，注浆速度为10～100 L／min，终压为1.0MPa。

3.3.5 注浆施工

封堵灌浆不需要造孔，采用预留排水管进行注浆，注浆前在排水管口安装阀门和注浆管路（如图3.3-1），并按照确定的配比拌制好浆液。注浆采用双液注浆机或通过两台注浆泵两条管路同时灌注。

图3.3-1   注浆管路连接示意图

注浆时喷射混凝土要达到设计强度，注浆顺序自下而上进行，先注侧墙下部，再注上部管路，最后注顶拱部位。在下部管路开始注浆时，上部排水管要全部打开，如果有水泥浆溢出时，逐渐关闭阀门，直至下部管路全部灌注结束封堵后，再灌注上部。

3.3.6 结束标准

在规定压力下，当吸浆量小于0.4L/min时，继续灌注30min即可结束,或者注浆管已封堵，无法再继续灌注。

4 灌浆注意事项

（1）灌浆施工前先进行现场试验施工，再根据现场实际情况调整灌浆参数，选定最佳值。

（2）严格控制好配合比，水和水泥要秤量，水泥浆搅拌要均匀，保证搅拌时间。

（3）搅拌好的水泥浆送至准备好的储浆斗内过滤，将浆体的块状及颗粒物质过滤掉，不断搅拌储浆斗的浆液，以防管道堵塞，保证灌浆质量及效果。

（4）沉浆时注意观察灌浆泵和孔口压力值的变化及灌浆量的变化，随时采取应变措施。

（5）每次灌浆前，要认真检查安全阀和压力表的有效性。

（6）安装高压管路和泵头各部件时，各丝口的联接必须牢固。

（7）出现串浆、冒浆现象时，除了封堵外，要采用间歇的方法灌注。

（8）灌浆操作人员必须佩戴安全帽、防护眼镜、口罩和手套等防护用品。

（9）封堵灌浆过程中和灌浆结束后，距封堵位置30～50m距离内开挖爆破作业要慎重进行，严格控制炮孔单响装药量，避免震动对灌浆段造成影响。

5 结束语

本次通过采取封堵灌浆的处理措施，达到了预期的效果，成功解决了#1-2支洞上游主洞控制段超常规涌水的难题，为后期施工中不良地质段的处理积累了经验，也对同类型工程的施工提供一定的借鉴。