劉志斌

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 工程概況

小浪底引黃工程某支洞長1 198.9 m，斷面為城門洞形，開挖斷面尺寸4.69 m×4.12 m（寬×高）。支洞穿過地層主要分為太古界絳縣群界牌梁組（Ptzj）、橫嶺關(guān)組（Ajh）與元古界中條群龍峪組（Ptzl）、余元下組（Ptzy），巖性主要為石英巖、石英片巖、變酸性火山巖、變基性火山巖、黑云絹云片巖及透閃大理巖、白云石大理巖等與斷層角礫巖，地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，洞線穿越倒轉(zhuǎn)向斜，處于兩斷層之間，平行或小角度斜交兩斷層。向斜核部巖層直立倒轉(zhuǎn)，牽引拖掩褶曲發(fā)育，裂隙巖溶水與斷層裂隙水豐富，具有承壓性。

本洞段正處于向斜核部、F10斷層與F22斷層交匯處，地下水處于大理巖層內(nèi)，受斷層影響，巖溶水具有貫通性。斷層又橫切地表河流，河流水與地下水貫通，地下水具有明顯的承壓性，為巖溶裂隙承壓水。在施工過程中可見巖溶水的位置是不固定的，隨著斷層的切割，匯水于斷層帶內(nèi)，隨著隧洞的深度加深，地下水的承壓性越來越大，水量也越來越大。而F10斷層平行支洞洞軸線和倒轉(zhuǎn)向斜軸向，橫切主洞線和河流，為地下水的主要通道，其地下水水量短時間內(nèi)不可能減少，不但對支洞開挖有影響，對主支洞交叉段以及主洞的開挖也極為不利。

2 突發(fā)涌水情況及緊急措施

在進(jìn)行樁號0+857掌子面開挖作業(yè)時，左下角鉆孔過程中突然噴出一股強(qiáng)勢水流，將鉆桿噴出，水柱噴出20余米，水位迅速上漲，由于涌水量太大，很快將掌子面淹沒，估計當(dāng)時出水量達(dá)375 m3/h，排水速度遠(yuǎn)小于水位上升速度，經(jīng)過最終努力，將水位控制在樁號0+477處，淹沒洞長約380 m。原因分析，鉆孔過程中切斷承壓水層所至。

3 堵水施工思路及施工方案

3.1 施工思路

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，施工采用堵排水結(jié)合，以堵水為主，排水為輔，將掌子面處排水量控制在最小范圍，以便能夠鉆孔裝藥、爆破出渣作業(yè)。

先加大排水能力將水位降低至掌子面后，計劃分四步進(jìn)行堵水：第一步對較大出水范圍段及其他單點(diǎn)出水孔進(jìn)行注漿堵水，以減少往掌子面處匯水量；第二步對存在裂隙出水和巖石較破碎洞段進(jìn)行全斷面帷幕注漿；第三步對掌子面突水孔進(jìn)行注漿封堵；第四步對以后未開挖洞段，每15 m一個循環(huán)進(jìn)行超前預(yù)注漿，直至開挖掌子面出水量減少至可以方便開挖作業(yè)時，不再進(jìn)行超前預(yù)注漿。

掌子面下游超前預(yù)注漿是利用注漿壓力將漿液有效擴(kuò)散到含水裂隙及導(dǎo)水通道內(nèi)，堵塞該段巖層的裂隙，使開挖面形成一定范圍的隔水帷幕墻，改變巖層結(jié)構(gòu)，提高該段整體抗壓及抗?jié)B透性，降低出水量，減少排水量，避免繼續(xù)出現(xiàn)突涌水事故，保證能夠繼續(xù)開始掘進(jìn)施工。

3.2 掌子面突水孔封堵注漿

在掌子面上游側(cè)壁2～3 m處開挖水倉，降低現(xiàn)有水位，清除石渣，露出左下側(cè)大的突水孔。

對掌子面已有鉆孔安裝Φ25×1 m注漿管，并用固孔器固定。

針對左下側(cè)突水孔處理，安裝Φ25×1 m注漿管，并用固孔器固定。如在安裝過程中，因水壓過大無法固定，首先對其1 m周邊鉆設(shè)泄壓孔，泄壓孔孔徑Φ42 mm、孔深2 m；施工過程中如不能滿足泄壓要求，改用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆鉆泄壓孔，泄壓孔孔徑Φ60 mm、孔深1.5 m安裝Φ50 mm套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制突水量。

先周邊孔注漿，后突水孔注漿，注漿管均采用Φ25鋼管。

3.3 掌子面超前預(yù)注漿堵水

在對掌子面突水孔進(jìn)行注漿封堵后，出水量減少至巖面有滲水點(diǎn)但無明顯涌流現(xiàn)象，注漿封堵效果較好。為下一步能進(jìn)行隧洞開挖，還必須對掌子面之后巖石進(jìn)行超前預(yù)注漿處理，每一超前預(yù)注將循環(huán)長度15 m，直至穿過此斷層切割帶。

3.3.1 孔位布置及鉆孔參數(shù)設(shè)計

本段鉆孔分三序鉆孔，Ⅰ序孔采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔；Ⅱ、Ⅲ序孔采用Zyj-380/210液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔，孔位布置見鉆孔示意圖1、圖2，Ⅰ序孔孔深4 m及鉆孔角度傾角30°；Ⅱ序孔孔深7 m及鉆孔角度傾角20°；Ⅲ序孔孔深17 m及鉆孔角度傾角13°。

圖1 掌子面超前預(yù)注漿Ⅰ、Ⅱ序孔鉆孔示意圖

圖2 掌子面超前預(yù)注漿Ⅲ序孔鉆孔示意圖

3.3.2 超前預(yù)注漿循環(huán)及施工方法

為了達(dá)到較好的封堵效果，每個注漿循環(huán)為15m，然后掘進(jìn)10 m，預(yù)留5 m，再進(jìn)行下一注漿循環(huán)，施工中根據(jù)鉆孔施工參數(shù)提供內(nèi)容進(jìn)行鉆孔、注漿，具體為先按照Ⅰ、Ⅱ序鉆孔及注漿（19個孔），再按Ⅲ序孔鉆孔示意圖進(jìn)行Ⅲ序孔的鉆孔及注漿（25個孔）。

3.3.2.1 正常工況下鉆孔

序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開孔Φ60 mm，孔深2 m,安裝Φ50 mm×2 m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，用風(fēng)鉆鉆孔，孔徑Φ42，孔深4 m,注漿管Φ25 mm長度2 m，鉆孔19個。

Ⅱ序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開孔Φ91 mm，孔深2 m,安裝Φ75 mm×2 m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，換小鉆頭，孔徑Φ60，孔深7 m，注漿管Φ25 mm長度2 m，鉆孔19個。

Ⅲ序孔先用液壓架柱式回轉(zhuǎn)鉆機(jī)開孔Φ91 mm，孔深2 m,安裝Φ75 mm×3 m套管，套管前端鉸接方式安裝法蘭盤，法蘭盤上焊接Φ25鋼管并安裝球閥，以便于控制涌水量。安裝套管后，換小鉆頭，孔徑Φ60，注漿管Φ25 mm長度3 m，外圍孔（周邊孔）孔深17 m，中間孔孔深15 m，鉆孔共25個。

3.3.2.2 不良地質(zhì)工況下鉆孔

如圍巖破碎鉆孔無法成形，沿孔深全長安裝套管（Ⅰ序孔4 m、Ⅱ序孔7 m、Ⅲ序孔17 m），安裝Φ25 mm注漿花管，長度分別為3.5 m、6.5 m、16.5 m。

如鉆孔未達(dá)到設(shè)計深度時發(fā)生大突涌水，緊急關(guān)閉法蘭盤后注漿，待漿液凝固24 h后，沿該孔位進(jìn)行掃孔后，繼續(xù)鉆灌，達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)圍巖情況、外水壓力情況及時調(diào)整套管長度，套管長度范圍2～5 m。套管安裝形式見圖3所示。

圖3 安裝套管后示意圖

3.4 注漿

3.4.1 注漿器材

由于圍巖裂隙發(fā)育，出水量大、壓力大，注漿材料應(yīng)能保證快速封堵涌水裂隙。

注漿材料采用低密度、擴(kuò)散性強(qiáng)、無污染的DS系列化學(xué)灌漿材料，DS系列化灌材料具有凝結(jié)時間短、粘結(jié)力強(qiáng)、固體抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可與水泥混合灌注，漿液通過灌漿泵的壓力推動滲透、擴(kuò)散至巖石涌水裂隙，形成隔水帷幕，并將圍巖凝結(jié)成一個整體，達(dá)到封堵出水目的，同時起到圍巖固結(jié)作用。DS化學(xué)堵水材料參數(shù)見表1。

注漿管采用Φ25鋼管，鋼管長度根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場調(diào)整。

3.4.2 注漿壓力

注漿壓力是最重要的參數(shù)之一，目前水頭壓力約3 MPa，注漿終壓采用6 MPa。

3.4.3 注漿前試驗(yàn)

1）管路耐壓試驗(yàn)。當(dāng)整套注漿系統(tǒng)準(zhǔn)備完畢后，開泵打壓清水，逐漸加壓到壓力表值0.3 M P a，并維持1 0～1 5 m i n不泄壓為合格。

表1 DS化學(xué)堵水材料參數(shù)表

2）含水層壓水試驗(yàn)。管路耐壓合格后，將收水管閘閥打開，對含水層做壓水試驗(yàn)。據(jù)壓水試驗(yàn)中單位鉆孔吸水量確定漿液起始濃度和各種系數(shù)，做為施工的參考依據(jù)，壓水試驗(yàn)結(jié)束并符合要求后，開始注漿。

3.4.4 注漿作業(yè)

選用DS系列化學(xué)堵水材料和水泥漿交叉注漿。

根據(jù)涌水狀況選用注漿材料配比，當(dāng)孔內(nèi)涌水量小時，水灰比W∶C=2∶1～0.8∶1，孔內(nèi)涌水量較大時，水灰比W∶C=1∶1～0.6∶1。

當(dāng)注漿壓力上升到5 MPa左右時，若無法控制跑漿時，開始注入DS化學(xué)漿，直到達(dá)到設(shè)計終壓6 MPa。

根據(jù)水泵的壓水流量，決定注漿孔的起始濃度及凝結(jié)時間，然后開始注漿，當(dāng)漿液注入滲水裂隙后，要根據(jù)注漿壓力表的變化以及注漿量的變化，對各項(xiàng)注漿參數(shù)進(jìn)行控制和調(diào)整。隨著注漿的進(jìn)行，后期孔的注漿量比前期孔有明顯減少，則帷幕逐漸形成。

注漿時一般由稀漿液到濃漿液，逐級加大，達(dá)到設(shè)計壓力值時停止注漿，30 min后卸下注漿管路，擰緊螺母即可。注漿壓力應(yīng)由低向高逐漸加壓，當(dāng)一次注漿達(dá)不到終壓而注入量較大時，可暫停注漿，待2天后再復(fù)注，直到本孔段達(dá)到終壓。

3.4.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿壓力呈規(guī)律性增加，并達(dá)到注漿設(shè)計終壓6 MPa，經(jīng)改變漿液的種類、配比后仍不能注入漿液，即停止該孔注入。

達(dá)到注漿終壓時最小吸漿量為10～20 L/min，時間為10～15 min。

4 結(jié)束語

由于該超前預(yù)注漿堵水方案的實(shí)施，使隧洞順利排除了突涌水后的不良后果，施工期間未發(fā)生任何質(zhì)量安全事故。為工程不良地質(zhì)段突涌水后處理提供了值的比對的事例。