淺談長(zhǎng)距離隧洞高壓富水段超前預(yù)注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

李文俊，李玉光

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

某生態(tài)保護(hù)一期工程，其調(diào)水隧洞總長(zhǎng)約42km，橫跨多個(gè)地層，存在高地應(yīng)力、高富水、大斷層等不良地質(zhì)因素，給工程施工帶來(lái)了很多不便，尤其是本文探討的輸水隧洞主體工程土建Ⅱ標(biāo)段，此標(biāo)段采用鉆爆法施工，斜井支洞為施工支洞，支洞長(zhǎng)533.07m，縱坡38.64%，為馬蹄形斷面。自隧洞斜井支洞口進(jìn)入，首先進(jìn)行支洞施工，后進(jìn)入輸水隧洞向上、下游掘進(jìn)。由于本隧洞工程存在多種地層巖性，增加了施工的難度，高承壓水水頭下的高富水洞段施工尤為困難，如何解決這一難題，同時(shí)加快工程施工，本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外含水洞段的灌漿施工基礎(chǔ)上，提出以超前預(yù)注漿為主要手段，來(lái)探討此方法在高富水洞段的阻水效果，從而達(dá)到分享成果，交流經(jīng)驗(yàn)的目的，希望本文能給受到此類問(wèn)題困擾的水利工程建設(shè)者帶來(lái)這些啟發(fā)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而推動(dòng)該類工程施工。

2 高壓富水洞段分析

2.1 地質(zhì)分析

該高壓富水洞段隧洞圍巖為志留系(S2j)硅質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，段內(nèi)發(fā)育有F斷層及F69的兩個(gè)分支斷裂。斷層帶附近發(fā)育有糜棱巖、碎裂巖，風(fēng)化卸荷帶內(nèi)的裂隙也有泥質(zhì)及巖屑充填。洞線附近地下水屬基巖承壓水，承壓水水頭高(高出洞線384～426m)、流量大的特點(diǎn)。具體高承壓水與洞身的相互位置關(guān)系如高承壓水與洞身的相互位置關(guān)系如圖1所示。樁號(hào)6+500～6+700、7+100～7+300附近洞段巖體破碎，承壓水頭高，掌子面涌水、突泥、涌砂危險(xiǎn)性大，頂?shù)装逋挥课ｋU(xiǎn)性大，最大涌水量達(dá)到162971m3/d，單點(diǎn)突涌水量為30058m3/d。

2.2 鉆孔分析

當(dāng)隧洞下游掘進(jìn)至樁號(hào)6+120處實(shí)施了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。掌子面6+120處上臺(tái)階進(jìn)行了三孔的超前地質(zhì)鉆探，鉆孔位置詳見(jiàn)掌子面6+120處超前鉆探孔位布置如圖2所示及掌子面樁號(hào)6+120鉆孔情況見(jiàn)表1。

根據(jù)鉆孔情況初步判斷，6+130～6+147之間圍巖較破碎，可能存在一處小的斷層破碎帶。右側(cè)2#鉆孔在6+130處出現(xiàn)動(dòng)水壓力約1.9MPa，水量約29m3/h高外水；3#鉆孔在6+163處出現(xiàn)水量約60～70m3/h，估測(cè)水壓約3.0MPa的高外水。3#鉆孔在鉆進(jìn)出水后，2#鉆孔水量、水壓沒(méi)有明顯降低，若考慮2#鉆孔外水與3#鉆孔外水為同一高壓富水帶，宏觀判斷該高壓富水帶與主洞洞軸線成約17°的夾角。根據(jù)該角度判斷主洞6+084～6+111段開挖輪廓線距離高壓富水帶距離約7～15m。詳見(jiàn)掌子面6+120處超前鉆探宏觀判斷分析如圖3所示。

圖1 高承壓水與洞身的相互位置關(guān)系

表1 掌子面樁號(hào)6+120鉆孔情況匯總表

圖2 掌子面6+120處超前鉆探孔位布置示意圖

通過(guò)鉆孔及物探揭示，掌子面6+120前方存在斷層區(qū)和富水區(qū)，確定在6+120掌子面開展工藝灌漿試驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)方案選定及要求

本試驗(yàn)方案擬采用前進(jìn)式鉆孔注漿，鉆孔長(zhǎng)度根據(jù)鉆機(jī)過(guò)程中圍巖條件、水量及水壓進(jìn)行調(diào)整，原則上不大于10m。出現(xiàn)以下情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整：凡遇斷層破碎帶，應(yīng)繼續(xù)鉆進(jìn)并深入破碎帶1m后停鉆即為分段長(zhǎng)度，鉆遇突然涌水量大于100m3/h，水壓大于3MPa時(shí)應(yīng)停止鉆進(jìn)即為一個(gè)分段長(zhǎng)度。

開孔孔位必須嚴(yán)格按照施工圖紙定的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量放線定位，鉆機(jī)水平放置并固定牢固，鉆進(jìn)過(guò)程中不得產(chǎn)生跳動(dòng)和位移，各區(qū)(段)鉆孔開孔允許誤差見(jiàn)表2，實(shí)際開孔孔位應(yīng)有記錄。

表2 鉆孔開孔允許誤差

為達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)，鉆進(jìn)中每隔5～6m左右測(cè)量一次孔斜，記錄偏斜情況，分析原因并及時(shí)加以糾正，鉆孔最大偏斜率規(guī)定見(jiàn)表3。

表3 鉆孔最大偏斜率規(guī)定

圖3 掌子面6+120處超前鉆探宏觀判斷分析圖

4 工藝性灌漿試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料選擇及配比

采用52.5普通硅酸鹽水泥，水泥細(xì)度為通過(guò)80μm方孔篩的篩余量不大于5%，可擇機(jī)采用早強(qiáng)水泥；水玻璃溶液的模數(shù)(m)為2.4～2.8，其濃度一律采用35波美度(比重1.318)。

水泥漿液采用水灰比為3∶1、2∶1、1∶1、0.7∶1和0.5∶1；漿液配比計(jì)量誤差應(yīng)小于5%；水泥單漿液摻5%水玻璃漿液：水泥單漿液摻5%水玻璃漿液按照水灰比1∶1、0.5∶1(重量比)的水泥漿液摻5%水玻璃做配比注漿；早強(qiáng)外摻劑漿液在封孔閉漿情況下，擬采用濃漿外摻重量比1%～5%速凝劑的方式加快封孔漿液的早強(qiáng)，達(dá)到1天內(nèi)掃孔進(jìn)行下一循環(huán)鉆灌。

4.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

采用型鋼門架搭設(shè)鉆孔平臺(tái)。鉆機(jī)底部加工制作工字鋼托架，鉆機(jī)托架采用連接板與鉆孔平臺(tái)橫梁進(jìn)行螺栓連接，做到方便快捷的挪機(jī)，進(jìn)而提高鉆孔功效。鉆機(jī)移動(dòng)采用電動(dòng)葫蘆進(jìn)行快速移動(dòng)，在1#/6#鉆孔頂部掛設(shè)定滑輪，在地面布設(shè)電動(dòng)葫蘆，通過(guò)電動(dòng)葫蘆與定滑輪的組合進(jìn)行鉆機(jī)快速上下移動(dòng)。在2#/5#鉆孔布設(shè)定滑輪，通過(guò)手動(dòng)葫蘆+定滑輪進(jìn)行鉆機(jī)橫向牽引移動(dòng)。

所用自動(dòng)化制漿系統(tǒng)制漿能力8000L/h；主要2臺(tái)型號(hào)為3SNS的灌漿泵，額定功率18.5kW；3臺(tái)型號(hào)為HS-B8的砂漿泵額定功率18.5kW，其中備用一臺(tái)等其他輔助設(shè)備。

4.3 孔位布置及參數(shù)要求

超前預(yù)注漿孔數(shù)暫定為半徑3m的圓周上布設(shè)6個(gè)孔，鉆孔為水平孔，根據(jù)注漿效果進(jìn)行孔數(shù)的增減優(yōu)化；如超前預(yù)注漿試驗(yàn)孔位布置如圖4所示。

圖4 超前預(yù)注漿試驗(yàn)孔位布置示意圖

采用兩臺(tái)50A鉆機(jī)同時(shí)鉆孔，根據(jù)孔位布置，采用對(duì)稱鉆孔的方式進(jìn)行鉆孔灌漿施工，優(yōu)先鉆孔1#、4#→3#、6#→2#、5#。

根據(jù)規(guī)范參考值確定，在最大灌漿壓力6MPa的情況下，初步確定孔口管埋設(shè)深度L=5m，并在孔口設(shè)置封孔裝置；孔口管采用Φ125無(wú)縫鋼管制作花管，花管孔徑8～10mm，對(duì)稱布設(shè)，孔間距20cm，端頭1m不設(shè)灌漿孔作為止?jié){段；孔口管端頭采用法蘭盤+高壓鋼絲墊+Φ125高壓球閥(耐高壓10～15MPa)裝置防高壓水突涌。高壓球閥后部安裝Φ80的耐高壓10MPa的高壓球閥作為泄壓水孔，安裝Φ25的耐高壓10MPa高壓球閥作為注漿孔。

4.4 灌漿結(jié)束與封孔標(biāo)準(zhǔn)

灌注水泥及水泥-水玻璃雙液漿時(shí)，當(dāng)灌漿段在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，注入率不大于1L/min后，繼續(xù)灌注30min，可結(jié)束灌漿。

灌注水泥-水玻璃雙液漿時(shí)，先開水泥漿泵再開水玻璃溶液泵，灌漿結(jié)束或中途因故停止灌漿時(shí)，先關(guān)水玻璃溶液漿，后關(guān)水泥漿泵。

當(dāng)超前預(yù)注漿全孔灌漿達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)驗(yàn)收合格后，應(yīng)及時(shí)做好封孔工作，封孔采用機(jī)械壓漿法。

5 成果分析及特殊處理

5.1 成果分析

灌漿成果統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)6+120掌子面超前預(yù)注漿工藝性試驗(yàn)灌漿成果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4，注漿有效性見(jiàn)灌漿前后水量分析對(duì)比如圖5—11所示。

表4 6+120掌子面超前預(yù)注漿工藝性試驗(yàn)灌漿成果統(tǒng)計(jì)表

圖5 1#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

圖6 2#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

圖7 3#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

圖8 4#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

圖9 5#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

圖10 6#孔灌漿前后水量分析對(duì)比

綜合灌漿情況1#孔(1點(diǎn)鐘方向)單位注灰量為0.9t/m，為6孔中最大，其中26～30m單位注入量2.2t/m、40～65m單位注入量1.6t/m；3#孔(5點(diǎn)鐘方向)單位注灰量為0.15t/m，6孔中最小。

從柱狀水量對(duì)比圖可以看出，灌后水量明顯減少或基本無(wú)水，注漿達(dá)到一定效果。

5.2 特殊情況處理

超前預(yù)注漿輔助孔灌漿時(shí)，當(dāng)灌漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不能達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí)，應(yīng)降低壓力至0，以降低漿液擴(kuò)散速度，增大漿液擴(kuò)散通道，當(dāng)漿液初凝后，逐漸緩慢加壓至設(shè)計(jì)灌漿壓力，已達(dá)到灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)；在加壓過(guò)程中，特別應(yīng)注漿加壓速度，以避免破壞暫時(shí)封閉的裂隙。

超前預(yù)注漿輔助孔灌漿時(shí)，當(dāng)灌漿壓力在短時(shí)間內(nèi)，快速達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，單位吸漿量較小時(shí)，應(yīng)延長(zhǎng)漿液反應(yīng)時(shí)間，增大漿液擴(kuò)散半徑，以達(dá)到設(shè)計(jì)擴(kuò)散半徑。

超前預(yù)注漿，對(duì)吸漿量長(zhǎng)時(shí)間不減小，壓力升高及其緩慢的灌漿孔段，應(yīng)采用“定量供漿、間歇灌注”的方式處理，單液漿間歇時(shí)間不宜少于12h，雙液漿間歇時(shí)間不宜少于4h。

超前預(yù)注漿發(fā)生鄰孔串漿時(shí)，有條件者可兩孔同時(shí)灌注，否則應(yīng)用灌漿塞封堵串漿孔，當(dāng)結(jié)束灌漿后，對(duì)串漿孔再進(jìn)行掃孔、灌漿。為此要求各灌漿孔在鉆進(jìn)時(shí)盡可能前后錯(cuò)開一定距離。

超前預(yù)注漿發(fā)生故障中斷灌漿時(shí)，應(yīng)盡可能縮短中斷時(shí)間，及早恢復(fù)灌漿，中斷時(shí)間超過(guò)30min(單液漿)，應(yīng)立即洗孔，否則應(yīng)在灌漿前進(jìn)行掃孔。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)在樁號(hào)6+120處進(jìn)行的高壓富水隧洞段超前預(yù)注漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)注漿止水效果良好。

(2)試驗(yàn)有效的檢驗(yàn)了自制鉆孔平臺(tái)+潛孔鉆機(jī)、檢驗(yàn)注漿設(shè)備、孔口封閉器等設(shè)備選型的工作效率、安全性及合理性。

(3)試驗(yàn)為后續(xù)超前預(yù)注漿施工生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)依據(jù)，為類似工程提供借鑒。

(4)試驗(yàn)為超前預(yù)注漿施工功效、工程造價(jià)分析、灌漿工程優(yōu)化及隧洞標(biāo)段整體工程進(jìn)度計(jì)劃提供依據(jù)。