隧洞富水破碎带安全高效穿越施工关键技术

隧洞富水破碎带安全高效穿越施工关键技术
摘要本文介绍了隧洞富水破碎带安全高效穿越的施工方法及工艺在某供水工程输水主洞2#隧洞中的实际应用。

主题词隧洞；富水破碎带；安全；高效穿越；关键技术
1 前言
地下洞室在开挖施工中经常会遇到涌水、涌砂、断层、塌方等地质灾害，由于地下工程地质资料的勘探难度较大且精细程度不高，往往会出现一些勘探之外的地质问题，使得地下洞室施工的难度增大，施工成本直线上升，安全危险隐患随之加大，为了保证地下洞室的施工安全和进度，如何将地下工程各种施工工艺进行优化组合使用，则是安全穿越隧洞富水破碎带需要研究的问题。

2 工程概况
该输水主洞地质条件总体较好，但在2#支洞控制洞段影响较大的主要是F17′断层。

断层组成物质、成分复杂，断层物质主要为蚀变大理岩砂、碎块岩及碎裂岩组成，岩体松散破碎，一般呈碎裂结构或散体结构，同时在地下水的不良影响下，岩体的整体强度低，隧洞开挖时极易失稳破坏，洞室围岩不稳定～极不稳定。

由于该断层主要由碎块岩及大理岩蚀变砂组成，岩体透水性强，极易发生突水。

同时，在大理岩蚀变砂分布洞段，压力水可穿透蚀变砂的岩体而发生渗透破坏，造成隧洞涌水、涌砂问题，施工处理与开挖困难。

该处洞顶埋深180m左右，开挖岩性为大理岩，为F17′断层带的起始部位，断层物质主要为大小不一的断层角砾、断层泥及溶蚀砂等，富含地下水，连通性好，稳定涌水量约240m?/h，围岩稳定性较差。

输水主洞2#洞下游掌子面8+776m自2012年12月15日发生大规模涌水后，后续又发生了几次较大的涌水、涌砂、涌泥、塌方等，经超前导水、超前预注浆以及多种超前支护的组合施工，全长350m的富水破碎带于2015年6月1日开挖至9+126m，成功穿越F17′富水破碎带断层。

3 处理原则
根据2#洞富水破碎带现场实际地质以及涌水、涌砂情况，制定了相应的应对原则：
（1）2#洞富水破碎带掌子面施工采取“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原则。

（2）隧洞出现塌方空腔时，采用与隧洞同标号的混凝土进行回填，并进行回填灌浆处理；
（3）隧洞出现涌水、涌砂时，在开挖掌子面设置混凝土止浆墙，根据出水量情况，采用常规水泥、HSC（超细水泥）、油溶性聚氨酯或水溶性聚氨酯进行阻水灌浆，观测注浆过程中断层上盘围岩受力状况，确保隧洞围岩稳定安全；
（4）灌浆完成后采用Ф108mm大管棚配合Ф45mm超前注浆小导管进行超前加固，使加固壳体能抵挡断层内水压力，具备自稳能力，确保输水洞施工期、运行期安全；
（5）隧洞掌子面开挖时，采取上、下台阶核心土法进行开挖，掌子面开挖后及时喷混凝土进行封闭，开挖完成后及时采用钢拱架、网喷混凝土及锚杆进行系统支护，下层开挖在上层开挖全部完成后再进行，并及时进行底拱钢拱架的闭合。

4 处理方法
2#洞F17′断层发生涌水、涌砂、塌方后，根据掌子面的情况首先进行掌子面封闭施工，然后进行导水和加固顶拱的施工；随着塌方规模的不断扩大，掌子面顶部出现较大的空腔，在掌子面附近浇筑止浆墙，并在止浆墙外侧采用大孔径、大角度钻孔钻进至空腔上部，运用孔内录像技术，查明空腔分布情况，安装混凝土输送泵管，通过泵送添加了絮凝剂的混凝土对空腔进行回填；采用防渗帷幕型及含水细沙型HSC注浆材料在动水条件下进行超前预注浆阻水；采用水溶性聚氨酯和油溶性聚氨酯化学灌浆材料，对涌水部位进行化学灌浆阻水；采用Ф108mm大管棚配合Ф45mm超前注浆小导管进行超前加固，采用在隧洞一侧开挖导洞对地下水进行拦截及疏导，并在掌子面进行30m以上超前钻孔，进行导水，使隧洞开挖形成少水的作业环境；采取上、下台阶核心土法进行开挖，掌子面开挖后及时喷混凝土进行封闭，开挖完成后支护及时跟进。

5 处理程序及措施
5.1 洞内排水
2#洞富水破碎带掌子面每次塌方都带有大量的涌水、涌砂情况，使得距掌子面20～30m内淤泥、淤砂严重，人员、设备难以通行，且积水较深，为了使得人员设备进入到掌子面附近，首先安排大功率、高扬程的水泵进行洞内强排水，使得洞内涌水和积水受控。

5.2 掌子面处理
洞内涌水受控后，及时安排设备进行淤泥、淤砂的清理，并将洞内部分石渣利用设备进行堆积，在掌子面形成核心土，先采用编织袋装土对掌子面进行封闭，然后采用湿喷机喷混凝土对顶拱部位的断层带进行封闭，封闭时在顶拱预埋Φ150mm的PVC管和Φ150mm排水钢管，以利排水。

5.3 空腔处理
掌子面处理稳定后，采用超前钻孔检查前方地质情况，如塌方有空腔，则采用孔内摄像技术探查空腔内情况，根据塌腔的大小而确定是采用回填混凝土还是注砂浆、水泥浆等回填方式，如空腔较大且涌水量也大，则在掌子面附近浇筑混凝土止浆墙。

并在隧洞两侧设置导水孔，导水孔打设在出水点后部，将涌水通过导水孔引排一部分。

减小砼止浆墙的施工难度，导水孔末端设置孔口管，管上设置闸阀，后续阻水灌浆时关闭阀门。

引排水施工完成后，先对空腔部位进行混凝土回填，回填时添加一定的絮凝剂，以尽量保证混凝土在水中不离析和分散。

5.4 阻水处理
2#洞富水破碎带阻水处理大体上有两种方案：一是水泥浆液注浆；二是化学浆液注浆。

（1）水泥浆液注浆阻水施工
水泥灌浆阻水分两期进行，前期采用普通水泥进行灌浆阻水，将原初露的涌水点进行阻水灌浆，封闭现有出水通道。

后期为防止现有出水通道封闭后涌水从掌子面、底板等薄弱部位出露，需对空腔部位周边的岩石采用HSC进行系统灌浆施工，灌浆结束等强完成后进行检查孔施工，检查阻水灌浆效果，灌浆达到预期效果后，进行止浆墙及空腔部位回填混凝土开挖支护施工。

前期阻水灌浆初始压力以涌水压力加上0.3Mpa为准。

灌浆过程中灌浆压力根据进浆量大小以及止浆墙灌浆时的实际情况进行适当调整，灌浆采用普硅425#水泥，浆液采用1：1和0.5：1两个配比。

先采用1：1的浆液，后采用0.5：1的浆液。

灌浆压力达到涌水压力加上0.3Mpa，延续灌注10min即可结束。

前期阻水灌浆等强完成后进行系统阻水灌浆，灌浆孔布置2排，第一排灌浆孔沿隧洞开挖轮廓线全周进行布置，第二排根据第一排灌浆情况随机布置，系统灌浆孔间距2m，孔径Φ80mm，孔深根据现场情况进行确定，边墙及顶拱外插角度为15°，底板外插角度为20°，钻孔深度以入岩2m为准。

钻孔深度可根据实际情况进行调整。

系统灌浆时灌浆孔口部位设置孔口钢管，管径80mm，长度3.5m，外露0.5m，系统灌浆孔孔口部位的钻孔直径为90mm。

钻孔完成后采用锚固剂将孔口管固定牢固，并设置阀门，焊接灌浆管，阀门的抗压强度不小于 2.5Mpa。

灌浆水泥采用HSC（含水细沙型）水泥，以保障灌浆效果，水泥浆液比采用0.8：1，灌浆压力为0.3～0.5Mpa。

（2）化学浆液注浆阻水施工
前期水泥灌浆结束后进行了检查孔施工，个别检查孔仍有出水的情况，为了保证开挖施工安全，需采用化学灌浆材料进一步进行阻水灌浆处理。

化学灌浆施工总体分三个阶段，第一阶段灌浆旨在初步控制止水墙后大流量涌水；第二阶段在第一阶段灌浆孔深度基础上，加深钻孔，扩大止水灌浆范围；第三阶段对塌方段顶部进行深孔固结灌浆，保证后续开挖掘进施工的安全。

前一阶段化学灌浆结
束后，通过钻孔对效果进行评估，进而优化下一阶段化学灌浆工艺参数。

化学灌浆程序按钻一孔、灌一孔的方法推进，按照由左向右、自下而上的顺序施工。

在混凝土止浆墙区域布孔，自下而上进行布孔，钻孔方向平行于洞轴线，钻孔孔深以穿透止水墙出现涌水为止。

为了防止钻孔过程中突发涌水，在钻孔深度未达富水区之前埋设孔口管，端头焊接法兰盘，方便和灌浆装置连接。

灌浆管系统由射浆管、法兰盘、压力表、阀门等组合而成。

射浆管采用Ф30mm 钢管，长度保证插入孔内射浆端距孔底不大于50cm。

要求法兰连接后紧固不漏浆。

双组分油溶性聚氨酯在灌浆前需要按比例在吸浆桶中混合。

B组分引发剂按A组分的5%～10%添加，具体比例要根据现场情况试验决定。

采用孔口封闭纯压式灌注，灌浆压力大于涌水压力0.5MPa。

灌浆设备选用两台CW100-2.5化灌泵并联到进浆管，灌浆先使用其中一台，另一台备用，当工作泵出现故障时，阀门快速转换至另一台泵，保证灌浆不间断。

大流量灌注，直至压力陡增，管路固化堵塞即结束。

为了检查灌浆效果，利用钻检查孔方式对塌方有水区域进行了全面检查，检查孔沿混凝土止浆墙周边布设，间距1.0m左右，孔向均向洞室外侧偏斜，孔深要求穿过结合面并进入围岩。

根据检查孔偏斜角度及接缝深度估算，其化学灌浆的有效灌浆范围比洞室断面至少向外扩展2.0m以上，达到了预期的目的。

5.5 超前支护措施
2#洞穿越富水破碎带期间，隧洞的超前支护必须提前施工，超前支护主要有大管棚施工，超前注浆小导管施工。

（1）管棚施工
长管棚直径为108mm，间距50cm。

布置在顶拱180°范围，管棚钻孔外插角为3°，采用专业管棚钻机（RPD）进行钻孔，钻机开钻时，应低速低压，待成孔10m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。

钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。

为了加强管棚的抗折强度，在φ108钢管内设钢筋束。

钢筋束采用4根主筋为25mm的螺纹钢，主筋采用搭接焊接，搭接长度为10d或25cm。

管棚及钢筋束安装完成后进行注浆，浆液采用水灰比为0.8：1的超细帷幕型水泥浆液，注浆顺序原则上由低孔位向高孔位进行。

首先对钢花管进行单液注浆，注浆压力取0.5～3.0MPa，根据出水压力实际情况调整注浆参数。

（2）超前小导管施工
超前小导管施工是沿洞室纵向开挖轮廓线向外以10°～20°的外插角钻孔。

向掌子面施打Φ45的带溢浆孔的小导管并进行注浆，充分填充围岩空隙，形成一
定厚度的结合体，其作用是稳定掌子面前方的岩体，以达到控制开挖松弛、崩塌、沉降，从而提高掌子面的自稳性。

超前小导管钻孔环向间距500mm。

注浆分两次压浆，第一次注纯水泥浆，二次压浆采用超细水泥和水玻璃浆液。

5.7 掌子面开挖
隧洞掌子面大管棚及超前小导管均施工完成且强度达到设计要求后，进行掌子面的钻爆开挖施工，掌子面分为上、下两层进行开挖，且上层开挖需预留核心土，待开挖出露围岩钢拱架及系统支护完成后方可进行核心土挖除，每个循环的进尺满足一榀钢拱架支立距离即可，上层全部开挖完成再进行下层开挖，下层开挖后，及时进行钢拱架支腿延伸和底拱钢拱架的连接、封闭，使得隧洞的钢拱架形成闭合的整体，确保隧洞安全。

6 施工总结
2#隧洞富水破碎带穿越的关键施工技术研究不在于新技术、新设备、新工艺的研究，而在于对现有的设备、材料、施工工艺的优化组合和研究，如果隧洞出水，我们就研究止水的方法，隧洞塌方，我们就研究加固的方法，这样做就会形成“头疼医头脚疼医脚”的情况。

我们需要的是将各种施工方案进行组合、优化，以达到组合方案的最大效果。

通过本工程施工技术研究，隧洞涌水涌砂段施工，光靠灌浆阻水，并不能达到预期的效果，因为岩石遇水砂化，浆液在含砂段的扩散半径有限，通过灌浆无法在开挖设计轮廓线附近形成封闭的阻水环，达不到完全阻水的目的，需要设置导水孔，采取灌浆阻水和导水相结合，可以把水阻止在设计轮廓线范围以外，降低开挖支护施工难度，另外超前支护和开挖方案的选择也是至关重要的。

依托2#洞富水破碎带关键技术研究，我们成功地掌握了隧洞富水破碎带高效、安全穿越这一关键技术的组合。

（1）采取大孔径、大角度钻孔钻进至空腔上部，运用孔内录像技术，查明空腔分布情况，安装混凝土输送泵管，通过泵送添加了絮凝剂的混凝土对空腔进行回填施工工艺及方法可行，在涌水状态下回填砼中掺加7%的絮凝剂，能够保证混凝土在水中不离析、分散。

（2）采用水灰比0.8：1，灌浆压力大于外水压力0.5Mpa，浆液初凝时间30min 的HSC防渗帷幕型及含水细沙型注浆材料，在动水条件下的超前预注浆进行阻水的工艺及方法可行，能够起到较好的效果。

经开挖阶段观察分析其含砂段浆液扩散半径0.5m左右，碎裂岩段浆液扩散半径1.5m左右。

（3）对涌水部位进行化学灌浆其孔口涌水量大于50L/min时，采用SY-油溶性聚氨酯灌注；灌浆孔口涌水量小于50L/min大于10L/min时，采用SY-水溶性聚氨酯灌注，采用孔口封闭纯压式灌注，灌浆压力大于涌水压力0.5MPa，阻水效果显著；灌浆孔口涌水量小于10L/min时，采用常规水泥浆液进行灌注。

（4）在2#洞右侧增加平行导洞，导洞断面尺寸与主洞相同，对地下水进行拦截及疏导，使主洞形成少水环境的施工方法可行，保证了不良地质段开挖支护施工的正常进行。

7 结束语
通过2#洞富水破碎带穿越关键技术的研究，我们将隧洞施工的每一项常规技术进行了更深一步的研究，对各个隧洞施工方案进行了最佳的优化组合，对每项技术方案的参数进行了详细的试验和对比，从而总结出了一套最优的富水破碎带穿越技术参数，为以后类似项目出现相同问题积累了丰富的实践经验。