引水隧洞穿越浅埋冲沟段地表灌浆超前处理施工技术

引水隧洞穿越浅埋冲沟段地表灌浆超前处理施工技术

蔺凤林

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司 新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要：引水隧洞穿越浅埋冲沟段是隧洞施工的难点。本文针对新疆某引水隧洞穿越浅埋冲沟段的施工，分析了浅埋冲沟段的地质特征和围岩灾害特征，建立了隧洞穿越浅埋冲沟段的超前预支护策略及流程。研究表明：浅埋冲沟区段地质条件复杂、多变，施工过程中若采取的支护措施不当，极易造成掌子面、岩壁及拱顶围岩失稳，产生塌方灾害，易造成卡机，增加安全风险和施工成本。本文提出结合“地表固结灌浆”处理的施工策略和流程，可成功解决浅埋冲沟段掘进难题。研究成果可为类似工程的施工提供经验与指导。

关键词：引水隧洞；浅埋冲沟段；地表固结灌浆；工艺流程

中图分类号：TU457             文献标识码：A       文章编号：

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作者简介：蔺凤林（1988年6月-），男，甘肃陇西人，工程师，主要从事水利工程地质勘察、施工工作，对深埋隧道地质灾害的防治与安全施工管理有深入的研究。

邮箱：401767154@qq.com

1 工程概况

XE5#隧洞全长34.751km，采用TBM和钻爆法相结合方式进行开挖，TBM从5#隧洞出口向上游逆坡掘进，分三段开挖，总长度26.521km，开挖洞径7.8m，纵坡i=1/2310。目前TBM5-1、TBM5-2段已掘进完成，TBM5-3正在施工，目前已掘进2320m。

工程区位于阿尔泰山南坡剥蚀构造低山丘陵区地貌，总地势北高南低，由北西向南东缓慢倾斜，海拔高程650～800m，地形起伏不大，多为剥蚀残丘，基岩大多裸露，隧洞揭露的地层岩性主要为：二长片麻岩、二长变粒岩、二云母石英片岩、变质砂岩、黑云母斜长片麻岩、黑云长英角岩、花岗岩、黑云母角闪斜长岩，岩性复杂、多变，隧道围岩地质赋存条件复杂。当TBM5-3掘进到桩号K119+410附近时，已进入浅埋冲沟段，该部位隧洞埋深75～78m。穿越浅埋冲沟段的长度约200m。浅埋冲沟段围岩破碎宽度大，破碎程度及裂隙充填物情况复杂，岩体强度低、遇水软化泥化、裂隙分布广、地下水运移无规律。复杂的地质环境导致围岩稳定性差，施工过程中掉块、塌方灾害频发。

2 浅埋冲沟段围岩地质特征与施工难点

2.1 浅埋冲沟段围岩地质特征

桩号K119+437～K119+495段：该段位于浅埋冲沟段及底部附近，隧洞埋深75～78m，桩号K119+470～上游段岩性为花岗片麻岩，片麻状结构，局部可见糜棱岩，局部岩石具有蚀变。桩号119+470～下游段岩性为灰白色变质花岗岩，块状结构，局部可见石英片岩，呈透镜状分部。该段发育2条NNW向断层，分别在桩号K119+456、K119+470拱顶各发育一条NNW向断层，产状分别是：330°SW∠65°、345°NE∠65°，断层带宽0.2～0.3m，影响带宽3～5m，断层面起伏、粗糙，带内以挤压碎裂岩、断层角砾岩及断层泥为主，局部断面见1～5mm的泥膜，断层与洞轴线呈大角度相交，断层附近岩体破碎，对洞室稳定性影响较大。

该段主要发育NWW、NW、NNW、NNE向节理，产状分别如下：①285-300°SW或NE∠45-65°，节理面起伏、粗糙，闭合～张开，局部面内充填1～10mm的岩屑，长度12～15m，与洞轴线小角度相交，位于左壁～拱顶。②330°SW或NE∠45-65°，节理面起伏、粗糙，闭合～微张，局部面内充填1～5mm的岩屑，长度6～10m，与洞轴线大角度相交，位于拱顶。③355°NE∠65°，节理面起伏、粗糙，闭合～张开，局部面内充填1～10mm的岩屑，长度>10m，与洞轴线大角度相交，位于拱顶。④15-25°NW或SE∠45-75°，节理面起伏、粗糙，闭合～张开，局部面内充填1～20mm的岩屑、泥膜，局部平行发育2条，间距0.5～4m，长度>10m，与洞轴线大角度相交，位于拱顶。

该段为贫水区，地下不水发育，局部裂隙面可见少量渗水、滴水，其中桩号K119+470附近为弱富水区，地下水发育，裂隙面可见渗水、滴水及线状流水，初估水量约2～3m3/h。该段受断层、节理裂隙组合切割及地下水影响，在桩号K119+447～119+480左右壁～拱顶（水流方向8:30～3:00）岩体破碎严重，强度低，层间结合差，多呈松散碎块石坍塌掉落，形成轴向长约33m，环向宽2～4m，径向深0.5～3m塌腔，桩号K119+485～K119+495右壁～拱顶（水流方向11:30～2:30）岩体破碎严重，强度低，层间结合差，多呈松散碎块石坍塌掉落，形成轴向长约10m，环向宽2～3m，径向深0.5～2.5m塌腔，塌腔部位碎块石块径一般5～20cm，最大约30cm。该段下半洞岩体较完整～完整，该段上半洞岩体完整性差～破碎，围岩不稳定。

K119+437～K119+495段TBM掘进参数如下：刀盘推力4634～9846KN，贯入度6.0～24.5mm/rev，刀盘转速1.2～5rpm，刀盘扭矩524～1167KN

·m。

结合上文对岩石性质、节理、地下水发育程度和TBM参数的分析，K119+437～K119+495段围岩结构面互相交错切割，层间结合力差，导致围岩破碎，综合判断该段以Ⅲb类和Ⅳ类围岩为主。

2.2 浅埋冲沟段开挖过程的灾害特征

隧道穿越浅埋冲沟段过程中，浅埋冲沟段节理裂隙发育，沿裂隙面有渗水、线状流水及涌水现象发生，且裂隙面附近的围岩遇水易软化，造成围岩强度劣化和结构面抗剪强度降低，围岩自稳时间短。若支护施工流程衔接不当或支护不及时，极易形成工程地质灾害，主要包括掉块、塌方、股状涌水、碎裂岩石大变形等。一旦发生灾害将对工程施工成本和进度造成较大的影响，增加支护量和清渣时间、迟滞施工进度，且当支护措施强度不当时，可能引起拱架变形、混凝土开裂等初支破坏现象。

3 穿越浅埋冲沟段施工支护方法

3.1 施工支护策略

穿越浅埋冲沟段过程中的围岩超前加固和掘进与支护协同的施工策略是关键和难点。

为保障TBM通过岩性破碎带和岩性接触带时的施工安全，避免出现大规模塌方、TBM卡机等情况，使设备和人员能够安全施工，减少或避免工期损失，本文基于该隧道浅埋冲沟段的地质特征、灾害特征及施工难点，本文针对性制定了“地表固结灌浆处理”的施工支护策略。具体包含以下要点：

地表固结灌浆孔设置范围。隧洞轴线方向与冲沟交叉长度，隧洞法线方向12m范围内，注浆孔间排距3.0m，梅花形布置，洞顶以上5m至洞底以下2m为注浆段。

3.2 施工工艺流程及技术要点

3.2.1地表固结灌浆施工工艺流程

地表固结灌浆施工主要包括：钻机就位、分序钻孔、钻孔冲洗、压水试验、制浆、注浆、封孔和注浆质量检查等工序，各工序间的衔接关系如图3.1所示。

图3.1 地表固结灌浆施工工艺流程图

3.2.2布孔钻孔

（1）孔位放样。采用GPS测量仪进行分序，要求孔位与设计孔位的偏差值不得大于10cm，孔深应符合设计规定。施工过程种要对实际孔位、孔深等做好详实记录。 

（2）注浆孔应进行孔斜测量。孔底的偏差不得大于0.25m。

（3）注浆孔采用地质钻机GY100凿岩钻机钻进。孔口管根据现场成孔情况进行打设，孔口管（φ=125mm，б=6mm）打设深度3米到10米，钻孔过程中，遇岩层、岩性变化，发生掉钻、坍孔、钻速变化、回水变色、失水、涌水等异常情况，应详细进行记录。 

（4）钻孔遇有洞穴、塌孔或掉块难以钻进时，可先进行注浆处理，再行钻进。如发现集中漏水或涌水，应查明情况、分析原因，经处理后再行钻进。 

（5）注浆孔(段)在钻进结束后，进行钻孔冲洗，孔底沉积厚度不得超过20cm。

（6）钻孔施工作业暂时中止时，孔口应妥善保护，防止流进污水和落入异物。 

（7）注浆孔按分序加密的原则进行钻进。注浆孔排与排之间和同一排孔内孔与孔之间，分为二序施工。

3.2.3 钻孔冲洗

钻孔冲洗：采用自孔底向孔外大水量敞开冲洗及压力风冲洗或风水联合冲洗，钻孔冲洗方法根据不同的地质条件，通过现场注浆试验确定。

裂隙冲洗：根据不同的地质条件采用压力水冲洗、压力风冲洗、风水轮换冲洗的方法进行裂隙冲洗。

冲洗压力：冲洗水压采用80%的注浆压力，压力超过1MPa，则采用1MPa；冲洗风压可为注浆压力的50%，压力超过0.5MPa，采用0.5MPa。

裂隙冲洗冲至回水清净后10min结束，且总的时间要求，单孔不少于30min，串通孔不少于2h。对回水达不到清净要求的孔段，继续进行冲洗，孔内残存的沉积物厚度不超过20cm。

当邻近有正在注浆的孔或邻近注浆孔结束不足24h时，不得进行裂隙冲洗。

注浆孔(段)裂隙冲洗后，该孔(段)立即进行注浆作业，因故中断时间间隔超过24h者，在注浆前重新进行裂隙冲洗。

特殊地段：对于地质构造带（特别是断层破碎带、遇水泥化带），采用自孔底向孔外进行压力风冲洗的方式，避免用水冲洗使破碎岩体遇水泥化造成对裂隙的堵塞，从而影响注浆质量。

3.2.4 压水试验

压水试验：压水试验应在钻孔冲洗后24小时内进行，否则灌前应重新进行钻孔冲洗。在Ⅰ序孔中选20％的注浆孔作单点法压水试验，其余注浆孔段均进行简易压水试验。

“单点法”压水试验和简易压水的压力为注浆压力的80%，若大于1MPa时，采用1MPa，遇到特殊情况则按设计通知执行。

简易压水试验压水时间为20min，每5min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算值，其成果以透水率表示。

单点法压水试验稳定标准：在稳定压力下每3min～5min测读一次压水流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时即可结束，取最终值作为计算值。

3.2.5 注浆

（1）注浆参数

注浆段在洗孔压水结束后应及时进行注浆作业，因故中断时间间隔超过24小时，灌前应重新进行裂隙冲洗、压水试验。本方案采用分段注浆法，分段段长第一段为5.0m，第二段为5.0m，第三段为4.8m。注浆分段与钻孔分段保持一致。各注浆段注浆结束后一般不待凝。分段注浆孔采用自下而上、孔内循环分段注浆法；注浆塞置于该段段顶0.5m处，射浆管距孔底不大于0.5m。

注浆结束待加深或钻孔结束待注浆时，注浆孔孔口应妥善保护，严防污水，污物流入孔内。

固结注浆阻塞：本方案采用自下而上分段方式进行,最后一段阻塞应在基岩结合面以下0.5～1.0m以内，其余各段应控制段长5m左右，各注浆段射浆管应保证其距注浆段段底不应大于0.5 m，否则应重新配置射浆管。

固结注浆孔注浆结束后一般不待凝，可直接进行下一段钻灌作业。当遇断层破碎带等特殊情况时，注浆结束后应进行待凝处理，待凝时间依据实际情况确定。

（2）注浆设备及材料

BW100/100注浆泵，JS-800型搅拌机（2×400L），ZSQ-42型液（气）止浆塞、三参数大循环注浆自动记录仪。水泥采用42.5MPa抗硫酸盐水泥。水泥浆液采用2:1、1:1、0.5:1三个比级。

注浆过程中，浆液变换及注浆结束时必须测记浆液密度，其测值应反映在注浆原始记录中。

注浆压力根据现场注浆试验成果确定后报请监理工程师批准或由监理工程师确定。

当注浆开始后尽快使压力达到设计值，接触段和注入率大的孔段逐级升压。

为防止岩石面或混凝土面抬动，固结注浆原则上一泵灌一孔，当相互串浆时，如串浆孔具备注浆条件，一泵一孔可同时进行灌注。否则，塞住串浆孔，待注浆孔注浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后进行钻进或注浆。

3.2.6封孔

当注浆压力达到规定值时，注入率小于或者等于1L/min，继续灌注30min，即可结束注浆。当长时间达不到结束标准时报请监理工程师研究处理措施。

固结注浆封孔应采用 “导管注浆封孔法”，封孔采用浆液水灰比为0.5:1的浓浆。待凝24小时后清除孔内污水、浮浆，脱空处采用干硬性水泥砂浆封填密实。

3.2.7注浆效果检查

（1）固结注浆质量检查以压水试验为主，并结合钻孔取芯资料等综合评定。

（2）压水试验，在该部位注浆结束7～14天进行。检查孔的数量不少于注浆孔总数的5%。此外，确保透水率q≤5Lu。

（3）钻孔取芯范围为注浆范围。

4  结论

本文以某引水隧洞为例，研究分析了穿越浅埋冲沟段施工预加固流程，研究结果表明，浅埋冲沟段的引水隧洞施工应按照“地表固结灌浆”预处理的策略和流程开展。且根据上述施工工艺实施后，本工程顺利通过了浅埋冲沟段。本工程实践可为今后类似工程的施工提供经验与指导。

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