魏家山隧道周边深孔预注浆施工技术

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摘要：以巴达高速公路重点工程魏家山隧道为例，对施工过程中突发的涌水事故原因进行分析，采取周边深孔预注浆治理涌突水的施工技术措施，通过监控量测结果和施工验证，隧道周边注浆加固有效的抑制了涌水难题，为相关工程实践提供借鉴与帮助。

关键词：隧道 涌突水 深孔预注浆 超前地质预报

1 概述

在山岭隧道修建过程中经常遇到涌水等地质灾害，往往给施工过程中及隧道修建后带来较大影响，因此，对隧道涌水进行治理是一项重要的任务，尤其是在施工阶段，采取必要的治理措施既可以防止突水事故的发生，又为以后的运营安全提供保障，同时还可以保护自然生态环境[1]。同时在涌水处理过程中选择合理、经济有效的处理方法，有着重大的技术价值及经济和社会意义。

2 工程概况

魏家山隧道设计为上下行分离式特长隧道，隧道左线3107m，右线3075m。隧道埋深一般约100～200m，最大埋深215m，岩层产状平缓，节理陡峭，由粉砂质泥岩、细砂岩、泥质粉砂岩构成，围岩大多为IV级，少量为III级。围岩节理较发育，不同岩性层间结合较差，含孔隙、裂隙水。

隧道轴线K100+400至出口段西侧160m～300m处为谭家河水库，水库距离隧道水平距离205m，高差35.7m，且该段位于铁山背斜核部附近，地表裂隙相对发育，水库地表水可能转化为地下水下渗入隧道，对隧道影响较大的段落为K100+200～+600段。

隧道最大涌水量为10876m3/d，一般涌水量为5437 m3/d。

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图1 隧道顶地形地貌图

3 施工及涌水情况

①施工方法

该段属于Ⅲ级围岩，以细砂岩为主，整体性较好，采用全断面开挖法，每循环进尺3.5m。

②涌水情况

当掘进至K100+636处开挖工在钻孔时出现涌水，涌水从炮孔位置涌出，呈喷射状、股状及线状，主要涌水有5个炮孔，其余炮孔以线状水从掌子面渗流而下。经实测单个孔最大水量2.58L/s，次日监测最大涌水量29.3m3/h，涌水量均衡无衰减。

表1 K100+636掌子面涌水情况一周监测表

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说明：本监测表只统计前一周涌水量情况，后续一段时间均衡无减。

③超前地质预报[2]

在掌子面拱顶和“牛角”位置钻了三个超前孔探测，发现掌子面前方3.2～7米含有黄色泥砂岩夹层，钻进速度较快为3～5min/m（正常细砂岩段25min/m）。

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图2 现场涌水量测量 图3 地质雷达现场测试

中铁西南科学研究院分别先后采用了HSP声波反射法和地质雷达法对K100+636掌子面前方进行超前探测预报。

测试掌子面岩性主要为浅灰色中厚层状细砂岩，夹紫红色薄层泥岩，岩层产状为：320∠4°，岩体较破碎至较完整，呈块状结构，属微风化岩，层间结合一般，节理不发育，主要发育一组节理，节理产状为：145∠45°，节理间距0.5～1.0m，延伸长度2.0～3.0m，节理面形态平直、面光滑，无充填。

④水质分析

经西南交通大学专家、科研人员对隧道涌水和谭家河水库的水进行取样比对分析，两者几乎相似。

4 处理方案研究

①涌水原因分析

魏家山隧道地质特殊，位于铁山背斜核部，有节理裂隙，已开挖的423m均干燥无水，掌子面突然出现大量涌水，很异常；并且涌水恒定无衰减迹象；地表观察无其他集水源，旁边的谭家河水库成为唯一能持续提供的水源。钻探情况表明掌子面前方地质软弱；山顶观测掌子面已接近凹槽冲沟段，也符合地质变差的地形条件，综上几方面的情况：持续涌水的出现说明前方地层中有相对富水地带，有水的补给源，直接水源是基岩裂隙水，间接水源是谭家河水库水源。水库与隧道的关系为水平距离205米，垂直距离35.7米，水力坡度很大，达到17%并且隧道埋深相对较浅，渗透系数相对较大。隧道出口段K101+059～K100+640纵向坡为+0.3%，K100+640～+080纵向坡为-2.7%，涌水掌子面桩号K100+636正处于纵断面变坡点位置。

②处理方案选定

考虑到谭家河水库为蒲家镇饮水源，为保证附近村庄水系不受影响，保障蒲家镇生产生活用水，经综合研究决定采用预注浆（水泥-水玻璃双液浆），在隧道开挖轮廓周围形成5米左右的注浆圈，封闭水源。同时也做好排水设施，疏通中央排水沟，配备抽水量大于100m3/h的潜水泵。

5 注浆设计[3]

根据“以堵为主，以排为辅，堵排结合、综合治理”的原则，对魏家山隧道右线掌子面K100+636涌水进行周边深孔预注浆设计，设计注浆段为K100+636～K100+606，长30m，加固范围为开挖轮廓线外5m，分三环（四圈）实施，第一环长11m，第二环长20m，第三环长30m。

注浆孔布置由工作面开挖方向呈伞形辐射状，钻孔布置成四圈，共89个孔，内外圈按梅花形排列，并采用长短孔相结合，保证注浆充分、不留死角。浆液扩散半径2m，孔底间距不大于3m，孔径φ110mm。

注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，C：S=1：0.5（体积比），水泥浆水灰比1：1，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃模数2.8，水玻璃浓度35Be’。

双液注浆堵水的机理是在发生涌水的位置附近注入快凝早强的双液浆，双液浆在随地下水流动的同时快速凝结，凝结的浆体不断堆积并达到一定强度，堵塞涌水通道，达到堵水效果。

6 注浆施工方法及工艺

6.1 注浆施工工艺流程见下图所示：

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图7 注浆施工工艺流程图

6.2 施工方法

6.2.1 施工止浆墙

首先在掌子面设置1m厚C25混凝土止浆墙，止浆墙前端勘入围岩不小于30cm。在墙体内按照设计孔位布置图预埋φ127mm、L=3m无缝钢管作为孔口管，孔口管外露0.2～0.3m。止浆墙采用泵车分四次浇筑完成，每次浇筑高度约2m。

6.2.2 钻孔清孔

①布孔

根据设计要求，对准孔位，根据不同入射角度钻进，保证孔位偏差不大于2cm，入射角度偏差不大于1°。为保证止水效果，在涌水量较大、围岩较破碎的拱顶加密布孔，在拱底适当扩大布孔间距。

②钻孔

a潜孔钻机置于台车上，定好角度，加固牢实，确保施工精度。

b开钻前期采用低速钻进，待钻机正常钻进时（一般进尺0.5m左右），将钻机速度调至正常运行速度。钻孔过程密切观察钻进速度、涌水、岩层等情况，及时作好记录。

c开孔孔径及深度：孔径φ110mm，孔深根据Ⅰ～Ⅳ圈设计深度施钻。

d钻至设计深度后，用高压风清洗孔洞残碴，确保注浆通道顺畅。

表3 钻孔基本数据表

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根据现场实际情况，在拱顶加密布孔，在拱底适当扩大布孔间距，其它设计参数均不变。

6.2.3 注浆

①注浆段总长30m，分三环（四圈）实施，第一环（Ⅰ圈）长11m，第二环（Ⅱ圈）长20m，第三环（Ⅲ、Ⅳ圈）30m。注浆至开挖轮廓线外5m，浆液扩散半径为2m。

②注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，根据设计及试验室试验确定配合比：C：S=1：0.5（体积比），水泥浆水灰比1：1，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃模数2.8，水玻璃浓度35Be’。

③注浆顺序：按先外圈后内圈，同一圈先上部孔后下部孔、间隔跳孔，逐渐加密，先注无水区，后注有水区。

④注浆压力：静水压力1.5～2MPa，采用纯压式灌浆，压力表安装在孔口进浆管路上，压力表指针摆动范围应小于灌浆压力的20%，压力读数读压力表指针摆动的中值。

⑤注浆结束标准：第一序孔按注浆量达到或接近预估注浆量可结束注浆；第二序孔按注浆压力达到设计压力，注浆量逐渐减少至小于1L/min.m并维持10min以上，可结束本孔注浆。

6.3 注浆效果检查

根据注浆情况，选择拱顶涌水量较大且比较薄弱环节的注浆部位布设检查孔，检查孔垂直于开挖面布设，检查孔长15m，对注浆段取芯检查注浆效果。一共施作3个检查孔，所取岩芯中有浆液结实体的碎块存在，说明浆液已完全固结，且具有一定强度。检查孔在钻进过程中有少量渗水，放置24h后渗水量没有明显增加，这表明检查孔部位已被浆液基本完全固结，达到止水的目的。

开挖过程中采用微弱爆破全断面开挖方式，经监测组对隧道围岩变形监测显示几乎无沉降收敛，开挖过程中围岩稳定。从K100+636～K100+616开挖断面揭示掌子面均干燥无水，只有拱腰墙壁有局部少量渗水，说明本次预注浆止水效果是比较明显的，保证了安全掘进也达到止水的目的。

表4 实施效果检查表

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图10 注浆后效果 图11 注浆段开挖后效果

6.4 注意事项

①注浆压力突然升高，应停止水玻璃浆液，只注水泥浆，待泵压恢复正常后再进行双液注浆。

②进浆量很大，压力长时间不升高，则应调浓浆液或调整配合比，缩短浆液胶凝时间，进行小泵量、低压力注浆，使浆液在岩层裂隙中有相对停留的时间，以便胶凝，也可采用间歇式注浆，但停注时间不能超过浆液的胶凝时间。

③注浆过程中压力突然下降，增大流量仍不回升，则缩短胶凝时间，加大浆液浓度或用间歇式注浆。

④当止浆墙或孔口等处发生跑浆现象时，应缩短胶凝时间，进行小泵量、低压力注浆或采用间歇式注浆，或进行外部堵塞。

⑤如发生串浆现象，应关闭串浆孔的孔口阀门，继续注浆。

⑥钻孔过程中未涌水的，就一钻到底，全孔一次压入式注浆；在钻孔过程中，如发现有水，即停止钻孔，采取注一段钻一段的前进式注浆，直至达到设计段长位置。

⑦若一个注浆段完成后需要继续注浆，则留5m不开挖作为下一注浆段的止浆盘。

⑧注浆结束7d后采用5点法压水试验或钻孔取芯试验进行注浆检查，若灌浆质量不合格，则加密钻孔补注浆。

7 结语

本次注浆的30m一共消耗水泥-水玻璃双液浆402.2m3，与设计方量基本吻合。从正式开始施工止浆墙到注浆结束，整个施工过程耗时27天。在钻孔时采用的是潜孔钻干钻，导致洞内灰尘很多，应该加强通风洒水降尘，保证洞内施工环境。

通过运用超前预注浆技术，不仅顺利通过高压富水破碎带，取得了较好的堵水效果，保护了自然生态环境，而且降低了工程造价，加快了施工进度，为确保工程的顺利完成创造了条件，同时也提高了隧道的长期稳定性及营运安全性。

鉴于魏家山隧道紧邻谭家河水库特殊的水文地质条件，对隧洞前方潜在的富水带、突水点进行有效的超前地质预报对指导隧道施工，及时采取措施、预防涌突水事件意义重大。采用宏观预报（工程地质法）、长距离预报（TSP、HSP法及陆地声纳法等）、短距离预报（超前钻孔、表面雷达、孔内雷达及经验法等）相互结合，相互印证。

隧道涌突水的治理是一项复杂的系统工程，应根据涌突水情况以及周围的地理、水文地质环境和施工工期要求，综合分析，合理选择治理方案，坚持“预报为先、择机封堵、堵排结合、综合治理”的原则，保证安全、质量、效率“三驾马车”齐头并进。

参考文献：

[1]弓俊伟，付黎龙，张灵波.大瑶山1号隧道涌水段注浆施工方案研究[J].2009，02（4）：1004-2954.

[2]吴德胜，刘继滨等.魏家山隧道（出口）右洞掌子面前方地质预报报告09，2010.

[3]田志宇，钟勇等.巴中至达州高速公路魏家山隧道施工设计图.