CN103982201A - 高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，包括：通过隧道超前地质探测确定隧道围岩等级达到三级以上；在隧道掌子面施做止浆墙，并在止浆墙中下部钻出至少三个探测-泄水孔；在止浆墙上沿隧道开挖轮廓线的内周间隔标定至少十五个注浆孔位；当至少十五个注浆孔位都完成钻孔注浆后，测量每个探测-泄水孔的出水量；当测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟时，直接开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于10升/米*分钟且小于等于20升/米*分钟时，增钻探测-泄水孔直至测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟后，开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于20升/米*分钟时，在进行全断面帷幕注浆施工后，开挖隧道。

Description

高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法

技术领域

本发明涉及隧道和地下工程施工方法，特别涉及一种高压富水隧道的超前预报、注浆加固、检测效果和开挖施工方法。

背景技术

在新建铁路隧道施工过程中经常遇到各种特殊地层，如：裂隙、破碎带、软弱夹层、溶洞等，而且这种特殊地层大都会伴随有高压富水存在，给隧道施工作业带来巨大困难和安全风险。目前国内铁路工程领域遇到类似特殊地层后，均采用前进式全断面帷幕注浆的施工措施加固改良地层，但是每一个工程都有它的特殊性，有些工程偏向于加固，有些工程偏向于堵水，有些工程需要堵水、加固两者兼顾，还要结合超前大管棚支护措施。此外，还要考虑工期、施工成本、施工安全等因素。如果对注浆方案的选择得当，就能以较小的施工成本达到设计预期的注浆效果。

如中国专利申请公开第101638987A号所揭示的一种用帷幕注浆加止浆墙穿越高压富水断裂带的隧道施工方法，其含有下面的步骤：步骤1、隧道掌子面清理结束后，采用HY303红外探测仪近距离探测前方围岩及隐伏含水状况，每次探测长度15～20m；同时采用MGJ-50水平超前钻机向前方通过钻孔钻探验证，每次钻探长度30～50m，综合分析掌子面前方围岩完整状况、出水状况，对围岩稳定性进行综合评定；步骤2、在掌子面修筑钢筋混凝土止浆墙以加快注浆施工速度，防止漏浆，最大注浆压力可达到7Mpa；步骤3、帷幕注浆：沿隧道掘进方向钻孔3-4环，先钻外圈孔后钻内周孔、同一圈孔先钻下部孔后钻上部孔，间隔交替钻孔施工；钻孔开孔直径不小于110mm，终孔直径不小于91mm；为控制钻孔的方向，在孔口设辅助管：辅助管采用Φ108、壁厚5mm的热轧无缝钢管，长度3m，按照钻孔参数表进行布设；钢管外露不小于0.2m，并事先加工好丝扣，以便与注浆器连通进行注浆施工；布设时采用双层Φ16钢筋骨架安装固定，并预埋入止浆墙中；钻孔后采用前进分段式注浆，分段长度4m～5m，注浆速度5～110(L/min)，先低压注浆加固后方岩盘，后采用高压深孔注浆；注浆顺序为按照对称开孔、先注无水孔、后注有水孔的原则，由外向内，同一圈孔间隔施工；注浆采用普通水泥浆、普通水泥-水玻璃双液浆。

又如中国专利申请公开第101798930A号所揭示的一种隧道高压富水断层带的快速施工方法，当隧道平导和正洞进入高压富水断层带时，包括以下步骤：(1)在正洞与平导之间增设至少一个泄水支洞作为长期分水降压通道，对断层交界面上盘水量水压进行逐级降压，泄水支洞施工超前正洞50-200m，对于正洞和平导大股出水采用引排不堵；(2)待正洞水压降到0.3-0.5Mpa时采用信息化跟踪精确注浆方法进行注浆加固，具体方法如下：A、施作止浆墙；设置孔口管、注浆管B、测量钻孔涌水C、压水试验D、布孔、钻孔作业a、先施作3-5个作为外圈孔的超前地质探孔，分布在拱顶、拱腰及拱脚处，根据超前地质探孔的监测结果探明实际地质情况及水文条件，优化后续布孔设计；b、施作其余外圈孔，为环形布置，注浆加固圈厚度为3.5～5m，相邻外圈孔开孔间距为1.5m，终孔间距为3m；c、施作至少一层内周孔，在外圈孔内侧呈环形布置，注浆加固圈厚度为1.5～2m，相邻外圈孔开孔间距为1.5m，终孔间距为3m；d、施作工作面稳定孔，在工作面上半断面按照相邻孔之间上下左右间距均为1.5m、且为梅花形的原则布孔；在工作面下半断面按照相邻孔之间上下左右间距均为3.0m、且为梅花形的原则布孔；e、施作检查孔，根据上述外圈孔、内周孔、工作面稳定孔的涌水量和注浆量分析结果，布置检查孔，主要布置在地质条件差或注浆薄弱区域的异常孔附近，采用一个异常孔周围布置两个检查孔的原则；f、施作管棚孔，在开挖轮廓线外拱部90°～120°范围内布孔，布设间距40～50cm，外插角5°～7°；E、注浆作业a、注浆顺序：注浆过程按照外堵裂隙、内固围岩，由外及内、间隔跳孔的约束法进行注浆顺序控制，具体注浆顺序依次为超前地质探孔—其余外圈孔—内周孔—工作面稳定孔—检查孔—管棚孔，注浆过程中，内层孔作为外层孔的检查孔，相邻孔互为检查孔；b、注浆方式：采用前进式分段注浆，分段长度根据出水量及地层破碎程度进行控制：出水量小于Q＜10m³/h时，分段长度小于10m/段；钻孔出水量10m³/h≤Q＜30m³/h时，按照3-5m/段长度控制；钻孔出水量Q≥30m³/h时，停止钻进立即进行注浆处理；地层无坍孔，分段长度小于10m/段；地层出现轻微坍孔，分段长度小于或等于5m/段；地层出现严重坍孔，停止钻进注浆；c、注浆材料选择：以硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆、超细水泥浆为辅，其中硫铝酸盐水泥单液浆水灰比为(0.8～1.2)∶1，普通水泥单液浆水灰比为(0.6～1.2)∶1，普通水泥-水玻璃双液浆水灰比为(0.8～1.2)∶1，体积比为1∶(0.3～1)，超细水泥浆水灰比为(0.8～1.2)∶1；F、超前大管棚施工选择围岩较好地段为管棚搭接段落，采用无工作室管棚施工，施工中对搭接段和管棚后段采用小导管加强施作，管棚材料采用Φ76-Φ108mm无缝钢管；G、玻璃纤维锚杆稳定工作面超前注浆结束后，在工作面上半断面的钻孔内放入中空玻璃纤维锚杆并进行注浆施工，使具高抗拉强度的锚杆通过浆液和软弱地层固结成为整体，形成纵向锚固柱；(4)拆除止浆墙止浆墙采用爆破法拆除，在其横断面方向，先掏心，周边预留50-100cm，逐圈采用爆破方法扩挖，在其纵向方向，分段爆破长度为50cm；在孔口管位置爆破加强；(5)采用快挖快封技术对正洞和平导进行开挖A、短距离超前和周边钻探在施工过程中加强前方及周边5.0m范围内的钻孔探测，正洞每循环上导施工6个孔，下、中导各施工2个孔；平导每循环上导施工3个孔，下、中导各施工2个孔；孔数实行分级管理，根据开挖长度的不同及时进行调整，对于前10m可减少至3个孔，后10m施工6个孔；B、对正洞采用三台阶七步开挖法进行施工，平导采用上下台阶开挖法进行施工。

然而，如上所述的现有技术施工方法存在以下的缺点和不足：采用全断面帷幕注浆施工方法，注浆加固、堵水效果良好，但注浆周期较长，导致总体施工进度较为缓慢，整个施工工期严重滞后。

因此，提供一种能够节约施工成本、提高施工效率的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法成为业内急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够在保障施工安全的前提下大幅提高施工效率并降低施工成本的高压富水隧道宽张裂隙超前探测、注浆加固开挖方法。

根据本发明，提供一种高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其包括：(1)通过隧道超前地质探测来确定隧道围岩等级达到三级以上；(2)在隧道掌子面施做止浆墙，并在止浆墙中下部钻出至少三个探测-泄水孔；(3)在止浆墙上沿隧道开挖轮廓线的内周间隔标定至少十五个注浆孔位，至少十五个注浆孔位分为至少五个A序注浆孔位、至少五个B序注浆孔位以及至少五个C序注浆孔位，A序注浆孔位和B序注浆孔位交替分布于隧道开挖轮廓线的内周的中上部，C序注浆孔位分布于隧道开挖轮廓线的内周的下部；(4)在至少五个A序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个A序注浆孔后，接着在至少五个A序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个A序注浆孔，同时对上一个A序注浆孔进行注浆，直至至少五个A序注浆孔位都完成注浆；(5)在至少五个B序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个B序注浆孔后，接着在至少五个B序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个B序注浆孔，同时对上一个B序注浆孔进行注浆，直至至少五个B序注浆孔位都完成注浆；(6)在至少五个C序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个C序注浆孔后，接着在至少五个C序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个C序注浆孔，同时对上一个C序注浆孔进行注浆，直至至少五个C序注浆孔位都完成注浆；以及(7)当至少十五个注浆孔位都完成注浆后，测量每个探测-泄水孔的出水量；当测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟时，直接开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于10升/米*分钟且小于等于20升/米*分钟时，增钻探测-泄水孔直至测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟后，开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于20升/米*分钟时，在进行全断面帷幕注浆施工后，开挖隧道。

围岩等级的确定方法可以是直接采用国家有关部门提供的现有勘探数据，或者是有关部门采用勘探仪器在施工前临时得出的数据。

优选地，本发明采用隧道超前地质探测系统，其能够预测隧道施工中的不良和特殊地质问题，分辨率高，精度高，预报距离长。预报的地质情况可以包括但不限于：①软弱岩层的分布、②断层及其影响带、③节理裂隙发育带、④含水情况、⑤溶洞、⑥围岩类别。通过超前地质预报，能够及时地了解掌子面前方的地质情况，为隧道施工和及时合理地调整支护参数提供依据，有效地控制地质灾害的发生，确保支撑隧道的岩石牢固可靠和施工质量，改善工地的安全，赢得了施工时间，降低成本，提高隧道掘进的进度，将风险降低到最小。

可选择地，隧道超前地质探测系统可以采用地震反射法和/或地质雷达法。

其中，地震反射法是一种快速、有效、无损的隧道地质预报技术。能在隧道(洞)施工开挖前提供帮助，其目的在于迅速超前地提供在开挖周围及前方的三维空间的工程地质预报。

地震反射法采用了回声测量原理。地震波在指定的震源点(通常在隧道的左边墙或右边墙，大约24个炮点布成一条直线)用小量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面，例如断层、岩石破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。反射信号的传播时间和反射界面的距离成正比，故而能提供一种直接的测量。

地震反射法的特点如下：预报范围从100m到150m；操作简单，对工作环境无要求，成果丰富，对施工过程无防碍；两个小时内完成量测准备工作，一般一次量测时间为30—50分钟；对不良地质体的地质性质判断一般较准确，分辨率可达到1m，预报的距离误差小于5％，对地质体规模识别准确度达85％以上；通过配套分析软件，可很方便地完成数据处理、评估。

例如，在隧道地质预报工作中使用的仪器可以是瑞士AMBERG公司生产的TSP203和VSP等地震反射预报系统。

其中，地质雷达法是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由发射天线送入地下一高频电磁脉冲波，当其在地下传播过程中遇到不同的目标体(岩土体、空洞等)的电性介面时，有部分电磁能量被反射回来，被接收天线所接收，并由主机记录，得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。地质雷达方法是由已知条件推断未知情况的方法，当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，可研究地下介质特征、地下结构，确定反射波组的地质含义。

地质雷达法操作简单，对施工干扰小，可对岩溶、断层破碎带、地下水赋存情况进行探测，探测目标的深度通常在30m以内，该方法对有地下水的地质条件非常敏感。例如，可以采用美国GSSI公司的SIR-20型地质雷达。

通常，围岩等级按照表1来划分。本发明所指的隧道围岩等级达到三级以上包括表1中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。

表1围岩等级表

可选择的，在步骤(4)、(5)和(6)中，可以采用分段钻孔注浆施工，当至少十五个注浆孔位的上一段钻孔注浆施工都完成后，继续进行至少十五个注浆孔位的下一段钻孔注浆施工，直至达到每个注浆孔的设定长度。优选地，在分段钻孔注浆施工过程中，当至少十五个注浆孔位的上一段钻孔注浆施工都完成后，经过注浆液的终凝时间，钻机钻头扫孔上一段完成的注浆孔后，接着上一段钻出的注浆孔继续进行至少十五个注浆孔位的下一段钻孔注浆施工。

所谓终凝时间是指从水泥加水拌合起，至水泥浆完全失去塑性并开始产生强度所需的时间。水泥凝结时间在施工中有重要意义，初凝时间不宜过短，终凝时间不宜过长。比如，硅酸盐水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于390min；普通水泥初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于600min。

所谓钻机钻头扫孔上一段完成的注浆孔，是指钻机钻头重新钻过上一段完成的被水泥填实的注浆孔。

可选择地，钻孔注浆施工的分段条件可以设定为：当隧道掌子面的总出水量为0～10立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为8～12米；当隧道掌子面的总出水量为10～30立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为3～7米；当隧道掌子面的总出水量大于30立方米/小时时，立即停止钻进，进行注浆加固。

可选择地，在步骤(4)、(5)和(6)中，可以采用分段供浆，每个注浆孔的前二分之一至四分之三范围内选用水泥-水玻璃双液浆，每个注浆孔的后四分之一至二分之一范围内选用硫铝酸盐水泥单液浆。优选地，水泥-水玻璃双液浆的体积比为1：1，其中普通水泥的水灰比为0.8～1.0：1；硫铝酸盐水泥单液浆的水灰比为0.6～1.0：1。

优选地，在步骤(7)中，开挖隧道时，可以仅开挖上一循环注浆加固隧道的前三分之二至六分之五，预留上一循环注浆加固隧道的后六分之一至三分之一作为下一循环注浆加固隧道的止浆盘。

其中，全断面帷幕注浆施工可以包括在隧道开挖轮廓线的外周的中上部增加至少十五个管棚孔，在至少十五个注浆孔位的内周增加至少十个补充注浆孔。并且，该方法还可以包括向至少十五个管棚孔内插入管棚后注浆的步骤。

可选择地，在步骤(4)、(5)和(6)中，每个注浆孔的单孔注浆结束压力可以设定为大于等于6兆帕。

可选择地，每个循环的注浆加固隧道的设定长度(注浆孔的设定长度)可以为15～30米。

可选择地，探测-泄水孔的长度可以设定为10～25米。所谓探测-泄水孔是指：该孔在地质探测阶段用作探孔或检测孔，在隧道开挖阶段用作泄水孔。当然，根据具体施工的需要，还可以设置单独的探孔/检测孔或者泄水孔。

可选择地，止浆盘厚度可以为3～6米。

可选择地，止浆墙厚度可以为3～5米。

可选择地，当隧道排水能力不足时，可以增加抽水泵辅助排水。

可选择地，可以在止浆墙安装孔口管和高压止水阀。

优选地，探孔泄水方案采取短孔泄水措施。探测-泄水孔的打设深度针对同一条裂隙设计，这样就避免探测-泄水孔将几条宽张裂隙串联起来，减少了掌子面的出水量，达到了分散泄水、减压的目的。

本发明的有益效果是：在隧道施工过程中根据水文地质条件选择与之对应的施工方案，在满足施工安全的条件下，能够节约工期和施工成本，提高施工效率。本发明进行了全断面帷幕注浆技术、周边注浆堵水带水作业等施工技术的研究，得出了高压富水宽张裂隙条件下的最优注浆施工技术，总结了带水作业的注浆结束标准及满足带水作业的适合标准，提高了施工效率，节约了工期。本发明所积累的注浆参数、带水作业标准具有重要意义，对以后国内类似工程案例提供了有利的参考依据。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了根据本发明的周边注浆带水作业施工方案示意图。

图2示出了根据本发明的全断面帷幕注浆施工方案示意图。

具体实施方式

接下来参照附图具体描述本发明的高压富水隧道宽张裂隙超前探测、注浆加固开挖方法。

根据一种非限制性实施方式，本发明的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法包括以下步骤。

首先通过地震反射法结合地质雷达法来确定隧道围岩等级达到三级以上，可以是表1中的Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ级。

在隧道掌子面施做止浆墙，止浆墙厚度为4米。并在止浆墙中下部左右两侧各钻出二个探测-泄水孔，探测-泄水孔的长度设定为20米。

如图1所示，在止浆墙上沿隧道开挖轮廓线的内周间隔标定十八个注浆孔位，分为五个A序注浆孔位A1、A2、A3、A4、A5，六个B序注浆孔位B1、B2、B3、B4、B5、B6，以及七个C序注浆孔位C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7，A序注浆孔位和B序注浆孔位交替分布于隧道开挖轮廓线的内周的中上部，C序注浆孔位分布于隧道开挖轮廓线的内周的下部。

在五个A序注浆孔位的A1孔位钻出一个A1注浆孔后，接着在A2孔位开始钻A2注浆孔，同时对A1注浆孔进行注浆，以此类推，直至五个A序注浆孔位都完成注浆。

在六个B序注浆孔位的B1孔位钻出一个B1注浆孔后，接着在B2孔位开始钻B2注浆孔，同时对B1注浆孔进行注浆，以此类推，直至六个B序注浆孔位都完成注浆。

在七个C序注浆孔位的C1孔位钻出一个C1注浆孔后，接着在C2孔位开始钻C2注浆孔，同时对C1注浆孔进行注浆，以此类推，直至五个C序注浆孔位都完成注浆。

当十八个注浆孔位都完成注浆后，测量每个探测-泄水孔的出水量；当测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟时，直接开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于10升/米*分钟且小于等于20升/米*分钟时，增钻探测-泄水孔直至测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟后，开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于20升/米*分钟时，在进行全断面帷幕注浆施工后，开挖隧道。

其中，在十八个注浆孔位的钻孔注浆过程中，采用分段钻孔注浆施工，当十八个注浆孔位的上一段钻孔注浆施工都完成后，经过注浆液的终凝时间，钻机钻头扫孔上一段完成的注浆孔后，接着上一段钻出的注浆孔继续进行十八个注浆孔位的下一段钻孔注浆施工，直至达到每个注浆孔的设定长度，在本实施方式中每个注浆孔的设定长度为25米。钻孔注浆施工的分段条件设定为：当隧道掌子面的总出水量为0～10立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为10米；当隧道掌子面的总出水量为10～30立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为5米；当隧道掌子面的总出水量大于30立方米/小时时，立即停止钻进，进行注浆加固。

其中，采用分段供浆方式，每个注浆孔的前15米范围内选用水泥-水玻璃双液浆，每个注浆孔的后10米范围内选用硫铝酸盐水泥单液浆。其中，水泥-水玻璃双液浆的体积比为1：1，其中普通水泥的水灰比为0.9：1；硫铝酸盐水泥单液浆的水灰比为0.8：1。

其中，开挖隧道时，仅开挖上一循环注浆加固隧道的前20米，预留上一循环注浆加固隧道的后5米作为下一循环注浆加固隧道的止浆盘。

其中，全断面帷幕注浆施工包括在隧道开挖轮廓线的外周的中上部增加二十个管棚孔，在十八个注浆孔位的内周增加十八个补充注浆孔。并且，在二十个管棚孔内插入管棚后，对管棚孔注浆。

其中，每个注浆孔的单孔注浆结束压力设定为8兆帕。

以下结合示例介绍本发明的施工方法在工程上的应用。

太行山隧道穿越太行上中三区河间地块，地形陡峻，洞身深埋，地处太行山复式背斜西北翼，产状平缓，局部起伏形成宽缓背斜及向斜，褶曲轴部宽张裂隙发育，形成宽张裂隙含水层，含水层深厚，具承压性，补给充分，水文地质复杂，主要围岩为震旦系灰白色石英砂岩、紫红色泥质砂岩及砂质页岩。其中，1#斜井与线路相交于DyK587+000里程处，平面交角55°，斜井综合坡度9.19％，斜井斜长506.31m。

1#斜井右线山西方向开挖至DyK585+435附近出现多处涌水点，其中DyK585+434拱顶处涌水量较大，最大直径约40cm，涌水部位为一竖向裂隙，一直延伸至隧底；另外两小股涌水直径较小(直径约8cm)，涌水点掌子面里程为Dyk585+434，间有圆滑砾石随涌水带出。同时在Dyk585+465左侧边墙出现扇状涌水，宽度约25cm。左线山西方向开挖至Dk585+438拱部突发涌水，呈扇形喷射而出，喷射长度约4m，水清无浑浊，掌子面涌水量约为400m³/h，动水压力达到0.25MPa。经勘察确定前方存在宽张裂隙，裂隙水极为发育。

(一)全断面帷幕注浆施工方案

根据隧道地质构造及水压高、水量大的特点确定采取“排水降压、注浆加固、限量排放、左洞先行”的原则进行帷幕注浆设计、施工。设计本段注浆循环单孔扩散半径3m，加固范围为隧道开挖轮廓线外5m，沿隧道开挖轮廓线布置A序注浆孔，外圈孔终孔距轮廓线外5m，B序孔距离隧道开挖轮廓线外0.6m，另增加管棚注浆孔以加强上台阶帷幕注浆强度，终孔距开挖轮廓线2.5米；为了补强整体岩层及减少注浆盲区，在距离掌子面12m处和18m处各增设1个补孔断面，补孔终孔距隧道轮廓线5米，具体的注浆设计如图2及表2所示。

表2超前帷幕注浆设计参数表

为满足隧道堵水加固的要求，拟采用硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆两种浆液。在注浆孔前15m范围内优先选用水泥-水玻璃双液浆，因其凝结时间短，凝结时间可控，能有效减少富水宽张裂隙中浆液的大量流失，又能保证浆液的有效扩散半径和堵水效果。注浆孔后10m范围内优先选用硫铝酸盐水泥单液浆为主，由于距离孔口较远，硫铝酸盐水泥浆液能充分达到孔深处，确保浆液的有效扩散及对地层的充分填充。

注浆材料及规格型号如下：硫铝酸盐水泥：早强快硬，标号42.5R；普通硅酸盐水泥：42.5R；水玻璃：浓度38Be’，模数：2.4～2.8。

浆液配比参数如表3所示，施工过程根据现场地质、水文情况及实验情况对注浆配比进行调整和优化。

表3浆液配比参数表

钻孔注浆采取前进式分段注浆工艺：

(1)现场标定注浆孔位，确定钻进角度后，采用125mm钻头开孔至2.0m，安设孔口管；

(2)孔口管采用Φ108mm、δ＝6mm的钢管加工，管长2m，孔口管外壁缠绕50～80cm长的麻丝成纺锤型后安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚固，以保证孔口管安设牢固不漏浆；

(3)为防止钻孔过程中突发涌水突泥，孔口管安设完成后安装高压止水闸阀；

(4)钻孔注浆分段原则为：水量在0～10m³/h时分段长度为10m，水量在10～30m³/h时分段长度为5m，水量在>30m³/h时要求立即停止钻进，进行注浆加固，当该段注浆达到设计结束标准后，拆除注浆堵头在原孔深基础上再钻进，如此循环钻注到设计深度。

全断面帷幕注浆效果检查与验证

分析法

根据钻孔注浆施工记录，首循环钻孔出水量都很大，最大出水量为A4、A5、A7、B3，分别为210m³/h、190m³/h、200m³/h、220m³/h。这些孔注浆量较大均超过50m³。随着注浆施工时间的推移，单孔出水量逐渐变小，注浆量也逐渐减小，说明通过注浆，地层得到良好的加固效果。

检查孔

通过检查孔施工，以检验注浆加固施工效果，为注浆效果评定和隧道开挖施工提供依据。现场检查主要包括以下两个方面：

(1)现场实测检查孔出水量，检查注浆堵水加固后孔内出水量是否小于1L/min/m。

(2)检查钻孔成孔效果，是否存在不成孔、塌孔现象。

试验注浆循环段结束后，对注浆效果进行了效果检查，本注浆循环最大出水部位在隧道的拱部，通过用量筒对拱部检查孔量测，检查孔深20米，1min内检查孔最大出水量仅为1L，经计算检查孔出水量为0.05L/m/min，注浆堵水效果达到99％以上。后续开挖均达到设计开挖里程。

(二)周边注浆带水作业施工方案

通过6个月的全断面帷幕注浆施工，太行山隧道向前推进了140延米，注浆加固、堵水效果良好，但同时也体现了全断面帷幕注浆的缺点，注浆周期较长，导致总体施工进度较为缓慢，整个施工工期严重滞后。

认真分析太行山隧道的工程地质特点、水文特性，结合前段全断面帷幕注浆的经验，隧道非裂隙段围岩以石英砂岩和紫红色石英砂岩为主，岩石坚硬、硬度高，围岩强度及自稳能力足够抵抗住裂隙水压，注浆填充率较少，为Ⅲ级围岩，而宽张裂隙的影响范围也相对集中，间距一般在2～8m之间，水量大部集中在裂隙中，为注浆设计优化提供了可能，加快施工进度。因此将前期注浆加固目的“地层加固、堵水”改为“以堵水为主，加固为辅，加快进度”。同时，围岩自稳性好也为隧道带水作业提供了条件，允许掌子面一定水量和水压的情况下开挖。

在水量及水压允许的情况下，帷幕注浆优化调整为周边注浆，将原帷幕注浆孔44个优化为拱部施做超前注浆孔，根据水量、水压确定注浆孔数量，同时每循环注浆结束后，在掌子面中下部左、右侧各打数个探测-泄水孔，探测-泄水孔数量及布设位置，可根据实际出水情况进行调整。

注浆堵水达标的指标要求：检查孔深度为20米，测得出水量≤200L/min，即10L/m/min。否则注浆效果不达标，需要重新补孔注浆作业。

首先，利用潜孔钻机在掌子面中下部打设3～6个探测-泄水孔，探测-泄水孔的打设角度呈发散型，探测-泄水孔打设深度随注浆循环内宽张裂隙位置和多少决定，初步设计为20米，若出现动水压力，即停止探测-泄水孔钻进，仅针对一条裂隙设计，这样就避免探测-泄水孔将几条宽张裂隙串联起来，减少了掌子面的出水量，达到了分散泄水、减压的目的。若6个探测-泄水孔全部打设完毕后，泄水效果仍不能满足开挖要求，需增加探测-泄水孔数量。后进行常规的隧道施工。

太行山隧道1#斜井右线山西方向掌子面开始实施带水作业施工。本循环共施做7个探测-泄水孔，最初先施做T1、T2、T3，其中T1孔钻孔深度12m，出水量达到210m³/h，无法钻进；T2孔钻孔深度度13m，出水量达180m³/h，无法钻进；T3孔钻孔深度17m，出水量110m³/h，停止钻进。三个探孔(兼做探测-泄水孔)施做完毕后，经现场确认根本达不到带水作业条件，决定增加探测-泄水孔(T4、T5、T6、T7)。其中T4孔钻孔深度13m，出水量160m³/h，无法钻进。T5孔钻孔深度17米，出水量50m³/h，停止钻进。T6孔钻孔深度14m，出水量110m³/h，停止钻进。T7孔钻孔深度20m，出水量35m³/h，停止钻进。当7个探孔全部施做完毕后，T3、T5、T7孔出水量降低至35m³/h，T1、T2、T4、T6孔出水量降低至110m³/h。对掌子面分左右两半部分爆破施做，先爆破掌子面右半部分，起到先行泄水的目的，当左半部分掌子面出水量降低至适宜开挖作业后再同步开挖。本循环开挖20m用时加上探孔作业用时，历时一个月。

通过两段带水作业试验情况可以判定带水作业开挖的条件：

1)隧道围岩等级必须达到三级以上；

2)隧道必须具备足够的排水能力，设计排水量必须足够大，最好具备顺坡排水的能力；

3)带水作业必须遵循先超前测泄水、减压，杜绝盲目冒进；

4)当遇到特殊地层(断层、1米以上宽裂隙)时，隧道掌子面涌水量大于500m³/h，带水开挖作业施工难度大，必须采取有效措施(如注浆、管棚)加固后再开挖作业；

5)当20m深探测-泄水孔(孔径Φ90)出水量低于35m³/h时，无动水压力，基本能满足带水开挖作业。

在本隧道宽张裂隙、高压富水的地质特点，周边注浆相对减少涌水量，达到带水作业的条件，试验了7个循环，取得了较好的施工进度和效果，参见表4。

表4优化注浆过程及效果跟踪情况对照表

通过试验表明：注浆循环时间大部可控制在十天以内，甚至在一周左右，较帷幕注浆减少大半，大大缩短了施工时间，同时取得了较好的注浆堵水效果，使用带水作业能有较好的开挖速度。

针对太行山隧道地质、水文特性，探孔泄水方案采取短孔泄水措施。探测-泄水孔的打设深度针对同一条裂隙设计，这样就避免探测-泄水孔将几条宽张裂隙串联起来，减少了掌子面的出水量，达到了分散泄水、减压的目的。通过这一措施加快了施工进度，提高了施工效率，每月隧道开挖进尺达到50米左右。

通过对太行山隧道高压富水宽张裂隙地段进行全断面帷幕注浆、周边注浆带水作业的多种施工技术研究，可得出以下结论：

(1)全断面帷幕注浆结合大管棚施工方案对处理隧道施工中遇到的高压富水等特殊地段具有良好的效果，也是目前国内隧道施工处理特殊地段最有效的措施之一。太行山隧道实施全断面帷幕注浆方案后的堵水率达到了99％以上，后续的开挖揭示也对注浆效果得到了很好的验证。

(2)根据隧道施工中实时掌握工程特性，及时采取适合本隧道的特有注浆施工措施和方案，在施工效率、节约施工成本、施工安全三者关系中取得平衡是很有必要的。太行山隧道周边注浆带水作业施工方案，节约了工期、施工成本，大大提高了施工效率。

(3)在类似太行山隧道水文、地质特性隧道工程中，在满足正常开挖作业前提下，采用检查孔测水法进行注浆效果评价，效果达标的标准可为：检查孔的出水量指标小于10L/m/min。

(4)通过试验验证了隧道开挖带水作业的满足条件是：1)隧道围岩等级必须达到三级以上；2)隧道必须具备足够的排水能力，设计排水量必须足够大，最好具备顺坡排水的能力；3)带水作业必须遵循先超前测泄水、减压，杜绝盲目冒进；4)当遇到特殊地层(断层、1米以上宽裂隙)时，隧道掌子面涌水量大于500m³/h，带水开挖作业施工难度大，必须采取有效措施(如注浆、管棚)加固后再开挖作业；5)当20m深探测-泄水孔(孔径Φ90)出水量低于35m³/h时，无动水压力，基本能满足带水开挖作业。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构和步骤，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。此外所揭示的各种参数可以根据具体使用条件在本发明所公开的范围内适当选取。此外所揭示的各个施工步骤也可以根据具体使用条件适当地增减或调整顺序。

Claims (10)

1.一种高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，包括：

(1)通过隧道超前地质探测来确定隧道围岩等级达到三级以上；

(2)在隧道掌子面施做止浆墙，并在所述止浆墙中下部钻出至少三个探测-泄水孔；

(3)在所述止浆墙上沿隧道开挖轮廓线的内周间隔标定至少十五个注浆孔位，所述至少十五个注浆孔位分为至少五个A序注浆孔位、至少五个B序注浆孔位以及至少五个C序注浆孔位，所述A序注浆孔位和所述B序注浆孔位交替分布于所述隧道开挖轮廓线的内周的中上部，所述C序注浆孔位分布于所述隧道开挖轮廓线的内周的下部；

(4)在所述至少五个A序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个A序注浆孔后，接着在所述至少五个A序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个A序注浆孔，同时对上一个A序注浆孔进行注浆，直至所述至少五个A序注浆孔位都完成注浆；

(5)在所述至少五个B序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个B序注浆孔后，接着在所述至少五个B序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个B序注浆孔，同时对上一个B序注浆孔进行注浆，直至所述至少五个B序注浆孔位都完成注浆；

(6)在所述至少五个C序注浆孔位的其中一个孔位钻出一个C序注浆孔后，接着在所述至少五个C序注浆孔位的另一个孔位开始钻下一个C序注浆孔，同时对上一个C序注浆孔进行注浆，直至所述至少五个C序注浆孔位都完成注浆；以及

(7)当所述至少十五个注浆孔位都完成注浆后，测量每个所述探测-泄水孔的出水量；当测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟时，直接开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于10升/米*分钟且小于等于20升/米*分钟时，增钻探测-泄水孔直至测得单孔最大出水量小于等于10升/米*分钟后，开挖隧道；当测得单孔最大出水量大于20升/米*分钟时，在进行全断面帷幕注浆施工后，开挖隧道。

2.如权利要求1所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述步骤(4)、(5)和(6)中，采用分段钻孔注浆施工，当所述至少十五个注浆孔位的上一段钻孔注浆施工都完成后，继续进行所述至少十五个注浆孔位的下一段钻孔注浆施工，直至达到每个注浆孔的设定长度。

3.如权利要求2所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述分段钻孔注浆施工过程中，当所述至少十五个注浆孔位的上一段钻孔注浆施工都完成后，经过注浆液的终凝时间，钻机钻头扫孔上一段完成的注浆孔后，接着上一段钻出的注浆孔继续进行所述至少十五个注浆孔位的下一段钻孔注浆施工。

4.如权利要求3所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，钻孔注浆施工的分段条件为：当所述隧道掌子面的总出水量为0～10立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为8～12米；当所述隧道掌子面的总出水量为10～30立方米/小时时，钻孔注浆施工的分段长度为3～7米；当所述隧道掌子面的总出水量大于30立方米/小时时，立即停止钻进，进行注浆加固。

5.如权利要求1～4中任一项所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述步骤(4)、(5)和(6)中，采用分段供浆，每个注浆孔的前二分之一至四分之三范围内选用水泥-水玻璃双液浆，每个注浆孔的后四分之一至二分之一范围内选用硫铝酸盐水泥单液浆。

6.如权利要求5所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，水泥-水玻璃双液浆的体积比为1：1，其中普通水泥的水灰比为0.8～1.0：1；硫铝酸盐水泥单液浆的水灰比为0.6～1.0：1。

7.如权利要求1～4中任一项所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述步骤(7)中，开挖隧道时，仅开挖上一循环注浆加固隧道的前三分之二至六分之五，预留上一循环注浆加固隧道的后六分之一至三分之一作为下一循环注浆加固隧道的止浆盘。

8.如权利要求1～4中任一项所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，所述全断面帷幕注浆施工包括在所述隧道开挖轮廓线的外周的中上部增加至少十五个管棚孔，在所述至少十五个注浆孔位的内周增加至少十个补充注浆孔。

9.如权利要求1～4中任一项所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，隧道超前地质探测采用地震反射法和/或地质雷达法。

10.如权利要求1～4中任一项所述的高压富水隧道宽张裂隙超前探测注浆加固开挖方法，其特征在于，在所述步骤(4)、(5)和(6)中，每个注浆孔的单孔注浆结束压力大于等于6兆帕。