CN106014201A - 一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺 - Google Patents

Abstract

一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，包括步骤：1，根据探明的帷幕外集中富水区范围及其与止浆墙之间的空间位置关系，设计泄水孔；2，通过止浆墙，在注浆帷幕内依次施工第一、二、三级钻孔，并注浆封固第一、二级套管；同时在第三级钻孔内插入泄水套管；在泄水套管上安装带有截止阀门的泄水套管密封接头；3把连接有双液注浆混合器的注浆接头连接在位于孔口端部的第二级套管上，向第二级套管和泄水套管之间的间隙内注浆；该注浆为定量注浆，等浆液到达集中富水区的边界时，停止注浆，关闭双液注浆混合器，候凝；4在孔口端泄水套管上安装处于开启状态的控水阀门；集中富水区内的水就会沿泄水套管从控水阀门内涌出。

Description

一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺

技术领域

本发明公开了一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺。

背景技术

我国隧道建设过程中经常遭遇富水的松散软弱地层、断层破碎带或岩溶地层。当隧道掘进至该类地层的集中富水区并揭露含导水构造时，地下水将涌入隧道内，诱发突水、突泥重大地质灾害，严重威胁工程安全。目前，帷幕注浆是治理富水软弱地层隧道突水、突泥灾害最有效的方法之一，其基本原理是通过合理布设一定数量、角度和深度的钻孔，向钻孔内注入浆材(如水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆等)并使各孔的浆液结石体相互搭接形成止水帷幕，从而达到地层防渗与加固的目的，为隧道开挖和长期运营提供安全保障。

对于地下水水量大、水压高、分布范围广、水力联系通畅的强富水软弱地层，隧道超前帷幕注浆的施工难度极大。首先，注浆施工要求的注浆压力较高(通常为净水压力的1.5～2.5倍或以上)，极易导致隧道初期支护、止浆墙及围岩变形。其次，帷幕圈内全部含导水构造的封堵困难，工程量大，耗费工期长。为提高注浆施工效率及开挖安全性，目前施工中常采用“堵排结合”的方法，即帷幕注浆与地下水限量排放相结合，其具体措施是：从止浆墙上开设一定数量泄水孔对地下水进行排水降压，同时在围岩内实施帷幕注浆，形成具有一定强度和自稳能力的注浆加固圈，把地下水阻隔在帷幕圈外。“堵排结合”的施工方法可有效减少地下水压力对隧道围岩的渗透破坏，还可降低注浆压力，避免初期支护、止浆墙及围岩发生过大变形，同时有利于浆液在地层中的扩散以及局部封闭型含水构造中地下水的排出，大幅提高注浆效率和治理效果。

在帷幕注浆工作面施工的泄水孔要贯穿注浆帷幕区，泄出帷幕外地下水。泄水孔除需满足泄水要求外，还应满足安全施工的要求。若泄水孔的布设和施工工艺不当，钻孔泄水将冲刷和破坏帷幕加固圈内围岩，对注浆施工和帷幕加固圈形成产生不利影响。因此，提出一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺，避免泄水对帷幕注浆所带来的不良影响，确保施工安全与注浆效果，是本发明的主要目的。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术缺陷，本发明公开了一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺，其主要技术内容包括：第一级套管、第二级套管、泄水套管、止浆墙、位于注浆帷幕外的集中富水区、用于封固各级套管的注浆浆液以及相应的操作工艺等。

本发明的具体实施步骤和操作工艺如下：

一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，包括以下步骤：

步骤1，通过止浆墙向注浆帷幕内依次施工第一级和第二级钻孔，并在第一级钻孔、第二级钻孔内依次注浆封固第一级和第二级套管；

步骤2，在第二级套管内施工第三级钻孔，同时在第三级钻孔内下设泄水套管，并在泄水套管孔口端安装带有截止阀门的泄水套管密封接头；

步骤3，把连接有双液注浆混合器的注浆接头连接到第二级套管的孔口端，向第二级套管和泄水套管之间的间隙内注浆，封固泄水套管；当浆液到达集中富水区的边界时，停止注浆，关闭双液注浆混合器，等候浆液固结；

步骤4，待第二级套管与泄水套管间的浆液固结后，拆除注浆接头、泄水套管密封接头及截止阀门，并在泄水套管孔口端处安装处于开启状态的控水阀门；集中富水区内的水从泄水套管涌出，达到泄水减压的目的。

进一步的，所述步骤1的具体过程如下：

步骤1-1，根据探明的帷幕外集中富水区范围及其与止浆墙之间的空间位置关系，设计泄水孔；

步骤1-2，通过止浆墙向注浆帷幕区内施工第一级钻孔，到设计深度后下入第一级套管，之后对第一级套管与第一级钻孔之间的环状空间进行注浆封固；

步骤1-3，第一级套管封固达到候凝时间后，在第一级套管内下入钻头，把第一级套管内的浆液结石体清扫干净并继续钻进延深钻孔，形成第二级钻孔；

步骤1-4，当钻进到第二级钻孔的设计深度时，下入第二级套管，并对第二级套管和第二级钻孔之间的环状空间进行注浆封固。

进一步的，所述的封固方法如下：向第一级套管或第二级套管内注入速凝类浆液，浆液抵达第一级钻孔或者第二级钻孔底部后，将由第一级套管或第二级套管外壁与钻孔孔壁的间隙向外返浆充填，浆液凝固后即可封固第一级套管或第二级套管。

进一步的，在第一级以及第二级套管封固前，首先根据注浆充填的空间得到注浆量，然后根据注浆设备的注浆速率计算出浆液充填所需的时间；所选择的速凝类浆液的初凝时间要大于浆液充填时间。

进一步的，所述的步骤2如下：

步骤2-1，对第二级套管内的浆液固结体进行清扫，之后继续延深钻孔施工第三级钻孔，直到揭露并贯穿帷幕外集中富水区，之后水从第三级钻孔和第二级套管内流出；

步骤2-2，根据第三级钻孔揭露的集中富水区的位置和宽度，在泄水套管的对应位置处打滤水孔；

步骤2-3，在第三级钻孔内下入泄水套管；泄水套管下到设计深度后，把提前连接好的带有截止阀门的密封接头安装到泄水套管的孔口端；

进一步的，所述的滤水孔分布范围与集中富水区宽度接近。

进一步的，在安装泄水套管密封接头安装时截止阀门是打开的，安装完成后，关闭截止阀门。

进一步的，针对步骤3，向第二级套管与泄水套管之间的空隙内注浆的过程为定量注浆，即根据需要注浆封闭的空间容积，注入等量的浆液量；当浆液刚运移至集中富水区的边界时，停止注浆并关闭双液注浆混合器，等候浆液固结。

进一步的，所述三级钻孔的开孔位置选择在止浆墙上。

进一步的，第一级、第二级套管封固时的压力要满足以下条件：

保证浆液在套管和围岩间隙内充填饱满，并有部分浆液渗透到围岩内，确保套管封固质量。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工工艺，通过第二级套管隔离注浆帷幕区、泄水套管的定量注浆封固、泄水套管前端滤水孔准确布设及泄水量按需调控等技术手段的实施，实现了对注浆帷幕区外赋存的高压集中富水区进行泄水降压的目的，有效降低了地下水压力对隧道围岩的渗透破坏，同时有利于注浆压力的控制和浆液在地层中的扩散，大幅提升注浆效果。该工艺的实施避免了帷幕外集中富水区涌水对注浆帷幕区内围岩的冲刷破坏，实现了顺利排水，并保护了注浆帷幕圈。

附图说明

图1第一级和第二级套管封固后的钻孔结构示意图；

图2钻孔揭露注浆帷幕外集中富水区后带水下入泄水套管原理示意图；

图3注浆封固泄水套管原理示意图；

图4通过泄水套管从注浆帷幕外集中富水区泄水的原理示意图；

图5-1、5-2 B局部放大图；

图6 D局部放大图；

图中：1止浆墙，2第一级套管封固体，3第一级套管，4第二级套管，5第二级套管封固体，6注浆加固帷幕圈边界，7帷幕外的集中富水区，8揭露富水区的泄水钻孔，9泄水套管，10集中富水区内地下水引排流向，11双液注浆混合器，12泄水套管封固的浆液流向，13控水阀门，14泄水套管封固体，15滤水孔，16注浆接头，17泄水套管密封接头，18截止阀门，19隧道围岩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：隧道注浆帷幕外泄水孔的组成部分包括：第一级套管3、第二级套管4和泄水套管9，止浆墙1，第一级套管封固体2、第二级套管封固体5，泄水套管封固体14，帷幕外的集中富水区7，用于封固各级套管的注浆浆液以及相应的操作工艺等。图中给出了注浆加固帷幕圈边界6，揭露富水区的泄水钻孔8，集中富水区内地下水引排流向10，泄水套管封固的浆液流向12。具体的实施实施步骤如下：

第一步，在通过止浆墙1在注浆帷幕内依次施工钻孔，并注浆封固第一级套管3和第二级套管4。

(1)首先根据探明的帷幕外集中富水区7的范围及其与止浆墙1之间的空间位置关系，设计泄水孔8，主要包括泄水孔施工的角度和深度、各级钻孔的孔径结构及对应深度、不同孔径内需下入的套管规格及长度、套管的封固要求等。

(2)通过止浆墙向注浆帷幕区内施工第一级钻孔，当到达设计深度后下入第一级套管3，之后对第一级套管3与第一级钻孔之间的环状空间进行注浆封闭并候凝(对套管外和钻孔揭露围岩的间隙进行注浆封闭并候凝的过程简称套管封固，以下同)。

(3)当第一级套管3封固并达到候凝时间后，在第一级套管3内下入钻头，把第一级套管3内的浆液结石体清扫干净并继续钻进延深钻孔，形成第二级钻孔。当钻进到第二级钻孔的设计深度时，下入第二级套管5并进行封固。

(4)上述两级套管均采用注浆法封固，具体为：向套管内注入速凝类浆液(如水泥-水玻璃双液浆)，浆液抵达钻孔底部后将由套管外壁与钻孔孔壁的间隙向外返浆充填，浆液凝固后即可封固套管。

(5)为保证套管的封固质量，钻孔开孔位置须设在止浆墙1上。止浆墙1采用C25素混凝土构筑，在注浆封固套管时起到承受注浆压力和止浆的作用。

第二步，施工揭露帷幕外集中富水区7的第三级钻孔，并下入泄水套管9。

(1)第二级套管4封固结束后，在第二级套管4内下入钻头施工第三级钻孔。先对第二级套管4内的浆液固结体进行清扫，之后继续延深钻孔直到揭露并贯穿帷幕外集中富水区7。此时，水从第三级钻孔和第二级套管4内流出。

(2)根据第三级钻孔揭露的集中富水区7的位置和宽度，提前在泄水套管9的对应位置处打滤水孔15。滤水孔15的分布范围与集中富水区7的宽度接近，其作用是隔挡水中携带的岩屑及碎块。

(3)第三级钻孔揭露集中富水区7后，下入泄水套管9。泄水套管9下到设计深度后，把提前连接好的带有截止阀门18的密封接头17安装到泄水套管9的孔口端。安装时截止阀门18处于打开状态，有利于减小密封接头17安装时套管内的水压阻力。密封接头17安装完成后，关闭截止阀门18。

(4)把连接有双液注浆混合器11的注浆接头16连接在位于孔口端部的第二级套管4上。

(5)通过双液注浆混合器11和注浆接头16向第二级套管4和泄水套管9之间的空隙内注浆。此时浆液将沿该空隙向钻孔深部运移。需要说明的是，该过程注浆为定量注浆，即根据需要注浆封闭的空间容积，注入等量的浆液。当浆液刚运移至集中富水区的边界6时，停止注浆并关闭双液注浆混合器11，等候浆液固结。

(6)待第二级套管4与泄水套管9间的浆液固结后，拆除与第二级套管4连接的注浆接头16，清理并拆卸泄水套管密封接头17及截止阀门18，并在泄水套管9孔口端处安装处于开启状态的控水阀门13。此时，集中富水区7内的水从泄水套管的控水阀门13内涌出。

施工中的安全技术要求如下：

(1)第一级套管3的作用是满足后续套管封固时压力和止浆的需要。第二级套管4的作用是隔离注浆帷幕区，避免注浆帷幕区内存在暴露围岩的裸孔段，防止集中富水区7内的地下水通过三级钻孔向外流动时冲刷和破坏裸孔段的围岩。

(2)施工第二级钻孔时，钻孔深度达到设计深度前，若遇到钻孔围岩涌水的情况，必须注入双液浆封堵涌水。在下入第二级套管4前，要求钻孔内不得有出水现象，从而保证第二级套管的封固质量。

(3)要求第一级套管3和第二级套管4封固时要满足一定压力，使得浆液在套管和钻孔岩壁的空隙内充填饱满，并有部分浆液渗透到围岩内，以确保套管封固质量。

(4)套管封固时选择具有无收缩性的双液浆(如水泥—水玻璃双液浆)，避免浆液固结后产生收缩裂纹，影响套管封固效果。

(5)在套管封固前，首先根据注浆充填的空间(即套管与钻孔内壁间的体积)得到注浆量，然后根据注浆设备的注浆速率计算出浆液充填所需的时间。双液浆的初凝时间需大于浆液充填时间，以保证浆液能顺利充填所需空间，而不出现凝固起压的现象。

(6)施工帷幕外泄水钻孔8之前，应采用物探手段(如瞬变电磁方法)对帷幕外富水区7的分布状态和赋水性进行探测，以确定富水区的空间位置及规模。

(7)对泄水套管9与第二级套管4之间的空隙进行定量注浆以封固泄水套管9，定量注浆的目的是防止浆液进入集中富水区7内封堵富水区裂隙，从而降低钻孔泄水量和泄水效率。

(8)泄水套管9外端须安装控水阀门13，根据需要控制和调节钻孔泄水量，确保施工安全。

(9)当集中富水区7内涌水携带的杂物(石块或砂)堵塞泄水套管9时，可在泄水套管内下钻头对堵塞物进行扫孔清理，增大泄水量。

(10)当泄水孔的泄水量达不到施工技术要求时，应在相同集中富水区域或不同富水区域内增加泄水孔数量，其施工工艺一致。

具体应用实施例：

国内某公路隧道穿越全-强风化花岗岩地层。该地层结构破碎，自稳性差，含导水构造极端发育，地下水丰富且水压高。当隧道开挖至集中富水区时，先后发生4次较大规模的突水突泥灾害，严重威胁施工安全。后期施工中采用帷幕注浆方法对突水突泥高风险区段进行治理，取得了较好的治理效果。

在进口右洞第二循环帷幕注浆实施过程中，钻孔揭露的单孔涌水量高达400m³/h，水压达1.5MPa。高压大流量地下水对围岩造成严重的渗透和冲刷破坏，对注浆帷幕圈形成带来极大难度，同时高水压导致注浆压力升高，不利于隧道初支稳定和后期开挖安全。为保证右洞第二循环帷幕注浆的顺利实施以及同时进行的左洞第二循环注浆治理区段的安全开挖(左、右洞间中隔岩柱的厚度仅为17m)，在右洞帷幕注浆止浆墙上施工了4个泄水孔，对左、右洞第二循环帷幕注浆区前方的高压集中富水区进行了泄水降压。4个泄水孔的总泄水量达到300m³/h以上，有效缓解了高压地下水对围岩的破坏作用，降低了开挖过程中的涌水风险，大幅提升了帷幕注浆治理效果和施工效率，确保了左、右洞第二循环帷幕注浆区段的安全顺利开挖。

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明：

(1)利用瞬变电磁超前地质预报手段探测了隧道进口左、右洞第二循环注浆帷幕区外集中富水区域7的位置和规模。

(2)根据集中富水区7、注浆帷幕区以及进口右洞第二循环注浆帷幕止浆墙1的相互关系，设计泄水孔8。

(3)在进口右洞第二循环帷幕注浆止浆墙1处布设泄水孔8的开孔位置，并标定钻孔施工角度和深度。

(4)利用钻机施工深度为8.5m的第一级钻孔，并下入直径为146mm的第一级套管3。然后，利用水泥-水玻璃双液浆对第一级套管3和第一级钻孔内壁之间的空隙进行封固。浆液凝固后，在第一级套管3内下入直径为133mm的钻头施工第二级钻孔，首先扫除第一级套管3内的浆液结石体并延深钻孔，直至达到第二级钻孔的设计深度26m(钻孔穿出第二循环注浆加固帷幕圈边界6的深度)。之后，下入直径127mm的第二级套管4，利用水泥-水玻璃双液浆对第二级套管5和第二级钻孔岩壁之间的空隙进行封固。

(5)当第二级套管4封固好后，采用直径113mm的钻头施工泄水钻孔8，首先扫除第二级套管4内的浆液固结体，然后继续延伸钻孔直至穿透注浆帷幕外的集中富水区7。此时，帷幕外集中富水区7内的地下水通过泄水钻孔8涌出。在钻孔涌水情况下，在泄水钻孔8内下入直径108mm的泄水套管9，泄水套管9延伸进入帷幕外集中富水区7内4m。在泄水套管9底端的4m范围内预先开设了滤水孔15，其直径为10mm，在泄水套管9的表面呈品字形均匀分布。下入泄水套管9后，地下水将沿泄水套管9流出。当泄水套管9下到设计位置后，把提前连接好的带有截止阀门18的泄水套管密封接头17安装到泄水套管9的孔口端。安装时截止阀门18处于打开状态，有利于减小密封接头17与泄水套管9连接时的地下水阻力。安装完成后，关闭截止阀门18。

(6)把连接有双液注浆混合器11的注浆接头16安装到第二级套管4的孔口端。通过连接双液注浆混合器11的注浆接头16，向第二级套管4和泄水套管9之间的空隙注入水泥—水玻璃双液浆，浆液将沿空隙向钻孔深部运移。注浆前，提前计算出第二级套管4和泄水套管9之间的空隙体积，根据该体积注入等量的浆液，当浆液运移到注浆加固帷幕圈边界6的位置时停止注浆，并关闭双液注浆混合器11的阀门，等候浆液凝固。

(7)待泄水套管9封固好后，打开注浆接头16与第二级套管4的连接，清理截止阀门18和泄水套管上的密封接头17，卸掉泄水套管密封接头17，之后在泄水套管9的孔口端安装处于开启状态的控水阀门13。此时，帷幕外集中富水区7内的高压地下水沿泄水套管9从控水阀门13涌出，隧道注浆帷幕外泄水钻孔施工完毕。

施工中的安全技术要求如下：

(1)根据注浆帷幕区地层岩性及地质条件，结合帷幕注浆钻孔施工的实际情况，采用水泥—水玻璃双液浆封固各级套管，封固时的注浆终压定为3.5MPa，注浆封堵钻孔涌水的注浆终压定为5.0MPa。

(2)选择使用的水泥—水玻璃双液浆为无收缩的可控速凝类浆液。配制双浆液所用的水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，水泥浆浓度为1.5g/cm³。所用的水玻璃浓度为35Beˊ，模数2.8。水泥浆和水玻璃浆体积比为1:1。双液浆初凝时间控制在20～40s之间，并根据注浆需要实时调整。

(3)在施工第二级钻孔时，钻孔未达设计深度前，遇到钻孔围岩涌水的现象，采用了水泥—水玻璃双液浆进行了注浆封堵。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过止浆墙向注浆帷幕内依次施工第一级和第二级钻孔，并在第一级钻孔、第二级钻孔内依次注浆封固第一级和第二级套管；

步骤2，在第二级套管内施工第三级钻孔，同时在第三级钻孔内下设泄水套管，并在泄水套管孔口端安装带有截止阀门的泄水套管密封接头；

步骤3，把连接有双液注浆混合器的注浆接头连接到第二级套管的孔口端，向第二级套管和泄水套管之间的间隙内注浆，封固泄水套管；当浆液到达集中富水区的边界时，停止注浆，关闭双液注浆混合器，等候浆液固结；

步骤4，待第二级套管与泄水套管间的浆液固结后，拆除注浆接头、泄水套管密封接头及截止阀门，并在泄水套管孔口端处安装处于开启状态的控水阀门；集中富水区内的水从泄水套管涌出，达到泄水减压的目的。

2.如权利要求1所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：

步骤1-1，根据探明的帷幕外集中富水区范围及其与止浆墙之间的空间位置关系，设计泄水孔；

步骤1-2，通过止浆墙向注浆帷幕区内施工第一级钻孔，到设计深度后下入第一级套管，之后对第一级套管与第一级钻孔之间的环状空间进行注浆封固；

步骤1-3，第一级套管封固达到候凝时间后，在第一级套管内下入钻头，把第一级套管内的浆液结石体清扫干净并继续钻进延深钻孔，形成第二级钻孔；

步骤1-4，当钻进到第二级钻孔的设计深度时，下入第二级套管，并对第二级套管和第二级钻孔之间的环状空间进行注浆封固。

3.如权利要求2所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，所述的封固方法如下：向第一级套管或第二级套管内注入速凝类浆液，浆液抵达第一级钻孔或者第二级钻孔底部后将由第一级套管或第二级套管外壁与钻孔孔壁的间隙向外返浆充填，浆液凝固后即可封固第一级套管或第二级套管。

4.如权利要求3所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，在第一级以及第二级套管封固前，首先根据注浆充填的空间得到注浆量，然后根据注浆设备的注浆速率计算出浆液充填所需的时间；所选择的速凝类浆液的初凝时间要大于浆液充填时间。

5.如权利要求1所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，所述的步骤2如下：

步骤2-1，对第二级套管内的浆液固结体进行清扫，之后继续延深钻孔施工第三级钻孔，直到揭露并贯穿帷幕外集中富水区，之后水从第三级钻孔和第二级套管内流出；

步骤2-2，根据第三级钻孔揭露的集中富水区的位置和宽度，在泄水套管的对应位置处打滤水孔；

步骤2-3，在第三级钻孔内下入泄水套管；泄水套管下到设计深度后，把提前连接好的带有截止阀门的密封接头安装到泄水套管的孔口端。

6.如权利要求5所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，所述的滤水孔分布范围与集中富水区宽度接近。

7.如权利要求5所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，在安装泄水套管密封接头安装时截止阀门是打开的，安装完成后，关闭截止阀门。

8.如权利要求1所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，向第二级套管与泄水套管之间的空隙内注浆的过程为注浆为定量注浆，即根据需要注浆封闭的空间容积，注入等量的浆液量；当浆液刚运移至集中富水区的边界时，停止注浆并关闭双液注浆混合器，等候浆液固结。

9.如权利要求1所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，所述三级钻孔的开孔位置选择在止浆墙上。

10.如权利要求1所述的隧道注浆帷幕外泄水钻孔安全施工方法，其特征在于，第一级、第二级套管封固时的压力要满足以下条件：

保证浆液在套管和围岩间隙内充填饱满，并有部分浆液渗透到围岩内，确保套管封固质量。