CN114233385B

CN114233385B - 一种斜井井筒突泥涌水的治理方法

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Publication number: CN114233385B
Application number: CN202111282720.8A
Authority: CN
Inventors: 陈振国; 贺文; 王博; 王康; 李生生; 梁敏; 吴莹; 陈龙; 司延强; 许慧斌; 杨雪; 陈君; 杨明
Original assignee: Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Current assignee: Beijing China Coal Mine Engineering Co ltd
Priority date: 2021-11-01
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2023-12-01
Anticipated expiration: 2041-11-01
Also published as: CN114233385A

Abstract

本发明公开一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，步骤为：施工止浆墙：在斜井井筒中临近突泥涌水最高水位施工止浆墙；地面灌浆：从地面施工定向注浆孔，通过定向注浆孔塌腔区灌浆填充；破除止浆墙；清理斜井井筒内泥渣：清理斜井井筒中的突泥涌水，并恢复井筒内的设施管线，以及修复被破坏的初支和二衬；斜井井筒内帷幕加固灌浆；恢复正常掘进施工。本发明的方法既避免了井筒内突泥涌水清理过程中可能产生的清理风险，又通过注浆加固防止后续施工过程中突泥涌水再次发生，适合于井筒围岩地层含水量大、不稳定性较高的斜井井筒突泥涌水的治理。

Description

一种斜井井筒突泥涌水的治理方法

技术领域

本发明涉及突泥涌水治理技术领域。具体地说是一种斜井井筒突泥涌水的治理方法。

背景技术

在隧道开挖过程中，若隧道围岩稳定性较差，尤其是岩体破碎性高、透水性较好的情况下，在隧洞施工过程中具有较高的突泥涌水风险。目前，常需要采取有效的超前地质预报手段对上述断层破碎带进行超前预报，将隧洞施工过程中的涌水、突水风险降至最低，以确保施工安全和环境安全。但由于地层的复杂性，以及在施工过程中地层的稳定性常常受到来自多方面因素的干扰，在井筒施工过程中，井筒突泥涌水事故也常有发生，尤其是当井筒围岩破碎程度较大、地下水含量较高时，斜井井筒的突泥涌水会严重影响施工的顺利进行。一旦发生井筒的突泥涌水事故，当前主要采取的方法有反压回填、喷锚、灌浆以及灌浆后排水。然而，如果斜井井筒围岩区存在较大且未知的塌腔区，导致井筒内突泥涌水量较大、持续时间长，比如涌水量达到300m/h、持续时间超过200h时，再采用上述方法就不足以应对和治理了；这种情况通常跟井筒围岩地层的稳定性有很大关系，此时如果反压回填可能会失败，特别是当突泥涌水持续发生时，喷锚也达不到理想效果，而如果在突泥涌水达到稳定时直接采取灌浆进行治理，可能会出现灌浆效果较差甚至在钻孔时引发更严重的突泥涌水。当井筒内突泥涌水达到稳定后，井筒内泥水压达到平衡，处于暂时稳定状态，如果贸然对井筒内的突泥区域进行清理，则会有很高的清理风险，极有可能引发二次涌水突泥灾害。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，以解决斜井井筒内突泥涌水达到稳定后，直接清理井筒内的泥水存在较高的清理风险的问题，同时通过灌浆的方式加固井筒围岩，使井筒内施工恢复正常。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，包括如下步骤：(1)施工止浆墙：在斜井井筒中邻近突泥涌水最高水位施工止浆墙；(2)地面灌浆：从地面施工定向注浆孔，待定向注浆孔施工完成后，通过定向注浆孔对斜井井筒发生突泥涌水的顶部塌腔区进行灌浆填充；(3)破除止浆墙：将步骤(1) 中的止浆墙破除；(4)清理斜井井筒内泥渣：清理斜井井筒中的突泥涌水，并恢复井筒内的设施管线，以及修复被破坏的初支和二衬；(5)斜井井筒内帷幕加固灌浆：采用全断面帷幕灌浆的方式对斜井井筒前方待开挖区的突泥体以及斜井井筒前方待开挖区的周边围岩进行灌浆防突加固；(6)恢复正常掘进施工。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)本发明通过将地面灌浆与井筒内帷幕加固灌浆相结合的方式，解决了斜井井筒突泥涌水后，井筒内突泥涌水清理困难的问题；先进行地面灌浆，对引起斜井井筒突泥涌水的塌腔区进行灌浆充填，同时，在地面灌浆之前，先在斜井井筒内施工浇筑止浆墙，可以防止在地面灌浆过程中，浆液通过斜井井筒涌出。先对塌腔区采用地面灌浆的方式进行填充加固，大大降低了井筒内二次突泥涌水的可能性，从而降低了井筒内泥水清理时的安全风险，避免因突泥涌水清理造成的安全事故；在井筒内的突泥涌水清理完毕后，为防止在井筒继续施工掘进过程中，再次发生突泥涌水事故，本发明采用井筒内超前帷幕加固灌浆的方式，同时在掌子面后方二次施工止浆墙，以防止在帷幕注浆加固过程中再次出现突泥涌水问题。

(2)本发明的方法既避免了井筒内突泥涌水清理过程中可能产生的清理风险，又通过注浆加固防止后续施工过程中突泥涌水再次发生，适合于井筒围岩地层含水量大、不稳定性较高的斜井井筒突泥涌水的治理，尤其适用于突泥涌水量较大、持续时间较长的斜井井筒的突泥涌水治理，具有安全性好、治理效率高，可以有效避免井筒施工过程中二次突泥涌水的发生。

附图说明

图1a本发明实施例中4#支洞断面图；

图1b本发明实施例中花管分段劈裂挤密注浆示意图；

图2a本发明实施例中4#施工支洞突泥纵剖面图；

图2b本发明实施例中花管分段劈裂挤密注浆示意图；

图3a本发明实施例中4#支洞现状图；

图3b本发明实施例中充填注浆示意图；

图4a本发明实施例中4号支洞施工场地总平面图；

图4b本发明实施例中止浆墙设计图；

图5本发明实施例中总体治理方案流程图；

图6a本发明实施例中止浆墙另一个设计图；

图6b本发明实施例中充填注浆钻孔示意图；

图6c本发明实施例中止浆墙断面图；

图7a本发明实施例中充填钻孔剖面图(X4K0+475)；

图7b本发明实施例中充填钻孔剖面图(X4K0+505)；

图7c本发明实施例中充填钻孔剖面图(X4K0+520)；

图8a本发明实施例中劈裂注浆孔分序示意图(一序孔)；

图8b本发明实施例中劈裂注浆孔分序示意图(二序孔)；

图8c本发明实施例中劈裂注浆孔分序示意图(三序孔)；

图8d本发明实施例中洞内灌浆断面图；

图9a本发明实施例中劈裂注浆孔钻孔断面图(X4K0+475)；

图9b本发明实施例中劈裂注浆孔钻孔断面图(X4K0+505)；

图9c本发明实施例中劈裂注浆孔钻孔断面图(X4K0+550)；

图9d本发明实施例中洞内灌浆剖面图；

图10本发明实施例中定向注浆钻孔三维示意图；

图11本发明实施例中钻孔结构图；

图12本发明实施例中套壳料充填环形空间示意图。

图中附图标记表示为：1-地面；2-一开钻孔；3-一开套管；4-二开钻孔；5-二开套管；6-三开钻孔；7-三开花管；8-注浆套管；9-钢阀管；10-输浆管；11-浆液流向；12-注浆花眼；13-受注地层；14-止浆塞；15-注浆钻孔；16-劈裂面；17-注浆液；18-X4K0+475桩号；19-X4K0+505 桩号；20-X4K0+550桩号；21-止浆墙；22-斜井井筒；23-排气观测管(带阀门和压力表)；24- 排水管；25-带过滤网排水泵；26-涌水回填渣石；27-钢筋植筋；28-套壳料固结体；29-X4K0+520 桩号；30-充填灌浆区域；31-变压器室；32-开挖掌子面；33-二级泵站室。

具体实施方式

本实施例以XXX隧洞中出现的斜井井筒突泥涌水事故作为施工测试点采用斜井井筒突泥涌水的治理方法进行治理。

一、概述

1.1工程概况

XX市Ⅰ段施工2标，为XXX隧洞一部分，位于XXX隧洞中部，桩号范围DLⅠ13+900～DLⅠ36+800，主要工程项目包括：①长度约22.9km XXX隧洞主洞段施工；②XXX隧洞3#施工支洞施工；③XXX 隧洞3-1#施工支洞施工；④XXX隧洞4#施工支洞施工；⑤XXX隧洞5#施工支洞管理与维护。

XXX隧洞4#施工支洞施工作为XXX隧洞的施工通道之一，主要承担XXX隧洞DLⅠ23+240～DL Ⅰ25+650段钻爆法施工的物料运输辅助通道，施工支洞长约1132m，支洞倾角约27.1°，断面为城门洞型(见图1a)，净断面尺寸6.5m×6.0m(宽×高)，洞口底板高程2502m，与XXX隧洞的交点桩号为DLⅠ23+840，交点处的支洞底板高程2016m，高差约486m。

1.2基本地质条件

XXX隧洞4#施工支洞位于XXX台缘褶皱带(Ⅰ1)的三级构造单元XXX-XXX台褶束(Ⅰ11)内。 4#施工支洞轴线5km范围内分布有XXX－XXX断(F11)裂、XXX厂-XXX江断裂及3条近东西向断裂，支洞呈较大角度穿过XXX－XXX断裂东、中支(F11-3、F11-2)。工程区新构造运动活跃，50年超越概率10％水平向地震动峰值加速度值为312gal(0.319g)，地震基本烈度为Ⅷ度。

XXX隧洞4#施工支洞布置于XXX河槽谷中部及其北西侧，沿线地面高程一般2500～2620m，坡角10°～30°。区内冲沟较发育，多属季节性流水，切割深度较浅。区内最大河流XXX河位于支洞洞口南东侧200m处，自NE向流向SW，常年流水。地层岩性以XXX河槽谷为界，以东主要为三叠系中统北衙组上段(T2b2)灰岩、白云质灰岩、白云岩等，以西主要为二叠系玄武岩(Pβ)；第四系覆盖层(Qpal、Qedl)主要分布于XXX河槽谷、冲沟以及缓坡地带。支洞主要穿越XXX－XXX断裂带(F11)及二叠系岩玄武岩(Pβ)，断裂带原岩多为玄武岩，少量为北衙组灰岩。玄武岩全强风化带厚度一般37～80m，弱风化带厚度60～140m。

沿线地下水类型主要有覆盖层及全强风化带岩体内孔隙水、弱～微新岩体内基岩孔隙-裂隙水、裂隙-溶隙水及XXX—XXX断裂带内断层脉状水，局部具承压性，地下水位高出支洞一般200～500m，最大达566m。钻孔灌(压)水试验成果表明，碎(卵)砾石夹土、碎块石夹土为弱-中等透水，粉质粘土夹碎砾石为微-弱透水，玄武岩(断裂影响带)总体为中等透水，XXX—XXX断裂总体为弱- 中等透水，局部强透水，主要表现为顺断层方向一般属中等-强透水，垂直断层方向一般属弱透水。

XXX隧洞4#施工支洞主要岩(土)体物理力学参数参考值见表1-表2，表中数值为主要岩体物理力学参数的代表值，即试验值的主要集中分布区间，部分试验值不在此参考值区间之内。

表1土体主要物理力学参数参考值表

表2岩体主要物理力学参数参考值表

1.3分段工程地质条件

第1段：桩号X4K0+000～X4K0+843段

洞口部位场地较开阔，坡角16°～30°，洞脸边坡由土层和全强风化岩体组成。支洞埋深一般100～400m，穿越XXX—XXX断裂带的中支(F11-2)及东支(F11-3)主断带及影响带，主要为碎裂玄武岩、灰岩角砾岩等，岩质较坚硬，岩体完整性差～较破碎，围岩类别以Ⅴ类为主，围岩稳定问题突出。该洞段岩体较破碎，透水性相对较好，存在涌水突泥风险，尤其是断层主断带；XXX— XXX断裂中支(F11-2)主断带及其相邻影响带洞段揭示有弱的承压水，存在高外水压力问题；XXX— XXX断裂及其影响带岩体破碎松软且胶结较差，存在大变形问题。

第2段：桩号X4K0+843～X4K1+132.35段

该段支洞埋深457～596m，穿越二叠系玄武岩(Pβ)，岩质较坚硬～坚硬，受构造影响，岩体完整性差～较破碎，围岩类别以Ⅳ类为主，间夹Ⅴ类，成洞条件差。局部洞段可能存在沿裂隙密集带涌水风险；该段存在高外水压力问题。

1.4岩溶与水文地质条件

(1)岩溶：4#施工支洞布置于XXX河槽谷(XXX-XXX断裂槽谷)及其右岸山体内，XXX河左岸普遍分布三叠系中统北衙组上段(T2b2)灰岩、白云质灰岩、白云岩，及北衙组下段上部(T2b1-2) 条带状灰岩夹泥质灰岩，岩溶发育强烈，沿裂隙在表层多形成疏密不一的溶沟、溶槽，其宽(深) 一般数厘米至数米不等，且多有粘土、碎石土充填，局部发育岩溶洞穴。支洞以东的灰岩地区分布多个岩溶(子)系统，支洞所在的XXX河左岸分布XXX江岩溶子水系统(Ⅴ-1)，支洞主要穿越XXX －XXX断裂带及二叠系岩玄武岩(Pβ)，断裂带内多为玄武岩，少量为灰岩角砾岩，表层多呈强烈溶蚀风化特征。

(2)水文地质：①地表水：施工支洞沿线经过3条冲沟，冲沟沟底纵坡较缓，局部较陡，主要为地表水排泄通道，仅雨季有水；施工支洞洞口南东侧约200m为XXX河，流向SW，常年有水，勘察期间(20XX年8月，雨季)流量约3m/s，XXX河河床水面高程2491～2492m。

②地下水及补径排关系：根据地下水的赋存条件和运移形式，4#施工支洞地下水类型主要有孔隙水、基岩孔隙-裂隙水、裂隙-溶隙水及断层脉状水，局部具承压性。孔隙水主要赋存于第四系覆盖层及全强风化带岩体内；裂隙水、裂隙-溶隙水则主要赋存于基岩的弱-微新岩体中。施工支洞大部分穿越XXX－XXX断裂带，带内构造岩(原岩多为玄武岩少量灰岩)岩体破碎，透水性较好，地下水丰沛；后段穿越玄武岩(Pβ)以裂隙水为主，受断裂构造影响，岩体较破碎，地下水较丰。

施工支洞所在的XXX河为本区最低排泄基准面，地下水主要接受大气降水的补给，降水多以地表径流的形式排入XXX河，部分大气降水渗入地下形成地下水，地下水总体沿断层槽谷由NE往SW 运移。根据观测资料，XLP4ZK1、XLP4ZK2钻孔地下水埋深分别为21.40m、11.80(11.65)m，分别高出施工支洞洞顶高度16.2m、284.32(284.47)m。另外，钻孔XLP4ZK2钻至孔深220.55m时(高程2351.73m，高出隧洞顶板75.60m)出现涌水，呈喷泉状，涌水量60L/min，表明断裂带中存在承压含水层。据剖面分析，支洞桩号XLS5K0+015以前洞段位于地下水位以上，以后段位于地下水以下，地下水位高出支洞一般200～500m，最大达566m。

1.5主要存在的工程地质问题与风险

(1)隧洞涌(突)水分析

支洞大部分穿越XXX-XXX断裂带及影响带，带内构造岩为碎裂岩、角砾岩及碎粉岩等，岩体破碎～较破碎，根据XLP4ZK2孔钻进过程中涌水情况及水文地质试验分析，碎粉岩透水性较弱，为相对隔水层，角砾岩、碎裂岩、碎裂玄武岩等透水性相对较好，为含水层，且其内地下水具承压性，隧洞穿越可能产生洞室的涌水突泥问题；支洞后段玄武岩，受断裂构造影响，岩体破碎，透水性中等，也存在一定的渗涌水问题。施工过程中应注意洞内涌水突泥问题和排水对地下水环境的不利影响，需采取封堵限排措施，建议对支洞中段断层段(桩号X4K0+427-0+845)长约418m洞段采取灌浆封堵处理措施。同时需采取有效的超前地质预报手段对上述断层破碎带进行超前预报，将隧洞施工过程中的涌(突)水风险降至最低，以确保施工安全、环境安全。

(2)隧洞涌水量预测

根据地下水动力学法(多个公式)进行隧洞涌水预测计算,4#施工支洞整洞段一般单位长度涌水量为73.37～108.66L/(min-10m),最大单位长度涌水量为110.19～312.94L/(min-10m),总体为线状流水-涌水。

1)其中洞口～桩号X4K0+015段为干洞；2)桩号X4K0+015-X4K0+116段围岩主要为XXX-XXX 断裂带(F11-3)角砾岩、碎裂岩夹碎粉岩，该段一般单位长度涌水量为12.55～31.97L/(min-10m), 最大单位长度涌水量为39.46～61.29L/(min·10m),为渗滴水-线状流水；3)桩号X4K0+116～ X4K0+428段为XXX-XXX断裂(F11-3)影响带，该段一般单位长度涌水量为46.58～58.96L/(min· 10m),最大单位长度涌水量为70.25～169.16L/(min·10m),为线状流水-涌水；4)桩号X4K0+428 -X4K0+662段为XXX-XXX断裂(F11-2)角砾岩、碎粉岩等，该段一般单位长度涌水量为155.71～ 237.63L/(min·10m),最大单位长度涌水量为238.41～686.47L/(min-10m),为涌水；5)桩号 X4K0+662-X4K0+771段为XXX-XXX断裂(F11-2)影响带，该段一般单位长度涌水量为51.61～ 78.28L/(min·10m),最大单位长度涌水量为73.10～223.66L/(min·10m)，为线状流水-涌水；6) 桩号X4K0+771～X4K0+843段XXX-XXX断裂带(F11-2)，该段一般单位长度涌水量为210.75～ 345.86L/(min·10m),最大单位长度涌水量为318.91～999.06L/(min·10m),为涌水；7)桩号 X4K0+843～X4K1+132.35段为二叠系玄武岩，该段一般单位长度涌水量为26.87～41.51L/(min-10m)，最大单位长度涌水量为36.42～118.40L/(min·10m)，为线状流水。

表3 XXX隧洞4#施工支洞涌水量预测表

(3)高外水压力分析预测

隧洞非可溶岩洞段地下水以基岩裂隙水、断层脉状水为主，根据钻孔水位资料，施工支洞前15m 洞段为干洞，LP4ZK1水位2506.84m，埋深21.40m,XLP4ZK2水位2560.48m，埋深11.80m,支洞沿线地下水埋深一般数十米，局部地段具承压性。隧洞深埋段地下水水头一般200～500m，最大570m。隧洞外水压力预测采用压力水头折减系数法，外水压力折减系数取值主要依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)，按岩体透水率确定外水压力折减系数经验值见下表。

表4按岩体透水率确定外水压力折减系数经验值表

按照上述方法及外水压力折减系数取值标准，对XXX隧洞4#施工支洞桩号X4K0+015～ X4K1+132.35段高外水压力情况进行了分析(表5)，结果显示4#施工支洞穿越XXX-XXX断裂带前段 (桩号X4K0+015-X4K0+411)总体高外水压力问题不突出，在穿越F11-2断裂带、影响带及玄武岩洞段(桩号X4K0+411～X4K1+132.35)存在较高的外水压力问题，相应的外水压力值为1.00～ 2.01MPa，累计洞段长度721.89m，约占隧洞总长的63.7％，高外水压力问题较突出。

表5 XXX隧洞4#支洞外水压力统计表

(4)软岩大变形问题分析

4#施工支洞沿线地面高程2500～2620m,一般埋深100-500m,最大埋深596m,埋深大于300m洞段长594m,占支洞长度的52.4％。根据地应力测试成果，按拟合建议式计算支洞埋深300-596m处的地应力为10.5-17.9MPa,埋深300m以上洞段围岩应力量级为中等应力水平。支洞主要穿越XXX-XXX 断裂(F11-2、F11-3)及其影响带，断裂以后段穿越少量二叠系玄武岩，围岩总体以软岩为主，少量玄武岩为硬质岩，受XXX-XXX断裂影响，玄武岩裂隙发育，岩体完整性差～较破碎，且深埋段均位于地下水位以下，无岩爆问题；支洞桩号X4K0+000-X4K0+843段为XXX-XXX断裂(F11-2、F11-3) 及其影响带，该段支洞埋深0～457m,其内碎裂岩、角砾岩、碎粉岩等均为软岩，存在软岩变形问题。据试验结果，XXX-XXX断裂内的碎裂岩和角砾岩饱和单轴抗压强度一般0.5～10MPa，局部角砾岩饱和单轴抗压强度可达40MPa,碎粉岩饱和单轴抗压强度低，一般0.5～1.5MPa。根据相关规程、规范，按建议地应力侧压系数(埋深小于400m取1.4、埋深大于400m取1.2)及软岩岩石容重取 25kN/m3，对4#施工支洞的软岩变形程度进行判别见下表。

表6 4#施工支洞围岩软岩变形程度预测评价表

XXX-XXX断裂及其影响带内的碎裂岩、胶结较好的角砾岩按单轴饱和抗压强度按5MPa判断，埋深124-320m时属于轻微挤压变形，埋深大于320m时属于中等挤压变形；碎粉岩、角胶结差的角砾岩按单轴饱和抗压强度1MPa判断，埋深24.80-64m时属于轻微挤压变形，埋深64-115m时属于中等挤压变形，埋深115-190m时属于严重挤压变形，埋深大于190m时属于极严重挤压变形。隧洞在穿越断裂带洞段还叠加相对丰富的地下水影响，洞室围岩产生大变形的概率高。

二、4#支洞突泥、涌水地质灾害过程

2.1 xxxx年xx月5日

在X4K0+503掌子面施作2个超前地质复勘孔，孔深20m，左、右侧起拱线附近各一个，两个孔在孔深17m附近围岩条件开始破碎，左侧探孔有少量渗水，右侧探孔无水。

2.2 xxxx年xx月6日

掌子面开挖揭露至X4K0+504.0桩号，发现掌子面左侧顶拱出现渗水，渗水量约9m³/h，并伴随发生持续掉块形成塌方空腔，长约6米(桩号X4K0+502～X4K0+508)、宽约3.5米、高约6米，空腔内围岩总体呈潮湿状，塌空体内多见集中出水点，地下水出流、浸泡进一步加剧了岩体的软化、泥化。为防止继续掉块塌方，2时50分开始对掉块部位进行喷锚封闭，喷锚封闭后仍然持续掉块且无停止迹象，掉块最大块径20cm左右。9时40分技术人员到现场查勘后研究、分析，确定以下处置方案：

(1)反压回填：采用洞渣将X4K0+503～X4K0+504左侧反压回填。(2)喷锚：通过预埋管尽量将空腔下口喷C25混凝土回填密实，喷20cm厚C25混凝土将掌子面封闭。(3)灌浆：通过预埋管或在X4K0+503左右钻孔，将空腔灌浆回填密实。(4)排水孔：灌浆完成后在空腔位置和边顶拱施作随机排水孔，孔径56mm，孔深3.0m～6.0m。

2.3 xxxx年xx月7日

(1)8时40分，回填灌浆实施过程中，X4K0+502～X4K0+504桩号段左侧起拱至正顶拱之间突然出现涌水，并且夹带大量泥沙和碎石，出水量约60m³/h，立即暂停现场施工，组织人员撤离至安全区域。(2)10时40分，涌水量突然增大，约110m³/h。(3)14时至15时，出现间歇性涌水，涌水量和水压忽大忽小，且涌水通道在左边墙至正顶拱之间交替变化，或同时涌水，涌水颜色为紫红色和青灰色交替变换，靠近掌子面的3榀钢支撑左侧顶拱出现变形，且X4K0+498桩号边墙及顶拱出现一条环向连通裂缝，最大缝宽约1cm，顶拱局部喷混凝土出现掉块现象。(4)15时左右，掌子面附近涌水通道被堵死，X4K0+493～X4K0+503段初支结构轻微变形开裂，裂缝部位和排水孔出现多点渗水。(5)16时08分，掌子面反压体开裂加剧、崩塌，水体携带大量泥沙和碎石突然涌出，导致掌子面抽排水泵被埋，掌子面被淹没，水位到X4K0+485附近。及时启用备用水泵，抽排水能够稳定水位。(6)17时30分，涌水量突增，水位到X4K0+480附近。(7)20时02分，涌水量再次突增，水位急剧升高，停在X4K0+476.0～X4K0+466.9混凝土上的挖掘机、水泵及抽排水配电箱被淹没。立即新增水泵进行抽排，恢复抽排水后水位基本稳定。(8)23时30分，水位忽高忽低，但总体水位呈上涨趋势。

2.4 xxxx年xx月8日至10日

xx月8日12时41分，涌水至X4K0+427.0(拖泵处)底板，后新增水泵抽排之后，水位缓慢下降。xx月10日09是40分，抽水后露出涌泥上表面，现场进行实地测量，涌泥全断面回填至 X4K0+476.0桩号，底板回填至X4K0+464.0桩号，此时涌泥量1758m，后一直进行抽排水作业，见图2a。

2.5 xxxx年xx月11日至12日

xx月11日10时，掌子面涌水增大，水位上升，至15时突泥、涌水进一步加大，且泥沙露出水面往洞口方向推移，现场立即组织人员撤出洞外，并在洞口和洞口营地外侧拉上警戒线。至16 时15分泥沙全断面推移至X4K0+457.8，泥沙表面暂无涌水，至17时左右，钢筋台车上摄像头被移动的泥沙损毁。根据监控钢模台车后面的监控视频，至21时左右，与钢模台车连接的拖泵被泥沙整体推移至X4K0+415.0桩号后趋于稳定，拖泵被推移前桩号X4K0+425.5，即钢筋台车+钢模台车+ 拖泵整体被泥沙往洞口推移10.5m，此后渗水再次出露，水位开始上升，渗水仍为紫红色浑水。至 xx月12日10时左右，钢模台车、二级离心泵站等相继被淹没，抽排水管被损坏，现场人员已全部安全撤出洞外，并在洞口和洞口营地外侧拉上警戒线，洞口安排专人人员巡逻，禁止人员进入洞内。

2.6 4#支洞突泥涌水稳定时的状况

突泥涌水达到动态平衡后，钢模台车已外露，整个突泥过程中钢模台车(85t)在泥水压作用下往小桩号方向移动约10.5m，由原+433.95桩号移动至+423.45桩号。钢模台车在+423.5桩号位置基本稳定，钢模台车大桩号位置(+423～+504)突泥充填情况未知。在钢模台车左上侧小桩号位置施工于6.5m厚C30混凝土，二衬已支护至+448桩号位置，二衬井壁厚度约550mm。顶拱初支已支护至+504桩号，底板已浇筑至+496桩号。原+468桩号突泥淹没小挖机一辆。

xxxx年xx月07日8时整至xxxx年xx月11日14时20分(共102小时)，期间涌水累计抽排量为33512m³，平均涌水量约328.55m/h。后期涌水速率降低，xxxx年xx月11日14时20分至xxxx 年xx月23日09时20分(共288小时，基本达到动态平衡)，期间涌水累计抽排量为38200m³，平均涌水量降低到约132.64m/h。xxxx年xx月23日至31日累计抽排量为28209m³，平均涌水量约 124.82m/h，平均涌水量已基本稳定，见图3a。据统计，达到动态平衡时总突泥涌渣量约为4143m³。

三、突泥、涌水地质灾害治理方案比选

3.1治理难点分析

此次突泥、涌水治理条件具有以下特点：

(1)4#施工支洞的碎粉岩及断层泥可灌性差、与水泥浆胶结强度低，若处置不当，极易诱发二次突泥、涌水灾害。(2)多次突水突泥、涌水造成4000余方渣体进入4#支洞内，隧洞拱顶可能存在巨大塌腔区域，但目前塌腔区域范围不明，若处置不当，存在极大的安全隐患。(3)突泥口封堵与加固困难。xx月13日突泥、涌水灾害已造成拱顶上方围岩扰动和导水通道的形成，掌子面突泥口位置与范围不明，封堵与加固难度极大。(4)水压高，根据XLP4ZK2勘查钻孔施工情况，突水突泥处理段水压可达2.8MPa，需提高灌浆压力才能保障灌浆加固效果。(5)洞内施工，坡度大且空间狭小，现由于泥水压平衡，洞内突泥处于暂时稳定状态，若贸然对现有突泥区域进行清理风险性极高，可能会导致二次涌水突泥灾害。(6)突泥涌水过程中，一台挖掘机及钢模台车被埋，对洞内灌浆施工组织有不利影响。

3.2地面物探建议

根据测算，本次突泥、涌水灾害涌入4#支洞内的泥渣约4143m³，在支洞洞顶周围形成了一个巨大的塌腔区域，该塌腔区域的具体位置、形态和充填情况均不清楚，对塌腔区域治理设计的钻孔布置针对性和准确性不强。为使灌浆设计更加科学合理、有的放矢，建议在塌腔区对应的地面位置，采用物探手段对塌腔区进行先行探察，基本查清塌腔区的位置、形态范围和充填状况，为治理设计和施工提供科学依据。

3.3治理方案选择

(1)洞内灌浆治理方案

洞内灌浆方案是在支洞内掌子面钻孔，对突泥、涌水塌腔区进行充填灌浆，对受破坏拱架支护段和前方未施工段的围岩进行灌浆加固。优点是钻孔布置灵活、可以大量布置钻孔、以小孔距灌浆，质量易保证。缺点是施工场地狭小，设备能力小，灌浆压力小，扩散距离小，掌子面容易跑浆，灌浆段长和灌浆量小，需要频繁施工止浆墙。根据目前施工条件，洞内涌泥段长度将近80m，突泥处在暂时稳定状态，直接清理洞内突泥存在巨大的安全隐患，并且直接钻进穿过突泥段进行灌浆，不仅钻机能力无法达到，钻孔布置困难，达不到加固要求，而且洞内泥土中存在许多障碍物，无法进行正常钻进，故洞内直接灌浆方案不具备条件。同时在此次突泥、涌水过程中推移衬砌钢模台车(重 85t，且底板与混凝土锚固)距离长达10.5m，说明突泥、涌水形成应力极大，且抽排水后突泥体大部分涌水通道已被堵塞，突泥体承受较大水压，若采用洞内治理方案，将存在巨大的安全隐患。

(2)地面灌浆治理方案

地面灌浆方案是在塌腔区上方地面选择合适位置，采用大型钻机沿支洞轴线方向钻进“J”钻孔，地面大型灌浆泵进行高压灌浆，对塌腔区进行灌浆充填，对前方未掘进隧洞段沿轴线进行灌浆加固。优点是地面场地受限少，可以选用大型施工设备，施工能力强，灌浆压力高，浆液扩散距离大，灌浆段长，灌浆量大。缺点是钻孔深度大,定向难度大(特别是在破碎地层钻进)，偏斜不易控制，钻孔间距大，浆液扩散不均匀，钻孔工程量大,工期长。

本实施例工程具备地面施工条件，但单独采用地面灌浆方法，由于其钻孔间距大，地面灌浆完成后仅能保证稳定塌腔区，不再产生新的涌泥突水，对隧洞围岩进行初步的加固，保障支洞内泥渣清理工作安全进行，为洞内进一步灌浆加固施工创造条件。不能完全满足清理洞内涌泥后直接往前掘进施工的要求。

(3)地面灌浆与洞内灌浆结合的治理方案

根据以上分析，考虑施工安全性和工期要求，本实施例方案选用本发明斜井井筒突泥涌水的治理方法对此次突泥、涌水区域(X4K0+475～X4K0+550段)进行治理。

四、施工布置

临建设施按照“因地制宜”的原则进行布置(详见附图4a)。制浆站布置在4#施工支洞洞口，安装两个100t水泥罐，拌制的浆液利用DN50*6.0mm输浆管和配套浆液输送泵送至洞顶储浆池。

表7制浆、输浆系统特性表

工程项目	规格型号	单位	工程量	备注
					无缝钢管	DN50*6.0mm	m	1440m	输送浆液
输浆泵	NBB390/3NB260	台	4	各2台，共4台

五、总体方案设计

5.1工程特点及难点

(1)工程治理条件极其复杂，安全风险大。断裂带影响范围大，断裂带破碎严重，含大量软泥，含水丰富，水压大。经过大规模涌泥突水，洞外地层扰动严重，不稳定，洞内涌泥区情况复杂，处于暂时稳定状态，有进一步突涌的危险。

(2)单独采用地面灌浆或洞内灌浆方法，都无法达到加固处理要求，需要采取地面灌浆和洞内灌浆相结合的治理手段，工序复杂，地面需要租用土地、修路和架设供水、供电、供浆、排废等管线。

(3)地面灌浆存在的难题包括：地面布孔位置有限，定向钻孔水平靶前距太短，入靶困难；灌浆定向钻孔均在XX～XX断裂带中，岩石破碎，且地层岩性复杂，钻孔施工过程中极易发生钻孔泥浆漏失、粘钻、卡钻、埋钻的风险；在破碎带地层中施工大区率的定向钻孔困难大；定向钻孔施工精度要求高；洞内初支采用的大量钢拱架，对钻孔定向仪器干扰大；受扰动地层中施工近水平钻孔，成孔难度大，极易发生塌孔、埋钻、不成孔问题；含泥量大的软弱破碎带中灌浆扩散均匀性不好，加固效果不容保证；灌浆过程中浆液容易大量进入支洞内；灌浆压力高，容易破坏初支、底板、二衬等已有结构；灌浆工艺复杂，要求高，占用工期长。

(4)洞内灌浆存在的难题包括：钻进和灌注设备功率小，钻孔深度有限，灌浆压力小，扩散距离小，需要钻孔数量多；灌浆压力升高后容易跑浆；作业环境差，面临突涌危险等。

(5)涌泥清理困难，洞内设施和初支损坏严重。

5.2总体设计原则

(1)保障安全，要保证支洞内突泥稳定，不发生新的灾害性涌出；尽量减少对现有支护结构的破坏。(2)技术可行，优先采用先进技术，充填与加固“标本兼治”，合理利用地面场地条件。(3) 经济合理。(4)工期可控。

5.3总体方案设计

5.3.1总体治理方案

选用地面定向钻孔灌浆+洞内灌浆相结合灌浆方法对突泥塌腔区和一定范围内的支洞围岩进行加固，解除突泥、涌水威胁后对支洞内泥渣进行清理，修复损坏的临时支护、洞内设施和管线，最后恢复掘进施工。

5.3.2总体流程

(1)施工止浆墙：待支洞内泥水液面稳定后，在钢模台车上部位置(即邻近突泥涌水最高水位处)施工混凝土止浆墙，防止突泥继续进入洞内，并抵抗灌浆压力，防止地面高压灌浆时浆液大量进入洞内。

(2)止浆墙后砂石充填：为稳定洞内泥渣、防止地面高压灌浆时浆液充填止浆墙后剩余空间、保护钢模台车，在止浆墙施工时用砂石充满止浆墙后剩余空间。

(3)地面灌浆:在地面施工定向斜孔灌浆，对X4K0+504处突泥、涌水形成的顶部塌腔区进行灌浆充填，稳定塌腔区。然后对X4K0+475～X4K0+550段支洞围岩进行高压灌浆加固，达到初步加固效果，为清理洞内突泥至掌子面附近提供条件。

(4)破除止浆墙。(5)清理洞内泥渣。(6)同步恢复洞内设施管线。(7)修复破坏的初支和二衬。

(8)洞内帷幕加固灌浆：在清理到达X4K0+480～X4K0+490桩号时，视洞内泥渣稳定情况，及时施做混凝土覆盖层或者止浆墙，进行洞内精细帷幕灌浆，彻底加固支洞X4K0+504～X4K0+550段围岩，达到恢复掘进施工条件。

(9)恢复正常掘进施工。本实施例的总体治理方案流程图见图5。

六、地面灌浆施工方案

6.1地面灌浆总体方案

在地面位置布置钻孔，沿支洞轴线方向施工定向灌浆钻孔，对X4K0+504突泥突水形成的塌腔区进行充填灌浆，对X4K0+475～X4K0+550段围岩进行帷幕加固灌浆(斜长75m，其中X4K0+475～ X4K0+504段受突泥、涌水影响，产生过水通道，初支可能发生变形，需要修复；X4K0+504～X4K0+550 未掘进施工段，预计严重破碎，受突泥、涌水影响，需要进行预加固)。地面灌浆目的是稳定突泥、涌水区域，对X4K0+504～X4K0+550段支洞围岩进行初步加固，为清理支洞内突泥、洞内掌子面进一步超前帷幕灌浆创造条件。在进行地面施工定向钻孔时，针对突泥涌水点前后30m～50m范围进行充填注浆和劈裂挤密注浆。注浆段的钻孔沿斜井轴线方向布置，非注浆段钻孔下入套管进行支护。注浆段钻孔距离斜井开挖荒径约为5m。地面注浆分为两个阶段：(1)充填注浆：在支洞顶部布置3 个钻孔(地面J型钻孔落点)，针对塌腔区域进行充填注浆，为洞内突泥清理提供条件。(2)劈裂挤密注浆：沿支洞两侧和顶部布置8个钻孔、中心1个钻孔共9个钻孔，针对支洞周边围岩进行挤密劈裂注浆,对X4K0+475～X4K0+550桩号段支洞围岩进行初步加固。劈裂注浆原理见图2b。为防止注浆过程中产生大范围的跑浆、串浆现象，浆液通过斜井井筒涌出，需在斜井井筒内建造止浆墙。

6.2止浆墙设计

6.2.1止浆墙设计计算

止浆墙设计在钢模台车上部位置，止浆墙采用混凝土+周边抗剪钢筋形式，整体抵抗水压和灌浆压力。止浆墙混凝土厚度根据下式进行计算：B＝K0*[ωb/(2hσ)]。

B：混凝土止浆墙厚度，单位m；K0：安全系数，本实施例取1.9；ω：作用在墙上的全荷载，ω＝PF，单位N；P：止浆墙承受的压强，单位MPa，按充填灌浆阶段最大灌浆压力计算，本实施例取6MPa；F：混凝土止浆墙的面积，单位m²，本实施例为35.45m²；b：隧洞宽度，单位m，本实施例为6.5m；h：隧洞高度，单位m，本实施例为6m；σ：混凝土允许抗压强度，本实施例为MPa, 本实施例选用C30W6F100混凝土，因此混凝土允许抗压强度为20.1MPa。

经计算，设计止浆墙厚度为6.5m，C30混凝土，止浆墙设置于X4K0+414.49～X4K0+424.34段，止浆墙与二衬混凝土结合面进行凿毛处理，止浆墙沿周圈共布置91根Φ32钢筋，L＝3.0m，其中锚入衬砌和基岩1.7m，止浆墙内1.3m，Φ32钢筋与混凝土共同抗剪。钢筋间距2m，排距1m，共7 排，每排环向设置13根，梅花型布置，钢筋安装完成后再进行混凝土浇筑。止浆墙上的排气观测管安装阀门、压力表，用以观察灌浆过程的异常情况。本实施例止浆墙设计图见图4b和图6a。

6.2.2止浆墙加固

止浆墙浇筑完成后要在对止浆墙与周边二衬接茬处、二衬壁后进行加固。

止浆墙周边灌浆加固：沿止浆墙表面周边布置两圈Φ42灌浆孔，两圈Φ42灌浆孔分别孔深为 2.0m与3.0m处穿透二衬混凝土，对接缝和壁后空隙进行充填加固，防止跑水漏浆。

止浆墙上部二衬壁后灌浆加固：在止浆墙上部2～6m段布置3排Φ42钻孔，穿透二衬混凝土，对二衬壁后空隙进行灌浆加固。灌浆钻孔孔排间距2.0m。灌浆材料采用水灰比1：1的单液水泥浆，灌浆结束压力2.0MPa。止浆墙大桩号位置进行填砂处理，填砂后再进行止浆墙浇筑。止浆墙断面见图6c。

6.3地面定向钻孔施工设计方案

6.3.1地面定向钻孔布置

(1)充填注浆阶段：充填注浆阶段设计3个钻孔：C1、C2和C3。根据地层条件和掌子面突泥、涌水过程分析，初步推断泥水主要来源于支洞上部，并在上部形成较大的塌腔区域(冒落漏斗)，注浆钻孔主要设计在支洞顶部和两帮位置。充填钻孔终止桩号暂定于+520桩号，具体深度以实际钻孔施工过程中动态调整。钻孔断面布置如图6b所示。C1、C2和C3在不同桩号的剖面图如图7a至图7c所示。从图可以看出：C1钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.19m，C1钻孔至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且C1钻孔自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；C2钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为3.25m，C2钻孔穿过X4K0+505 桩号段待施工斜井井筒掌子面顶壁，且C2钻孔穿过X4K0+520桩号段待施工斜井井筒掌子面的中心； C3钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.28m，C3钻孔至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且C3钻孔自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；

(2)劈裂注浆阶段：劈裂注浆共设计9个注浆钻孔，其中8个注浆钻孔布置在支洞顶部和两帮，在4#支洞断面中心设计1个钻孔；其中C1充填注浆孔兼做J1-1劈裂注浆孔，C2充填注浆孔兼做JⅢ-2劈裂注浆孔，C3充填注浆孔兼做J1-3劈裂注浆孔。劈裂注浆钻孔示意图见图8a至图 8c，劈裂注浆孔分序示意图见图9a至图9c。从图9a至图9c中可以看出，沿斜井井筒轴线方向X4K0+475～X4K0+550桩号段斜井井筒的顶部和两帮分别开设一序孔JⅠ-1、JⅠ-2和JⅠ-3，二序孔JⅡ-1、JⅡ-2和JⅡ-3，以及三序孔JⅢ-1、JⅢ-2和JⅢ-3；JⅠ-1和JⅠ-3、JⅢ-1和JⅢ-3 以及JⅡ-1和JⅡ-3分别分布于斜井井筒的两帮，JⅠ-2、JⅡ-2和JⅢ-2分别分布于斜井井筒的顶部；JⅠ-1和JⅠ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅢ-1和JⅢ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅡ-1和JⅡ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅠ-2和JⅡ-2关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，且斜井井筒一帮自上而下依次为JⅠ-1、JⅢ-1和JⅡ-1；JⅠ-1至 X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.19m，JⅠ-1至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且JⅠ-1自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；JⅡ-1至自X4K0+475桩号段开始与斜井井筒轴线平行，且JⅡ-1至斜井井筒内壁的垂直距离为4.63m；JⅢ-1至自X4K0+475桩号段开始与斜井井筒轴线平行，且JⅢ-1至斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m；JⅠ-2至X4K0+475 桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.59m，JⅠ-2至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为 5.1m，且JⅠ-2自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；JⅢ-2至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为3.25m，JⅢ-2钻孔穿过X4K0+505桩号段待施工斜井井筒掌子面顶壁，且JⅢ-2 钻孔穿过X4K0+550桩号段待施工斜井井筒掌子面的中心。本实施例设计充填阶段三台钻机进行施工，分别为C1、C2、C3钻孔，三个充填钻孔兼做挤密劈裂注浆钻孔。

挤密劈裂注浆阶段使用原三台钻机进行施工。一序孔为JI-1，JI-2，JI-3，二序孔为JⅡ-1， JⅡ-2，JⅡ-3，三序孔为JⅢ-1，JⅢ-2，JⅢ-3三个钻孔。钻孔施工次序为：钻机1：C1、JⅠ-1、 JⅡ-1和JⅢ-1；钻机2：C2、JⅠ-2、JⅡ-2和JⅢ-2；钻机3：C3、JⅠ-3、JⅡ-3和JⅢ-3。

6.3.2钻孔轨迹

定向钻孔垂直开孔，后逐步增加孔斜至钻孔轨迹与4#支洞轴线平行。注浆治理的范围为支洞 X4K0+475～X4K0+550桩号，在非注浆段安装套管，在加固段安装花管进行注浆。定向注浆钻孔三维示意图见图10。

6.3.3钻孔结构

本实施例的注浆钻孔结构分为三级：一开，直孔段，孔径311.1mm，下入Φ244.5×8.94mm套管，根据地层条件确定下放。二开，造斜段，孔径215.9mm，下入Φ177.8×8.05mm的套管，下放至4#支洞里程X4K0+475桩号。三开，注浆段，孔径152.4mm，下入Φ127×7mm的花管，花管长度 95m，与二开套管重合20m；花管的中轴线与地面的水平线的夹角为27.1°。钻孔结构如图11所示。

6.3.4钻孔工程量

钻孔由上到下分为直孔段、造斜段和注浆段三部分，钻孔工程量如下表所示：

表8钻孔工程量统计表

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6.3.5钻场设计

钻场布置三台钻机，各施工3个钻孔，根据每个钻孔的点位及选用钻机的尺寸和摆放方向确定出钻机底盘的边界线，定出钻机灰土盘的位置，灰土盘为30cm厚素混凝土。再根据泥浆泵、配电柜等设备尺寸、附属泥浆沉淀池的尺寸、导水排浆沟槽位置、施工时的操作空间要求、设备进出场的方便、钻场排水的便利等诸方面因素，综合考虑后确定出各钻场的整体平面布置。三个泥浆泵房和泥浆池集中布置。废浆通过管路排至4#施工支洞口的沉淀池。施工用电通过高压电缆送至钻场，钻场西南侧布置变压器。清水和注浆浆液通过管路分别输送至清水池和注浆站。

6.3.6套管固管

三级套管都要进行固管施工，保证套管稳固，并承受注浆压力。

一级套管固管：采用Φ311.1钻头钻进至50m后，改用小一级钻头继续向下钻进1.0～2.0m，以沉积孔内岩、土粉屑。然后下放Φ244.5×8mm套管，在孔口焊接法兰连接注浆管。先用注浆泵压清水，压水过程中，套管外缘孔壁将发生返水现象，后改用纯水泥浆加外加剂注浆(水泥浆浓度为 0.6:1，食盐、三乙醇胺用量分别占水泥用量的5‰和0.5‰)，待套管外缘返出浓浆后，即停止注浆，再定量压入清水。12小时后扫出套管内距底1.0～1.5m上的水泥浆，继续养护24～36小时，扫孔至原深，经套管内压水试验，套管外不返水并达到固管质量要求后，认为固管合格，否则继续固结。

二级套管固管：采用Φ215.9mm钻头钻进至约318m,后改用小一级钻头继续向下钻进1.0～2.0m，以沉积孔内岩、土粉屑。然后下无缝钢管，待确定套管下至预定深度后，在套管内下止浆塞，止浆塞一般下至套管底部，距底部3～4m处，先用注浆泵压清水，检查止浆效果，孔内若有返水现象，应起塞重新下塞，直至不返水为止。压水过程中，套管外缘孔壁将发生返水现象，待返水至澄清后，改用纯水泥浆加外加剂注浆(水泥浆浓度为0.6:1，食盐、三乙醇胺用量分别占水泥用量的5‰和 0.5‰)，待套管外缘返出浓浆后，即停止注浆，再定量压入清水。6～8小时后起塞，12小时后扫出套管内距底1.0～1.5m上的水泥浆，继续养护24～36小时，扫孔至原深，经套管内压水试验，套管外不返水并达到固管质量要求后，认为固管合格，否则继续固结。

6.3.7花管下放及环形空间充填

注浆花管采用甩管方式继续下放，下放至设计位置后，应立即采用特殊的充填材料对注浆套管与钻孔孔壁之间的环形空间进行充填(见图12)。充填材料配制的难点在于既要满足固管止浆的强度要求，又能够在一定程度上被浆液压力击穿，渗入地层实现加固的目的。环形空间充填材料，需满足泵送要求，析水率5％以下、初凝时间在30min～1h、终凝时间6～10h、早期强度可控制在0.5～ 2.0MPa。

6.3.8钻孔泥浆

由于支洞周边广泛分布破碎带，为提高钻孔质量、维护孔壁、防止孔内事故、确保钻孔安全及有利于注浆等目的，破碎段钻进过程中采用泥浆，要注意监测泥浆的消耗量，并根据钻孔情况调整泥浆浓度和浆液配方。泥浆处理采用人工捞砂与泥浆池沉淀相结合的方法进行，以求全面清除泥浆中的无用固相，保持泥浆性能的稳定，达到良性循环。

6.3.9钻孔偏斜与测斜定向

为了确保整体注浆质量，需要严格控制注浆钻孔设计偏斜轨迹，施工难度高。需根据每个钻孔的特点设计钻孔轨迹并在施工过程中严加控制。为加快本实施例钻探施工进度，提高钻孔轨迹控制精度，本实施例钻探施工采用复合钻进和无线随钻测斜定向钻进技术施工钻孔。人工定向钻进通常采用动力钻具来实现，动力钻具常用螺杆钻具。定向时螺杆钻具作用面与钻孔偏斜面之间的夹角为工具面角，并且从钻孔偏斜面按顺时针扭转0～180°为正，逆时针扭转0～180°为负。定向前钻孔的偏斜方位角加上工具面角所得的角度为工具面方位角。每次定向钻进前都要进行定向设计，主要是求得工具面方位角和一次定向钻进段长。本实施例采用泥浆脉冲式无线随钻测斜仪进行测斜工作。钻孔偏斜控制措施：钻孔钻进施工过程中，孔深超过50m后加强钻孔轨迹监测，把数据及时填到钻孔偏斜平面图上，以便根据钻孔偏斜情况及时调整钻进参数或采取相应定向纠偏措施，严格控制钻孔轨迹。若钻孔偏斜严重，必要时可局部封孔重新定向。

6.4注浆施工

6.4.1注浆材料的选择

(1)充填注浆阶段：注浆材料主要选择改性单液水泥浆液(速凝早强型、高强型、遇水不分散型三种)。早强型单液水泥浆：注浆过程中大量使用浆材。初凝时间6h，终凝时间14h，28d强度不低于10MPa。速凝早强浆液：初凝时间7h，终凝时间8h，28d强度不低于11MPa。发明专利名称《一种地面预注浆加固用速凝早强水泥浆液》，专利号ZL 200910091507.1。高强型水泥浆液：初凝时间5h，终凝时间10h，28d单轴抗压强度不低于28MPa。遇水不分散水泥浆液：当钻探过程中揭露含水空腔时，灌入遇水不分散浆液。初凝时间3h，终凝时间7h，28d强度不低于12MPa。注浆主要选用0.8:1、1:1两种水灰比进行注浆。

(2)劈裂挤密注浆阶段：注浆材料主要选择改性单液水泥浆液(早强型、速凝早强型)，部分特殊区域选用化学注浆材料。早强型单液水泥浆：注浆过程中大量使用浆材。初凝时间6h，终凝时间14h，28d强度不低于10MPa。速凝早强型浆液：初凝时间7h，终凝时间8h，28d强度不低于11MPa。改性水玻璃化学浆液：真溶液，不含颗粒，黏度特别低(20mPa.s)，胶凝时间可调(1min～50min)，结石体强度不低于1.5MPa。改性脲醛树脂化学浆液：真溶液，不含颗粒，黏度低(50mPa.s)，胶凝时间可调(1min～3h)，7d强度不低于5MPa。

6.4.2注浆工艺

注浆法是指浆液通过地面注浆泵高压灌入地层，浆液在地层内固化形成结石体，达到堵水加固等目的的工艺。

(1)充填注浆：针对空腔冒落带进行注浆，充填注浆完成后，空腔塌腔区域形成较为稳定的结构，进以保障后续支洞清理恢复。二开套管安装完成后，在套管内钻进三开钻孔，钻进至预计塌腔区域或发生严重漏浆、掉钻等情况时，即提出钻具，准备充填注浆。注浆采用套管孔口封闭、纯压入式注浆方式。需要反复扫孔、注浆，直至达到充填注浆结束标准。充填注浆示意图见图3b。

(2)支洞围岩加固注浆：分两阶段进行注浆。

第一阶段：短段前进式分段注浆，初步加固桩号X4K0+475至X4K0+550范围钻孔周围地层，稳定成孔，保证后续钻孔及花管的正常下放安装。第二阶段：花管分段劈裂挤密注浆。花管安装固结完成后，在花管内分段前进式或后退式注浆，止浆塞分段止浆，对周围地层进行初步劈裂挤密加固，为洞内涌泥清理和洞内掌子面注浆提供条件。花管分段劈裂挤密注浆示意图见图1b。

6.3注浆参数

(1)注浆量的计算与控制：浆液的灌入量主要分为突泥空洞充填和支洞围岩加固注浆的注浆量两部分。a突泥空腔充填：V1＝A×4143/m＝7311m3；b支洞帷幕注浆量；支洞帷幕注浆的浆液灌入量根据浆液有效径向扩散距离和注浆段平均裂隙率，采用下列公式进行计算：

式中：Q—浆液注入量(m3)；A—浆液超扩散消耗系数；R—距中心的浆液有效扩散半径(m)，R ＝r+L；r—注浆段注浆孔布孔半径(m)；L—浆液径向扩散距离(m)；H—注浆段高(m)；n—岩层平均裂隙率；β—浆液充填系数；m—浆液结石率。浆液扩散胶凝后，能起到堵水和加固作用的范围通常用有效扩散半径来表示。但浆液在岩石裂隙中的扩散实际上是不规则的，不仅在各个方向上不同，而且在同一方向上发育程度(开度、连通性等)不同的裂隙中浆液扩散的远近也不同，因此扩散半径的大小难以准确确定。在设计注浆帷幕厚度和计算注浆量时，通常以浆液在平均裂隙下的有效扩散半径来计算。根据规范要求，单液水泥浆液的有效扩散半径一般为6～10m。为保证一定的交圈厚度，本实施例取8m。注浆过程中，浆液的扩散半径随着岩层渗透系数、裂隙开度、注浆压力、灌入时间的增加而增加；随着浆液浓度和黏度的增加而减少。施工时通过采用不同的注浆方法，以及调节注浆压力、浆液的性能和灌入量等参数来控制浆液的扩散范围。因本实施例帷幕注浆的岩体位于断裂带中，岩石破碎，注浆段的平均裂隙率取0.15。计算得出支洞帷幕注浆的注浆量V2为18147 m3。总注浆量如下表所示。

表9注浆量设计表

序号	类别	注浆量/m³	备注
				1	突泥空洞充填	7311	V₁
2	支洞帷幕注浆	18147	V₂特殊注浆材料
				3	合计	25458

(2)注浆方式及段高的划分：针对75m的注浆段，设计在裸孔状态下分段前进式注浆，注浆结束后再扫孔并下放花管后再次进行分段注浆。裸孔注浆过程中，每钻进5m后，提钻并下探钻孔的稳定情况，若孔壁稳定则最长25m为一段高进行注浆；若发生塌孔情况，则5m～25m为一段高进行注浆，一序孔施工过程中主要以小段高进行注浆；破碎严重的地层以5～10m为一段高进行注浆。花管下放后设计每10m～25m为一注浆段。在施工过程中可以依据施工情况进行动态调整。

(3)注浆终压及注浆结束标准：注浆过程分为三个阶段，充填注浆主要是对支洞周边大空洞进行充填，初步设计注浆段终压值应为静水压力值的1倍～2倍。充填注浆结束压力取3MPa到6MPa 范围内。第二阶段注浆段成孔过程注浆阶段以成孔为目的，以定量注浆的方式进行，暂不设定注浆结束压力。第三阶段(花管劈裂挤密注浆)主要针对支洞周边含水断层泥进行劈裂挤密，达到注浆加固的目的。P＝δ+δt；P为劈裂压力，δ为平均水平主应力，δt为抗拉强度(本次计算取0)。预测4#支洞300m埋深位置左右最大水平主应力量值为9.50～17.90MPa，本次计算平均值得13.7MPa，最终计算挤密劈裂注浆结束压力为13.7MPa。本压力值为初步计算值，最终根据一序孔实际施工情况进行动态调整。当注浆泵量降为50～60L/min且注浆压力达到终压时，注浆压力稳定20～30min 后可结束该孔段的注浆工作。

(4)注浆特殊情况处理：在注浆过程中，如发现往止浆墙串浆的现象发生，立即停泵。同时采取少量多次注浆的方式进行。采用多孔轮流注浆的方式进行。在注浆过程中，由于岩层或止浆塞自身原因，导致止浆效果不好发生返浆现象。孔口一旦发现返浆现象，必须立即停泵进行压水，防止埋塞的现象发生。压水后，立即起钻检查止浆塞，如止浆塞本身没有发生损坏现象，则证明所选止浆位置止浆效果较差发生返浆现象，应继续寻找塞位，保证较好止浆效果。

七、地面灌浆效果的检测

本实施例工程采用声波/超声波测井方式来评价注浆前后围岩的灌浆改性效果，具体实施过程中采用钻孔井间联测，以达到提高探测范围精度的效果。

八、洞内施工方案

4#施工支洞X4K0+504.0桩号大突泥、涌水治理原则为：洞外灌浆加固+洞内超前帷幕灌浆补强的措施进行处理。洞顶灌浆后隧洞内具备施工条件后，启动隧洞内施工，首先破除止浆墙，然后对隧洞等涌渣、渗水、被掩埋的钢模台车、挖机进行清理，根据实际开挖揭露情况，采用洞内灌浆进一步对隧洞进行加固。

8.1洞内施工方案设计原则

8.1.1泄水减压是关键

根据相关资料分析，4#施工支洞穿越XX--XX断裂带的中支(F11-2)及东支(F11-3)主断带及影响带。地下水主要为断层脉状水及基岩裂隙水，隧洞穿越时可能产生洞室的突泥、涌水问题，特别是断层主断带，分析预测桩号X4K0+411～X4K0+843段总体高外水压力(1.00～2.01MPa)问题较突出，高外水压力对隧洞施工和运行有较大影响。

因此，有效地泄水减压是本实施例工程的关键所在，其有利于泄水消能，减少蓄存压力，沿隧洞开挖线不同位置布设深孔排水孔，有利于分担隧洞各点的水头压力，对隧洞整体性能起到保护作用；沿线设深孔排水孔，有利于掌子面的顺利开挖，减少蓄存水的干扰等。

8.1.2形成有效的固结圈是必要条件

4#施工支洞穿越XX--XX断裂带的中支(F11-2)及东支(F11-3)主断带及影响带。构造岩为角砾岩、碎裂岩、碎粉岩等，岩体较破碎，胶结差～较好，碎裂岩及角砾岩岩质疏松～较坚硬状，碎粉岩岩质疏松；影响带为碎裂玄武岩，岩质较坚硬，岩体完整性差～较破碎，围岩稳定问题突出。其内碎裂岩、胶结较好的角砾岩在埋深大于320m时属于中等挤压变形，碎粉岩及胶结差的角砾岩在埋深64～115m时属于中等挤压变形，埋深115～190m时属于严重挤压变形，埋深大于190m时属于极严重挤压变形，并叠加相对丰富的地下水影响，洞室围岩产生大变形的可能性高。故在开挖线以外形成有效的封闭圈体和固结圈体是必要的，且有效固结圈不低于8m。

有效的封闭圈体和固结圈体，可以形成隧洞开挖的有效保护体系的重要部分；能够有效地进行阻水或隔水；能够承载上部松散体的重力作用；能够通过灌浆手段增加自身的粘聚力和内摩擦角，增加自稳性。

8.1.3超前帷幕灌浆处理是隧洞开挖的保证措施

4#施工支洞采用洞外灌浆加固+洞内超前帷幕灌浆补强的措施进行处理，洞外灌浆加固后，在确保安全和质量的情况下启动洞内施工，根据开挖揭露情况，对薄弱区域进行洞内超前帷幕灌浆补强，保证有合理的加固固结范围，确保无泄水通道和存在有效的加固固结灌浆圈后，才能有利于隧洞向前开挖的顺利实施。

超前帷幕灌浆处理是在开挖面前端对隧洞围岩和不利地质条件以及泄水通道等进行有效地预处理措施，改善节理裂隙发育或有破碎带岩石的物理力学性能，通过固结加固，使松散岩体有效地胶结形成整体等。

8.1.4系统性、专项性的处理是重要手段

本实施例工程的薄弱地带不可预测，失事后果不可估量，在进行有效的地排水泄压和形成有效的固结圈的机理后，以及在下一步隧洞开挖的超前帷幕灌浆处理后，要对开挖未二衬段及其它薄弱段进行系统性和专项性的隧洞加强支护处理。

8.2具体施工方案

8.2.1洞内补充勘察

(1)地球物理勘探

治理段已施作钢拱架，金属构件对以电磁激发为原理的物探设备信号干扰大，导致探测结果异常。因此，对于治理段，建议采用跨孔电阻率CT+跨孔雷达等物探手段，对钻孔之间空腔进行探测，查明治理段及周边围岩水文地质情况，为灌浆孔设计和优化提供依据。具体探测区域为：掌子面前方15m范围的精细探测和0～30m范围内围岩含水区域、含水空腔、导水通道探测。

(2)探查孔

重新开设或利用帷幕灌浆钻孔作为探查孔，探查治理区域的工程地质和水文地质状况，进一步分析围岩内空腔的位置、范围及富水情况，为灌浆方案设计与优化提供依据。

8.2.2止浆墙施工

若开挖揭露后出现薄弱地带，及时进行洞内超前帷幕灌浆加固，后续根据灌浆需求，及时设置 2.0m厚止浆墙。

(1)引水

股状水直接采用钢管引出混凝土浇筑仓外，片状水采用铁皮漏斗引至钢管内，通过钢管再引出到混凝土浇筑仓外。

(2)锚杆施工步骤如下：

1)锚杆孔开孔前做好量测工作，按设计图纸要求布孔并在岩面上做好标记，锚杆孔的孔轴方向满足规范的要求。

2)利用自制平台架使用YT-28型凿岩机钻孔，由测量人员放出开孔孔位，钻孔时钻杆应垂直开挖断面轮廓线。

3)钻孔至设计位置后，采用高压风清孔，并对钻孔角度、深度、间距等进行检查。

4)锚杆采用先灌浆后插杆的安装方法，灌浆配合比由实验室通过试验确定，使用浆液搅拌机拌制，灌浆机灌浆，灌浆管插入孔底，边灌边缓慢往外拔，要求锚孔内灌浆液饱满，保证锚杆、浆液和围岩间的粘结力，灌浆后即插锚杆。

5)锚杆安装完后，浆液强度未达到设计强度时，严禁敲击、碰撞和拉拔锚杆。

(3)止浆墙基础清理

从发生涌水后，掌子面前方附近堆积一定数量的泥沙等涌出物，如果直接在上面浇筑混凝土，灌浆时由于基层不稳，灌浆高压可能推动止浆墙向后移动，所以要求把隧洞周边破碎围岩、浮渣以及底部涌出物清理干净，清至基岩或混凝土面。在距离止浆墙外墙集水坑抽水，以便止浆墙施工。

(4)止浆墙内预埋φ133无缝钢管作为后期灌浆定向套管，测量人员定出预埋管的位置、角度，单根长度150cm，无缝钢管外露止浆墙20cm，外露部分端部焊上法兰盘，法兰盘接防喷装置，无缝钢管安设角度、位置一定要准确、牢固，避免给后续灌浆造成困难。

(5)止浆墙模板安装、加固

止浆墙模板采用16mm厚木胶合板，模板竖向内楞选用50×100mm方木，间距30cm，每个侧面两端的方木与模板用圆钉固定，水平外楞采用φ48×3.5mm双钢管，间距35cm，模板采用拉筋加固，拉筋与锚杆和插筋焊接连接锚固。拉筋水平、竖向间距均100cm，端头采用蝴蝶扣扣死，斜向支撑用钢管φ48×3.5mm上中下三道进行加固，间距100cm。

(6)混凝土浇筑、养护

止浆墙混凝土标号为C30W6F100，混凝土浇筑分2仓浇筑完成，每仓高度根据现场开挖台阶情况合理确定，在施工缝位置设置C25插筋，单根长度200cm，增强其抗剪能力，其余分仓位置混凝土进行凿毛处理。

模板安装、加固完成后，经验收合格后，方可浇筑混凝土。混凝土采用拌合站集中拌制，严格按照试验室提供的配合比拌制混凝土，混凝土罐车运输至洞口，混凝土泵送入仓，混凝土浇筑按照一定的顺序、厚度分层浇筑，插入式振捣棒振捣密实。使用振捣器时，移动间距不得超过振捣器作用半径的1.5倍，与模板保持5～10cm的距离，避免碰撞模板、预埋件。对每一个振捣部位，振捣至混凝土停止下沉、不再冒出气泡、表面呈现平坦、泛浆。浇筑过程中设专人随时检查模板的稳固性及垂直度，发现问题及时处理。

混凝土浇筑完毕达到初凝后开始养生，养护时间不少于7天，待混凝土强度达到75％后方可进行下道工序。

(7)接触灌浆及岩面裂隙嵌堵

混凝土止浆墙超前灌浆前应该对顶拱、掌子面、底板以及边墙部位进行接触灌浆，掌子面接触灌浆从预留超前灌浆孔内钻孔，其它部位接触灌浆用手风钻斜向钻孔，接触灌浆采用水灰比0.5:1 水泥浆灌注，压力0.3MPa，有外漏时采用水泥-水玻璃双浆液灌注。

另外对于掌子面和止浆墙后方的渗水裂隙使用速凝嵌缝材料或棉纱、木楔等对主裂隙及影响范围内的次生裂隙进行嵌堵，防止或减少灌浆时出现串漏浆现象，如果渗水压力过大可待掌子面超前钻孔排水泄压后再沿出水点两侧钻孔，钻孔完成后采用水泥-水玻璃双浆液封堵，水泥-水玻璃双液浆中水泥浆与水玻璃的体积之比为1:1，且水泥浆中水灰比为1:1，水玻璃的浓度为35°Bé、模数为2.3。

8.2.3排水孔施工

隧洞内开挖揭露进行灌浆后，及时布置系统排水兼泄压孔，孔深以击穿固结圈为原则设计，孔径91mm，插入φ70PVC管，排水孔间排距3.0m×3.0m。

灌浆及排水孔钻孔采用全液压锚固钻机进行造孔，该钻机的特点是扭矩及顶升压力大，钻具配套适应性强，成孔深且质量高。钻进过程中遇涌水无法钻进时应停钻灌浆，灌浆结束待凝12h后再扫孔钻进，然后灌浆直至终孔；也可将出水流量较大的孔作为排水分流减压孔，必要时可以扩大造孔孔径，该孔在灌浆时最后进行灌浆封堵。

8.2.4帷幕灌浆施工

计划隧洞开挖至X4K0+490.0桩号左右(具体桩号根据开挖揭露情况确定)，在该桩号浇筑2.0m 厚止浆墙，总体采取全断面帷幕灌浆方式对前方突泥体及周边围岩实施系统防突加固，帷幕灌浆采用分序分段施工。在开挖轮廓线以外的灌浆孔内均插入φ89×6mm管棚，开挖轮廓线以内的灌浆孔内均插入φ28玻璃纤维锚杆进一步加固。在止浆墙上布设发散灌浆孔，对隧洞周圈及沿隧洞掘进方向围岩进行灌浆加固，灌浆加固圈厚度8m，加固长度20m，按终孔距离3.0m布设灌浆孔，浆液扩散半径初定为1.5m，灌浆终压为6MPa。沿隧洞掘进方向每循环分为三个加固区段，其中一区加固段为0～6m，二区加固段为6～10.5m，三区加固段为10.5～20m，若需要连续灌浆，则开挖支护12m，预留8m作为止水岩盘，进行下一循环帷幕灌浆施工，具体布设详见图8d和图9d。

超前帷幕灌浆采用前进式分段灌浆，灌浆顺序从外向内分层施作，每环灌浆孔先施工奇数编号灌浆孔，然后施工偶数编号灌浆孔，同时作为检查孔。灌浆孔第一段长度2.0m，灌浆压力3MPa，第二段长度3.0～8m，灌浆压力3～5MPa，第三段长度5m～10m，灌浆压力6MPa。单孔灌浆段长2～ 8m，根据地层情况进行调整，当遇到富水，松散破碎或呈流塑状软弱体时，则需减少灌浆段距。灌浆孔包括套管段和裸孔段，套管段的开孔直径为133mm，一级套管直径为127mm，一级套管的深度为4m；裸孔段的直径91mm至终孔。对于成孔困难、局部补强区域，根据需要下二级套管，二级套管直径为108mm，要求套管封固质量合格。

8.2.5灌浆参数

灌浆量的计算与控制：浆液的灌入量为支洞围岩进一步补强加固灌浆的灌浆量。

支洞帷幕灌浆的浆液灌入量根据浆液有效径向扩散距离和灌浆段平均裂隙率，采用下列公式进行计算：

式中：Q—浆液灌入量(m³)；A—浆液超扩散消耗系数；R—距中心的浆液有效扩散半径(m)，R ＝r+L；r—灌浆段灌浆孔布孔半径(m)；L—浆液径向扩散距离(m)；H—灌浆段高(m)；n—岩层平均裂隙率；β—浆液充填系数；m—浆液结石率。

浆液扩散胶凝后，能起到堵水和加固作用的范围通常用有效扩散半径来表示。但浆液在岩石裂隙中的扩散实际上是不规则的，不仅在各个方向上不同，而且在同一方向上发育程度(开度、连通性等)不同的裂隙中浆液扩散的远近也不同，因此扩散半径的大小难以准确确定。在设计灌浆帷幕厚度和计算灌浆量时，通常以浆液在平均裂隙下的有效扩散半径来计算。

根据规范要求，单液水泥浆液的有效扩散半径一般为6～10m。为保证一定的交圈厚度，本实施例设计取8m。

灌浆过程中，浆液的扩散半径随着岩层渗透系数、裂隙开度、灌浆压力、灌入时间的增加而增加；随着浆液浓度和黏度的增加而减少。施工时通过采用不同的灌浆方法，以及调节灌浆压力、浆液的性能和灌入量等参数来控制浆液的扩散范围。因帷幕灌浆的岩体位于XX～XX断裂带中，岩石破碎，但是隧洞内灌浆属于补强灌浆，灌浆段的平均裂隙率取0.1。计算得出支洞内补强帷幕灌浆的灌浆量为12098m³。

8.2.6帷幕灌浆施工原则

帷幕灌浆施工坚持“探灌结合，突出重点，分区治理；疑点必究，及时治理”的原则。为减少施工中的盲目性，结合已进行的探测钻孔及钻探施工情况分析，采用探灌结合方式进行钻探及灌浆施工，每序次钻孔均作为探查孔和灌浆孔使用，利用探灌孔对前方开挖区域内地质情况进行探查，实现信息化动态施工，并根据探查揭露的地质情况进行动态调整，实现分区治理，以达到最好的灌浆堵水和加固效果。

施工中根据钻孔揭露的地质条件，分重点灌浆加固区域和非重点灌浆加固区域。对重点灌浆加固区域采取了短灌浆段距，勤复钻，加密钻孔，强化灌浆，深部导管补强灌浆等措施；非重点灌浆加固区内则根据加固范围及浆液扩散半径均匀布孔，隔绝水力补给通道。为提高开挖终点止水岩盘的阻水强度，对预留的阻水岩帽进行定域控制灌浆加固。

在灌浆施工过程中，对涌水量较大的富水区及突涌水隐患区域进行重点强化灌浆，以彻底消除灾害隐患。为保证灌浆施工安全，采用由浅入深，由外而内，逐层加固的前进式灌浆工艺。浅部地层充分加固后方可延深，做到灌浆一段，质量和效果保证一段。

8.3隧洞内灌浆材料、灌浆工艺和灌浆参数

8.3.1灌浆材料

根据XXX山隧洞4#施工支洞突泥、涌水段复杂的水文地质条件及其综合处治方案，依据不同的灌浆技术要求，结合前进式分段灌浆工艺、深部定域控制灌浆工艺、精细化控制性灌浆工艺、梯度控制灌浆工艺等灌浆工艺，综合使用单液水泥浆、水泥-水玻璃双液浆(CS双液浆)。

对隧洞周边围岩灌浆加固中，一般首先采用普通硅酸盐水泥。初次灌浆时，以灌浆泵量为指标，随着灌浆量的增加且灌浆压力逐渐升高后，以灌浆压力为主要参考指标。灌浆总体原则是先稀后浓、然后再稀的原则。单液水泥浆灌注的浓度一般控制在1.3-1.70g/cm³左右。当灌浆达到一定程度后，压力会慢慢升高，这时要逐渐减小浆液浓度，并调低档位，直到达到灌浆结束标准。为提高水泥浆的早期强度，本实施例在水泥浆中加入0.4％的三乙醇胺和食盐。

水泥浆液与水玻璃混合后能够快速凝结，可以控制灌浆的扩散范围。C-S(水泥-水玻璃)双液浆是以水泥和水玻璃为主剂，两者按1:1～5:1的比例采用双液灌浆方式灌入。使用时根据灌浆要求，用一定体积1:1水灰比的水泥浆与一定体积某一波美度的水玻璃浆液混合。本实施例选用的水玻璃浓度为35Be，模数为3.3，每次灌浆前都要进行双液浆凝固配比试验，以准确掌握水泥-水玻璃浆液的凝固时间和固结体强度，从而保证灌浆加固质量。

8.3.2灌浆工艺

经对XXX隧洞4#施工支洞水文地质条件的调查与研究，采用前进式分段灌浆工艺进行灌浆。为防止破碎围岩中浆液不均匀扩散，提高整体加固效果，考虑加固段多为富水破碎或软弱介质，一次成孔灌浆容易造成塌孔卡钻以及浆液达不到预期扩散加固范围，故采用前进式分段灌浆工艺，即施工中钻、灌交替的灌浆方法，灌浆分段长度2～8m，利用孔口管进行止浆。

8.3.3灌浆参数及其控制技术

灌浆参数主要包括灌浆加固圈厚度、灌浆结束压力、浆液扩散半径、灌浆段距及灌浆顺序等。

1)灌浆加固圈厚度：在确定灌浆加固圈厚度时，应首先考虑灌浆加固后隧洞围岩的承载能力和工程安全。此外要考虑工程成本和工期要求，其值主要通过相关工程经验确定。并且随着灌浆材料的不断开发及性能的不断提高，灌浆技术的不断进步，超前预灌浆和径向灌浆的灌浆加固范围都有缩小的趋势。结合XXX隧洞4#施工支洞工程水文地质特点及开挖揭露围岩情况，选择突涌水影响段径向灌浆孔深为10m。

2)灌浆段距选择：为保证灌浆效果和灌浆安全，采用前进式分段灌浆工艺，灌浆段距平均初定为5m。在岩石比较完整不含水的区域可以增加到7m，当遇到富水，松散破碎或呈流塑状软弱体时，则需减少灌浆段距为2m。

3)灌浆结束标准：为在满足灌浆效果和隧洞安全的前提下减少灌浆成本，灌浆后期灌浆结束标准要采用定量定压相结合方式进行控制。灌浆前期在灌浆压力较小的前提下，主要以增加浆液扩散范围为主，故可适当增加灌浆量；当浆液加固范围接近满足灌浆结束要求时，要以控制灌浆压力为主，进行定量定压灌浆。为减少灌浆成本，当经过分析浆液扩散距离远远超出设计范围时，或灌浆压力长时间不上升时，则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇灌浆措施，以控制浆液扩散范围。根据本实施例工程地下水压力和流量、地层特点及加固要求，超前帷幕钻孔第1区和第2区灌浆段灌浆终压设计为5MPa，随着钻孔延深和浅部围岩加固强度的增加，第三区灌浆段灌浆终压逐渐提高到6MPa，具体灌浆压力控制根据浆液消耗情况及揭露围岩情况进行调整。

Claims

1.一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)施工止浆墙：在斜井井筒中邻近突泥涌水最高水位施工止浆墙；

在步骤(1)中，止浆墙的施工包括如下步骤：

步骤(1-1)止浆墙设计：止浆墙采用混凝土浇注，并在浇注成型的混凝土周边设置钢筋；止浆墙的混凝土的厚度根据公式(Ⅰ)进行计算：

B＝K₀*[ωb/(2hσ)]1/2 公式(Ⅰ)

公式(Ⅰ)中，B为混凝土的厚度；K₀为安全系数；ω为作用在墙上的全荷载，且ω＝PF；P为止浆墙承受的压强，按充填灌浆阶段最大灌浆压力计算；F为止浆墙的面积；b为斜井井筒的宽度；h为斜井井筒的高度；σ为注浆用混凝土原料所允许的最大抗压强度；

步骤(1-2)安装钢筋：沿止浆墙周圈安装钢筋，钢筋环向设置并呈梅花型布置；

步骤(1-3)填砂处理：在止浆墙与斜井井筒突泥涌水的最高水位之间的空间进行砂石填充处理；

步骤(1-4)止浆墙的浇筑：浇筑前，对止浆墙与二衬混凝土的结合面进行凿毛处理；在浇筑止浆墙时，安装排气管和排水泵；在止浆墙顶端安装排气观测管，并安装阀门和压力表；在止浆墙底端安装排水泵，且排水泵上安装有过滤网；

步骤(1-5)止浆墙的加固：止浆墙浇筑完成后对止浆墙与周边二衬混凝土的接茬处和二衬混凝土的壁后空隙分别进行补充灌浆加固；

(2)地面灌浆：从地面施工定向注浆孔，待定向注浆孔施工完成后，通过定向注浆孔对斜井井筒发生突泥涌水的顶部塌腔区进行灌浆填充；

在步骤(2)中，地面灌浆包括如下步骤：

步骤(2-1)：在地面位置布置钻孔，沿斜井井筒轴线方向施工定向注浆钻孔；

将斜井井筒塌腔区段标记为X4K0+504桩号段，则地面注浆加固区域设定为X4K0+475～X4K0+550桩号段，其中，X4K0+475～X4K0+504桩号段为受突泥涌水影响的斜井井筒段，X4K0+504～X4K0+550桩号段为斜井井筒未掘进施工段；

沿斜井井筒轴线方向向X4K0+475～X4K0+550桩号段斜井井筒塌腔区域开设三个定向注浆钻孔：C1钻孔、C2钻孔和C3钻孔；C1钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.19m，C1钻孔至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且C1钻孔自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；C2钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为3.25m，C2钻孔穿过X4K0+505桩号段待施工斜井井筒掌子面顶壁，且C2钻孔穿过X4K0+520桩号段待施工斜井井筒掌子面的中心；C3钻孔至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.28m，C3钻孔至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且C3钻孔自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；

沿斜井井筒轴线方向向X4K0+475～X4K0+550桩号段斜井井筒的顶部和两帮分别开设定向注浆钻孔：一序孔JⅠ-1、JⅠ-2和JⅠ-3，二序孔JⅡ-1、JⅡ-2和JⅡ-3，以及三序孔JⅢ-1、JⅢ-2和JⅢ-3；JⅠ-1和JⅠ-3、JⅢ-1和JⅢ-3以及JⅡ-1和JⅡ-3分别分布于斜井井筒的两帮，JⅠ-2、JⅡ-2和JⅢ-2分别分布于斜井井筒的顶部；JⅠ-1和JⅠ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅢ-1和JⅢ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅡ-1和JⅡ-3关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，JⅠ-2和JⅡ-2关于斜井井筒中轴线所在垂直面对称，且斜井井筒一帮自上而下依次为JⅠ-1、JⅢ-1和JⅡ-1；

JⅠ-1至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.19m，JⅠ-1至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且JⅠ-1自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；JⅡ-1至自X4K0+475桩号段开始与斜井井筒轴线平行，且JⅡ-1至斜井井筒内壁的垂直距离为4.63m；JⅢ-1至自X4K0+475桩号段开始与斜井井筒轴线平行，且JⅢ-1至斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m；JⅠ-2至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为7.59m，JⅠ-2至X4K0+505桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为5.1m，且JⅠ-2自X4K0+505桩号段开始与斜井井筒轴线平行；JⅢ-2至X4K0+475桩号段斜井井筒内壁的垂直距离为3.25m，JⅢ-2钻孔穿过X4K0+505桩号段待施工斜井井筒掌子面顶壁，且JⅢ-2钻孔穿过X4K0+550桩号段待施工斜井井筒掌子面的中心；

步骤(2-2)：对斜井井筒塌腔区进行充填注浆；

步骤(2-3)：对斜井井筒突泥涌水段围岩进行围岩加固注浆，在斜井井筒突泥涌水段形成围岩加固帷幕；

(3)破除止浆墙：将步骤(1)中的止浆墙破除；

(4)清理斜井井筒内泥渣：清理斜井井筒中的突泥涌水，并恢复井筒内的设施管线，以及修复被破坏的初支和二衬；

(5)斜井井筒内帷幕加固灌浆：采用全断面帷幕灌浆的方式对斜井井筒前方待开挖区的突泥体以及斜井井筒前方待开挖区的周边围岩进行灌浆防突加固；

在步骤(5)中，斜井井筒内帷幕加固灌浆包括如下步骤：

步骤(5-1)补充勘察：包括地球物理勘探和探查孔勘察；

步骤(5-2)止浆墙施工：包括引水、锚杆施工、止浆墙基础清理、预埋无缝钢管、止浆墙模板安装与加固、混凝土浇筑与养护以及接触灌浆及岩面裂隙嵌堵；

步骤(5-3)灌浆孔及排水孔施工；

步骤(5-4)帷幕灌浆施工；

(6)恢复正常掘进施工。

2.根据权利要求1所述的一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，在步骤(1-2)中，钢筋为Φ32钢筋，长度为3.0m，钢筋的1.7m锚入衬砌和基岩，钢筋的1.3m伸入到止浆墙内；钢筋间距2m，排距1m，共7排，每排环向设置13根，共布置91根；

在步骤(1-5)中，止浆墙与周边二衬混凝土的接茬处灌浆加固方法：沿止浆墙表面周边布置两圈Φ42灌浆孔，两圈Φ42灌浆孔分别在2.0m与3.0m处穿透周边二衬混凝土，通过灌浆孔分别对止浆墙与周边二衬混凝土的接缝处的空隙进行充填加固；

在步骤(1-5)中，止浆墙与周边二衬混凝土的壁后灌浆加固方法：在止浆墙上部2～6m段布置3排Φ42灌浆孔，钻孔穿透周边二衬混凝土，对周边二衬混凝土的壁后空隙进行灌浆加固；灌浆孔的孔排间距为2.0m，灌浆材料为水灰比为1：1的单液水泥浆，灌浆结束压力2.0MPa。

3.根据权利要求1所述的一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，分别采用3台钻机施工定向注浆钻孔，定向注浆钻孔的施工次序为：

钻机1：C1、JⅠ-1、JⅡ-1和JⅢ-1；

钻机2：C2、JⅠ-2、JⅡ-2和JⅢ-2；

钻机3：C3、JⅠ-3、JⅡ-3和JⅢ-3；

C1钻孔可兼做JⅠ-1，C2钻孔可兼做JⅢ-2，C3钻孔可兼做JⅠ-3；

定向注浆钻孔的结构均分为三级：

一开：直孔段，孔径311.1mm，下入Φ244.5×8.94mm套管，根据地层条件确定下放；直孔段为50m；

二开：造斜段，孔径215.9mm，下入Φ177.8×8.05mm的套管，下放至斜井井筒X4K0+475桩号处；造斜段为256～271m；

三开：注浆段，孔径152.4mm，下入Φ127×7mm的花管，花管长度95m，与二开套管重合20m；注浆段为74～80m；

待花管下放至设计位置后，用充填材料将花管与钻孔孔壁之间的环形空间填充；充填材料的析水率小于5％，初凝时间为30～60min，终凝时间为6～10h，早期强度控制在0.5～2.0MPa。

4.根据权利要求1所述的一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，步骤(2-2)中，采用套管孔口封闭和纯压入式注浆方式，充填注浆结束压力为3～6MPa；所用注浆材料为早强型单液水泥浆液、高强型单液水泥浆液或遇水不分散型单液水泥浆液中的一种或两种及以上的组合；

在步骤(2-3)中，围岩加固注浆所用注浆材料为早强型单液水泥浆液、速凝早强型单液水泥浆液、改性水玻璃化学浆液或改性脲醛树脂化学浆液中的一种或两种及以上的组合；围岩加固注浆分两阶段进行：

第一阶段：短段前进式分段注浆，初步加固X4K0+475～X4K0+550桩号段斜井井筒钻孔周围地层，稳定成孔，保证后续钻孔及花管的正常下放和安装；

第二阶段：花管分段劈裂挤密注浆，花管安装固结完成后，在花管内分段前进式或后退式注浆，并使用止浆塞分段止浆，对周围地层进行初步劈裂挤密加固；当注浆泵流量降为50～60L/min时，且注浆压力达到12～15MPa时，注浆压力稳定20～30min后结束挤密劈裂注浆；

早强型单液水泥浆液的初凝时间为5.5～6.5h，终凝时间为12～14h，28天强度大于或等于10MPa；速凝早强型单液水泥浆液的初凝时间为6.5～7.5h，终凝时间为7.5～8.5h，28天强度大于或等于11MPa；高强型单液水泥浆液的初凝时间为4.5～5.5h，终凝时间为9.5～10.5h，28天单轴抗压强度大于或等于28MPa；遇水不分散型单液水泥浆液的初凝时间为2.5～3.5h，终凝时间为6.5～7.5h，28天强度大于或等于12MPa；改性水玻璃化学浆液的黏度为20mPa.s，胶凝时间为1～50min，结石体强度大于或等于1.5MPa；改性脲醛树脂化学浆液的黏度为50mPa.s，胶凝时间为1min～3h，结石体7天强度大于或等于5MPa。

5.根据权利要求1所述的一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，步骤(5-1)中，地球物理勘探：采用跨孔电阻率CT与跨孔雷达相结合的物探手段对钻孔之间的空腔进行探测；勘探区域为：掌子面前方0～15m范围内的精细探测和0～30m范围内围岩含水区、含水空腔和导水通道的探测；

探查孔勘察：利用帷幕灌浆钻孔作为探查孔或重新开设探查孔，探查斜井井筒治理区域的工程地质和水文地质状况，并根据探查结果进一步分析围岩内空腔的位置、范围及富水情况；

在步骤(5-2)中，引水的操作方法为：采用钢管将股状水引出混凝土浇筑仓外；先采用铁皮漏斗将片状水引至钢管内，再通过钢管将片状水引出到混凝土浇筑仓外；

锚杆施工步骤如下：a根据设计图纸布孔并在岩面上做好标记；b使用凿岩机钻孔，且钻孔时钻杆应垂直开挖断面轮廓线；c钻孔完成后采用高压风清孔，并对钻孔角度、深度和间距进行检查；d采用先灌浆后插杆的安装方法进行锚杆的安装，安装时，先采用浆液搅拌机拌制灌浆浆液，然后将灌浆机的灌浆管插入孔底，边灌浆边缓慢往外拔，待锚孔内的灌浆液充满钻孔时灌浆完成，随后立即向钻孔内插入锚杆；e锚杆插入锚孔后，待浆液强度达到设计强度时，整个锚杆施工完成；

止浆墙基础清理：把斜井井筒掌子面周边的破碎围岩、浮渣以及底部涌出物清理干净，清理至基岩或混凝土面；在距离止浆墙外墙集水坑抽水；

止浆墙混凝土浇筑与养护：止浆墙混凝土浇筑按照施工顺序及厚度分层浇筑，采用插入式振捣棒振捣密实；使用振捣器时，移动间距小于或等于振捣器作用半径的1.5倍，且与止浆墙模板保持5～10cm的距离；振捣至混凝土停止下沉、不再冒出气泡且表面呈现平坦和泛浆时为止；混凝土浇筑完毕达到初凝后开始养生，养护时间大于或等于7天，待混凝土强度达到75％后，即完成混凝土浇铸与养护；

接触灌浆及岩面裂隙嵌堵：接触灌浆采用水灰比为0.5:1的水泥浆灌注，压力0.3MPa，有外漏时采用水泥-水玻璃双浆液灌注；水泥-水玻璃双液浆中水泥浆与水玻璃的体积之比为1:1～5:1，且水泥浆中水灰比为1:1，水玻璃的浓度为35～42°Bé、模数为2.3～3.3之间；

在步骤(5-4)中，在开挖轮廓线以外的灌浆孔内插入管棚，开挖轮廓线以内的灌浆孔内插入玻璃纤维锚杆进一步加固，并在止浆墙上布设发散灌浆孔；对隧洞周圈及沿隧洞掘进方向围岩进行灌浆加固，帷幕灌浆施工采用分序分段施工；

步骤(5-4)的灌浆采用前进式分段灌浆工艺、深部定域控制灌浆工艺、梯度控制灌浆工艺或精细化控制性灌浆工艺中的一种或两种及以上的结合。

6.根据权利要求5所述的一种斜井井筒突泥涌水的治理方法，其特征在于，帷幕灌浆的灌浆加固圈厚度为8m，加固长度为20m；按终孔距离为3.0m布设灌浆孔，浆液扩散半径为1.5m，灌浆终压为6MPa；

施工时，沿隧洞掘进方向每循环分为三个加固区段，其中一区加固段为0～6m，二区加固段为6～10.5m，三区加固段为10.5～20m；在连续灌浆时，则开挖支护12m，预留8m作为止水岩盘，进行下一循环帷幕灌浆施工；

灌浆时，灌浆孔的第一段长度为2.0m、灌浆压力3MPa，第二段长度为3.0～8m、灌浆压力3～5MPa，第三段长度5～10m、灌浆压力6MPa；灌浆孔包括套管段和裸孔段，套管段的开孔直径为133mm，一级套管直径为127mm，一级套管的深度为4m；裸孔段的直径为91mm；

灌浆施工过程中，浆液灌入量的计算公式为：

公式(Ⅱ)中，Q—浆液灌入量；A—浆液超扩散消耗系数；R—距中心的浆液有效扩散半径，且R＝r+L；r—灌浆段灌浆孔布孔半径；L—浆液径向扩散距离；H—灌浆段高；n—岩层平均裂隙率；β—浆液充填系数；m—浆液结石率。