矿山法隧道地下水控制技术研究

矿山法隧道地下水控制技术研究

摘要：在富水地层中修建的矿山法隧道，需根据工程的周边环境、隧道埋置深度、工程及水文地质条件以及隧道断面尺寸，选择合理的隧道施工辅助措施，控制地层持续失水，从而达到避免地层变形、地表发生沉降的目的。本文结合一段矿山法隧道施工为例，探讨在富水地层中采用注浆技术进行加固堵漏的工艺，为在复杂水文地质条件下隧道开挖技术的提高提供了技术保障。

关键词：富水地层；矿山法隧道；注浆；地下水控制技术

Abstract: In the design and construction for mining method tunnels in the saturated stratum, the paper chooses some reasonable auxiliary construction measures for mining method tunnel to control the stratum losing sustained which can cause stratum deformation and surface settlement according to the circumference environmentof the project, the embedded depth of tunnels, engineering and hydrogeological conditions, and the tunnel section size. In the case of a mining method tunnel, the paper discusses the grouting injection reinforcement and leakage treatment, which provides technical support for the improving of tunnels excavation technology in the complex geological conditions.

Key words： saturated stratum; mining method tunnels; grouting；groundwater control technology

复杂水文地质条件下的大隧道，开挖排水后，易造成地下水压力差的存在而不断渗出，形成多条渗水通道，使地层持续失水，土层空隙及节理裂隙固结收缩，引起地层、地表出现超前、超大范围的变形及沉降。并且，如果在施工过程中出现突发涌水，不仅会影响施工进度，还容易造成隧道穿越区域地下水生态的破坏。地层的持续失水是造成地层变形、地表沉降的最根本、最主要原因之一。目前国内在富水地区修建地铁隧道，多采用“以堵为主、限量排放”的治理原则进行，保证隧道周边生态环境不被破坏，防止周边溪流、泉眼等不会因隧道施工而枯竭。本文以一段矿山法隧道施工为例，探讨用注浆技术控制地下水的特点以及适用条件。

1 工程概况

广州轨道交通三号线北延段广州东站～燕塘站区间为矿山法隧道区间，线路出广州东站折返线后向北延伸，下穿瘦狗岭军事禁区、省农垦物资总公司宿舍、在建银燕地产公司办公楼、粤垦路、禺东西路立交系统1.5标立交及燕岭路人行天桥，最后到达燕塘站。区间左线设计里程范围为ZDK0+036～ZDK0-500.525,全长3.014m；区间右线设计里程范围为YDK0+036～YDK-0-500.525,全长536.525m。线路最小半径为800m，埋深24.78～139.1m。沿线地面条件复杂，经过的建筑物主要有地下军事设施、城市交通主干道、高架桥、建筑物等，车流量大，人员密集，建筑稠密，地面高程26.67～103.07m，高差76.40m。

区间采用矿山法施工，于里程YDK0-386处设置施工竖井及横通道以实现土石方外运及设备吊装。

2 工程地质与水文地质

2.1 地形地貌

本段主要为低山丘陵地貌，沿线经过剥蚀残丘和山间小盆地，地形起伏较大，其中瘦狗岭山峰高达105.61m，其余大部分地段地起伏较为舒缓，最低处标高为16.m，地面高差达88.97m。

2.2 工程地质

广州东站～燕塘站区间岩层岩性复杂，岩石强度大，软硬夹层较多，中微风化花岗岩球状风化发育，花岗岩片麻岩分布较广。本区间隧道埋深较大，穿越地层主要为（见图1广州东站～燕塘站区间地质纵剖面图）微风化花岗岩带、中风化混合花岗岩层、 强风化花岗岩层、全风化花岗岩层；区间部分地段隧道拱部围岩为 强风化花岗岩层、全风化花岗岩层，两类花岗岩岩层均具有遇水崩解、软化的特征，这些地质条件对隧道开挖影响较大。

图1广州东站～燕塘站区间地质纵剖面图

2.3 水文地质

区间地下水水位埋藏变化较大，稳定水位埋深为0.50～15.50米，平均为4.12米，但在瘦狗岭山体下330米长度内，水头高度最高达到95米。

整个隧道开挖断面具有弱透水性，但在强风化和中风化裂隙或构造发育地段，有一定富水性，具承压水特性，地下施工中会引起水头差，造成隧道范围内土体失水沉降或者隧道内涌水、突水的事故，矿山法隧道开挖时沉降控制难度大。

3 注浆设计

3.1 隧道初支3m径向堵水注浆

在隧道进行开挖支护后，对围岩裂缝密集处或有渗涌水地段采用初支背后3m范围内注浆堵水的方式进行处理，按10米为一个区段分段依次注浆，注浆孔按1.5米的间距布设，根据岩层的倾向确定注浆钻孔的方向，必要时加密布孔。注浆采用孔口阻塞式注浆、浆液孔口混合的方法。浆液采用双液浆，注浆压力控制在2～3MPa，间隔跳注。径向注浆孔和泄水管示意图见图2。

3.2全断面超前深孔注浆

考虑到部分隧道穿越、、地层，为保持掌子面开挖稳定，进行全断面超前深孔注浆。每次超前注浆的长度为30～50米，进行长距离深孔注水泥-水玻璃双液注浆。在掌子面的周边按500mm～1000mm的间距布孔（见图3），底部布置双排孔。注浆终压4～5MPa，上半部分孔扩散距离约3～4m，下半部分孔扩散距离约1m左右。注浆浆液配比按照现场注浆效果调整。

图2径向注浆孔和泄水管示意图 图3 掌子面超前注浆孔位布置图

4 注浆施工方法

4.1 3m径向堵水注浆施工

每个注浆单元从低高程端开始在洞身按2m间距全断面按环向布置放射性钻孔，环与环间分序施工（环距2m），先施工奇数排的注浆孔（孔深3m），再施工偶数排的注浆孔（孔深5m），且环内钻孔（孔距1.5m）也按两序施工，各孔均按一孔做一段进行注浆处理。各部位先施工先导孔，在注浆前进行压风或压水投红，做连通试验，检查已被砼覆盖岩面的连通性，并结合钻孔冲洗、裂隙冲洗。但对不同地层，施工方式和工艺、材料不尽相同。

（1）钻孔：采用金刚石钻头、合金钻头严格按设计图纸钻孔，孔口位置偏差不超过5cm，孔底位置偏差不超过孔深的1%。钻孔应清洗干净，并做好钻孔检查记录。

（2）浆液配比：注浆采用PO42.5的普硅水泥；水玻璃钢采用模数2.8～3.5，波美度为45。

水泥浆液水灰比为：3：1、2：1、1：1、0.6:1、0.5:1五个比级，所有孔段均采用3：1注浆。该浆材以正常注浆为主。

水泥粘土水玻璃浆液配比为：水灰比1.5:1，粘土为水泥重量的10%，水玻璃为水泥重量的8%，适当加些纯碱。如需再降低浆材的初凝时间可再增加5%的粘土和5%～10%的水玻璃。该浆材以冲填大裂隙为主。

水泥水玻璃双液浆水灰比1：1～0.6：1,水玻璃掺量为水泥重量的5%～30%。该浆材以串浆点出现后为主。

（3）注浆压力：采用0.6～2Mpa。在正常情况下，将注浆压力尽量升高到指定数值。

（4）注浆施工：本次注浆主要是对基岩裂隙进行处理，而基岩裂隙的张开度和洞身的止浆效果对处理的效果又至关重要。

处理方法为先施工奇数环（排）I序孔，再该环（排）II序孔，后偶数环（排）I序孔，最后偶数环（排）II序孔。（掌子面为排）

注浆采用栓塞孔口封闭注浆，各孔各注浆段开注前均应做压水试验，检查渗漏情况及孔口止浆效果，并通过压水试验成果对比注浆效果。

各孔均采用纯水泥浆液注浆，当漏失严重（即遇到空洞、破碎带）时，再采用水泥粘土水玻璃浆进行注浆，或改用水泥水玻璃双液浆。

各段注浆前射浆管下至离孔底50cm以内。

如果水泥注浆出现浆液返浓情况，而止水效果不明显时，在偶数排的II序孔内改用聚胺酯等化学浆材进行注浆。

（5）水泥浆液水灰比变换要求

注浆时浆液水灰比采用3：1，然后逐级由稀变浓。变换标准为：当注入量达300L而压力和吸浆量均无改变时，可以变浓一级；当吸浆量大于30L/min时可以越浓一级。

注浆过程中每隔30min测记一次返浆浆液比重和温度，判别可否存在浆液回浓情况，否则应及时更换新浆，如效果不明显延续注30min后停止注浆。

（6）注浆结束标准

各序孔当0.5：1浆液每米注入量达200L时，可结束注浆待凝8～12h，扫孔后采用注浆水灰比复灌，如吸浆量与注前变化不大则采用加入速凝剂的浆液注浆200L再待凝，重复上述过程直到当吸浆量小于1L/min时，再持续注浆30min后结束注浆。

（7） 封孔要求

封孔采用0.5：1浓浆按基岩段与覆盖层分段封孔及人工结合将孔内封堵密实。

（8）特殊情况的处理

若遇塌孔卡钻、冲洗液大量漏失时等现象时，必须停止进钻，然后进行注浆工作，待复杂孔段注浆完并待凝8～12小时后，方可进行后续工作。

在注浆过程中，若遇漏浆、冒浆、串浆、地表严重抬动等现象时，可以采取降压、限流、间歇注浆、待凝或改用水玻璃水泥浆注浆并待凝等方法进行处理。

如果注浆过程中，对注入量大的孔段可采用多台泵多孔群注。

如果水泥注浆出现浆液返浓情况，而止水效果不明显时，在偶数排的孔内改用聚胺酯等化学浆材进行注浆，采用化学注浆处理。

4.2 全断面超前深孔注浆

4.2.1 准备工作

(1)施工作业面中将下部台阶向前掘进，形成一直立作业面，以面施工注浆用砼止浆墙。

(2)将暴露部分进行初支，底部用C25砼进行浇灌，确保砼浇灌质量，出水部位埋设导管将水引出。

(3)用现有潜孔钻按注浆孔置钻孔，每孔钻是深度1m，埋设长度2.3m长的注浆孔口管，以快硬水泥埋设。

（4）安设好注浆孔口管后，支模板进行砼浇注，施工砼止浆墙，砼墙厚度为1m，采用C30砼，并在砼墙中间部位打一圈经向锚杆，间距为0.5m。

（5）为便于钻孔，搭设一层平台，位于断面中间部位，根据南京K90钻机参数，支钻机顶部需锚杆固定，两根Ⅰ20工字钢，其他用脚手架搭设即可，上面铺设5mm厚度搭板。

4.2.2 钻孔

严格按设计图纸布置钻孔。

（1）钻进设备选择：为加快施工进度，选择南京产的K90钻机，其耗风量为11m³/min，钻头选用Φ50十字钻头，钻杆为Φ45，最大钻进深度为35m。

（2）钻孔初期10米以前，用YT27钻机配Φ50钻头钻进，以加快施工进度。

（3）钻孔顺序：先钻单号孔，后钻进双号孔，上部下部同时进行。

4.2.3 注浆施工

（1）注浆前准备工作：

用注浆泵向孔内注清水进行洗孔，不少于10分钟，以提高注浆效果，同时测取钻孔吸水率，以确保浆液初始浓度。

（2）注浆

浆液初始浓度为水泥浆 15：1（水灰比）；正常注浆浓度为1：1（水灰比）；处理跑浆事故为C:S=1:1（浆液）。浆液浓度调整原则是先稀后浓，根据进浆量和注浆压力的变化，及时调整浆液浓度，长时间不上压力，进浆量大，则调浓一级，压力上升快，则调稀一级。

注浆量越来越少，达到注浆终压并持续半小时，即可结束注浆。

（3）注浆注意的事项

严格按注浆参数进行注浆，确保注浆效果；每次注浆前检修好设备，防止注浆过程中高压时出事故影响注浆效果；及时观察注浆压力表，并做好注浆压力及浆液记录。以便注浆结束时分析毎孔注浆情况；注浆结束后要高档位冲洗注浆管路，防止注浆管路堵塞；毎孔结束后要停8～10小时才能复孔作业。

5 注浆效果

通过径向堵水注浆以及全断面超前深孔注浆有效减少了隧道失水，并改良了地质条件减少了开挖掌子面的失水，实现了隧道开挖过程中对地面建（构）物沉降有效控制，具体见图4隧道失水监测统计和图5注浆前后开挖掌子面对比照片。

图4隧道失水监测统计图图5 注浆前后开挖掌子面对比照片

6 结语

广州东站～燕塘站区间隧道所处环境地下水位高,地下水丰富，因此地下水是否得到有效控制是整个隧道矿山法施工成功与否的关键。当开挖掌子面不稳时，采用全断面超前深孔注浆工艺；当隧道开挖初支后裂隙水仍然较大时，采用3m径向堵水注浆工艺；地下水得到了有效的控制，确保了矿山法隧道开挖的正常进行。此方法对类似工程具有一定的借鉴意义。

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