摘要：该工程位于巴基斯坦境内的子喜马拉雅山地带,其中长距离引水隧洞下穿浅埋深河流段（简称：穿河段）主要经过砂岩、粉砂岩、泥岩交替组成的莫里构造带;岩石破碎、软化,裂隙十分发育,切割延伸较远的宽大裂隙较多,经常出现大涌水,其外水压力在1.7～3MPA之间,增加了勘探、灌浆难度.该工程工期紧,工程技术和安全质量要求高,针对工程的特殊性,认真进行超前勘探、高压灌浆技术研究,严格进行施工组织实施,使工程开挖安全顺利完成.
关键词： 下穿 浅埋深 河流段 超前勘探、灌浆 施工技术
1 工程概述
巴基斯坦尼卢姆-杰卢姆(NEELUM-JHELUM)工程位于Azad Jammu& Kashmir (AJ&K)洲Muzaffarabad地区，海拔在600m和1000m之间。
工程利用了通过Nauseri Neelum河到 Zaminabad Jhelum河之间32.5km的长隧洞系统形成的420m的水头落差。引水隧洞系统总长28.5km,Nauseri和Thotha之间的20km长隧洞开挖为整个工期的控制段。从Nauseri长15.1km隧洞的延伸设计为双隧洞系统，每个隧洞的截面积为43m²。因此,引水隧洞开挖与支护是控制本工程的关键项目，它具有地质条件复杂、洞挖断面小、地应力高、工程量大、线路长等特点。其中,穿河段为双线洞设计,各隧洞为马蹄形断面，洞径为8.55m~8.55m（钢衬段804m）,河道宽度100～110m，水面宽度70～80m，水位高程EL.778.28m,水深约2～3 m,最小埋深约165m。穿河段超前勘探、灌浆既为该段洞挖的难点,且前期并无详细地质资料作为参考,不可预见性因素多,浅埋深增添了堵水风险. 针对这些情况,本工程采用超前勘探、高压灌浆形成帷幕墙后,根据不同类别围岩情况确定爆破进尺、支护方式,顺利过河.
2 超前勘探区域划分
在引水隧洞穿河段开挖过程中,为了探明未开挖洞段的岩石和地下水的发育情况,将穿河段划分为两个区域进行施工.河道下方的引水洞段(约110m)为I区, I区上、下游各300 m内的引水洞段为II区.II区施工期间发生了大的涌水,I区长度根据取芯地质资料和涌水情况相应加长.上、下游侧II区开挖期间,左右洞开挖距离不小于10m;当右洞开挖至I区时,暂停掘进,在工作面上进行勘探孔取芯,勘探期间,左洞继续开挖,根据探明的岩层走向和地下水的发育情况等信息,推断出另一侧洞段需要预防的灌浆部位；已完成勘探的距离至少大于开挖工作面5 m. 开挖期间可尽量安排在壁龛内取芯施工,以确保左、右洞能同时掘进,减少掌子面停机时间.
3 超前勘探施工技术要点及处理措施
3.1 超前取芯勘探孔
通过取芯探明前方地质围岩和涌水情况,提前做好预防措施,使整个隧洞的开挖在可控范围内实施. 取芯勘探孔采用XY-2钻机钻孔，一般孔深为100～150m，根据合同要求,终孔孔径φ76mm，并配备双管取芯钻具和满足规范要求的岩芯箱。钻孔过程中，现场地质人员和工程师地质人员配合，判断地质情况。
首先应保证取芯前有一个岩石情况较好、无涌水的掌子面,这就需要确保超前灌浆的质量,开挖过程中尽量减少已灌区域的岩墙损伤.若取芯前发现掌子面岩石破碎且伴有涌水,应先进行掌子面加强支护和超前灌浆等措施处理后,再进行取芯工作. 孔位布置隧洞工作面上，方向与引水洞轴线一致水平钻孔，高度距离隧洞底板1～2m。勘探孔开孔段孔径φ110mm 深度6m，预埋孔口管外露20cm，通过法兰盘和高压闸阀连接。安装孔口管后对管壁和岩壁之间的空隙进行充填灌浆，灌浆结束18hr后方可开始勘探孔的钻进施工。
在取芯过程中,利用埋设好的孔口管连接高压闸阀来控制孔内涌水.其中孔口管的埋设质量至关重要,埋管注浆待凝后应采用高压水试灌10～30min,认真检查掌子面或管内是否出现外漏,若外漏则及时采用浓浆间歇法或双液法(水玻璃、水泥浆)进行灌注,直至无任何外漏且能承受孔口设计灌浆压力时,方可开始取芯施工, 否则遇到大涌水量时难以灌注,极易出现险情. 如此以来,只要涌水压力不影响正常取芯施工,均可继续取芯,大大减少了取芯至深孔处出现涌水的重复灌浆、扫孔的频率,缩短取芯时间也降低施工成本.
钻孔过程中，若遇塌孔、空洞等现象时，必须停止进钻，然后进行灌浆、扫孔等工作，待复杂孔段灌浆完并待凝后，方可进行下一步施工作业。
取芯勘探孔钻孔期间，操作人员根据回水流量判断是否发生涌水及涌水大小，根据钻孔孔深和岩层走向等信息推断发生涌水的部位。
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发生涌水时，停止钻进，认真填写钻孔报表,对涌水时刻和钻孔孔深进行记录后继续取芯,为地质素描资料提供可靠依据,从而分析判断地下水沿裂隙的水力联系,拟定灌浆洞段的范围和防范措施.
当发生大涌水钻机无法正常取芯时，停止钻进，对涌水时刻和钻孔孔深进行记录，退掉钻具，关闭闸阀，安装压力表,观测涌水压力、涌水流量及其携带泥沙情况,利用预埋孔口管充当阻塞器进行高压灌浆,按照高压灌浆技术要求正常灌注结束后待凝至水泥浆初凝时开始采用相应孔径的全断面钻头进行冲孔和扫孔.
3.2 超前冲击勘探孔
冲击勘探孔是超前灌浆的依据. 在开挖面上采用二臂凿岩台车钻孔，孔径φ65mm，孔深为15～20m (根据围岩情况和涌水量确定)，搭接长度一般为5.0～6.0m(根据围岩情况和灌浆效果确定)。孔位布置在顶拱180°范围内(12:00、9:00、3:00点钟方向)，角度为5°,扇状向围岩方向辐射,勘探过程中若发现孔内大量涌水导致无法正常钻进时, 应立即停止钻进,退出钻具,测量孔口涌水压力、 涌水量、携带泥沙情况,采用机械式或气囊式阻塞器开始阻塞灌浆。当三个冲击勘探孔按设计孔深钻孔结束后无大量涌水,可分别在顶拱360°范围内增补(6:00、8:00、4:00、11:00、1:00点钟方向)五个孔共同做为I序灌浆孔进行灌注.结合洞内排水能力,围岩情况,并根据每个孔段的涌水量、灌灰量在其周边增补II序、III序等灌浆孔,逐步加密形成灌浆帷幕;其中, III序孔以后钻孔角度应调整至15°扇状向外,增大浆液扩散半径,为掌子面后的锚杆孔注浆等支护工艺减少难度.
灌浆结束后,在掌子面后1米处, 顶拱360°范围内布置四个检查孔(8:00、4:00、11:00、1:00点钟方向),检查及坚固灌浆效果.
4 开挖面前、后灌浆施工技术要点及处理措施
4.1 开挖面前的高压灌浆
为确保开挖面能承受较高灌浆压力,应喷150～200mm钢纤维混凝土进行封闭，如遇泥岩破碎带或砂岩渗水带还应进行10-12米大管棚仰拱断面的超前支护和灌注后再进行超前探孔和高压灌浆工作，防止涌水压力过大以及高压灌浆时造成掌子面无法承受高压而开裂勘踏，因而难以封闭灌浆；同时也能保证掌子面的小循环开挖过程中不会出现塌方或者大规模超挖现象.
如何有效阻塞是超前灌浆能否实施的关键.当遇到较大涌水时,且掌子面岩石软化,经过外水头压力冲刷后，孔口孔径不断增大难以阻塞时,采用长6米或10米的钢管连接气囊式阻塞器组装成长塞,利用二臂凿岩台车机械臂钻杆连接阻塞器接头,阻塞至孔内任意深度,从而达到有效控制涌水和顺利灌浆的方法.在灌浆过程中仍采用二臂凿岩台车的机械臂抵制住阻塞器,防止孔内涌水或灌浆压力过大将阻塞器冲出,发生安全事故.整个穿河段的灌浆无惧高压涌水,仅采用水泥灌浆法,成本低且安全可靠.
水泥灌浆浆液分为纯水泥浆和水泥浆中掺加外加剂(减水剂)的水泥浆，一般采用纯水泥浆灌注。水泥浆水灰比为0.5:1（重量比）。当可灌性差、涌水压力很小时,可以掺加水泥浆液体积1‰～2‰的减水剂,增强浆液流动性。在灌浆过程中，若发现外漏(喷砼与基岩面之间漏水、漏浆、冒浆等情况)应采用嵌缝、表面封堵等措施，必要时采用双液灌浆法分别灌注水泥浆及水玻璃, 水泥浆液采用0.5：1的浓浆，水泥与水玻璃体积比为1：0.1～1：0.5，也可根据实际灌浆过程中的进浆量调整浆液比例。
灌浆最大压力一般为5.0Mpa,以控制孔口处的回浆压力为记录读数压力。对于持续大漏量的孔段，应采用低压、限流，间歇灌浆等方法处理，或者限量方式处理。当灌浆孔段互串时，可以采用并联灌浆或孔口阻塞等方式,确保灌浆顺利实施.
灌浆设备均安装在15T自卸汽车上,形成移动式灌浆系统,利用装载机转运水泥至车内,人工制浆、供浆,操作方便、快捷.
4.2开挖面后的堵漏灌浆
如何有效将渗水和施工涌水引排是该段洞挖的前提.
在开挖面后围岩渗水量较小的情况下,通过排水孔(岩石破碎的部位,插PVC管或橡胶管)，将围岩中的裂隙水排走; 当开挖面后围岩渗水量较大且伴有压力时,根据渗漏面积在其周边布置若干5～10m灌浆孔,通过加压试灌寻找外漏点、面和裂隙通道,确保灌浆孔与渗水面裂隙通道相互串通.针对渗
水面和外漏点、面的涌水量及涌水压力辨别灌浆方式。当涌水压力过大时宜开孔至5米以上孔深，将渗水点集中，采用埋管法将渗水引至两侧便于后期混凝土衬砌后进行灌注；当涌水点压力小于1MPA，则可采用0.4:1的浓浆结合水玻璃间歇式灌注，当外漏面较多难以堵漏时应考虑采用水溶性聚氨酯进行化学灌浆
5 超前勘探、灌浆施工安全措施
5.1 各种钻孔、灌浆用电线水管等管线合理布置、稳定牢固。
5.2 严格钻孔、灌浆用电管理，用电作业由专业电工操作。电器设备设有漏电保护装置。
5.3 在二臂凿岩台车吊兰或灌浆台车上作业按要求做好安全防护。工作平面安设防护栏、立面设置防护网，人员系好安全带。
5.4 专人定期检查二臂凿岩台车吊兰, 灌浆台车作业平台、安全爬梯、跳板、人行道的牢固性；同一施工断面禁止上下层交叉作业等。
5.5 严禁在开挖面及开挖面后50米范围内未进行裸岩支护而采取高压灌浆.
5.6 钻孔过程中出现极大涌水时,应立即停止钻进,退出钻具,及时阻塞,防止险情恶化.
5.7 排水泵站出现严重故障无法满足设计最低排水能力时,应立即停止开挖面勘探钻孔施工.
5.8 组建应急抢险领导小组,随时应急处理突发事件,确保隧洞安全施工.
6 结语
本工程是巴基斯坦境内目前最长一条引水隧洞,工程规模宏大.通过超前勘探、灌浆技术,使用常规勘探、灌浆器材,在小断面双线洞穿过浅埋深河流的施工特点,讲述了其施工工艺的革新和难点的突破, 经济效益显著,给类似水下工程勘探、灌浆提供宝贵经验.
论文作者:尹鹏,黄俊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/5/13
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