高压含水层水平截渗灌浆施工技术探讨

龚 赟，宾 斌，唐向阳，王雪龙

(湖南宏禹水利水电岩土工程有限公司，湖南长沙，410007)

作者简介: 龚赟(1986—)，男，湖南长沙人，助理工程师，主要从事岩土施工。

【摘 要】 在深部采矿巷道和隧洞进行施工时，高压含水层的截渗堵水的成功与否，成为影响工程进度的关键。目前，常采用水泥灌浆、多环钻孔施工，先排水降压后进行灌浆截渗堵水，存在排水费用高，施工效率低，施工效果不佳，工程造价高等问题。采用水泥膨润土和溶液型水玻璃化学浆液组合代替常规的水泥浆液，单环钻孔分序进行灌浆，在姑山某巷道掌子面导水断层进行截水防渗处理，工程效果应用证明水泥膨润土和溶液型水玻璃化学浆液两种材料组合可以达到减少钻孔数量，加快施工进度，降低工程总成本，保证堵水效果的目的。

【关键词】 高压含水层; 水平截渗; 灌浆; 排水降压; 施工

1 前言

深部采矿巷道、深埋隧洞等地下工程施工面临的突、涌水和抽、排水过量引发环境水文地质问题及环境地质灾害日益突出，原有的以排水为主的施工方案难以满足环保要求，根据需要现采用截堵水为主、排堵结合的工程施工方案，主要在水平巷道(隧道)内采用水泥灌浆进行截渗堵水以满足环境保护、施工安全和进度要求。由于诸多巷道(隧道)深埋于地表以下，达300m以上，在水平巷道(隧道)内进行超前水平截渗灌浆施工时，灌浆段受围岩应力、水压力(裂隙含水层内水头压力通常超过3.0MPa以上)、地温(35℃以上)、灌浆压力等因素共同影响，水泥浆液被注入裂隙过程中，在高压下快速失水硬化，导致灌入浆液十分有限，浆液扩散半径仅为0.3～0.5m。在后续巷道或隧洞开挖过程中，若软弱破碎带及其影响带被揭露，在高压水头作用下，断层破碎带及影响带内裂隙充填物极易产生渗透破坏而出现大量涌水，淹没巷道、隧洞等地下建筑物，使建设施工及生产无法进行，甚至严重影响生产及人员安全，后续排水量过大还将引发环境水文地质问题和地质灾害。

为突破高压含水层［1］在堵水防渗工程中的注浆施工难题，施工时多采用放水降压后再多环预注水泥浆方法［2］，如图1所示。

该方法须先排水降压，导致抽水费用高; 多环布置钻孔，工程量大，施工周期长，工程造价高。

针对深埋巷道(隧洞)高水头压力、高地应力等水文地质特性，我公司采用不排水超前预注浆方法，注入水泥膨润土和溶液型水玻璃化学浆液，较好地攻克了高承压、大涌水、高地应力、较高温度条件下堵水截渗灌浆技术难题，并在安徽、内蒙等矿山埋深较大的巷道堵水截渗工程得到应用，且取得良好的堵水效果。现以安徽某矿山深埋巷道截渗堵水为例，介绍高压含水层水平截渗灌浆施工技术，供类似工程参考。

图1 掌子面布孔示意图(左)钻孔方位示意图(右)

2 水文地质条件

安徽某矿山水平巷道掘进至距离导水断层前约10m处，前期探水孔探明巷道掘进前方断层破碎带和影响带厚度达10m，断层产状、性状情况不详; 破碎带及影响带岩体破碎，裂隙十分发育，连通性好，泥质物及碎屑充填，富含裂隙水，钻孔放水测定沿裂隙涌水量将达到72m3/h以上，水头压力3.2MPa，若不采取妥当处理措施，将严重影响巷道施工安全。

3 截渗灌浆施工技术

针对该深埋巷道内3.2MPa水头压力及复杂的水文地质特性，选择掌子面前钻孔堵水截渗灌浆技术，采用水泥膨润土和溶液型水玻璃化学浆液组合材料，对巷道内断层高承压、大涌水进行堵水截渗灌浆施工。

图2 安徽某矿山深埋巷道掌子面堵水截渗钻孔布置图

3．1 钻孔布置

灌浆孔在掌子面前按单环状布置，共计16个，掌子面孔距1.5m，钻孔向上、下、左、右斜9°，呈放射状，分三序孔施工，如图2所示。

3．2 掌子面支护

先在掌子面进行喷锚支护，同时对掌子面处大股渗水进行集中引流，钻孔3～5m，埋入引水管，对引水管周进行灌浆止水处理后，再实施掌子面围岩固结灌浆和止水。在围岩固结后，植入3～4根φ38～42的钢筋，起到锚固作用，确保围岩稳定。搭设坑道钻机施工平台，将坑道钻机就位，并用钢丝绳固定在植入围岩的钢筋上。

3．3 钻孔施工

(1)先导孔: 在两侧或对角位置布置1～2个先导孔，进行全孔取芯和量测水头、水量、压水试验。要求:

a.岩芯应摆放整齐，并标明岩芯、位置、涌水压力及流量等详细信息，及时、准确地做好施工原始班报表记录工作和地层岩芯编录工作;

b.量水试验是对先导孔进行分段放水，待其基本稳定时，将放出的水用有刻度的桶进行量测，计算先导孔排水的流量;

c.测量水头即分段进行水压测量，了解各段围岩内裂隙的发育和连通情况。

(2)灌浆钻孔: 采用金刚石钻头，清水钻进成孔。开孔孔径110mm，终孔孔径不小于75mm。

(3)埋设孔口管: 完整硬岩段孔口管长度不小于6.0m，软岩段不小于12.0m，管径应大于终孔直径1～2个级配。

(4)钻孔深度: 钻孔以穿过断层破碎带且深入小于设计透水率岩体内5m为准。

(5)灌浆管设置: 为确保灌浆管能下入孔底且顺利提升并进行有效灌注，采用内丝钻杆，并确保连接密封牢靠，前置钻杆底部安装开具单向灌浆孔并带锥头的灌浆头，灌浆头未装单向阀时，应用胶带缠封小孔，用钻机送入至孔底。

3．4 灌浆材料

灌浆材料主要采用溶液型改性水玻璃浆材和水泥膨润土浆液进行组合。水泥膨润土浆液主要用于处理较大的裂隙或涌水。对于较大涌水进行止水时，可以在水泥浆中掺入5% ～10%水玻璃进行灌浆，水固比在3 1～1 1的范围内调节。溶液型改性水玻璃浆材主要用于对微细裂隙的水进行封堵。

(1)水泥膨润土灌浆材料

水泥膨润土灌浆材料主要组成为水泥、膨润土、减水剂、缓凝剂等。

水泥: 采用P·O42.5MPa硅酸盐水泥。

膨润土: 以钠基膨润土为主，一般占水泥质量的20%～50%，水固比越大，掺加膨润土相对较多; 水固比较小时，膨润土掺量相对较少。

减水剂与缓凝剂: 市售，两者总量占水泥质量的0.05%～0.20%。

(2)溶液型改性水玻璃灌浆材料

溶液型改性水玻璃灌浆材料是以水玻璃、抗缩剂作为主剂，有机酯作为固化剂及少量表面活性剂，形成溶液型灌浆材料。材料成本在1500～2000元/t，仅为常用化学灌浆材料如丙烯酸盐、改性环氧树脂、聚氨酯等灌浆材料价格的1/10以下。根据胶凝时间不同，主要采用胶凝时间8～10min、15min、20min三种固化时长的浆液，配比见表1。

表1 溶液型改性水玻璃浆材

3．5 灌浆技术要求

(1)灌浆方法: 在孔口管埋设后，采用孔口封闭、自外而内分段、孔内循环的灌浆方法进行灌浆。

(2)灌浆顺序: 单排按分序加密进行，序次上先按Ⅰ序，再Ⅱ序的顺序进行。

(3)灌浆材料选择: Ⅰ序孔采用水泥膨润土浆液。对于水泥膨润土浆液，浆液浓度按先稀后浓、逐级变换的原则进行。与常规灌浆不一样的是，浆液采用水固比在3 1～1 1之间，一般为3 1、2 1、1 1。开灌水固比采用3 1，结束水固比为1 1。先配置水泥浆液，减水剂、缓凝剂按水泥质量的0.1%掺加，最后添加膨润土搅拌均匀。

Ⅱ序孔采用溶液型改性水玻璃浆液，对溶液型改性水玻璃浆材，浆液按先慢凝后快凝的原则进行，一般先灌初凝时间为20min左右的，再灌初凝时间为15min左右的，最后灌入初凝时间8～10min的浆液。

(4)灌浆设备: 灌浆泵采用双液灌浆泵，两管路进浆体积比为1 1，灌浆流量为30L/min，灌浆额定最大压力25MPa。

(5)灌浆段长: 孔口段6m，其他段10m，结束段可适当加长或缩短。在钻孔段出现涌水时，不管段长多少，即刻停止钻孔，对涌水实施灌浆处理后再钻进，以确保施工安全。

(6)灌浆压力: 水泥膨润土灌浆材料的灌浆压力为孔口段灌浆压力(孔口表压力) 2.0MPa+裂隙水压力; 孔口以下段按5.0～10.0MPa+裂隙水压力控制，结束段按15.0～20.0MPa+裂隙水压力控制。溶液型改性水玻璃灌浆材料，最大灌浆压力设为6MPa+裂隙水压力。

(7)灌浆浆液变换原则: 当注浆量达到300L以上时，而灌浆压力未达正常灌浆压力时，可变换浓一级浆液; 当注浆量达到300L以上时，而灌浆压力达正常灌浆压力时，可不变换浆液，直至达到设定灌浆压力结束。

(8)结束标准: 达到设计灌浆压力后，再灌10～15min，即可以结束。

(9)特殊孔段处理

钻孔涌水处理: 当钻孔揭穿裂隙含水层，孔口出现大量涌、突水时，尽快取出钻具，利用孔口管装置、阀门、盖头及时封住涌水，防止透水淹没巷道，确保施工人员、设施安全。当涌水量大于20m3/h钻具难以快速取出时，应立即松开钻机，拧上封闭器，利用钻杆作为灌浆射浆管，进行灌浆封堵。

孔口冒浆处理: 孔口周边冒浆时可增加浆液中快凝组分进行闭浆待凝3～20min，再进行灌注处理，必要时，可先行对孔周冒浆采取引管封闭处理法处理，再进行主钻孔灌浆。

串浆处理: 如果出现钻孔串浆情况，当被串孔具备灌浆条件，应将被串孔段同时堵塞，一泵一孔进行灌注; 若被串孔不具备条件，则将被串孔先行封堵，待灌浆孔结束后，再对串浆孔扫孔、冲洗，而后继续钻进和灌浆。

(10)封孔结束: 施工至灌浆孔终孔段时，下入φ60无缝钢管至孔底1.0m左右，一方面，该钢管作为最后灌段的射浆管使用，另一方面，灌浆结束后，该钢管留在钻孔内，经钻孔封孔水泥浆液固结成一体，在巷道开挖时，起到超前支护作用。

4 堵水截渗效果

该矿山深埋巷道掌子面前采用前述堵水截渗技术进行处理，单孔钻孔深度约25m，钻孔深入透水率＜10Lu岩体内5m，灌浆累计消耗水泥56t，膨润土25t，化学浆液4.0t。经检查孔检查单孔涌孔量少于0.3m3/h，满足设计要求。灌后2013年4月～2013年5月，巷道掘进顺利穿过掌子面前方F2断层破碎带，巷道开挖后，断层破碎带部位仅有极少量渗水，实测渗水量1.0m3/h，取得良好的堵水截渗效果。

5 结语

1)针对高压含水层在水泥灌浆处理后，幕体厚度有限，防渗效果不好的难题，采用水泥膨润土浆液和溶液型改性水玻璃浆材组合，单环钻孔超前堵水截渗处理方法，在很大程度上减小了施工安全风险，同时降低了施工成本，确保施工进度。

2)矿山巷道内导水构造截水防渗是一项复杂的灌浆工程，所处的地质环境、工作环境、安全因素十分复杂，相对地表灌浆工艺方法而言，矿山巷道内导水构造截水防渗还处于摸索阶段，最佳的施工工艺参数还有待进一步优化与完善。

参考文献

［1］矿井井下高压含水层探水钻探技术规范(GB/T24505—2009)［S］.

［2］杜小鹏.中天山隧道(左线)高压堵水注浆施工技术［J］.四川建材，2012(38): 144－148.