超前固结灌浆在隧洞开挖工程中的应用研究‌

凤玉建

云南省滇中引水二期工程有限公司  云南  昆明  650000

摘要‌：在穿越断层破碎带、构造密集带以及高涌突水风险区域的深埋长大引水隧洞施工中，超前地质预报与主动预加固是保障施工安全与控制工程风险的核心手段。本文基于大型引水工程——滇中引水工程楚雄段隧洞的专项施工实践，系统总结了针对高涌突水、围岩破碎及有害气体等复杂地质条件下的隧洞施工技术体系，并重点分析了超前固结灌浆在其中发挥的关键作用。

‌关键词：‌ 固结灌浆；隧洞工程；涌突水防治；围岩加固；断层破碎带；有毒有害气体

一、 引言‌

隧洞工程常穿越山岭、河谷，地质条件复杂，特别是在埋深大、穿越断层破碎带、褶皱发育及富水地层时，施工面临涌水、突泥、围岩失稳、有毒有害气体（如H₂S）及腐蚀性地下水等多重风险。传统的“开挖-支护”被动应对模式难以适应此类高风险隧洞的安全高效施工需求。因此，采用“先探测、预支护、堵排结合、限量排放、分级治理”的原则，实施超前地质预报与超前支护技术，成为关键技术路线。超前固结灌浆作为改善围岩物理力学性质、封堵导水通道、形成止水帷幕的主动预加固手段，在高风险引水隧洞工程施工中应用广泛，意义重大。

二、 工程概况与地质挑战‌

本案例工程为滇中引水工程的关键组成部分，隧洞工程面临以下主要地质风险，构成了超前固结灌浆技术应用的前提：

1.断层破碎带与涌突水‌：隧洞穿越多条Ⅱ、Ⅲ级断层，构造发育，围岩破碎。统计显示多处洞段涌突水风险等级达A、B级，如凤屯隧洞FTT05+817～FTT06+046段（长229m，A级风险）及多处B级风险洞段。

2.有毒有害气体‌：在凤屯隧洞及伍庄村隧洞的特定地层（白垩系普昌河组）段，存在H₂S气体渗漏超标的潜在风险，对施工人员构成安全威胁。

3.腐蚀性地下水‌：伍庄村隧洞部分洞段地下水为SO₄-Ca型或HCO₃-Ca-Mg型，对混凝土具有硫酸盐强腐蚀性，对钢结构有中等腐蚀性。

三、 超前固结灌浆在引水隧洞工程中的具体应用‌

针对不同等级的风险和地质条件，本工程中超前固结灌浆的应用呈现出分级化、组合式的特点，是保障开挖前围岩稳定的关键一环。

3.1 应用场景与分级化设计‌

根据风险等级和地质预报结果，超前固结灌浆的布置参数、范围和方式具有显著差异（表1）。技术方案中明确了不同风险等级洞段（如断层涌突水A1、B1、C/D类）需采取包括超前灌浆在内的综合防治措施。

表1：基于风险等级的超前固结灌浆应用设计

风险级别（或支护类型）	超前灌浆设计	目的与作用
A1/B1类（高风险断层涌突水带）	掌子面及洞周/顶拱超前灌浆。孔深L=12m或30m，间距@2m，排距@2m/2.5m，钻孔搭接长度3m。	主动止水与固结。在开挖前对掌子面及其前方一定范围内的围岩进行灌浆，形成超前预注浆帷幕，封闭渗流通道，大幅降低前方涌水量，提高破碎围岩的整体性和自稳能力，为安全开挖创造条件。
特殊不良地质洞段（穿越断层带、构造密集带、突泥涌水洞段）	结合地质雷达或超前水平钻孔预报结果，采用长、短结合的超前预报，并利用钻孔进行超前注浆。孔深通常15m，加深钻孔至6-8m用于探查和提前注浆。	探查与加固一体化。利用超前钻探孔同时作为灌浆孔，对可能的高压水、软弱夹层进行预先处理，防患于未然。
有毒有害气体溢出洞段	超前注浆：通过超前小导管或管棚对轮廓线外5-10m范围进行注浆，封闭气体渗漏通道。及早衬砌与径向注浆： 开挖后采用边挖边衬工艺，并对已开挖洞段进行混凝土衬砌和回填/固结灌浆，防止气体持续泄漏。	气密性封闭。封堵或减小气体渗透路径，降低有害气体在作业环境中的浓度。
腐蚀性洞段	径向/全断面固结灌浆：根据外水压力（0.5MPa~>1.5MPa）分级设计，孔深5m~10m，间距1.25m~3m。	复合防渗屏障。通过在衬砌混凝土外层（围岩）与内层（混凝土本身）形成多道灌浆防渗层，阻断不达标地下水的流通通道，减缓对衬砌结构的腐蚀。同时确保衬砌混凝土自身的密实性和止水质量。
Ⅴ类特殊围岩及洞口段	全断面或拱顶超前固结灌浆：如隧道进出口、V类围岩顶拱边墙，进行系统性的固结灌浆，形成加固圈。	普遍性加固。对整体稳定性较差的围岩进行系统性加固，提高其承载能力和稳定性。
预加固联合支护	与超前大管棚（Φ108mm）、超前小导管（Φ42mm）组合应用。管棚或小导管的孔道可兼作灌浆通道，或在其基础上进行补注浆，形成“管棚/小导管骨架+注浆固结充填体”的复合超前支护体系。	强化结构性支护。在软弱破碎或富水地层，管棚等构架起支撑作用，注浆则将松散岩体胶结成承载拱，二者协同作用，效果显著增强。

3.2 施工工艺与技术创新‌

1.钻孔与注浆工艺‌：

钻孔‌：主要采用矿用风枪或地质钻机，依据设计孔位、倾角、间距和孔深进行。对Ⅴ类特殊围岩，孔深可达10m，确保覆盖需加固区域。

循环注浆‌：优先采用孔内循环注浆工艺，并配备专用的高压注浆泵、制浆系统及灌浆自动记录仪，实现压力与注入量的精准控制。

袖阀管技术‌：在需要分段、多次或重复注浆的部位（如固结灌浆），预埋袖阀式套管，便于针对不同区段实施针对性灌浆，保证浆液扩散的均匀性和密实度。

2.浆液材料配制与优化‌：

基材采用42.5级普通硅酸盐水泥，或针对腐蚀环境采用中抗硫酸盐水泥。

浆液水灰比通常在0.5:1至1:1之间，通过灌浆试验确定最佳配比和灌浆压力（一般不超过1.5MPa）。

可添加速凝剂、减水剂、稳定剂，特殊情况下（如大水量地层）可加入水玻璃或采用化学灌浆材料（如聚胺脂类）。注水泥浆时，可采用由稀到浓逐级变换的方式。

3.质量控制与检测‌：

过程控制‌：严密控制开孔精度、孔斜度（固结孔底偏差≤孔深的1/40）、钻孔清洗、压水试验（简易或正规）以及注浆压力、浆液变换和结束标准（如压力下注入率≤1L/min延续30min）。

终检‌：固结灌浆质量检查以压水试验透水率为主，一般在灌浆结束7天后进行，抽检比例不低于总孔数的5%。要求85%的检查孔段透水率≤3Lu，且不集中。对锚杆还需进行注浆密实度检验和抗拔力试验。

四、 与开挖和监测的协同应用体系‌

超前固结灌浆并非孤立应用，其效能通过一个完整的协同体系得以充分发挥：

1.与超前地质预报的联动‌：施工采用TSP长距离物探（>100m）、地质雷达短距离预报（15-30m）及超前水平钻探相结合的方式。预报结果直接指导超前灌浆孔的布设、孔深和注浆范围的确定，实现“精确制导”式预加固。

2.与支护体系的时间、空间耦合‌：

时空安排‌：遵循“新奥法”原理，灌浆固结后，采用短台阶、三台阶七步法等开挖方法，保持“短进尺、弱爆破”。不良地质洞段的二次衬砌紧跟掌子面，确保“边挖边衬”，形成及时、闭环的时空支撑体系。

体系协同‌：超前灌浆固结的岩体与紧随其后的系统锚杆（砂浆、中空、让压锚杆）、钢筋网、钢支撑、喷混凝土（普通或粗纤维）及最终的二衬，共同构成一个从“临时加固”到“永久承载”的渐进支护体系。

五、 结论‌

在复杂地质条件下的引水隧洞建设中，超前固结灌浆是一项至关重要的主动防护技术。本研究通过具体工程案例分析，得出以下结论：

1.分级应用与目标明确‌：灌浆应根据超前地质预报揭示的风险等级（如A/B级涌突水、断层破碎、有害气体溢出等）进行分级设计和参数优化，目标包括止水、固结、封闭有害物渗漏通道及抗腐蚀。

2.技术集成与协同增效‌：其成功应用依赖于与超前地质预报、分级开挖、多级支护（管棚、锚杆、钢支撑、喷锚、二衬）、排水系统及全程安全监测等技术的系统集成和动态协同。

3.主动预加固是根本‌：相较于被动处理，科学规划和有效实施超前固结灌浆，能从根源上降低施工期的涌水风险和地质灾害发生概率，保障长距离、高风险隧洞的施工安全和进度，具有显著的技术经济价值。

...