Question

水文地质特征

Answer 1

水文地质特征对注浆材料的选择和注浆压力的确定尤其重要，因此，注浆施工前，必须要搞清楚所注地层是不含水层、弱含水层、富水层，还是高压动水地层？水量是多少，水压力是多大？地层渗透系数是多少？

现场水文地质特征通过超前地质探孔进行分析。超前地质探孔按图1-22布置。探孔共布置4个，分别位于左、右边墙和左、右拱腰。探孔纵向探测长度30m，终孔为开挖轮廓线外1.5 m，即外插角2.9°。每探测30m后，当确认前方可以开挖时，开挖施工25 m，余留5 m作为下一循环探测的余留岩墙。

图1-22 超前探孔横断面布置图

在现场探孔施工中，当有一个探孔出现流水时，其他探孔应减慢钻进，首先钻进出水孔，并不断测试出水孔的涌水量，直到出水孔钻到设计深度。按这一钻探原则进行探孔施工，期间，应对每一个探孔涌水量进行监测。在探孔施工结束后，如果没有一个孔是满孔流水，那么基本上可不再进行补探施工。否则，可通过分析各探水孔的水力联系进行补探设计和补探施工。

1.4.2.1 水流方向判定

通过分析各探水孔遇水时的钻孔深度，确定前方岩层的走向。综合各探水孔涌水量变化情况，分析探水孔之间的水力关系，确定水的来源方向。当需要进行补探时，主要在水源方向一侧进行补探设计和补探施工，以进一步确定水流方向和涌水量大小。

1.4.2.2 涌水量测试及稳定性分析

正确地分析出前方涌水量大小是确定是否可以进行开挖的最主要依据之一。涌水量的分析预测主要通过“预估→涌水量稳定性分析→补探确定”这一程序进行。

在超前探水孔钻探完成后，若探孔不是满孔流水，则可以直接通过采用容器提水的方法进行涌水量测试。这种情况下，涌水量Q_单≤40m³/h，测试的误差不大。若满孔流水，即涌水量Q_单＞40m³/h时，采用容器提水的方法很难较准确地测试，这主要是在很短的时间内所选择的容器就被涌水充满，测试时引起的时间误差太大，造成测试数据不准确。

当涌水量Q_单＞40m³/h 时，可采用射程计算法进行涌水量预估。如图1-23，将ϕ108mm孔口管变径转换为ϕ32mm的焊接水管，通过测试当涌水射出高程为1 m处的水平射程，从而估算出前方涌水量。计算方法如下：

地下工程注浆技术

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式中：X为水平射程（m）；Y为高程（m），取1 m；g为重力加速度（cm/s²，取9.8）；t为流水时间（s）；Q_单为单孔涌水量（m³/h）；V为涌水速度（m/s）；S为过水断面面积（m²）；D为管径（m），取ϕ32mm，即0.032 m。

计算得：

地下工程注浆技术

图1-23 涌水量测试方案示意图

测试各探孔涌水量和总涌水量（总涌水量可通过矩形堰法或流速法测试），绘制涌水量变化曲线，以此分析前方涌水量的稳定性。若涌水量稳定，每个探水孔涌水量Q_单＜40m³/h，且总涌水量Q_总＜300m³/h时，基本上可以确定前方发生突涌水的可能性不大，可以进行开挖施工，否则应进行前方涌水量的准确判析。

1.4.2.3 涌水量的准确判析

通过在水源侧增补探孔的方式来准确评估前方发生突涌水的可能性。施工中一般按预设计的超前预注浆方案施作水源侧的注浆钻孔，通过钻孔数量的增加，以使总涌水量进行分配。若能达到实施几个钻孔后不再有满孔流水现象，这时，继续观测各孔流水量和总涌水量，分析其关系和规律性，通过对总涌水量进行稳定性分析，从而界定出前方发生突涌水的可能性。

1.4.2.4 确定裂隙发育的分布特征

裂隙发育的分布特征也是影响注浆方案制定的主要因素之一。对裂隙发育的分布特征可采用止浆塞卡位技术，通过水量观测法进行确定。如图1-24 ，将水力膨胀式止浆塞下入钻孔中，按1m、2m…29m的位置对止浆塞进行卡位，通过注水，使止浆塞膨胀。通过测试芯管中的出水量，以确定测试段是否有水，以及水量大小。绘制水量随钻孔深度的分布特征曲线，由分布特征曲线判定水量的主要水源位置，从而确定钻孔范围内的裂隙发育分布特征。

图1-24 裂隙发育分布特征测试方法示意图

1.4.2.5 水压力测试

水压力是指相对隧道标高而言，隧道所承受的水头压力。隧道水压力的测试采用关水试验。为确保水压力测试数据的可靠性，若掌子面前方岩盘厚度不足5m、裂隙发育时，应采用C20混凝土封闭掌子面，封闭厚度1.5～2 m。测试过程中，若出现局部部位有流水、涌水时，应停止监测，重新对涌水点进行增设钢架、补喷混凝土等措施，以达到密闭状态，之后，重新进行监测。水压力稳定时间不得低于48 h，即当压力在某值稳定时间超过48 h以上，可认为这个压力值为最终水压力值（原始水压力），该水压力为隧道所承受的最大水压力。

水压力测试方法有渗压计法和压力表法两种。

渗压计法是在钻孔中放置渗压计，通过测试渗压计频率，计算出水压力值。由于国内外没有水压力测试经验，无法评价水压力测试过程的危险性，因而，在圆梁山隧道高水压力测试过程中，水压力监测采用了渗压计法。渗压计法测试装配图如图1-25。

图1-25 渗压计法测试装配图

图1-26 压力表法测试装配图

压力表法是最简单，也是最直接的监测方法。通过圆梁山隧道水压力监测，表明在高水压力下，水不可能冲毁止浆墙和孔口管，因而，直接测试水压力是安全可靠的，因此，在以后其他隧道水压力监测时，采用了压力表法。压力表法测试装配图如图1-26。

1.4.2.6 渗透系数测试

（1）地表测试

地表帷幕注浆时，测试地层渗透系数常采用注水试验，采用下式计算。

地下工程注浆技术

式中：k为地层渗透系数（m/d）；Q为稳定流量（m³/d）；l为试验段长（m）；s为水位差（指水头压力高度，m）；r为钻孔半径（m）。

注水试验测试方法及原理图如图1-27。注水试验步骤：

图1-27 注水试验测试方法及原理图

1）采用地质钻机垂直于地面钻孔，不测试部位采用套管护壁，测试部位下入外包滤网的PVC管（周边钻孔）。

2）测定地层中的初始水位。

3）在地面采用稳定的流量向孔内进行注水。

4）通过调节水流量的大小使管内形成稳定水位并测试。

5）测试水位稳定时的注水流量。

6）通过公式计算地层渗透系数。

对于城市基坑工程，常采用供水管道进行注水试验。试验过程中，通过调整水头大小，以保证给水与渗透水的水力平衡，从而确定稳定流量与水头差。

（2）洞内测试

洞内帷幕注浆时，常采取注水试验（为减少注入地层中水量，也可采用水灰比为1∶1的水泥浆进行注浆试验测试，测试结果偏小）。测试注水（浆）压力和注水（浆）流量，采用以下公式计算

地下工程注浆技术

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式中：ω为地层单位吸水量（L/（min·m·m））；L为注水（浆）段长度（m）；γ为注水（浆）孔半径（m）；

为注水（浆）时稳定流量（L/min）；

为注水（浆）压力（水头压力高度，m）。