強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層周邊帷幕注漿堵水技術(shù)研究

付杰科

廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510100

1 工程及地質(zhì)概況

某隧道為雙向六車(chē)道，隧道平面布置為分岔式結(jié)構(gòu)，即由連拱隧道、小凈距隧道組成，設(shè)計(jì)縱坡為-2.44%，其中ZK7+915.072～ZK8+050為小凈距隧道，線路正上方有3層～6層的居民樓房14棟，房屋一般為磚混結(jié)構(gòu)，獨(dú)立或擴(kuò)大條形基礎(chǔ)。該段隧道埋深32.3m～37.3m。地下水埋深3.5m～6.0m。隧道洞頂圍巖以全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖為主，洞頂5m以?xún)?nèi)為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，其上為5m左右的全風(fēng)化～砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。隧道主要從碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化或弱風(fēng)化巖體中通過(guò)，巖體較破碎，巖質(zhì)軟硬不等且有含泥砂礫狀風(fēng)化夾層；地下水壓力約為0.3MPa，地下水對(duì)圍巖強(qiáng)度影響較大；本段圍巖級(jí)別主要為Ⅳ級(jí)，局部為Ⅲ級(jí)，跨度大于5m時(shí)，一般無(wú)自穩(wěn)能力，數(shù)日～數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動(dòng)變形、小塌方，進(jìn)而可發(fā)展為中～大塌方。

2 涌水情況及裂隙參數(shù)估算

2.1 涌水情況

斜井工區(qū)左線隧道進(jìn)入Ⅳ級(jí)圍巖施工后，采用CD法開(kāi)挖，施工分四部進(jìn)行，該段左上部施工至里程ZK7+962.2進(jìn)行超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)，位于拱頂左側(cè)一根小導(dǎo)管鉆至3m左右時(shí)，出現(xiàn)了涌水，實(shí)測(cè)涌水量達(dá)6m3/h～8m3/h，涌水為清水，見(jiàn)圖1。隧道內(nèi)涌水后，地表水位觀測(cè)孔水位下降明顯，最大時(shí)水位下降達(dá)6m，地表房屋沉降達(dá)3mm/d。為了探明前方地質(zhì)情況，現(xiàn)場(chǎng)施作了兩個(gè)探水孔，探孔涌水量達(dá)4m3/h～5m3/h，探明前方圍巖存在全強(qiáng)風(fēng)化圍巖互層，部分地段圍巖軟弱，存在多處裂隙水。

為了防止繼續(xù)開(kāi)挖導(dǎo)致地下水大量流失，引起地表沉降，影響地表建筑物的安全，須對(duì)隧道超前預(yù)注漿，以封堵地下水。

圖1 鉆孔出水圖

圖2 水流計(jì)算圖

2.2 裂隙寬度的估算

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)小導(dǎo)管涌水噴射距離及高度進(jìn)行了量測(cè)，見(jiàn)圖2，實(shí)測(cè)結(jié)果為水平距離x=1.2m，垂直距離y=1.8m。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)可知鉆孔水流在水平方向的流速為，計(jì)算得鉆孔水流的速度為1.98m/s。

根據(jù)裂隙寬度經(jīng)驗(yàn)公式[1]，見(jiàn)式(1)

式中：δ=裂隙寬度（mm）；R=鉆孔半徑（mm）；v=鉆孔中水的流速（m/s）；g=重力加速度（m/s2）；H=靜水壓力（水柱）（m）。

已知鉆孔半徑R=19mm，v=1.98m/s，靜水壓力H=0.3Mpa=30m水柱，代入公式（4），計(jì)算得裂隙寬度δ=0.78mm。

2.3 裂隙率的估算

根據(jù)賓德曼關(guān)系式[2]

得裂隙率計(jì)算公式

壓水試驗(yàn)表明，該段透水率為20～40lu，將上述數(shù)據(jù)。代入公式（3），計(jì)算得 m= 0.7%～1.3%。

3 注漿設(shè)計(jì)與施工

3.1 注漿方案及參數(shù)的確定

3.1.1 注漿方案及孔位布置

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告和超前鉆探情況，該段圍巖主要以微風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主，掌子面圍巖具有自穩(wěn)能力，隧道涌水主要來(lái)自拱頂上方的裂隙水，且裂隙發(fā)育范圍主要在隧道掌子面前方30m左右，因此根據(jù)設(shè)計(jì)文件及地質(zhì)條件確定采取局部周邊帷幕注漿方式。注漿按三個(gè)斷面進(jìn)行加固，其孔位布置見(jiàn)圖2、3。

圖3 周邊帷幕注漿鉆孔布置圖

圖4 周邊帷幕注漿鉆孔平面圖

3.1.2 注漿參數(shù)的確定

1）注漿壓力

注漿壓力是漿液在地層中擴(kuò)散、充填、壓密的能量，漿液在裂隙中擴(kuò)散、充填的過(guò)程就是克服流動(dòng)阻力的過(guò)程，注漿壓力的選擇不僅要考慮靜水壓力的大小，而且還要考慮裂隙的大小。裂隙大，漿液擴(kuò)散阻力就小，裂隙小，漿液就不易擴(kuò)散。根據(jù)該處隧道埋深和涌水壓力結(jié)合裂隙寬度等因素綜合考慮確定注漿壓力為1 MPa～1.5MPa。

2）終孔間距

在動(dòng)水壓力下注漿時(shí)，注漿孔按行排列時(shí)注漿孔間距有以下公式[]d = 1.57R( P泵?P水)/P泵，根據(jù)試驗(yàn) ，該地層漿液擴(kuò)散半徑在2m～2.5m，則計(jì)算得注漿孔間距為2.51m～3.14m，設(shè)計(jì)時(shí)取2.8m。

3）工藝選擇

為了減小工程量和提高工作效率，施工中采取遇水即注的注漿堵水工藝，即當(dāng)鉆孔過(guò)程中遇到涌水時(shí)即開(kāi)始注漿，在涌水地段，采取前進(jìn)式分段注漿工藝，分段長(zhǎng)度5m，鉆孔過(guò)程若水量較小或無(wú)水時(shí)可增加鉆孔段長(zhǎng)。

4）注漿參數(shù)

根據(jù)以上分析及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，確定注漿參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 注漿參數(shù)表

3.2 注漿材料選擇

漿液進(jìn)入巖體裂隙的能力主要取決于裂隙寬度、漿液顆粒粒徑和灌漿壓力等因素[]，這與巖體可注性有關(guān)，裂隙巖體的可注性可由Mitchell公式[2]確定。

式中Df-巖體裂隙寬度；D95-漿液材料在粒度分析曲線上占95%的對(duì)應(yīng)直徑。

對(duì)于巖體裂隙介質(zhì)，當(dāng)GR＞5時(shí)，才能保證注漿成功，因此漿液粒徑D95應(yīng)小于Df/5，這樣對(duì)本工程來(lái)說(shuō)D95應(yīng)小于0.16mm。而普通硅酸鹽水泥的粒徑D95多小于80μm[2]，能夠保證注漿成功，因此注漿材料主要采取42.5R普通硅酸鹽水泥單液漿及普通水泥—水玻璃雙液漿，漿液配比為W:C=（0.8～1）:1，C:S=1: （0.6～1），水玻璃濃度35Be’～50Be’。

3.3 注漿順序

鉆孔注漿按兩序孔采取間隔跳孔、先外后內(nèi)、先上后下的方式進(jìn)行，實(shí)施擠密注漿。

3.4 注漿施工

1）止?jié){墻施作。隧道開(kāi)挖工作面至注漿設(shè)計(jì)里程后，在工作面掛Φ6.5，間距20*20鋼筋網(wǎng)并噴射C20混凝土封閉掌子面，噴射厚50cm，止?jié){墻必須滿足設(shè)計(jì)要求，以保證注漿效果。注漿過(guò)程若止?jié){墻出現(xiàn)開(kāi)裂，跑漿等現(xiàn)象影響注漿效果，則必須進(jìn)行補(bǔ)噴；2）基底鋪墊。由于礦研鉆機(jī)對(duì)路面平整度要求較高，需要采用碎石渣進(jìn)行鋪墊，并在兩邊預(yù)留排水溝；3）孔位標(biāo)定。按設(shè)計(jì)在掌子面上將開(kāi)孔位置用紅油漆標(biāo)出。采用羅盤(pán)確定注漿外插角，調(diào)整鉆機(jī)滿足設(shè)計(jì)鉆孔方向要求；4）鉆孔作業(yè)。鉆機(jī)采用低壓力、慢鉆速，采用Φ110mm的鉆頭開(kāi)孔，鉆深1.8m，退出鉆桿，安裝孔口管；5）安裝孔口管。在孔口管距法蘭盤(pán)端部30cm處纏繞麻絲，成紡錘形狀，纏繞長(zhǎng)度不少于50cm，鉆孔內(nèi)放入錨固劑或快凝水泥砂漿，將孔口管頂入孔內(nèi)；6）注漿。鉆孔至設(shè)計(jì)位置后按照注漿方式和注漿工藝流程進(jìn)行注漿作業(yè)。

4 注漿效果檢查與分析

4.1 鉆孔涌水情況

左側(cè)導(dǎo)洞在鉆設(shè)注漿孔時(shí)，前期鉆孔不同程度的有出水現(xiàn)象，其中最大單孔出水量為5m3/h， 隨著注漿施工的進(jìn)行后期出水量逐漸減小，涌水量基本為清水。鉆孔涌水的孔主要集中在隧道拱腰部位，從鉆孔可看出，所鉆孔的水力聯(lián)系不大，表明該段地下水主要為基巖裂隙水，從水量來(lái)看，裂隙寬度不大，從鉆孔難易程度來(lái)看，該段圍巖相對(duì)還是較硬，主要為弱風(fēng)化花崗巖。

4.2 注漿量分布特征時(shí)空效應(yīng)法

對(duì)左側(cè)導(dǎo)洞注漿孔注漿量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。見(jiàn)圖5

圖5 左側(cè)導(dǎo)洞注漿量分布圖

由注漿量分布來(lái)看：

1）注漿量分布比較均勻， 注漿量大的孔主要為C圈孔上，A、B圈孔注漿量明顯較少，注漿量與鉆孔深度有明顯關(guān)系。注漿量最大為C2孔，單孔注漿量為8.63m3；2）雖然地層裂隙較發(fā)育，但裂隙較小，因而吸漿能力差，鉆孔貫穿裂隙小或貫穿裂隙較少時(shí)，雖然注漿壓力較大，但注漿量仍很小，很難注進(jìn)，壓力上升較快；3）注漿量較大的孔基本上是鉆孔過(guò)程中水量較大的孔，說(shuō)明漿液主要是沿原有的出水路對(duì)透水裂隙進(jìn)行充填，由于采用的是普通水泥單液漿和雙液漿，漿液在細(xì)小的裂隙內(nèi)很難擴(kuò)散，注漿量也不是很大，對(duì)基巖微細(xì)裂隙水封堵效果不很理想。

4.3 注漿壓力分布特征

統(tǒng)計(jì)分析注漿過(guò)程中左右導(dǎo)洞各注漿孔注漿終壓，見(jiàn)圖6，見(jiàn)圖7。

圖6 左側(cè)導(dǎo)洞各孔注漿壓力分布圖

圖7 右側(cè)導(dǎo)洞各孔注漿壓力分布圖

由注漿壓力來(lái)看：

1）各孔注漿壓力都達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)的注漿壓力；2）對(duì)比注漿量和注漿壓力柱狀圖可以看出，注漿壓力大的孔注漿量相對(duì)較小，注漿量大的孔注漿壓力也不是很大，說(shuō)明對(duì)于該地層中的裂隙水封堵，漿液主要是通過(guò)充填擠密的機(jī)理；3）對(duì)于地層中微小滲水裂隙，采用普通水泥漿或普通水泥－水玻璃單液漿較難達(dá)到不漏水的理想效果，即使通過(guò)提高注漿壓力，效果也不是很明顯。

4.4 P-Q-t曲線分析法

注漿P-Q-t曲線如圖8所示，由圖8可以看出，開(kāi)始注漿壓力比較小，注漿速度基本保持不變?yōu)?0L/min，這主要是漿液充填注漿孔和地層中裂隙的過(guò)程，而后注漿壓力迅速增大，注漿速度迅速減小，這表明漿液已將地層中的裂隙填充滿，無(wú)法在繼續(xù)注入。故漿液在這種地層主要是充填巖石裂隙。

圖8 斜井左線左側(cè)導(dǎo)洞注漿P-Q-t曲線圖

4.5 檢查孔情況分析

根據(jù)效果檢查標(biāo)準(zhǔn)，在注漿的薄弱區(qū)域進(jìn)行鉆孔檢查，左側(cè)導(dǎo)洞共鉆設(shè)檢查孔4個(gè)，鉆孔深度25m。前兩個(gè)檢查孔鉆孔結(jié)束后出水量分別為0.7m3/h和0.9m3/h，從檢查孔鉆設(shè)過(guò)程中推斷地層巖石較硬，強(qiáng)度高，整體性也較好。檢查孔鉆設(shè)結(jié)束后鑒于孔內(nèi)水量較大，對(duì)檢查孔進(jìn)行了補(bǔ)充注漿，兩檢查孔注漿量分別為0.27m3和0.4m3，注漿量較小，說(shuō)明檢查孔區(qū)域地層裂隙發(fā)育不明顯，地層吸漿能力較差。在后續(xù)鉆設(shè)的兩檢查孔出水量分別為0.15m3/h和0.4m3/h，水量較小，注漿堵水效果比較明顯。檢查孔主要出水范圍均在21.5m后較明顯。

4.6 開(kāi)挖觀察

開(kāi)挖時(shí)左側(cè)導(dǎo)洞掌子面基本無(wú)水，個(gè)別地方有少量滲水，開(kāi)挖以后已經(jīng)進(jìn)行初支的拱部有水，原因在于開(kāi)挖時(shí)的爆破對(duì)圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，使圍巖中的細(xì)小的裂隙增大使已經(jīng)被充填的裂隙開(kāi)裂，從而形成滲水通道，導(dǎo)致局部出水。

5 結(jié)論與建議

1）通過(guò)帷幕注漿和檢查孔補(bǔ)充注漿，涌水量明顯減小，堵水效果明顯；2）因該段地層為強(qiáng)風(fēng)化地層，裂隙較發(fā)育，但裂隙較小，出水主要是基巖裂隙水，注漿主要是通過(guò)充填擠密的機(jī)理封堵裂隙水，而普通水泥漿由于顆粒較粗，通過(guò)提高注漿壓力后地層吸漿量增加也不是很明顯，漿液擴(kuò)散范圍有限，為了進(jìn)一步提高堵效果，建議部分采用超細(xì)水泥，提高對(duì)細(xì)小裂隙的填充封堵率，保證堵水效果；3）由于裂隙寬度較小，可通過(guò)增加鉆孔數(shù)量和擴(kuò)大注漿加固范圍，來(lái)提高對(duì)裂隙水的封堵效果，減少或避免因地下水的流失而引起地表沉降。

[1]曾榮秀.注漿技術(shù)經(jīng)驗(yàn)匯編[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1988.

[2]孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.