化學(xué)注漿技術(shù)在佛嶺隧道突水治理中的應(yīng)用

王 鵠，沈宇鵬

(1.中咨工程建設(shè)監(jiān)理公司，北京 100084;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044;3.北京交通大學(xué)軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

化學(xué)注漿[1]是將一定的化學(xué)原材料(有機(jī)或無機(jī)材料)配制為真溶液(單液或多液)，用泵送工具將其壓入巖(土)層縫隙內(nèi)，使其擴(kuò)散、滲透、固化或膠凝，降低巖(土)層的滲透性，提高其強(qiáng)度，減小其變形。自從1802年法國人Charles Berlghy最早把注漿法用于Dieppe沖刷閘以來，注漿技術(shù)經(jīng)歷了200多年的發(fā)展歷程，已被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域[2]。上世紀(jì)60年代末期，我國首次將注漿技術(shù)用于礦井水害的預(yù)防和治理[3]，白峰青[4]、唐愛松[5]、李治國[6]等學(xué)者使用注漿法并通過歸納總結(jié)，發(fā)展了注漿技術(shù)。1884年印度首先開始使用化學(xué)注漿。后來隨著化學(xué)注漿技術(shù)的發(fā)展，形成了種類繁多、品種各異的注漿材料，主要分為水泥漿液和化學(xué)漿液。水泥漿液由于需要一定時(shí)間完成初凝才能達(dá)到止水目標(biāo)，且在水壓高的地段由于水泥漿液的流失達(dá)不到止水效果，因此在水壓高的地段常用化學(xué)注漿替代水泥注漿止水。

本文以佛嶺隧道止水工程為研究背景，分析了該隧道涌水的原因，結(jié)合工程條件提出了采用化學(xué)注漿的手段，并提出了合適的注漿材料和注漿參數(shù)，達(dá)到了止水的目標(biāo);最后通過量測的平均收斂值與拱腳下沉量，評價(jià)了佛嶺隧道的注漿效果。以期為類似工程提供參考。

1 佛嶺隧道概況

1.1 地質(zhì)條件

佛嶺隧道跨越兩個(gè)地貌單元，K12+555—K15+920屬于構(gòu)造剝蝕侵蝕中山區(qū)，山勢陡峭，多懸崖陡壁，地層產(chǎn)狀平緩;K12+920—K21+364為構(gòu)造剝蝕微侵蝕中山區(qū)，基巖裸露。佛嶺隧址區(qū)地層由新到老依次為第四系全新統(tǒng)沖洪積黃土狀土、卵石，第四系中更新統(tǒng)黃土、殘坡積碎石，寒武系中統(tǒng)張夏組泥質(zhì)條帶灰?guī)r、下統(tǒng)饅頭組和毛莊組泥質(zhì)頁巖、泥質(zhì)砂巖及石英砂巖，太古界龍華河群翻梁溝組混合花崗片麻巖和輝理組黑云斜長片麻巖。

1.2 隧道條件

隧道按高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì):速度80 km/h，公路—Ⅰ級;正常段隧道建筑限界為凈寬10.75 m、行車道3.75 m×2 m、限高5 m;緊急停車帶隧道建筑限界為凈寬13.25 m、行車道3.75 m×2 m、限高5 m。

2 佛嶺隧道涌水情況及原因分析

2.1 涌水情況

2012年6月21 日上午7:30左右，佛嶺隧道左線掘進(jìn)至K13+618掌子面時(shí)，爆破完成后，在此斷面上臺階左下角處出現(xiàn)劇烈涌水現(xiàn)象，次日上午洞內(nèi)水面高程達(dá)到766.99 m，未繼續(xù)上升，初步估計(jì)涌水量約3萬m3。2012年6月22日，開始進(jìn)行積水抽排工作，7月6日積水降至K13+618涌水點(diǎn)處。截止9月18日累計(jì)抽水約130萬m3。

左線隧道K13+618處上臺階左側(cè)為原涌水區(qū)，存水量大，水壓偏低。左線隧道K13+612處上臺階右側(cè)底部，在后期探水過程中，出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，有溶隙、空洞和較大裂縫存在，同時(shí)出水量相對左側(cè)涌水區(qū)較小，水壓低。

右線隧道K13+634處上臺階左下側(cè)掌子面前方17 m附近探明有溶隙、空洞和較大裂縫存在，同時(shí)出現(xiàn)涌水，水量較大，水量相對左洞涌水區(qū)較小，壓力低。右線隧道K13+634上臺階右側(cè)掌子面上鉆孔時(shí)出現(xiàn)淺孔射水，水壓約為0.1～0.2 MPa，出水量衡定，無雜質(zhì)，屬清水水系。

2.2 原因分析

1)通過涌水前后臨近小河出現(xiàn)間歇斷流，地表自然降雨后涌水量增大，涌水后附近正常飲用井水出現(xiàn)了明顯的水位下降等特征，可以初步判定此地段涌水屬承壓式遠(yuǎn)程平衡涌水，與地表水系、地表溪流有泌透貫通跡象，屬低壓大儲水量水系。

2)隧道左洞涌水水系為聯(lián)系水系，與右線隧道相互關(guān)聯(lián)。容水方式為巖體裂隙水或連續(xù)分布溶腔、溶槽內(nèi)積水，由多支路水系補(bǔ)給。右洞溢流射水區(qū)域圍巖為泥質(zhì)砂巖、石英砂巖，巖石表面弱風(fēng)化，受放炮擾動(dòng)后遇水易解體。

3)由隧道左洞突發(fā)性涌水位于上臺階與掌子面右邊墻夾角處，可判斷右洞上臺階掌子面與左邊墻存在空洞;左右兩隧道中心相距30 m，左右隧道凈距不超過16 m。因此，推測右洞仰拱背部明顯有富水空洞或貫通性裂隙。

通過對隧道圍巖及內(nèi)部水量、水壓和水路基本情況分析，結(jié)合地表水調(diào)查以及地貌觀察，初步判定6月21日出現(xiàn)的涌水屬不透水的泥質(zhì)砂巖與富水的石英砂巖接觸帶大的裂隙或孔隙涌水。

3 化學(xué)注漿

為了杜絕隧道施工過程中出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，結(jié)合涌水原因，采用化學(xué)注漿的方式，快速隔斷隧道仰拱與地下水的聯(lián)系。

3.1 注漿前的調(diào)查

①對地層做詳細(xì)的調(diào)查和勘察。②調(diào)查巖溶間隙的大小、均質(zhì)性、長度，巖層間隙的性質(zhì)，有無障礙物，含水狀況如何，以便選擇注漿材料。③為了防止發(fā)生串漿和跑漿現(xiàn)象，使注漿效果滿足要求，要了解地下水的性質(zhì)與流動(dòng)方向，包括地下水位、滲透性、水溫、流速、間隙水壓等指標(biāo)。④有堿性物質(zhì)、酸性物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)等存在于注漿地層中時(shí)，會導(dǎo)致注漿材料的性質(zhì)發(fā)生變化，即使?jié){液注入，也達(dá)不到需要的注漿目的。因此，要測定PH值，通過灼燒堿量、蒸發(fā)殘?jiān)仍囼?yàn)來證實(shí)所選材料的適應(yīng)性。⑤經(jīng)濟(jì)核算。

3.2 注漿材料的選擇

針對佛嶺隧道涌水和地質(zhì)情況，擬采用以下3種不同的注漿堵水材料:水泥—水玻璃雙液漿、丙烯酸樹脂注漿材料、高強(qiáng)類聚氨酯。

漿液類型的選擇根據(jù)巖溶水賦存情況和涌水量大小確定:當(dāng)遇到斷層破碎帶或正常裂隙時(shí)選用雙液漿(水泥—水玻璃);當(dāng)遇到大的裂隙、空腔涌水時(shí)，選取丙烯酸樹脂進(jìn)行體積置換，并選取高強(qiáng)類聚氨酯進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。以上3種注漿材料各有所長，在注漿過程中配合使用。

3.3 注漿施工流程

具體注漿施工流程見圖1。

圖1 注漿施工流程

3.4 注漿參數(shù)的選取

考慮實(shí)際涌水位置和涌水量，設(shè)計(jì)隧道注漿參數(shù):在距左線隧道掌子面20 m時(shí)，采用直徑89 mm的注漿孔，注漿孔長度控制在隧道開挖輪廓線(下導(dǎo)坑及仰拱)以外6 m，橫向單排，俯角28°布孔;每序列靠邊墻的注漿孔向隧道開挖輪廓線外傾10°成孔。注漿孔采用梅花形布置，孔距為2.0 m×2.0 m(注漿過程中可根據(jù)實(shí)際測定的漿液擴(kuò)散半徑對孔距進(jìn)行調(diào)整)。對于鉆孔過程中有溢水、流水、涌水的注漿孔，采用快速膨脹式注漿材料進(jìn)行裸孔化學(xué)注漿;對于無流動(dòng)水的注漿孔安設(shè)長度不小于3 m的φ89 mm鋼管，選用水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。注漿順序?yàn)橐佬蛄刑资姐@孔注漿。詳見圖2。

圖2 上臺階仰拱橫向加固注漿孔布置(單位:m)

4 注漿效果

1)圍巖分析試驗(yàn)

為了驗(yàn)證注漿對圍巖的改善情況，對注漿區(qū)域進(jìn)行了鉆芯取樣，進(jìn)行結(jié)石率和抗壓強(qiáng)度測試。結(jié)果表明:圍巖結(jié)石率達(dá)到了97.4%，28 d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了10.3 MPa，均滿足規(guī)范要求。

2)平均收斂與拱頂下沉

為測定注漿效果，對平均收斂與拱頂下沉進(jìn)行了量測。結(jié)果見圖3。

圖3 注漿后隧道平均收斂與拱頂下沉情況

由圖3可見:隧道斷面平均收斂在注漿后穩(wěn)定較快，大約在15 d就完成總變形量的75%，30 d后基本沒有出現(xiàn)收斂變形，收斂值不到7 mm。隧道拱頂下沉與平均收斂表現(xiàn)基本一致，即在前15 d就完成總變形量的75%，30 d后基本沒有出現(xiàn)變形。拱頂沉降較小，最終沉降量不大于13 mm。

從開挖過程來看，漿液劈裂效果顯著，劈裂厚度為0.4～1.0 mm，并有滲透現(xiàn)象。

5 結(jié)論

1)當(dāng)遇到斷層破碎帶或正常裂隙時(shí)選用水泥—水玻璃雙液漿;當(dāng)遇到大的裂隙、空腔涌水時(shí)選取丙烯酸樹脂進(jìn)行體積置換，并采用高強(qiáng)類聚氨酯進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

2)注漿后圍巖結(jié)石率達(dá)到了97.4%，28 d平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了10.3 MPa，均滿足規(guī)范要求。隧道斷面凈空收斂和拱頂下沉在注漿后穩(wěn)定較快，大約在15 d就完成總變形量的75%，30 d后基本沒有出現(xiàn)收斂變形。平均收斂和拱頂沉降量均較小。

本工程實(shí)踐證明化學(xué)注漿能有效抑制巖溶地區(qū)隧道突水，為隧道的安全施工提供保障。

[1]馬國彥，林秀山，崔志芳，等.灌漿與地下水排水新技術(shù)研究[C]//新世紀(jì)巖石力學(xué)與工程的開拓和發(fā)展——中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第六次學(xué)術(shù)大會論文集.北京:中國水利水電出版社，2000.

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