中天山隧道高壓富水段超前注漿堵水試驗(yàn)研究

付型韜

(烏魯木齊鐵路局南疆吐庫(kù)二線(xiàn)鐵路建設(shè)指揮部，新疆庫(kù)爾勒 841001)

0 引言

關(guān)于高壓富水隧道施工處理技術(shù)，國(guó)內(nèi)外許多科研工作者均已做了大量的研究工作，也取得了一些相關(guān)的科研成果，但對(duì)水壓超過(guò)6 MPa的富水隧道尚未有比較成熟的施工技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

中天山特長(zhǎng)隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)，穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1 100 m～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m。隧道進(jìn)口采用兩臺(tái)開(kāi)敞式TBM施工，出口采用鉆爆法施工。

中天山隧道出口右線(xiàn)隧道施工至DyK154+901處，在超前探孔時(shí)突遇高壓涌水，水柱噴射距離達(dá)30 m，呈霧化狀，實(shí)測(cè)水壓高達(dá)6.3 MPa，單孔出水量約5 000 m3/d，由于涌水量大于反坡抽排水能力，導(dǎo)致隧道被淹，被迫停止施工。水壓之高不僅給機(jī)器設(shè)備及人員心理造成極大的傷害，而且還嚴(yán)重影響隧道的正常掘進(jìn)，進(jìn)而導(dǎo)致工程施工成本增加、工期壓力劇增。

2 超前注漿堵水試驗(yàn)內(nèi)容及目的

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況，通過(guò)對(duì)高壓富水段超前注漿堵水試驗(yàn)，確定對(duì)高壓富水區(qū)涌水處理及施工方案。

通過(guò)研究確定超前注漿堵水試驗(yàn)內(nèi)容為:

1)全斷面帷幕注漿堵水試驗(yàn);

2)掌子面局部注漿試驗(yàn);

3)泄壓狀態(tài)下全斷面帷幕注漿堵水試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要目的為:

1)通過(guò)超前鉆探進(jìn)一步判斷DyK154+901前方地層裂隙發(fā)育情況、涌水位置、涌水量及地下水水壓情況，為下一步方案制定和注漿施工提供技術(shù)支持;

2)分析超前預(yù)注漿施工工藝的可行性;

3)通過(guò)注漿試驗(yàn)，結(jié)合必要的室內(nèi)模擬和理論分析，揭示前方地層的注漿機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地層可注性的分析;

4)根據(jù)隧道埋置深度，觀(guān)測(cè)注漿加固和堵水效果及對(duì)周邊環(huán)境的影響、分析注漿的安全性，確定不同邊界條件下的注漿參數(shù);

5)對(duì)比分析普通水泥、硫鋁酸鹽水泥的可注性及其效果，確定注漿材料及配比。

3 超前注漿堵水試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)掌子面圍巖情況以及探孔水壓力高的特點(diǎn)，在“排堵結(jié)合、釋能減壓”的原則下，注漿加固范圍確定為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外8 m，第一循環(huán)30 m(其中包含止?jié){墻4 m)，開(kāi)挖18 m，預(yù)留8 m作為止?jié){巖盤(pán);根據(jù)注漿過(guò)程中鉆孔探測(cè)的富水區(qū)域、巖性特征，有針對(duì)性的增設(shè)注漿孔強(qiáng)化富水區(qū)域注漿，注漿設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，注漿參數(shù)如表1所示。

圖1 超前注漿縱斷面圖

表1 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表

注漿材料以普通水泥單液漿為主，普通水泥—水玻璃雙液漿為輔，如以上材料不能滿(mǎn)足注漿效果要求，可考慮硫鋁酸鹽水泥單液漿進(jìn)行試驗(yàn)。

4 超前注漿堵水試驗(yàn)過(guò)程

4.1 施作止?jié){墻

測(cè)試過(guò)程中，由于地層水壓太高，原施工的4 m厚C25混凝土止?jié){墻出現(xiàn)裂縫，無(wú)法進(jìn)行下步注漿施工，為保障施工安全，在原止?jié){墻基礎(chǔ)上，再補(bǔ)施作一道5 m厚C30混凝土止?jié){墻(如圖2所示)。

4.2 掌子面注漿孔、泄壓孔在同側(cè)狀態(tài)下注漿試驗(yàn)

左側(cè)邊墻3個(gè)泄壓孔(X1，X2，X3)施工完成后，在左側(cè)邊墻3個(gè)泄水孔打開(kāi)情況下，開(kāi)始對(duì)6個(gè)注漿孔進(jìn)行前進(jìn)式分段注漿。6個(gè)試驗(yàn)孔在第一次鉆設(shè)到12 m～14 m段均出現(xiàn)涌水，水量為60 m3/h～200 m3/h。采用普通單液漿，注漿5 min～10 min后，3個(gè)泄水孔均出現(xiàn)串漿。6個(gè)試驗(yàn)孔注漿前后出現(xiàn)漏漿，現(xiàn)場(chǎng)采用普通水泥—水玻璃雙液漿或間歇式注漿等各種手段，由于水壓高、水量大、流速快，漿液從泄壓孔流出，均不能達(dá)到注漿要求。

圖2 6月19日掌子面排水孔最大水壓6.3 MPa

4.3 掌子面左側(cè)注漿、右側(cè)泄壓情況下注漿試驗(yàn)

針對(duì)泄水、注漿孔在同側(cè)情況下串漿嚴(yán)重，無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，試驗(yàn)中將泄水孔位置施作在右側(cè)，并封閉左側(cè)泄水孔，采用左側(cè)注漿孔注漿、右側(cè)泄水的形式進(jìn)行試驗(yàn)，孔位布置見(jiàn)圖3。

圖3 泄壓孔開(kāi)、終孔布置圖

右側(cè)施作2個(gè)泄水孔X4，X5;按設(shè)計(jì)要求鉆設(shè)到位，終孔后，對(duì)兩個(gè)泄水孔進(jìn)行水量測(cè)試:X4孔實(shí)測(cè)水量:80 m3/h;X5孔實(shí)測(cè)水量:60 m3/h;泄水孔施作完成后，以注漿試驗(yàn)孔S1為例進(jìn)行注漿試驗(yàn)，先采用普通水泥單液漿(配比:0.8∶1)進(jìn)行注漿，注漿15 min后右側(cè)泄壓孔X4，X5孔開(kāi)始有串漿現(xiàn)象，然后采用普通水泥—水玻璃雙液漿進(jìn)行封堵，10 min后，X4，X5孔涌水顏色逐漸變清，隨即改用普通單液漿注漿。當(dāng)注漿壓力達(dá)到3 MPa時(shí)，兩個(gè)泄水孔再次出現(xiàn)串漿，改用雙液漿封堵，由于地層水壓上升，無(wú)法封堵串漿通道，現(xiàn)場(chǎng)關(guān)閉2個(gè)泄壓孔閘閥，繼續(xù)對(duì)S1孔進(jìn)行注漿，至設(shè)計(jì)注漿壓力8 MPa(見(jiàn)圖4)。

圖4 泄水孔串漿情況

4.4 頂水注漿試驗(yàn)

在關(guān)閉掌子面泄水孔對(duì)6個(gè)試驗(yàn)孔進(jìn)行超前注漿，注漿孔均能達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力8 MPa。各孔注漿前后對(duì)比情況如表2所示;在頂水狀態(tài)下，注漿壓力隨時(shí)間變化情況為:初始?jí)毫?.8 MPa，在1.8 MPa～4 MPa期間壓力上升較緩慢，4 MPa～7 MPa期間壓力上升速度加快;7 MPa至終壓為瞬間上升。

表2 6個(gè)試驗(yàn)孔靜水注漿前后變化情況表

5 超前注漿堵水試驗(yàn)分析

5.1 高壓富水注漿方式

1)注漿孔、泄壓孔在掌子面同側(cè)時(shí)串漿嚴(yán)重，注漿效果差，建議不采取此種方式進(jìn)行注漿;

2)注漿孔和泄壓孔在掌子面不同側(cè)時(shí)，串漿現(xiàn)象明顯降低，串漿時(shí)通過(guò)關(guān)閉泄水孔再注漿，注漿效果明顯，建議對(duì)高壓富水段采取掌子面分區(qū)域交替進(jìn)行降壓注漿，在后期出現(xiàn)串漿時(shí)結(jié)合頂水注漿的方式進(jìn)行施工;

3)采用完全頂水狀態(tài)下注漿后，注漿堵水效果較為明顯，此種注漿方式具有可操作性。

5.2 高水壓注漿材料試驗(yàn)

本次注漿試驗(yàn)注漿材料主要采用普通單液水泥漿和普通水泥水玻璃雙液，在高水壓情況下，通過(guò)對(duì)注漿堵水效果分析表明:

1)普通單液水泥漿可封堵較大的出水裂隙，對(duì)于裂隙寬度小于水泥粒徑時(shí)，普通水泥單液漿無(wú)法注入，但在高水壓狀態(tài)下，仍有較強(qiáng)的透水性。

2)普通單液水泥漿初凝時(shí)間長(zhǎng)，強(qiáng)度上升慢，在孔內(nèi)漿液未達(dá)到強(qiáng)度要求時(shí)，無(wú)法對(duì)此孔及周邊漿液影響范圍內(nèi)再次進(jìn)行鉆孔注漿，嚴(yán)重影響鉆、注平行作業(yè)，降低鉆、注施工效率。

5.3 鉆、注設(shè)備配套試驗(yàn)

1)注漿設(shè)備:目前注漿試驗(yàn)采用高壓、流量可控注漿設(shè)備，注漿機(jī)額定最高壓力達(dá)15 MPa，滿(mǎn)足此地層高壓注漿要求。

2)鉆孔設(shè)備及動(dòng)力源:注漿試驗(yàn)采用礦研RPD-180C鉆機(jī)配合高壓空壓機(jī)(最高風(fēng)壓2 MPa)風(fēng)動(dòng)進(jìn)行鉆孔，地層水壓高達(dá)6.3 MPa且地層為閃長(zhǎng)巖(強(qiáng)度在150 MPa以上)，鉆孔難度極大，效率低，鉆具消耗大。

6 結(jié)論及建議

1)通過(guò)注漿試驗(yàn)，確定了在泄水降壓狀態(tài)下進(jìn)行全斷面超前預(yù)注漿方案處理這種6.3 MPa高水壓下破碎圍巖是可行性的。

2)通過(guò)超前預(yù)注漿使高壓水被頂至開(kāi)挖輪廓線(xiàn)以外較遠(yuǎn)位置，并對(duì)地層一定范圍內(nèi)進(jìn)行加固，保證隧道能在水量很小的情況下開(kāi)挖，有效地保證了隧道開(kāi)挖安全。

3)普通水泥單液漿凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)實(shí)率低，可操作性差，不利于高壓富水注漿施工，而普通水泥—水玻璃雙液漿因其強(qiáng)度低，無(wú)法滿(mǎn)足高水壓注漿要求，只能用于封堵局部涌水。

4)建議使用初凝時(shí)間短、早期強(qiáng)度高且有微膨脹注漿材料，以提高注漿施工效率和堵水效果。

5)現(xiàn)有鉆孔、注漿設(shè)備能夠滿(mǎn)足鉆孔注漿要求，但鉆進(jìn)效率低，鉆具消耗大，因此，在注漿過(guò)程中，盡可能提高堵水率，減少反復(fù)掃孔量。

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