馬麗散在鐵路特長(zhǎng)隧道徑向注漿中的應(yīng)用研究

張旭珍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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馬麗散在鐵路特長(zhǎng)隧道徑向注漿中的應(yīng)用研究

張旭珍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

為了提高關(guān)角隧道徑向注漿堵水效果和注漿效率，通過市場(chǎng)調(diào)研分析，采用目前國(guó)內(nèi)煤礦中得到廣泛應(yīng)用的新型高分子材料馬麗散進(jìn)行試驗(yàn)，并取得成功。該新型高分子注漿材料能有效封堵基巖裂隙水，注漿工藝簡(jiǎn)單，固結(jié)速度快，漿液損失小，耐久性好，減少鉆孔數(shù)量，極大地提高了注漿堵水效果和注漿效率，加快了施工進(jìn)度，在鐵路隧道堵水中具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

鐵路隧道；高分子材料；馬麗散；徑向注漿；試驗(yàn)

1　概述

大量的山嶺隧道工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，施工中的突泥涌水是隧道建設(shè)的難點(diǎn)之一。為了降低施工風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率、降低排水費(fèi)用、改善作業(yè)環(huán)境，施工中根據(jù)涌水形式及涌水量的大小分別采取了帷幕注漿、頂水注漿、徑向注漿等堵水措施，注漿材料主要以水泥基類材料為主[1-4]。由于該種材料存在可灌性差，初凝時(shí)間長(zhǎng)，易被地下水稀釋，在水壓高、水量大的情況下，漿液損失較大等缺點(diǎn)[5-6]，在徑向注漿中的效果不是太理想。為了提高徑向注漿的堵水效果和注漿效率，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，選用了目前在國(guó)內(nèi)煤礦中得到廣泛應(yīng)用的高分子化學(xué)注漿堵水材料馬麗散在斜井內(nèi)進(jìn)行了徑向注漿試驗(yàn)，并取得了成功。

2　工程概況

關(guān)角隧道長(zhǎng)32.69 km，為兩座平行的單線隧道，線間距40 m，最大埋深900 m，共設(shè)置11座斜井輔助施工，總工期5年。隧道洞身嶺脊段通過了長(zhǎng)達(dá)10 km(單延米)的灰?guī)r富水段，地下水類型以巖溶裂隙水為主，以股狀、散狀水為主要涌水形式，涌水特點(diǎn)為水量大、衰減緩慢、水壓高，關(guān)角隧道施工期間的正常涌水量達(dá)到了238 954 m3/d。受地下水的影響，關(guān)角隧道施工進(jìn)度緩慢、排水費(fèi)用增加、施工人員更換頻繁，嚴(yán)重地影響到了整個(gè)隧道的建設(shè)工期。

3　注漿材料的選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)不同的注漿材料進(jìn)行了比選，不同注漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較詳見表1。經(jīng)綜合比較，馬麗散化學(xué)漿具有流動(dòng)性好、擴(kuò)散范圍大、遇水膨脹固化、凝固時(shí)間快、固化后結(jié)石體不收縮、能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小空隙的入滲、堵水效果好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于對(duì)散狀涌水注漿封堵，可達(dá)到長(zhǎng)期堵水的目的[7]。特別對(duì)巖溶裂隙水，采用馬麗散漿液進(jìn)行徑向注漿可達(dá)到事半功倍的效果。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，馬麗散在國(guó)內(nèi)煤礦堵水中應(yīng)用較多[8-11]，而在交通隧道特別是鐵路隧道中的應(yīng)用卻很少[12-13]，無成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。為了驗(yàn)證其注漿效果，故在3號(hào)斜井井身散水比較嚴(yán)重的地段進(jìn)行了徑向注漿試驗(yàn)研究。

表1　注漿材料綜合比較

4　馬麗散注漿的性能特點(diǎn)

4.1注漿加固原理及材料性能

馬麗散堵水材料是一種低黏度、雙組分合成高分子—聚亞胺膠脂材料，兩種組分為樹脂和催化劑，屬高分子化學(xué)產(chǎn)品，適用于圍巖涌水的封堵和加固。馬麗散漿液的特點(diǎn)是密度ρ與水非常相近，而且黏度μ較小，在其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)之前，流動(dòng)性較好，是一種非常易于注漿和擴(kuò)散的材料，材料在進(jìn)入有水的裂隙及空間后，遇水即發(fā)生膨脹，快速地充填孔隙，封堵水流，達(dá)到堵水效果，膨脹系數(shù)為3～25倍(無水時(shí)膨脹系數(shù)大于3，有水時(shí)膨脹系數(shù)大于10)；材料反應(yīng)時(shí)間可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件和要求調(diào)節(jié)，最短時(shí)間為十幾秒。馬麗散參數(shù)詳見表2。

表2　馬麗散參數(shù)

馬麗散漿液對(duì)裂隙水的封堵，取決于其兩個(gè)特性。一方面取決于其時(shí)變留存的性質(zhì)，另一方面，化學(xué)漿液運(yùn)移的蟻群效應(yīng)，漿液發(fā)生時(shí)變反應(yīng)之前，能夠在壓力場(chǎng)的調(diào)節(jié)下，合理的選擇最近、最通暢的運(yùn)移路徑，隨流場(chǎng)水流運(yùn)移至裂隙的未封堵區(qū)，進(jìn)而通過漿液的時(shí)變留存，實(shí)現(xiàn)裂隙的最終封堵。

4.1.1馬麗散漿液的同化運(yùn)移擴(kuò)散特點(diǎn)

通過注漿模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)馬麗散漿液在動(dòng)水運(yùn)移作用下，隨著擴(kuò)散的穩(wěn)定，漿液的運(yùn)移狀態(tài)逐漸被流場(chǎng)同化，呈現(xiàn)出與裂隙水流相同的流場(chǎng)狀態(tài)，其流速、水壓等在流場(chǎng)內(nèi)逐漸均一化，漿液的這個(gè)擴(kuò)散特點(diǎn)，即為同化運(yùn)移(圖1)。同化運(yùn)移的特性，大大提高了化學(xué)漿液的擴(kuò)散能力，在時(shí)變反應(yīng)前，能夠使?jié){液擴(kuò)散至過水裂隙或者其他導(dǎo)水通道的任意位置，增加漿液的有效封堵和加固范圍。這是水泥基類漿液所不具備的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　馬麗散漿液在水中的同化運(yùn)移試驗(yàn)

4.1.2馬麗散漿液的時(shí)變封堵特點(diǎn)

馬麗散漿液根據(jù)其時(shí)變反應(yīng)的不同可以分為兩大步，一是體積膨脹反應(yīng)，體積膨脹可達(dá)到原漿液的3～25倍，從而達(dá)到有效封堵裂隙動(dòng)水的效果；二是快速固化反應(yīng)，漿液膨脹后，迅速反應(yīng)固化，形成強(qiáng)度穩(wěn)定的結(jié)石體，充填加固裂隙。

4.1.3馬麗散漿液的動(dòng)水封堵優(yōu)點(diǎn)

(1)具有良好的可注性，在反應(yīng)時(shí)刻之前，保持流體狀態(tài)。

(2)結(jié)石體強(qiáng)度高，對(duì)圍巖的加固效果好，并且結(jié)石體穩(wěn)定性好，抗凍融能力強(qiáng)，不受酸、堿環(huán)境影響。

(3)擴(kuò)散能力強(qiáng)，漿液的蟻穴效應(yīng)運(yùn)移特征，增加了漿液運(yùn)移的靈活性，適合封堵更加復(fù)雜的導(dǎo)水通道。

(4)反應(yīng)時(shí)間可調(diào)，不同的組份或加入不同的添加劑，可調(diào)整材料的初始反應(yīng)時(shí)間，能適應(yīng)更復(fù)雜的工況。

(5)固化時(shí)間短，基本不影響其他工序施工。

(6)施工工藝簡(jiǎn)單，用料少，效率高。

(7)封孔設(shè)備先進(jìn)，只須打孔，在專用設(shè)備作用下進(jìn)行封孔作業(yè)。

4.2注漿設(shè)計(jì)

4.2.1注漿參數(shù)

馬麗散漿液在關(guān)角隧道中是第一次使用，缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)，故在3號(hào)斜井進(jìn)行了徑向注漿試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)的選取參照了水泥基類漿液，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行了部分調(diào)整(表3)。

表3　注漿參數(shù)

4.2.2注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿后段內(nèi)涌水量不大于20 m3/m·d，集中出水點(diǎn)單孔涌水量<10 m3/h。

4.2.3注漿工藝

結(jié)合關(guān)角隧道的水文地質(zhì)特點(diǎn)，分六大步驟。

(1)尋找富水區(qū)和導(dǎo)水裂隙。

(2)確定流場(chǎng)水流速度和注漿孔的連通性。

(3)根據(jù)圍巖特征和揭露導(dǎo)水裂隙位置，確定漿液最佳反應(yīng)位置。

(4)以孔深、連通性和圍巖條件為鉆孔質(zhì)量評(píng)價(jià)重點(diǎn)因素，選取關(guān)鍵孔，進(jìn)行注漿。

(5)利用現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行漿液的配比試驗(yàn)，調(diào)配出初始反應(yīng)時(shí)間為to的漿液配比。

(6)注漿時(shí)，同時(shí)對(duì)圍巖變形、水量、水壓等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以掌握注漿效果和確保工程安全。

4.2.4注漿設(shè)備

馬麗散采用專用的漿液泵，風(fēng)壓4～7 MPa，雙液注漿系統(tǒng)，注漿壓力5 MPa。同時(shí)還需配置專用的混合槍及注漿管。

4.2.5注漿效果

本次徑向注漿試驗(yàn)是在3號(hào)斜井內(nèi)散狀水比較嚴(yán)重的X9+97～X9+99段進(jìn)行的，注漿前該段水量達(dá)到了1 800 m3/d，起初采用水泥-水玻璃雙液漿，由于水量大、流速快，初凝時(shí)間長(zhǎng)，還未凝固就被沖了出來，反復(fù)壓注均未達(dá)到預(yù)期的效果。實(shí)施了馬麗散化學(xué)漿液后，該段基本無線狀流水，效果比較顯著(圖2)。

圖2　馬麗散注漿效果前后對(duì)比

5　效益分析

通過現(xiàn)場(chǎng)水泥-水玻璃雙液漿和馬麗散漿液試驗(yàn)得知，采用水泥-水玻璃雙液漿徑向注漿每延米需要鉆19個(gè)孔，而馬麗散注漿只需9個(gè)孔；水泥-水玻璃雙液漿每延米的用量為26 m3，馬麗散僅為1 m3；綜合注漿單價(jià)水泥-水玻璃雙液漿為3.5萬元/m，馬麗散漿液為4.5萬元/m。僅從造價(jià)方面來看，馬麗散要比水泥-水玻璃漿液貴約30%，但馬麗散堵水效果好、工藝簡(jiǎn)單、速度快、工期短、減少了鉆孔數(shù)量、節(jié)約了注漿時(shí)間、降低了施工難度和工期風(fēng)險(xiǎn)。綜合比較，馬麗散注漿的效果還是比較顯著的。

6　結(jié)語

馬麗散在關(guān)角隧道注漿堵水的成功應(yīng)用，證明這種新型高分子注漿材料流動(dòng)性好、擴(kuò)散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時(shí)間快，固化后結(jié)石體不收縮，能實(shí)現(xiàn)對(duì)微小空隙的入滲，堵水效果好，而且其專用的注漿設(shè)備性能良好，封孔技術(shù)先進(jìn)，注漿工藝簡(jiǎn)單，不需要止?jié){墻，漿液損失小，耐久性好，減少鉆孔數(shù)量，非常適合散狀涌水地段的徑向注漿，極大提高了注漿堵水效果和注漿效率，加快了隧道施工進(jìn)度。馬麗散注漿材料的應(yīng)用突破了鐵路隧道長(zhǎng)期采用水泥基類注漿材料的現(xiàn)狀，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)鐵路隧道注漿技術(shù)的進(jìn)步，在鐵路隧道注漿堵水中具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1]朵生君.中天山隧道大埋深高水壓節(jié)理密集帶涌水處理[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(6):101-104.

[2]張民慶，張亮，何志軍，等.太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2015(6):108-112.

[3]朱鵬飛.宜萬鐵路別巖槽隧道巖溶及巖溶水治理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(3):102-106.

[4]姜長(zhǎng)青.金華山隧道注漿堵水施工技術(shù)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2004(12):81-83.

[5]張民慶，彭峰.地下工程注漿技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，2008.

[6]崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[7]李利平，李術(shù)才，張慶松，等.一種新型高分子注漿材料的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010 (S1):3150-3156.

[8]李守峰，齊俊德.馬麗散在煤倉(cāng)注漿堵水及礦井圍巖加固上的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2008(12):107-109.

[9]鐘長(zhǎng)兵，馬成福，陳煥中.高原環(huán)境下馬麗散帷幕深孔注漿過大斷層中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2014(2):82-84.

[10]吳華軍，王圣武.馬麗散在井筒堵水及加固井壁中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦山工程，2007(1):30-32.

[11]孟毅，王文軍.新型材料馬麗散E在井筒注漿止水中的應(yīng)用[J].山西煤炭，2009(3):54-55.

[12]王乾，王全圣.青島膠州灣海底隧道后注漿技術(shù)研究[J].公路，2014 (11):215-220.

[13]惠武平.“馬麗散”在廈門海底隧道風(fēng)化槽帷幕注漿中的應(yīng)用[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008(7):149-152.

[14]徐卓寧.寒區(qū)鐵路運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水檢測(cè)與整治技術(shù)[J].鐵道建筑，2014(7):73-76.

[15]史茂林，胡宗明，劉宏宇，等.化學(xué)注漿堵漏技術(shù)在鷹鷂山隧道混凝土滲漏水病害整治中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(3):112-114.

Study on Application of Marison in Radial Grouting in Railway Tunnel

ZHANG Xu-zhen

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to improve radial grouting plugging effect and grouting efficiency in Guanjiao Tunnel， the polymer Marison， which is currently widely used in coal mine based on market investigation.， is put into test and proved applicable The new polymer grouting material is effective in blocking bedrock fissure water with the characteristics of simple grouting process， fast consolidation， small loss of slurry， good durability and less drilling， which greatly improve water plugging and grouting effect， accelerate construction progress with the potential in railway tunnel water plugging

polymer materials; Marison; radil grouting ;test; Railway tunnel

2016-02-21；

2016-03-16

中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開發(fā)項(xiàng)目(院科08-05)

張旭珍(1976—)，男，高級(jí)工程師， 2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院交通土建專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：648025846@qq.com。

1004-2954(2016)08-0105-03

U455

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.022