寒區(qū)隧道淺埋富水區(qū)深孔注漿堵水加固工藝研究

巫建暉，劉瑞全，王連成

(1.西藏自治區(qū)交通運(yùn)輸廳， 拉薩 850000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

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寒區(qū)隧道淺埋富水區(qū)深孔注漿堵水加固工藝研究

巫建暉1，劉瑞全2，王連成2

(1.西藏自治區(qū)交通運(yùn)輸廳， 拉薩 850000； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

目前，對于青藏高原地區(qū)海拔4 000 m以上寒區(qū)長大公路隧道在淺埋富水區(qū)注漿堵水工藝的研究國內(nèi)還尚未見相關(guān)報(bào)導(dǎo)。針對珠角拉山隧道出口段強(qiáng)-全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層具有強(qiáng)滲透性、弱膠結(jié)性和地下水發(fā)育的特點(diǎn)，基于袖閥管深孔注漿堵水技術(shù)，采用“先約束后發(fā)散”型注漿模式，應(yīng)用水泥-水玻璃雙液漿和硫鋁酸鹽單液漿2種漿液相互配合、周邊約束孔和內(nèi)部擠密孔分批次、分階段試驗(yàn)注漿方案，對洞口段底層地下水封堵進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：以地層堵水加固為主的分段式袖閥管深孔注漿可有效封堵隧道洞身范圍內(nèi)地層的地下水通道，控制隧道掌子面滲漏水，提高圍巖的整體穩(wěn)定性。

寒區(qū)隧道；強(qiáng)-全風(fēng)化砂巖地層；先約束、后發(fā)散；地表深孔注漿；堵水加固

地層注漿堵水就是利用專用配套機(jī)具將具有膠凝特性和充填性能的液態(tài)材料置入需要隔離地下水的底層，通過注漿材料的凝結(jié)硬化作用來充填并固結(jié)地層中的地下水通道，以減小注漿范圍內(nèi)底層的滲透系數(shù)和滲水量，達(dá)到提高地層強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性的目的[1]。 袖閥管深孔注漿技術(shù)具有分階段、可循環(huán)、定深度、定劑量等特點(diǎn)，并集中了滲透、劈裂和壓密3種不同注漿方式的優(yōu)勢，對于斷層破碎地帶、富水地層地段及狹窄場地圍巖的堵水加固等復(fù)雜地質(zhì)情況具有較好的適應(yīng)性[2-3]。目前，對于青藏高原高寒地區(qū)特殊地層堵水加固而言，碎石土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)、砂礫層、大孔隙比、強(qiáng)滲水等地層的袖閥管深孔注漿尚無應(yīng)用先例。

從現(xiàn)有工程實(shí)踐看，袖閥管在隧道地層注漿加固中的應(yīng)用多集中在冒頂塌方、淺層地表處理及單一注漿模式等方面[4-6]。為此，本文針對強(qiáng)透水、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層，以珠角拉山隧道為工程依托，綜合考慮水力梯度及方向，結(jié)合單、雙漿液不同固結(jié)機(jī)制，對“先約束后發(fā)散”注漿模式對于隧道洞身注漿堵水的效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，并提出對應(yīng)的注漿控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

1.1 氣象水文

珠角拉山隧道所在的昌都地區(qū)賓達(dá)鄉(xiāng)屬藏東高原氣候，日照充足，晝夜溫差大，冬春寒冷，雨季降雨集中，無霜期短，具長冬無夏、春秋相連的氣候特點(diǎn)。類烏齊和昌都地區(qū)的氣象資料顯示，區(qū)內(nèi)年平均氣溫3～8 ℃，多年平均最低氣溫-23.7～-16.2 ℃，多年平均極端高溫25.4～29.8 ℃。多年平均降水量509.5～643.8 mm，每年7—9 月為雨季，年1 d最大降水量38.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 342.8～1 568.1 mm。每年10 月至次年3月為凍土期，最大積雪深度14 cm，最大凍土深度107 cm。

1.2 工程地質(zhì)

珠角拉山隧道出口K1335+160～K1334+900 處地表發(fā)育一長年流水沖溝，其寬16～18 m，下切3～6 m，區(qū)內(nèi)易發(fā)生小型泥石流。該隧道頂部形成薄弱部位，易造成塌陷，從洞口K1330+160～K1335+135 段洞頂圍巖主要為碎石土覆蓋層和強(qiáng)風(fēng)化層，孔隙率大，成洞條件差，自穩(wěn)性差。

1) 地表水。紫曲河從珠角拉山隧道出口橫穿，雨季流量約為245 L/s，冬季為涎流冰。

2) 地下水。珠角拉山隧道出口淺埋段存在的地下水類型主要為基巖裂隙水和松散巖類孔隙潛水。松散巖類孔隙潛水主要分布在進(jìn)出口附近紫曲河流域溝谷地帶的沖洪積層中，夏季水位漲幅較大，含水層較薄，分布面較廣，補(bǔ)給源近，透水性強(qiáng)，且暴雨補(bǔ)給時(shí)水頭急劇抬高。隧址區(qū)內(nèi)，基巖裂水為下伏一定深度內(nèi)的巖溶構(gòu)造裂隙水和淺表層狀巖類風(fēng)化裂隙水的組合形式，碎石土夾強(qiáng)風(fēng)化層的地下水滲透系數(shù)K=20～30 m/d。

1.3 施工情況

2015年9月21日，珠角拉山隧道出口主洞掌子面施工至K1335+112里程時(shí)，地下水從拱部滲流出來，于是立即采取加長鉆桿進(jìn)行了超前探水。

2015年9月23日，采用3.5 m鉆桿在拱頂部位打孔時(shí)鉆孔出現(xiàn)涌水，流量約1 m3/h。上臺階面向大樁號左拱腰部位鉆孔3 m后也出現(xiàn)涌水，流量約0.5 m3/h。

為保障隧道施工安全，借鑒以往隧道工程的成功經(jīng)驗(yàn)，決定對珠角拉山隧道出口淺埋段實(shí)施深孔注漿堵水加固措施。

2 深孔注漿方案設(shè)計(jì)

劃定合理的注漿范圍，以先周邊后中間、先深層后表層的的注漿順序，逐孔對珠角拉山隧道地表垂直注漿，對其淺埋段地層進(jìn)行加固止水。注漿合格的基本要求是：掌子面鉆探取芯，芯樣技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求，之后方可開始隧道正常開挖掘進(jìn)。

2.1 注漿加固范圍

加固范圍為縱向 K1335 + 160～ K1335+000，共 160 m；橫向注漿范圍擴(kuò)至隧道開挖輪廓線外側(cè) 8 m，總寬度28.1 m；豎向注漿范圍為隧道拱頂位置開挖輪廓線以上9 m，仰拱開挖輪廓線以下2.5 m，豎向深度約21.1 m。鉆孔布置形式采用梅花形，設(shè) 134 排 23 列注漿孔，共計(jì)3 082 孔，其中周邊(外側(cè)3圈)孔310 個，中間孔 2 772 個，縱橫向間距為1.2 m×1.2 m。注漿孔布置局部示意見圖 1。

圖1 注漿孔布置示意

2.2 注漿參數(shù)

以漿液膠凝時(shí)間和擴(kuò)散半徑為主要控制指標(biāo)，參照內(nèi)地類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合珠角拉山隧道施工現(xiàn)場摻配試驗(yàn)情況擬定了注漿參數(shù)，見表 1。

表1 注漿參數(shù)

注：C為水泥；S為水玻璃。

2.3 注漿材料及配合比

注漿材料主要采用雙液漿和單液漿2種漿液，各注漿孔第1段全部采用雙液漿，周邊3圈約束孔采用雙液漿，第2、第3段內(nèi)部孔采用單液漿。

材料配和比：水泥-水玻璃雙液漿水灰比(W∶C) 為0.8∶1～1∶1；普通水泥單液漿水灰比( W∶C) 為0.8∶1 ～1∶1；水泥-水玻璃體積比( C∶S) 為 1∶1；水玻璃濃度為35～40 Be′。

2.4 注漿順序

注漿順序原則上采取由外到內(nèi)，“先約束后發(fā)散”型方式[7]，見圖 2。圖2中，①、②、③分別代表第1、第2和第3注漿段。

圖2 注漿模式示意

本次注漿目的主要是以堵水為主，先對注漿范圍外輪廓3圈周邊孔和所有注漿孔的第1段(最底部)采用雙液漿進(jìn)行封閉，形成一個初步止水帶，然后對中間孔的其余分段采用奇數(shù)排奇數(shù)列跳注，最后完成偶數(shù)排偶數(shù)列的所有注漿工作，以實(shí)現(xiàn)對地下水通道的擠密、封堵[8-10]。結(jié)合現(xiàn)場地下水的梯度方向，選擇隧道口一側(cè)為非約束側(cè)，由遠(yuǎn)端逐排逐列實(shí)現(xiàn)對地下水的擠排，最終由隧道口一側(cè)排出，以提高開挖段圍巖整體穩(wěn)定性[11]。

2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

2.5.1 分段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

對外3圈注漿孔采用注漿量控制，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量的150%即可。對其余內(nèi)部注漿孔采用注漿壓力控制，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓值，穩(wěn)壓15 min 以上未出現(xiàn)明顯減壓[12]。

2.5.2 全孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

分段注漿各階段均達(dá)到設(shè)計(jì)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.5.3 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1) 所有設(shè)計(jì)注漿孔均達(dá)到全孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2) 對地下水發(fā)育部位和注漿薄弱部位鉆設(shè)檢查孔，檢查孔數(shù)量不少于總注漿孔數(shù)的3%，且需滿足單孔出水量不超過 0.1 L/h，以此來確定全段注漿是否達(dá)到了結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)[13]。

3 深孔注漿施工

深孔注漿管施工工序和注漿工藝分別見圖3、圖4。

圖3 施工工序

圖4 注漿工藝

3.1 鉆孔

鉆孔前，先按照設(shè)計(jì)孔位放線定位并標(biāo)記，完成鉆孔后立即進(jìn)行套管的定位安裝和套殼護(hù)壁料的充填，這是保證后期注漿芯管能否按要求下到指定部位的前提。

3.2 注漿管安裝

注漿管分a、b兩種類型，a型管上面有溢漿孔，安裝在需要注漿段落；b型管上面無孔，安裝在不需注漿部位。a型管底部還需提前加錐形悶蓋，以防在下管過程中渣土進(jìn)入注漿管，使注漿深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。b型管在地表需外露20 cm，以便于安裝連接閥門[14]。

由于大部分鉆孔較深，故在注漿芯管安設(shè)過程中需要逐段連接，并保持垂直。套管要緩慢拔出，以防芯管連接部位受到破壞，且套管拔出后應(yīng)立即充填套殼料進(jìn)行封孔。

3.3 注套殼料

注漿口以下2.5 m范圍內(nèi)需要先安設(shè)孔口套殼，采用水泥砂漿充填封孔。水泥砂漿比例為水泥∶沙∶水=1∶1∶1.5。

3.4 注漿

注漿順序由下往上，分段后退，直至達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。每個階段注漿深度為1.5 m，如此往復(fù)，以確保每個注漿孔的注漿質(zhì)量，直到整個設(shè)計(jì)注漿范圍全部完成為止[15-16]。

4 注漿效果檢查

4.1 注漿 p-V-t 曲線

單孔注漿完成后，繪制p-V-t曲線，見圖6。圖6中，p為注漿壓強(qiáng)；V為單位時(shí)間注漿量；t為時(shí)間。從圖6可以判斷：

圖6(a)是外圈約束孔注漿時(shí)的參數(shù)變化情況，整個過程中注漿壓力都保持在1 MPa以內(nèi)，單位時(shí)間的注漿速率維持在50 L/min以上；隨著注漿時(shí)間的增加，注漿壓力有所升高，幅度不大，注漿速率有所減小，幅度不大。

圖6(b)是周邊約束孔注漿完成后中間孔注漿時(shí)的參數(shù)變化情況。注漿壓力從起始位置就維持在1.51 MPa，在40 min以后，壓力上升得很快，很快上升到60 MPa左右。注漿速率起始從68 L/min隨著時(shí)間的推移逐步減小，在25 min往后近乎呈線性下降，最終趨近于0。

圖6 p-V-t注漿曲線

4.2 注漿前后涌水量對比

注漿前，對掌子面超前探水孔涌水量進(jìn)行了測定，流速為3 m3/h。全段注漿結(jié)束后，在之前的富水區(qū)域和注漿薄弱區(qū)鉆探了6個檢查孔。經(jīng)現(xiàn)場觀察，檢查孔只有少量滲水。掌子面加固前后效果對比見圖7。

圖7 掌子面加固前后對比

4.3 檢查孔檢查

4.3.1 洞內(nèi)超前水平鉆探孔

鉆探孔位置分布在掌子面拱頂和左右2個拱腰位置，往上傾一定角度，如果有滲水便于觀察并及時(shí)排出。從現(xiàn)場水平探孔看，3個洞內(nèi)超前檢查孔無水流出。36 h后復(fù)檢，也未出現(xiàn)滲水、塌孔現(xiàn)象，證明注漿效果良好。

4.3.2 地表檢查孔取芯

全階段注漿結(jié)束后，在地表注漿薄弱區(qū)域鉆設(shè)檢查孔，并取芯檢查，對芯樣的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)?，F(xiàn)場取芯大部分質(zhì)量較好，外觀較完整，強(qiáng)度也較高。局部芯樣見圖 8，檢查孔芯樣技術(shù)統(tǒng)計(jì)見表2。

圖8 芯樣

檢查編號注漿長度/cm取芯長度/cm優(yōu)良段長度/cm巖心加固優(yōu)良率/%11120165096085.7217602450159090.3314502090138095.1417902630162090.5521402800205095.7621302720172080.7

由表2數(shù)據(jù)可知，檢查孔芯樣優(yōu)良率為89.6%，表明在注漿范圍內(nèi)大部分區(qū)域的地下水都得到了封堵，底層整體強(qiáng)度也得到了有效改善，為隧道開挖創(chuàng)造了良好條件。

5 結(jié)論

本文介紹了在青藏高原高海拔地區(qū)進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，從注漿區(qū)域確定、注漿方案選擇、注漿過程實(shí)施，到最終注漿效果的對比檢查，都是在前人經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的一個新的嘗試和探索。根據(jù)p-V-t注漿曲線、洞內(nèi)超前探孔和地表鉆設(shè)檢查孔對注漿效果的檢查，提出以下結(jié)論和建議：

1) 高寒地區(qū)具有強(qiáng)滲透、弱膠結(jié)性和地下水發(fā)育的全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層，注漿堵水時(shí)，聯(lián)系現(xiàn)場水力梯度，采用“先約束后發(fā)散”注漿模式可有效防止?jié){液外漏，獲得封水、擠水并擠壓地層密實(shí)的效果。

2) 對于周邊約束孔，采用雙液漿能有效形成注漿范圍的外圍約束體。雙液漿的膠凝時(shí)間宜控制在60 s左右，以保證既不被地下水沖散又能夠達(dá)到工序銜接要求。

3) 應(yīng)在注漿過程中及時(shí)根據(jù)p-V-t曲線進(jìn)行周邊約束體和內(nèi)部發(fā)散擠密體之間的相互關(guān)聯(lián)分析，避免因周邊約束體強(qiáng)度不足造成漿液流失，同時(shí)也避免因內(nèi)部擠密孔分布不合理造成堵水失效。

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Deep Hole Grouting Water Plugging Reinforcement Process in Shallow-buried Water-rich Zone for Tunnels in Cold Area

WU Jianhui1, LIU Ruiquan2, WANG Liancheng2

At present, there is no report in China regarding study on grouting and water plugging process for long/large road tunnels in shallow-buried water-rich area in cold area such as Qinghai Tibet Plateau, which has elevation of 4 000 m above sea level. This paper introduces the Zhujiaola Mountain tunnel exit, it has intensively-fully weathered shale sandstone formation and features strong permeability, weak cementation and developed groundwater. Based on sleeve valve tube deep hole grouting and water plugging technology, "Restrain and diffusion" grouting model was adopted, using two grouting fluids of cement-sodium silicate mixed fluid and sulphoaluminate mono fluid, and peripheral constraint hole and internal compaction hole to test grouting solutions in batches and stages, to study the ground water plugging at tunnel exit segment. Tests show that segmental sleeve valve tube deep hole grouting focusing on water plugging and reinforcement may effectively plug groundwater pass within the territory of tunnel body, control tunnel face water seepage and improve overall stability of surrounding rocks.

Cold area tunnel; intensively-fully weathered sandstone formation; restrain and diffusion; surface deep hole grouting; water plugging and reinforcement

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.021

2016-01-18

巫建暉(1970-)，男，四川省成都市人，本科，高工。

1009-6477(2016)05-0091-05

U459.2

A