隧道注漿止涌漿材應用對比分析

張中科

（甘肅金山建筑實業(yè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

隧道注漿止涌漿材應用對比分析

張中科

（甘肅金山建筑實業(yè)集團有限公司，甘肅 蘭州 730000）

本文結(jié)合米拉山隧道工程實例，通過對不同注漿材料優(yōu)缺點對比分析，得出SJP粘度時變水泥漿液性能符合大孔隙性、涌水量大隧道注漿止水要求，為類似地質(zhì)條件隧道涌水處置提供參考。

隧道；注漿；漿材；對比；分析

注漿就是利用液壓、氣壓或其它方法，通過注漿鉆孔或置入其中的注漿管將具有膠凝能力的漿液灌入巖層（或土層）中的裂隙、空隙與空洞中，將其中的水分與空氣趕走，將原來松散的土?；蛄严赌z結(jié)成一個整體，形成一個結(jié)構(gòu)新、強度大、防水抗?jié)B性能強和化學穩(wěn)定性良好的“結(jié)石體”，以達到改善巖（土）層性能為目的的一種施工方法。注漿技術(shù)已有近200年的發(fā)展史，大致可分為四個階段：原始粘土漿液注漿階段（1802～1857）；初級水泥漿液注漿階段（1858～1919）；中級化學漿液注漿階段（1920～1969）；現(xiàn)代注漿階段（1969年以后）。1889年和1909年德國和比利時先后獲得水玻璃注漿材料和雙液單系統(tǒng)注漿法專利。到目前為止，水泥—水玻璃漿液在地下工程的防滲止水的注漿中仍有應用，其注漿止水防滲效果，因治理的工程類型不同而有很大的差異，其主要原因是水泥-水玻璃漿液的性能特點及其與被注體的適應性問題，不相適應則止水效果不好，因此，需要弄淸楚兩個問題：一是水泥-水玻璃漿的性能特點；二是隧道內(nèi)止水注漿需要什么樣的漿液。結(jié)合米拉山隧道施工過程中涌水量大的問題，針對上述兩個問題簡要分析。

1 工程概況

米拉山隧道是林芝至拉薩高速公路控制性工程之一，地處4700m以上多年凍土高海拔地區(qū)，該隧道設計為分離式雙洞隧道，兩洞相距30～39m，隧道最大埋深約375m。隧道左洞全長5727m（ZK4475+960～ZK4481+687），隧道路面設計高程為4752.534（進口）～4774.592（出口），設計縱坡1.150%， -0.500%；右洞全長56720m（YK4475+980～YK4481+700），路面標高4753.035m（進口）～4774.921m（出口）設計縱坡1.150%, -0.500%。隧道進出口洞門型式為端墻式，出口端墻式。隧道洞體設計限高5.0m，設計限寬10.25m，機械通風，電光照明。

2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)主要有一條斷裂（米拉山口逆掩斷裂）通過，另外一條斷裂（夏瑪日斷裂）從隧道出口附近通過。米拉山口逆掩斷裂：近東西延伸，是米拉山口逆沖推覆帶的南界。發(fā)育寬約20m的破碎帶，帶內(nèi)主要有角礫巖和斷層泥，上盤為變質(zhì)變形程度均較高的松多巖群岔薩崗巖組（AnOc），下盤為變質(zhì)變形程度均較低的烏郁群（NW）、葉巴組（J2-3y2），上下盤地層產(chǎn)狀相交或相頂。上盤變形強烈，約生成于中新世以后。夏瑪日斷裂：主要走向為北西西向，傾向為北東，傾角35～40°，約形成于喜馬拉雅晚期，上盤為葉巴組（J2-3y2）下盤為烏郁群（NW），發(fā)育寬約100～200m破碎帶，產(chǎn)狀紊亂，小錯動常見，并有花崗巖脈侵入其中。

2.1 玫瑰花圖統(tǒng)計

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)裂隙相對發(fā)育，經(jīng)統(tǒng)計其特征分述如下：①一般多為張性裂隙，張開寬1～47cm不等，少數(shù)為閉合狀，極少數(shù)被粘土充填。裂隙延伸長8～16m，少數(shù)延長大于20m，裂面多光滑。面裂隙率在1～3條/m2之間。②裂隙發(fā)育走向多集中在160°～170°及300°～350°間，在此范圍內(nèi)的裂隙數(shù)占總數(shù)的87.5%。其次級發(fā)育的裂隙多集中在30°～40°E之間，占總數(shù)的12.5%。③從裂面傾向及傾角上分析，傾向多切層發(fā)育，傾角以中至高傾角為主要發(fā)育特征。

2.2 節(jié)理裂隙描述

巖體內(nèi)主要發(fā)育兩組裂隙：①裂隙，340°∠56°，多微張～張開，延伸8～16m，2條/m；裂面粗糙，為結(jié)合較差的硬性結(jié)構(gòu)面。②裂隙，產(chǎn)狀170∠88°，裂面粗糙，張開0.5～1cm，延伸3～4m，1條/m，為結(jié)合較差的硬性結(jié)構(gòu)面。

3 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)一帶有斷裂構(gòu)造，巖層傾角較大,其產(chǎn)狀340∠53°，主要為片麻狀花崗巖，無大的隔水地層，分布廣泛的含水地層穩(wěn)定，在地表分水、地下分水嶺及侵蝕基面挾持下形成獨立的地下水補給、賦存、運移、排泄體系而成為當?shù)貐^(qū)域性水文地質(zhì)條件的重要規(guī)律。區(qū)域性地質(zhì)構(gòu)造單一，地下水賦存運移受裂隙控制。隧址區(qū)主要的地下水為基巖風化裂隙水，現(xiàn)對其地下水補給、徑流、排泄特征敘述如下。

3.1 補給條件

區(qū)域內(nèi)降水豐沛，且降雨多集中每年的5～9月，持續(xù)時間長，這是地下水的主要補給來源。補給方式主要是向下滲透補給。

3.2 徑流、排泄條件

隧址區(qū)地表主要為第四系土層覆蓋，只有在山頂有基巖出露，地下水主要為基巖裂隙水和第四系孔隙水。通過工程地質(zhì)測繪和調(diào)查，基巖風化裂隙水主要分布在基巖的強風化裂隙中和斷層破碎帶中，無統(tǒng)一水位，其流量受季節(jié)性變化影響。主要接受大氣降水補給，在基巖露頭部分為補給區(qū)，向低洼處徑流、排泄?；鶐r風化裂隙貫通性好，下滲的地表水，通過基巖裂隙水向山腳溪流排泄。場地的巖體較破碎，為強含水層。隧址區(qū)無泉水出露。

4 注漿的難點

根據(jù)《國道318線林芝至拉薩段公路改造工程米拉山隧道段勘查報告》，在貧水期最大涌水量12139.2 m3/d，豐水期最大涌水量為18208.8m3/d。根據(jù)現(xiàn)場施工在掘進深度600m左右時，隧道內(nèi)涌水量為12000 m3/d左右，接近預估隧道涌水量。該隧道內(nèi)圍巖級別主要為IV、V級，基巖裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，結(jié)構(gòu)性較松散。在強徑流和雨季可能出現(xiàn)突、涌水情況。目前隧道內(nèi)涌水量為12000m3/d左右，注漿存在漿液稀釋、不凝固等現(xiàn)象，施工難點在于如何有效、快速封堵裂隙，達到止水的目的。隧道洞身處地下水發(fā)育地段，大量排放可能造成當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞，采用治理的方式為“堵排結(jié)合，限量排放”。注漿的主要目的是封堵涌水通道，減少涌水量，保證安全施工及當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不遭到破壞。注漿的主要作用是降低圍巖的滲透性，提高抗?jié)B能力，較少地下水的滲流量，同時充填隧道周圍的裂隙、溶槽，改善力學性能。

5 注漿漿液的對比分析

5.1 水泥-水玻璃漿液的特點

水泥—水玻璃漿液中，水玻璃的多硅酸鈉（nSiO2xNa2O）與水泥漿中的氫氧化鈣和石膏反應生成硅酸鈣凝膠體，此凝膠體生成的時間(膠凝時間)與漿液中水泥和水玻璃的含量等因素有關(guān)，主要是水泥含量的影響最為顯著，水泥含量的少許變化，會引起膠凝時間很大的變化，致使水泥-水玻璃漿液的膠凝時間很不容易控制，即便是相同的配方，膠凝時間都有較大的差別。注漿施工現(xiàn)場很難準確掌控漿液中水泥的含量，因此水泥—水玻璃漿液的膠凝時間不易控制，已成為注漿工程界十分關(guān)注的問題。

如果將水泥漿與水玻璃漿液，在灌前將兩液先混拌一起，成單一漿液進行單液注漿，因膠凝時間控制不準，容易發(fā)生問題：（1）隧道內(nèi)注漿的漿液是頂著（逆向)裂隙中水流方向進入裂隙，而且注漿孔一般不深，孔與涌水裂隙的交匯點到隧道壁面的裂隙長度不長，如果漿液的膠凝時間長，結(jié)朿注漿后的一段時間內(nèi)仍未凝結(jié)，就很可能被水流沖岀裂隙，造成此次注漿封堵無效，甚至出現(xiàn)一孔多次注漿無效。（2）如果漿液的膠凝時間短，泵漿過裎中可能發(fā)生膠凝，造成堵管、固泵事故。這是目前水泥-水玻璃漿液采用單液注漿中常發(fā)生的現(xiàn)象。水泥-水玻璃漿液有時采用兩液分開注入注漿管(或孔)的雙液注漿法，雙液注漿容易岀現(xiàn)的問題是兩液混合不均，形成的凝膠體不均質(zhì)、不完整，這是因為：①兩液都比較粘稠，即使在攪拌下也不易很快混勻。②雙液灌注時，兩種較粘的漿液沿管和孔的通道流動時，會有以兩液各自形成的多條“流束”同向流動，兩液的“流束”在接觸界面上會在流動中和停止后發(fā)生凝膠反應，形成條帶狀凝膠體，被這些條帶狀凝膠體隔開的水泥漿和水玻璃漿，很少有參入反應的機會，仍為液態(tài)，這就在裂隙內(nèi)形成了由凝膠和液態(tài)組成的、封堵裂隙能力不強的聚集體，它或只能起到部分封堵作用，或被水流沖岀裂隙。對于兩種較粘稠的漿液，采取雙液注漿，不論是雙液孔口混合，還是孔內(nèi)混合，也不論是否用混合器，都不能在根本上解決兩種粘度較大漿液、在很短的裂隙通道內(nèi)的混合不均問題。其次，水泥-水玻璃漿液中的水玻璃用量較多，又是液體材料，漿液造價較高。最后，水泥-水玻璃存在的另一問題是結(jié)石體抗壓強度比純水泥漿液有所降低，漿液越稀，降低的越多；由于工廠出產(chǎn)的水玻璃都具有堿性，均在堿性范圍內(nèi)膠凝，在長期水流水的作用下有可能會被溶出，從而使結(jié)石體的強度逐漸降低以致完全消失，同時也會造成水體的污染。

5.2 隧道內(nèi)注漿止水對漿液的要求

隧道內(nèi)鉆出的注漿孔一般不深，孔與涌水裂隙的交匯點，距離隧道出水點較近，經(jīng)孔注入裂隙內(nèi)的止水漿液，順著水流從隧道頂和墻壁流出的可能性很大，而漿液逆向水流進入裂隙深處的漿液量較少，進入裂隙內(nèi)漿液的這一流動趨勢，是隧道內(nèi)鉆孔注漿止水的難點，尤其是裂縫寬、涌水壓力大的裂隙。因此，對隧道內(nèi)注漿止水用的漿液要求如下：

（1）泵入裂隙內(nèi)的漿液，最好是當其從隧道壁面的裂隙流出時，漿液便失去流動性，并具有初步的、且很快增強的封堵能力，這是隧道內(nèi)注漿止水比較理想的漿液。這樣的漿液，其可泵期和凝結(jié)時間是能夠調(diào)節(jié)控制的。這種水泥漿允許泵抽送的時間（可泵期），即要滿足泵送漿液所需的時間要求，又要與漿液從泵時送起，到漿液從裂隙出口流出時止的時間相差不大。（2）漿液的可泵期過后，要求漿液很快凝結(jié)，具有持久封堵裂隙的能力。（3）實現(xiàn)上述兩點要求的漿材，又要是價廉易得的水泥基漿液。上述對水泥漿的要求，是從隧道內(nèi)注漿止水的實際出發(fā)得出的認識，對于一些涌水量較大的裂隙，只要有具備上述（1）和（2）要求的漿液，隧道內(nèi)注漿止住涌水才有可能。顯然，水泥—水玻璃漿液不具備上述隧道內(nèi)注漿止水對漿液的要求條件。

5.3 SJP粘度時變水泥漿液

（1）水泥漿的組成：水泥用32.5或42.5，水灰比常用0.6，外摻劑為粉劑，用量為水泥質(zhì)量的2.5%左右。（2）水泥漿的可泵期是可以調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)范圍5～50分鐘，準確程度2～3分鐘。（3）水泥漿的可泵期過后很快具有封堵裂隙的能力，4～5小時到達終凝。通過對SJP注漿材料和水泥-水玻璃漿液2種漿材的室內(nèi)實驗和工程注漿試驗，證明SJP漿材具有初配流動性好、可灌性強、初凝與終凝時間可控等良好特性，該SJP粘度時變漿液與普通水泥漿相比可泵期縮短5～6小時，凝結(jié)時間比純水泥漿相應縮短7個小時左右，但后期強度高于同等水灰比純水泥漿的結(jié)石體強度。1天、3天、7天的強度對比見表1。

表1 漿液性能對比表

6 結(jié)語

通過對2種不同漿材對比分析，SJP粘度時變水泥漿液最主要的性能特點是漿液的可泵期是可調(diào)控的，適用于大孔隙性、涌水量大、不均勻地質(zhì)的加固優(yōu)于傳統(tǒng)純水泥漿，解決了水泥-水玻璃漿液漏失量大、加固效果差或無法加固的問題，符合上述對隧道內(nèi)注漿止水用漿液的性能要求，同時從經(jīng)濟效益角度能控制水泥用量，節(jié)約水泥，降低工程造價，加快隧道施工掘進進度，因此適合用于米拉山隧道的注漿止水。

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U455.4

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1671-0711（2017）06（下）-0096-03