大柱山隧道高壓富水?dāng)鄬蛹庸碳夹g(shù)探索

【摘 要】 長大山嶺隧道施工過程中有時(shí)候要通過高壓富水?dāng)鄬訋?，全斷面超前注漿作為高壓富水?dāng)鄬犹幚淼囊环N重要手段，能夠起到有效加固地層、封堵地下水的作用，在施工中普遍使用，但當(dāng)斷層水壓很高時(shí)，一般的注漿方式很難起到注漿效果，無法滿足施工要求。大柱山隧道燕子窩斷層就是高壓富水?dāng)鄬樱谑┕み^程中不斷摸索，得出了一套處理超長高壓富水且地層復(fù)雜斷層的施工方法，有效加固了高壓富水?dāng)鄬樱瑢?shí)現(xiàn)了高壓富水?dāng)鄬映案邏鹤{快速施工。

【關(guān)鍵詞】 高壓富水；斷層；高壓動(dòng)水；超高壓聚合注漿

【Abstract】 During the construction of Changda Mountain Tunnel， it is sometimes necessary to pass high-pressure， water-rich fault zones， and full-face advance grouting is an important method for the treatment of high-pressure water-rich faults， which can effectively strengthen the stratum and seal off groundwater， during construction. Commonly used， but when the fault water pressure is high， the general grouting method is difficult to play the grouting effect， can not meet the construction requirements. The swallow pillar nest fault of the Dazhushan Tunnel is a high-pressure， water-rich fault. During the construction process， a series of construction methods for treating ultra-long high-pressure， high-water， and complex faults in the strata are obtained. This effectively strengthens the high-pressure， water-rich fault and realizes high pressure. Rapid construction of advanced high-pressure grouting for water-rich faults.

【Key words】 High pressure and water enrichment； fault；High pressure water；Ultrahigh pressure polymerization grouting

1. 引言

近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展、交通建設(shè)水平的不斷提高，特別是地下工程施工技術(shù)不斷取得突破，使得在復(fù)雜地質(zhì)條件下長大隧道的施工成為可能。隧道在穿高壓富水?dāng)鄬訒r(shí)往往因頻發(fā)突水突泥而嚴(yán)重影響施工，甚至造成很嚴(yán)重的安全事故，如何順利突破高壓富水?dāng)鄬邮┕?duì)每一個(gè)工程技術(shù)人員來說都是一個(gè)考驗(yàn)。全斷面超前注漿是加固地層，封堵水源的一種方法，對(duì)保持圍巖穩(wěn)定，增強(qiáng)隧道施工安全有著積極的作用。在地質(zhì)特殊地段（富水、破碎巖層或自穩(wěn)性差的地質(zhì)地段），采用預(yù)注漿（帷幕注漿、洞內(nèi)圍巖全斷面注漿等）對(duì)圍巖進(jìn)行處理，即可形成較大范圍的筒狀加固區(qū)。大柱山隧道燕子窩斷層通過常規(guī)前進(jìn)式分段注漿、隧道深層超前預(yù)加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿等不同的措施來加固圍巖，最后總結(jié)出高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿能有效加固高壓動(dòng)水?dāng)鄬?，加固效果能滿足施工要求，最終順利渡過了該斷層。

2. 工程概況

大柱山隧道平導(dǎo)PDK111+860-947段通過燕子窩破碎帶，該斷層為高壓富水正斷層，斷裂走向N25°W，傾向NE，傾角陡，北端進(jìn)入瀾滄江后與五里哨斷層相交。斷裂破碎帶寬約95m，呈角礫狀。斷裂附近巖層產(chǎn)狀紊亂，牽引褶曲、小斷裂極發(fā)育。NE盤巖層為（T3d1）玄武巖。SW盤巖層為（T2h）灰?guī)r、白云巖，產(chǎn)狀為N50°E/70°SE。斷層軸線與線路呈約48°角。隧道斜向穿過該斷層，影響帶跨度約180m左右，破碎帶物質(zhì)主要為斷層泥，呈灰褐色、灰黃色 ，軟塑狀局部為流塑狀，夾雜大小不等的灰?guī)r及少量玄武巖質(zhì)角礫、碎石及塊石。2009年8月5日大柱山隧道平導(dǎo)在施工過程中發(fā)生突泥涌水（見附圖1），涌出部位： PDK111+857左側(cè)拱部（掌子面里程為+860）；涌出物流速快、流量大，最終穩(wěn)定時(shí)方量約為5300m3，平均涌水量約950m3/h，最大12180 m3/h，根據(jù)對(duì)附近水源調(diào)查，無直接聯(lián)系。涌出物以斷層角礫為主，夾雜斷層泥、砂及孤石；涌出物向后方推進(jìn)40m，采用沙袋進(jìn)行封堵，方被堵住，造成平導(dǎo)隧道無法施工。

3. 施工方案探討

大柱山隧道平導(dǎo)發(fā)生突泥涌水后，由于涌出物數(shù)量大、水壓比較高、水量充足、前方掌子面無法封堵等原因無法處理，經(jīng)四方討論后確定在平導(dǎo)右側(cè)以迂回導(dǎo)坑方式通過燕子窩斷層，原平導(dǎo)作為排水泄壓通道。在施工迂回導(dǎo)坑過程中，在施工至YHK0+092處時(shí)發(fā)生了突泥涌水，突涌后經(jīng)四方確定在對(duì)堆積物進(jìn)行封閉固結(jié)后進(jìn)行超前大管棚+周邊注漿施工。在對(duì)堆積物封閉固結(jié)后進(jìn)行超前大管棚+周邊注漿后，在施工至YHK0+083處時(shí)，迂回導(dǎo)坑再次發(fā)生了突泥涌水，涌出物情況與平導(dǎo)類似，導(dǎo)致迂回導(dǎo)坑開挖失敗。最后經(jīng)四方確定以迂回導(dǎo)坑作為排水泄壓通道，從原平導(dǎo)通過的總體方案。

3.1 平導(dǎo)突水突泥處理。

大柱山隧道平導(dǎo)發(fā)生突水突泥后一直停滯施工4個(gè)月（在施工迂回大坑），期間平導(dǎo)水流量穩(wěn)定，40m突泥涌出段涌出物為松軟物質(zhì)，自身沒有強(qiáng)度，在水流作用下呈現(xiàn)流動(dòng)狀態(tài)。決定對(duì)涌出物進(jìn)行注漿加固，一次性加固40m，徹底固化涌出物，同時(shí)形成對(duì)原突泥突水?dāng)嗝娴姆舛隆９探Y(jié)方式采用擠排的的方式進(jìn)行加固，即對(duì)涌出物注漿及排水同時(shí)進(jìn)行，中部注漿，兩側(cè)及底部安設(shè)排水管進(jìn)行排水，為防止?jié){液從排水管排出浪費(fèi)漿液同時(shí)堵塞排水管，在排水管上套一層透水膜，水可以進(jìn)出，但它物質(zhì)無法進(jìn)入，有效的進(jìn)行了排水，注漿采用1：1水泥漿液，加固后打設(shè)檢查孔，檢查效果，達(dá)到效果后進(jìn)行開挖，開挖到30m位置時(shí)因擔(dān)心前方斷面再次發(fā)生突泥涌水而停止開挖，改為超前帷幕注漿隊(duì)隧道周邊進(jìn)行加固，加固后清理剩余10m涌出物，在清理過程中有部分原平導(dǎo)初期支護(hù)已經(jīng)破壞，清理了拆換施工。

3.2 高壓富水?dāng)鄬蛹庸淌┕し桨高x擇。

（1）大柱山平導(dǎo)隧道突泥處理結(jié)束后就開始跨燕子窩斷層施工。由于該斷層為高壓富水?dāng)鄬樱?jīng)相關(guān)各方探討，決定采用隧道深層超前預(yù)加固咬合樁+管棚施工方案渡過斷層，但在實(shí)際施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于斷層規(guī)模大，在注漿加固過程中漿液的可控性差，無法定量、定區(qū)域注漿；由于斷層高壓（3Mpa）富水，且水?dāng)y帶大量泥砂對(duì)骨架侵蝕后就可能發(fā)生坍塌突涌，所以在注漿過程中必須實(shí)施大面積、大區(qū)域的高壓頂水上行的注漿方法，將斷層水封堵在掌子面6～8m以外。目前國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的注漿壓力為水壓的2～3倍，而根據(jù)我們目前在燕子窩斷層注漿施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力必須達(dá)到水壓的5～6倍以上才能達(dá)到注漿效果，而目前國內(nèi)的前進(jìn)式注漿法（自掌子面向孔口向孔底逐段注漿）、后退式注漿法（自孔底向孔口逐段注漿）、全孔一次注漿法均受孔口管密封墊圈承受的壓力影響（最大只能承受5Mpa），無法達(dá)到15Mpa注漿壓力，最后放棄了該方案。

（2）在經(jīng)歷常規(guī)前進(jìn)式分段注漿、隧道深層超前預(yù)加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿施工方案的實(shí)踐和探索，最終選擇高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿施工方案通過燕子窩斷層。

4. 高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿

高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿原理是根據(jù)注漿堵水原理演化而來的， 該注漿工藝壓力可以逐步提高，加固范圍也可以逐步擴(kuò)大，由于是一次成孔，解決了前進(jìn)式分段注漿反復(fù)鉆孔工效低的問題，也解決了后退式注漿在松軟地層漿液繞過止?jié){塞造成浪費(fèi)的問題，最終使大珠山隧道平導(dǎo)成功渡過燕子窩高壓富水?dāng)鄬印?/p>

4.1 注漿原理。

濾排水管路制作及安裝（見圖2 ）：采用φ48mm鋼管制作，第一段采用兩端壓阻模袋，中間打出漿孔，再采用細(xì)紗布包扎出漿孔，防止砂子流入管內(nèi)產(chǎn)生堵塞。前端安裝分隔器，注漿完成后，打通分隔器，進(jìn)行排水。一次成孔，一次阻塞，分段注漿。

4.2 施工工藝流程（見圖3）。

高壓動(dòng)水條件下分段超高壓引排聚合注漿施工工藝流程圖

4.3 注漿孔布置及注漿范圍。

注漿范圍與地質(zhì)情況、開挖斷面大小、開挖方法、對(duì)周邊的影響密切相關(guān)，可根據(jù)自身工程所處的地質(zhì)環(huán)境、設(shè)計(jì)圖紙和試驗(yàn)效果來確定注漿范圍。大柱山隧道循環(huán)分段注漿加固注漿管分布如圖4所示。根據(jù)鉆機(jī)性能施工進(jìn)度要求，選用每循環(huán)注漿段長15m；為了使?jié){液擴(kuò)散到所有巖層裂隙中，注漿孔的布置以漿液擴(kuò)散不出現(xiàn)盲區(qū)為原則。大柱山全斷面超前注漿每循環(huán)注漿加固長度15m，開挖長度10m，預(yù)留搭接長度5m，循環(huán)分段注漿加固橫斷面圖如圖4所示，縱斷面圖如圖5所示。

4.4 止?jié){墻施工。

大柱山隧道平導(dǎo)超前注漿開始時(shí)取消了砼止?jié){墻，但是應(yīng)用控制性水泥注漿必須使用非常高的注漿壓力，造成漿液外漏，注漿壓力無法保證，為了保證注漿效果，在第一個(gè)循環(huán)注漿前施做一個(gè)止?jié){巖盤封堵漿液。止?jié){巖盤厚度2m，采用C20級(jí)以上混凝土澆筑而成，周邊深入圍巖50cm，在止?jié){墻上預(yù)留注漿管孔。第二循環(huán)注漿時(shí)搭接5m注漿段作為止?jié){墻，避免重復(fù)施工混凝土止?jié){墻。

4.5 鉆孔。

待止?jié){墻強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%、孔口管與止?jié){墻連接牢固，并檢查止?jié){墻及周邊范圍無滲漏水時(shí)方可進(jìn)行鉆孔。

孔位布設(shè)：嚴(yán)格按照技術(shù)交底要求進(jìn)行布孔，將其位置直接定位標(biāo)識(shí)在掌子面上，孔位偏差不得大于5cm，鉆孔偏斜率最大允許偏差為0.5%。在進(jìn)行鉆空定位時(shí)，孔口按鉆孔設(shè)計(jì)用全站儀按三維坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)控制，鉆孔偏角采用地質(zhì)羅盤定向，水平角采用在鉆孔平臺(tái)上放設(shè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的方式控制，并用全站儀按三維坐標(biāo)進(jìn)行抽檢，控制精度要滿足允許偏差要求。第一個(gè)鉆孔施工時(shí)，要慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，掌握地層對(duì)鉆機(jī)的影響情況，以確定在該地層條件下的鉆進(jìn)參數(shù)。密切觀察鉆屑或溢水出水情況，出現(xiàn)大量溢水出水時(shí)，應(yīng)立即停鉆，分析原因后再進(jìn)行施工。鉆孔時(shí)，安排專業(yè)工程師值班，及時(shí)對(duì)巖層、巖性以及孔內(nèi)各種情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。特別是對(duì)鉆孔穿越破碎帶和溶蝕空腔進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便為注漿漿液及方案的確定提供依據(jù)。鉆到出較大的水，無法繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)，停止鉆孔，安裝閘閥，進(jìn)行關(guān)水，測量涌水量和水壓力，然后進(jìn)行注漿。

4.6 注漿方式。

大柱山隧道過斷層段圍巖比較破碎，巖石裂隙水比較豐富，水壓比較高，采用一次性成孔，分段前進(jìn)式注漿，確保注漿效果。在施工時(shí)，一次性將注漿孔鉆到位，采用SQ膨脹膜分段阻隔注漿。該方案通過“控制漿液能頂水上行的水泥灌漿堵漏工藝”（專利號(hào)：ZL02159189），一次成孔，高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿，邊排水、邊注漿保證了漿液最大程度的擴(kuò)散、擠密以及填充置換。其壓力最大可達(dá)到20Mpa。純水泥漿液占漿液的90%，KZY控制液占漿液的10%。能有效將水封堵在開挖輪廓以外。

4.6.1 注漿參數(shù)。

4.6.1.1 漿液配置。

配制漿液時(shí)采用經(jīng)鑒定準(zhǔn)確的計(jì)量工具，按照經(jīng)試驗(yàn)確定的設(shè)計(jì)配方配料。配制漿液時(shí)嚴(yán)格按照配制順序?qū)⒆{材料逐一加入均勻攪拌，攪拌順序一般為：水、水泥、外加劑及其他材料，攪拌時(shí)注意控制攪拌時(shí)間。一般來講使用普通攪拌機(jī)時(shí)不小于3min，使用高速攪拌機(jī)時(shí)不小于3s。攪拌時(shí)間大于4h的漿液應(yīng)該廢棄。任何季節(jié)注漿漿液的溫度應(yīng)保持在5～40°之間。漿液攪拌成型后應(yīng)該取樣檢查其凝結(jié)時(shí)間是否符合設(shè)計(jì)要求，以便對(duì)漿液進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。另外配制的漿液應(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)用完。

4.6.1.2 注漿材料的選擇及配比。

注漿材料的選擇與地質(zhì)條件和涌水量有關(guān)，通常有以下幾個(gè)方面：

（1）采用水泥漿液時(shí)，水灰比宜采用0.8：1～2：1。需縮短膠泥時(shí)間，可加入食鹽或三乙醇胺速凝劑。

（2）采用水泥-水玻璃漿液時(shí)，應(yīng)根據(jù)膠凝時(shí)間配置。一般水泥漿液的水灰比為1：1；水玻璃濃度為35°Be粒水泥漿與水玻璃的體積比宜為1：0.5。

（3）另外注漿要求的水泥細(xì)度為通過80μm方孔篩的篩余量不宜大于5%，注漿材料采用重量稱量?，F(xiàn)場制漿時(shí)，要求加料準(zhǔn)確并注意注漿順序，即先往攪拌機(jī)中放入規(guī)定量的水，然后在加入水泥攪拌均勻后再加入外加劑。

4.6.1.3 注漿壓力：注漿壓力是注漿的主要參數(shù)，它對(duì)漿液的擴(kuò)散范圍，巖層裂隙充填的密實(shí)程度及注漿效果的好壞起著決定性的作用，所以必須有足夠的注漿壓力克服靜水壓力和地層阻力，方能達(dá)到注漿目的，一般富水地段取靜水壓力的2～3倍，大柱山隧道注漿壓力達(dá)到15～20MPa。

4.6.1.4 漿液的注入量按如下參數(shù)進(jìn)行控制：

指單孔注入量，按假設(shè)漿液在地層中均勻擴(kuò)散公式為：

Q=πR2L nαη

式中：Q——單孔注漿量（m3）；

R——漿液擴(kuò)散半徑（m）取2.5m；

L——注漿孔長（m）取20m；

n——地層的裂隙（%），取4%；

α——漿液在巖石裂隙中的充填系數(shù)，視巖石情況取0.3～0.9，現(xiàn)場取0.7；

η——漿液消耗率，取1.1。

4.6.2 注漿。

（1）在每次進(jìn)行注漿前，均對(duì)該鉆孔的水壓、水量進(jìn)行測定，以便對(duì)漿液類型和終止注漿壓力的選定。出水量通常采用桶裝法測定，水壓采用關(guān)閉高壓閘閥并在止回閥位置安裝一高壓水表進(jìn)行測定，如圖7所示。注漿時(shí)按照順序施作：從注漿段兩邊到中間，間隔跳孔，逐漸加密，以達(dá)到擠密加固的目的。開始注漿后，隨時(shí)控制好注漿壓力（測量水壓0.5～1.5MPa）。注漿壓力表安裝在注漿泵靠出漿管上，記錄時(shí)記錄壓力擺動(dòng)的平均值，壓力波動(dòng)范圍不大于灌漿壓力的20%。在壓力突然迅速增加時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)，以防破管傷人。準(zhǔn)確測量吸漿量以此判斷是否改水灰比比級(jí)，監(jiān)測漿液性能（比重、含灰量等），適時(shí)調(diào)整漿液性能，使?jié){液性能保持在最佳狀態(tài)。為防止注入漿液過早堵塞漿液滲透通道及過多的漿液向要求帷幕范圍以外擴(kuò)散，通常灌漿漿液濃度遵循由稀到濃的原則逐級(jí)改變，在注漿量達(dá)到預(yù)期數(shù)量后注入濃漿對(duì)外滲通道予以封堵[8]。但對(duì)注漿孔周圍有裂隙水滲流部位，漿液采取由濃到稀或先雙液后單液的方式進(jìn)行注漿，使先注入的漿液與地下水一道流動(dòng)，在流動(dòng)通道中凝固，堵塞地下水外排通道，然后換注稀漿或單液漿，使?jié){液沿注漿孔內(nèi)出水通道壓入（漿液轉(zhuǎn)換模式必須精確掌握轉(zhuǎn)換時(shí)間，過早會(huì)導(dǎo)致對(duì)出水通道封堵無效，過遲則會(huì)堵塞后續(xù)漿液的壓入通道）。

（2）單孔注漿結(jié)束條件：預(yù)注漿各孔段均達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定10min，且注漿量不小于設(shè)計(jì)注漿量的80%，進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4。注漿過程應(yīng)派專人進(jìn)行過程控制，負(fù)責(zé)填寫注漿記錄表，記錄注漿時(shí)間、注漿壓力、漿液消耗量等數(shù)據(jù)，以便注漿結(jié)束后進(jìn)行效果檢查（注漿施工 組圖見圖6）。

4.6.3 注漿后可達(dá)到如下效果（注漿效果組圖見圖7）：

（1）通過劈裂注漿，形成網(wǎng)格骨架，增加了加固區(qū)的整體性；

（2）通過高壓擠密并排水，提高斷層充填物的穩(wěn)定性、密實(shí)性，從而提高加固區(qū)的承載能力；

（3）漿液填充錯(cuò)綜復(fù)雜的水路，將水封閉在加固圈以外并引排后，一則可減小水壓，二則可防止水對(duì)加固區(qū)骨架的侵蝕。

4.6.4 注漿效果檢查。

為了了解注漿效果，注漿完成后開挖前孔內(nèi)攝像驗(yàn)證注漿效果。鉆機(jī)打設(shè)檢查孔，因孔內(nèi)有水采用防水?dāng)z像頭深入孔內(nèi)對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查。

必須在分析資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行注漿效果檢查，可采取鉆孔取芯法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查；大柱山隧道斷層段注漿后采用全校程控影響檢查設(shè)備。進(jìn)行鉆孔取芯檢查發(fā)現(xiàn)滲水量滿足限量排放要求[6]（注漿效果驗(yàn)證組圖見圖8）。

4.7 主要機(jī)具設(shè)備。

鉆孔設(shè)備：1、采用改裝后的70A鉆機(jī)，配套73鉆桿，90潛孔錘和配套鉆頭，功率18KW。2、40型液壓式鉆機(jī)，配套73鉆桿，90潛孔錘和配套鉆頭，功率15KW。

注漿設(shè)備：1、SNS-130/20注漿泵，功率22KW，轉(zhuǎn)速158/245 r/min，理論流量85/130 L/min，壓力20/10MPa，進(jìn)道口徑64mm，排道口徑32mm，30及48高壓灌漿管；2、水泥漿液髙速攪拌機(jī)，容量200L；3、自行研制的手控液壓泵；4、化學(xué)控制液專用泵。

5.常規(guī)注漿工藝與高壓動(dòng)水條件下分段引排超高壓聚合注漿工藝對(duì)比（見表1）

6.總結(jié)

大柱山隧道所經(jīng)過的燕子窩斷層含水量大，水壓高，圍巖破碎，易發(fā)生突泥涌水事故。目前國內(nèi)類似斷層隧道還有很多，類似的注漿方案也很多，究竟那里一種注漿加固方案效果比較好沒有準(zhǔn)確定論。大柱山隧道平導(dǎo)施工過程中通過常規(guī)前進(jìn)式分段注漿、隧道深層超前預(yù)加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿等不同的措施來加固圍巖，最終選用高壓動(dòng)水分段引排超高壓聚合注漿加固方案順利通過該斷層。但由于地層條件復(fù)雜，溶腔溶槽分部毫無規(guī)律，往往一個(gè)溶腔就需要5～8個(gè)鉆孔才能完成注漿加固，且注漿完成后這些管就無法重復(fù)利用，造成了每循環(huán)鉆孔數(shù)量過大，工程量增大，造成成本偏高，有待于進(jìn)一步研究。

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[文章編號(hào)] 1619-2737（2018）01-15-622

[作者簡介] 秦跟虎（1978-），男，籍貫：陜西西安人，學(xué)歷：大學(xué)本科，職稱：工程師，2002年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院交通土建專業(yè)， 長期從事隧道施工技術(shù)管理工作。