粘度時(shí)變漿材在巖溶地區(qū)公路隧道堵水中的應(yīng)用

范明明，倪 濤，袁進(jìn)科

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

1 工程概況

銀百高速城口(陜渝界)至開縣段旗桿山隧道斜井位于重慶市城口縣境內(nèi)，區(qū)內(nèi)高山縱橫，屬于中山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。隧道區(qū)洞身地形陡峭，地表植被發(fā)育，主要以灌木叢林為主。并且，遂址區(qū)一帶有斷裂構(gòu)造，其走向與隧道走向斜交，夾角為71°～82°，斷層傾向?yàn)?5°～26°。隧道全長1 860 m，最大埋深820 m，主要巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r，風(fēng)化層厚度較大，巖體較為破碎，力學(xué)性質(zhì)差異大。其中，出現(xiàn)涌水問題的掌子面位于XK1+165m，為T1d2、T1d3灰?guī)r，中厚層狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，巖溶中等發(fā)育，以巖溶溝槽為主，為中等透水中等富水巖組，地下水類型為碳酸鹽裂隙溶洞水。該掌子面于2019年3月13日出現(xiàn)涌水狀況，實(shí)測(cè)涌水壓力0.30～0.36 MPa，涌水量達(dá)到260～450 m3/h(6 000～10 000 m3/d)，且涌水壓力一直未見減小，在注漿封堵加固前，由三臺(tái)型號(hào)為100WQ100-15-7.5的污水潛水泵持續(xù)往洞外排水。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)、TSP、鉆探等手段獲得的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，掌子面及其前側(cè)皆以灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，此外，掌子面的左上方發(fā)育有一定規(guī)模的溶蝕空腔，局部裂隙充填有黃棕色黏土，掌子面前2～15 m范圍內(nèi)為巖溶集中發(fā)育區(qū)，裂隙通道連通性較好。

2 涌水原因分析

(1)在斷層牽引的作用下，拱部圍巖體變得破碎，由中厚層狀構(gòu)造變成薄層狀構(gòu)造，層間夾有黃泥，遇水軟化，具有微膨脹性，造成軟硬相間，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

(2)遂址區(qū)地層以灰?guī)r為主，在具有侵蝕性的流水作用下，灰?guī)r被逐漸侵蝕，形成溶蝕裂隙通道，并具有較好的連通性。

(3)該隧道突涌水地段處于高山底部，埋深近300 m，在地質(zhì)構(gòu)造及流水沖刷作用下，山體之間形成多條河流。在外界河流及雨季雨水的補(bǔ)給下，溶蝕裂隙中充滿著水體，當(dāng)掌子面出現(xiàn)鉆孔時(shí)，源源不斷的水匯集鉆孔中，從掌子面涌出。

3 注漿堵水加固方案設(shè)計(jì)

3.1 注漿堵水加固原理

在壓力作用下，漿液以一定的方式被泵送到巖層裂隙中，發(fā)生凝結(jié)、固化，對(duì)裂隙產(chǎn)生封堵、加固作用。在本工程中，由于斷層破碎帶及溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕空腔內(nèi)部分充填黏土，擬采用以充填為主，滲透、劈裂為輔的聯(lián)合注漿方式進(jìn)行治理。首先，漿液在壓力作用下，克服涌水壓力，向鉆孔周圍擴(kuò)散，充填裂隙、空腔，并向破碎巖體中滲透，當(dāng)注漿壓力大于夾層泥的強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生劈裂作用，漿液進(jìn)入泥層中，實(shí)現(xiàn)堵水加固效果。

3.2 漿液設(shè)計(jì)

施工方原設(shè)計(jì)使用水泥-水玻璃雙液注漿的治理方法，二者體積比1∶0.8，水灰比0.6，凝結(jié)時(shí)間為2 min，試驗(yàn)孔共注漿80余方，但由于涌水壓力高、水量大，注入的漿液未能及時(shí)充填裂隙并凝結(jié)，造成漿液流失量大，堵水加固效果不理想，大大增加治理成本。

后改用為筆者團(tuán)隊(duì)研制的粘度時(shí)變型漿液，該漿液是由1#、2#灌漿料、水泥及水按照一定的配合比配制而成，該灌漿料是由蓖齒篙、改性纖維以及硅鈣類無機(jī)物組成，具有摻量小、效果顯著等特征。配制成的漿液具有初始流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間可控、早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。其中1號(hào)助劑起“緩凝”作用，使水泥顆粒的水化作用更充分徹底；2#助劑主要是調(diào)節(jié)水泥水化的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度。在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過改變不同助劑摻量，調(diào)整漿液性能。依據(jù)掌子面涌水現(xiàn)狀及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，確定粘度時(shí)變漿液配合比及基本性能如下表1所示。施工所用水泥為32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥。

表1 施工所用漿液配合比

圖1 助劑1#對(duì)漿材基本性能的影響

不同助劑摻量對(duì)漿液性能的影響如圖1、2所示。從圖中可以看出，當(dāng)2#助劑的摻量保持不變時(shí)(1.8%)，隨著助劑1#的增加，漿液的流動(dòng)性、可泵期以及初終凝時(shí)間均有所增加，但并非呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。而當(dāng)1#助劑摻量保持不變時(shí)(0.6%)，隨著助劑2#的增加，漿液的流動(dòng)性、可泵期以及初終凝時(shí)間均有所減小。在實(shí)際施工中，需要1#、2#助劑配合使用，以調(diào)整漿液的流動(dòng)性及凝結(jié)時(shí)間，達(dá)到最好的效果。該堵水加固工程中，助劑1號(hào)的摻量為0.6%，助劑2#的摻量為2.2%，漿液的可泵期為10 min。

圖2 助劑2#對(duì)漿材基本性能的影響

3.3 注漿孔孔位布置

依據(jù)掌子面實(shí)際地層概況，結(jié)合涌水現(xiàn)狀，采用“周密中疏、梅花型”的布孔原則，初步設(shè)計(jì)注漿孔35個(gè)，孔徑90 mm，孔深20 m，設(shè)計(jì)孔加固范圍為掌子面前方20 m，開挖輪廓線外5 m，因此，對(duì)于靠近輪廓線的孔，采用外傾角的設(shè)計(jì)，原則上傾角不大于25°，而對(duì)于掌子面中間的孔，孔距1.0～1.5 m。設(shè)計(jì)注漿堵水分別采用上、下傾角的設(shè)計(jì)，傾角不大于20°。

3.4 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

一般情況下，對(duì)于突涌水的巖溶地層，注漿量很難確定，可根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑、注漿壓力及巖層孔隙率等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行估算。計(jì)算公式如下：

Q=πr2Hna(1+β)

式中：Q—注漿量，m3；r—漿液擴(kuò)散半徑，m，取1.0 m；H—注漿斷長度，m，取20 m；n—巖層裂隙率或巖溶率，取15%；a—有效灌注系數(shù)，一般為0.6～1.0，取0.8；β—漿液的損耗系數(shù)，一般取0.1～0.4，取0.2。

按照上式估算得出單孔注漿量9 m3，總注漿量為315 m3，水泥使用量315 t。

3.5 孔口密封裝置

本工程采用自發(fā)研制的雙管雙路孔口密封裝置，該裝置可有效分離漿、水，減少流水對(duì)漿液的沖刷作用，保證其凝結(jié)效果，提高堵水加固效果。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，主要有進(jìn)漿管接頭、內(nèi)漿管、排水管、排水閥門及孔口壓力表組成。其中內(nèi)漿管與鉆孔內(nèi)注漿管相連，通過孔內(nèi)注漿管將漿液直接送到指定位置；排水管具有一定的錐度，提高與孔壁的貼合度，主要用來排除鉆孔內(nèi)的空氣和水體。在實(shí)際應(yīng)用中，可在其表面纏繞一定厚度的土工布并固定，重錘打入鉆孔中，實(shí)現(xiàn)孔口密封。

3.6 注漿施工工藝

超前注漿根據(jù)注漿方式分為一次性注漿和分段式注漿，分段式注漿又可分為前進(jìn)式注漿和后退式注漿。該工程中鉆孔深20 m、孔徑90 mm，設(shè)計(jì)采用一次性灌注，而當(dāng)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)巖溶裂隙發(fā)育或溶蝕空腔時(shí)，則采用前進(jìn)式分段鉆進(jìn)、分段注漿的方式進(jìn)行堵水加固。

施工工藝流程為：鉆孔定位→開孔→安裝空口密封裝置→壓水試驗(yàn)→配制漿液→注漿→結(jié)束注漿→關(guān)閉孔口管，清洗注漿設(shè)備。

3.7 結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn)

采用兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)控制注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)，一是最終注漿量，當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，即可終止注漿；二是當(dāng)注漿壓力達(dá)到最大設(shè)計(jì)壓力時(shí)，吃漿量不大于10 L/min，維持10 min即可結(jié)束灌漿。一般情況下，綜合考慮兩項(xiàng)控制指標(biāo)來決定是否結(jié)束注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿堵水加固效果

在水泥-水玻璃漿液無法達(dá)到理想治理效果的情況下，改用粘度時(shí)變漿液進(jìn)行注漿封堵，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，當(dāng)1#孔注漿完成后，掌子面的涌水情況得到了有效的緩解，僅掌子面右上角止?jié){墻與圍巖的交界部位存在小股線狀流水。待設(shè)計(jì)孔位全部注漿完成后，掌子面已基本無流水，呈干燥狀態(tài)。共注入該粘度時(shí)變漿液280 m3，使用水泥280 t。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在掌子面的拱頂和左右邊墻分別鉆孔檢查注漿封堵加固效果，共布設(shè)檢查孔5個(gè)，鉆進(jìn)參數(shù)見下表2。從檢測(cè)結(jié)果來看，檢查孔整體完整、無塌孔現(xiàn)象，拱頂檢查孔出現(xiàn)線狀滴水，涌水量<10 L/h，注漿堵水加固達(dá)到了預(yù)期效果，在開挖線外5 m范圍內(nèi)封堵了裂隙通道，形成了一道注漿加固圈，提高了圍巖的整體穩(wěn)定性，大大降低了襯砌所承受的外水壓力。

表2 檢查孔鉆進(jìn)參數(shù)及檢查結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)銀百高速城口至開縣段旗桿山隧道斜井XK1+165 m處掌子面涌水主要是由斷層破碎帶引起的，加上遂址區(qū)巖溶作用強(qiáng)烈并存在一定規(guī)模的溶腔，及復(fù)雜的補(bǔ)給系統(tǒng)，因此產(chǎn)生較大的涌水壓力和涌水量。

(2)粘度時(shí)變型漿液具有初始流動(dòng)性好、凝結(jié)時(shí)間可控、早期強(qiáng)度等特點(diǎn)。通過旗桿山隧道斜井XK1+165m處掌子面涌水注漿封堵加固工程，表明該漿液對(duì)斷層破碎帶、巖溶作用發(fā)育形成的大涌水量、高涌水壓力地層具有較好的治理效果，成功解決了普通水泥漿與水泥-水玻璃漿液灌不滿、流失量大的難題。