隧道超前預(yù)注漿用壓濾式膜袋封孔技術(shù)及應(yīng)用研究

許 毓 才

(山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030000)

隧道穿越松散涌水地層時(shí)，極易發(fā)生坍塌、突水突泥、掌子面失穩(wěn)等事故，甚至造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。超前小導(dǎo)管注漿因施工便捷、對環(huán)境影響小、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，是工程上解決該類問題的有效防控手段，而如何封閉超前小導(dǎo)管與鉆孔之間縫隙，是確保注漿質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

目前，國內(nèi)外的常用封孔方法有水泥漿封孔[3-4]、聚氨酯封孔[5-6]、封孔器封孔[7-8]、囊袋式封孔等[9]。其中，水泥漿封孔能夠承受較大壓力，但是水泥凝固后會(huì)收縮，而且在強(qiáng)壓下會(huì)發(fā)生脆性破裂；聚氨酯發(fā)泡反應(yīng)快，能實(shí)現(xiàn)快速封堵，但是在高壓下容易變形，對操作要求較高，容易造成封孔效果不理想甚至封孔失?。环饪灼饔捎诮Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重、成本高，難以推廣利用[10-11]；相對于其他封孔方式，囊袋式注漿封孔結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能有效封堵煤層裂隙，并且對巷道形成主動(dòng)支護(hù)，在我國煤礦得到了廣泛應(yīng)用[12-14]。但遺憾的是，現(xiàn)有的中心分流式囊袋注漿[15]、分體式囊袋注漿封孔[16]等施工較為復(fù)雜、成本相對較高。

為此，本文針對超前小導(dǎo)管施工環(huán)境特點(diǎn)，提出一種隧道超前預(yù)注漿用壓濾式膜袋封孔膜袋，闡明相應(yīng)的工作原理和給出相應(yīng)的施工工藝，并通過理論分析建立注漿封孔長度、膜袋注漿壓力以及地層注漿壓力之間的關(guān)系。最后，將上述成果在山西省中部引黃工程水源工程中得到應(yīng)用。研究成果為超前小導(dǎo)管注漿封孔提供了新思路。

1 壓濾式膜袋封孔止?jié){原理

壓濾式膜袋封孔方法主要是利用新型土工合成材料(長絲機(jī)織土工布)對水泥顆粒良好的反濾性，在注漿管與鉆孔之間形成一層隨孔壁形狀變化而壓實(shí)的柔性封孔段，原理示意圖如圖1所示。

圖1 注漿封孔原理示意圖

(1) 當(dāng)漿液以一定壓力從膠紙軟管中注入密閉的長絲機(jī)織土工布中，漿液會(huì)不斷充填膨脹長絲機(jī)織土工布直至達(dá)到長絲機(jī)織土工布密閉空間的膨脹極限，由于長絲機(jī)織土工布密閉空間遠(yuǎn)大于注漿孔與鉆孔之間的空間，故長絲機(jī)織土工布密閉空間的膨脹過程會(huì)不斷擠壓周邊圍巖，最終形成類似“止口塞”的作用，實(shí)現(xiàn)注漿封孔。

(2)由于采用的長絲機(jī)織土工布為柔軟的小孔隙高強(qiáng)材料，該類材料具有良好的反慮性，即允許自由水排出而顆粒無法通過。因此，漿液在不斷充填過程中會(huì)在注漿壓力作用下不斷析出多余的自由水，使得漿液不斷發(fā)生“壓濾效應(yīng)”進(jìn)而加快漿液凝結(jié)時(shí)間，也可以不斷提高漿液結(jié)石體強(qiáng)度，顯著提高施工工效和止?jié){能力。與此同時(shí)，由于長絲機(jī)織土工布為柔軟性材料，形狀會(huì)隨凹凸不規(guī)則孔壁變化，真正能夠達(dá)到密實(shí)壓合在孔壁的效果，形成有效封堵長度，防止高壓灌漿時(shí)孔口跑漿，起到止?jié){的作用。

2 壓濾式膜袋封孔止?jié){工藝

壓濾式膜袋封孔注漿結(jié)合隧洞內(nèi)施工場地狹窄、洞內(nèi)有淤泥積水等特點(diǎn)，在很大程度上簡化了程序，主要工藝流程圖如圖2所示。

圖2 超前預(yù)注漿工藝流程

2.1 膜袋止?jié){塞制作

壓濾式膜袋封孔止?jié){塞的主要材料為密度200 g/m2左右的長絲機(jī)織土工布、DN20無縫鋼管(進(jìn)漿管)、DN8無縫鋼管(膜袋進(jìn)漿管)、小直徑橡膠皮軟管以及捆綁鉛絲和膠帶，具有制作加工簡單、可根據(jù)現(xiàn)場情況靈活制作、材料成本低廉等特點(diǎn)(見圖3)。制作加工工具為手持式縫包機(jī)，膜袋徑向尺寸根據(jù)鉆孔孔徑而定，一般取鉆孔孔徑的30%～50%，止?jié){塞長度根據(jù)裸露巖體的裂隙情況、出水點(diǎn)位置等現(xiàn)場實(shí)際情況按需設(shè)計(jì)。

圖3 壓濾式膜袋封孔止?jié){塞

2.2 膜袋注漿工藝

采用全液壓一體鉆機(jī)鉆孔，鉆孔深度保證在隧洞軸線上的投影長度為28.5 m，孔徑為Φ108 mm。待鉆孔完成后，將制作好的壓濾式膜袋封孔止?jié){塞置入注漿孔內(nèi)的設(shè)計(jì)孔深處(見圖4)，并采用小排量注漿泵注入水灰比為0.8～0.5的普通純水泥漿液，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.5 MPa時(shí)結(jié)束注漿，待凝時(shí)間15 min。此外，在膜袋止?jié){塞注漿充填過程中(特別是有較大涌水壓力的灌漿孔)為防止止?jié){塞被沖出或滑落需人工采用簡易工具臨時(shí)固定，待止?jié){塞內(nèi)漿液充填飽滿后即可拆除。

圖4 膜袋注漿施工

2.3 地層注漿工藝

待壓濾式膜袋封孔止?jié){塞完成后進(jìn)行地層注漿，注漿孔按照分序加密的原則進(jìn)行，從頂拱—邊墻—底板交替施作，并逐漸對掌子面進(jìn)行注漿封閉，形成封閉的阻水圈。注漿材料一般以注入單液水泥漿為主，遇到大涌水時(shí)調(diào)整為水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力參照帷幕灌漿采用的壓力范圍2倍～3倍水頭進(jìn)行調(diào)整，不小于1 MPa。注漿結(jié)束條件應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和工程要求確定，一般情況下，當(dāng)灌漿段在設(shè)計(jì)壓力下，注入率小于1 L/min后，繼續(xù)灌注30 min，即可結(jié)灌漿。需要注意的是，掌子面集中涌水點(diǎn)水量較大時(shí)，可在超前預(yù)注漿后于集中涌水點(diǎn)附近布置泄壓孔，然后先封堵集中涌水點(diǎn)部位，降低涌水流速，使水流由股狀泄水轉(zhuǎn)為線狀流水，再封泄壓孔，最后達(dá)到將掌子面涌水封堵的目的。注漿完成后開挖24 m，預(yù)留4 m搭接長度，作為下一個(gè)循環(huán)預(yù)注漿的掌子面。

3 壓濾式膜袋封孔止?jié){機(jī)制

在注漿過程中，膜袋封孔需要承受來自注漿管注入漿液的擠壓作用，當(dāng)漿液在上述擠壓力的作用超過封孔漿體與孔壁之間的咬合力，漿液就會(huì)沿著膜袋與鉆孔的邊壁流出，膜袋封孔時(shí)效。因此，需要設(shè)計(jì)合理的封孔止?jié){長度、膜袋注漿壓力以及地層注漿壓力。

對膜袋封孔止?jié){能力進(jìn)行分析，作如下假定：

(1)膜袋內(nèi)的漿體在不同封孔高度上為均質(zhì)、各向同性且不可壓縮的流體。

(2)封孔止?jié){過程中漿液保持流型不變，除注漿孔附近外，服從同心環(huán)狀層流運(yùn)動(dòng)。

(3)地層注漿壓力均勻的作用在鉆孔孔壁與灌漿管之間縫隙內(nèi)膜袋底部。

(4)地層注漿時(shí)的漿液在軸向注漿壓力的作用下僅產(chǎn)生軸向變形。

根據(jù)上述假設(shè)(1)—(4)，可建立膜袋封孔止?jié){模型，如圖5所示。

圖5 膜袋封孔止?jié){模型

如圖5所示，取dx分析段進(jìn)行受力分析，若假設(shè)注漿壓力為P，封孔段漿液單元的應(yīng)力為σ，膜袋與鉆孔孔壁之間的黏滯力為τ1，注漿漿液與注漿管壁之間的黏滯力為τ2。則根據(jù)軸向力的平衡可得：

Sdσ=τ1(x)πR2dx+τ2(x)πR1dx

(1)

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，黏滯力與相應(yīng)的相對位移成正比，則有：

(3)

(4)

式中:K1為膜袋與鉆孔邊壁的剪移比例系數(shù)，MPa；K2為膜袋與注漿管接觸面的剪移比例系數(shù)，MPa；B=(R2-R1)/2。

將式(3)、式(4)代入式(2)得：

(5)

式中:D1、D2為常數(shù)。

對式(5)兩邊分別求兩階導(dǎo)，可得：

(6)

將式(2)求導(dǎo)代入式(6)得：

(7)

對式(7)求導(dǎo)，可得：

(R2τ1(x)+R1τ2(x))″=

(8)

解微分方程(8)，得出：

(9)

式中:C為積分常數(shù)。

當(dāng)設(shè)計(jì)的膜袋封孔長度為L時(shí)，膜袋與邊壁的起裂壓力為P0時(shí)，壓濾式膜袋封孔止?jié){的控制方程為：

(10)

由上式可知，壓濾式膜袋封孔止?jié){能力與封孔長度、注漿漿液性能、膜袋注漿壓力以及鉆孔孔壁與注漿管之間縫隙的開度有關(guān)。

4 工程應(yīng)用

山西省中部引黃水源工程是國家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，地處天橋泉域排泄帶，地下水極其豐富，且具有一定的承壓性，引水隧洞和泄水洞均在地下水位線以下，巖性以奧陶系灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及泥灰?guī)r地層為主，隧洞穿越規(guī)模較大的斷層2條，斷距約50 m，Ⅴ類圍巖占70%左右，開挖過程中涌水量大(單孔涌水量達(dá)到120 L/min～150 L/min)、出水點(diǎn)多、有較大的承壓力，泥灰?guī)r遇水后迅速軟化成泥，掌子面附近淤泥堆積，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量。

本次應(yīng)用以2#引水隧洞Y0+825.4—Y1+454.3樁號(hào)段為例，該段巖層呈近水平狀，隧洞洞頂和底角各有一層約0.2 m厚泥灰?guī)r，掌子面巖體破碎、裂隙發(fā)育、涌水量大且具有承壓力，探孔單孔涌水量達(dá)到150 L/mim，單斷面最大涌水量可達(dá)40 m3/s針對該施工特點(diǎn)，為增加圍巖穩(wěn)定性和減小出水量，制定了超前預(yù)堵水灌漿方案。灌漿壓力采用0.5 MPa～0.7 MPa，循環(huán)搭接長度為2 m。超前預(yù)注漿面臨以下幾個(gè)難點(diǎn)：灌漿掌子面為沒有蓋板的裸露破碎基巖，表層因本身巖性較差和開挖放炮裂隙發(fā)育；掌子面裂隙涌水量大、出水點(diǎn)多且分散；部分洞段為泥質(zhì)灰?guī)r，硬度低遇水變軟承載力不強(qiáng)等。按有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范規(guī)程和常規(guī)的灌漿施工經(jīng)驗(yàn)，超前預(yù)注漿孔的方向多為垂直于掌子面或小角度傾斜，無法形成有效高度壓差，實(shí)現(xiàn)自流跑漿，通常采用橡膠漿止塞、止?jié){閥，或采用棉紗、麻料等材料攥緊灌漿管、設(shè)置止?jié){墻、再或采用新材料實(shí)現(xiàn)“以漿止?jié){”封閉法。以上封閉方式在地下水豐富且地質(zhì)條件復(fù)雜地層中使用因封閉范圍小、封閉長度短、承壓小、工藝復(fù)雜等問題，不能起到很好的效果。

結(jié)合2#引水隧洞的施工與地質(zhì)條件、目前涌水以及根據(jù)超前探孔和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭露即將出現(xiàn)更大涌水且有水壓的實(shí)際情況，并在借鑒其他類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術(shù)，以此解決涌水壓力高、流速快且施工難度大的高難堵水灌漿施工難題。

膜袋封孔注漿在10 min內(nèi)可快速完成，超前預(yù)注漿過程中，孔口沒有明顯漏漿，灌漿時(shí)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)灌漿壓力，大大縮短了超前堵水灌漿時(shí)間、提高了堵水灌漿質(zhì)量；改為壓漿式膜袋封孔的超前預(yù)注漿后，開挖進(jìn)度由每月開挖支護(hù)50 m～60 m大幅度提高到了每月開挖支護(hù)140 m左右，施工進(jìn)度明顯加快。開挖后洞身巖層滲水較以前明顯減少，降低了地下洞室群的抽排水負(fù)荷。

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種快速、有效的膜袋封孔工藝，該工藝所需材料市場常見易購置，膜袋制作簡單，工藝易操作。

(2) 建立了膜袋封孔止?jié){模型，為膜袋封孔長度和膜袋注漿壓力提供理論依據(jù)。

(3) 通過現(xiàn)場應(yīng)用表明，壓漿式膜袋封孔很好的解決了隧洞開挖在大涌水地層且地質(zhì)復(fù)雜條件中超前預(yù)注漿存在的不起壓、孔口跑漿等問題，且具有制作加工簡單、操作工序簡便、材料成本低廉特點(diǎn)。實(shí)踐表明壓漿式膜袋封孔工藝具有很好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，為今后類似的工程提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。