山嶺隧道高壓富水段超前注漿堵水實施效果試驗研究

周鵬飛

（中鐵十六局集團路橋工程有限公司 北京 101500）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，為迎合發(fā)展趨勢就需要促進區(qū)域經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展，因此對建設更發(fā)達更全面的交通網(wǎng)絡有了更高的要求，高速公路、地鐵、高速鐵路、隧道等的建設需求越來越大。在長隧道施工過程中，由于隧道施工的地理位置不同，施工中會產(chǎn)生大量的水和水壓，外部水壓主要受地下水水頭和地下水處理方式影響，與圍巖成拱效應無關［1-2］，但采用全排單一施工方案很難按時完成施工任務，且施工過程風險很大。

目前，在對高壓富水隧道施工處理技術上，眾多研究技術人員作出了大量的研究貢獻，取得了顯著的科研成果。房倩等人［3-5］研究了注漿堵水技術在隧道的應用，張健儒［6］為降低圍巖的滲透系數(shù)使用了超前預注漿堵水的方法，張民慶等人［7］根據(jù)出現(xiàn)齊岳山隧道所出現(xiàn)的高壓裂隙水問題，提出使用普通水泥單漿和普通水泥-水玻璃雙漿注漿堵水方法，且這種方法取得了良好的效果，并在實際工程中得到廣泛應用。但目前還沒有相對成熟的施工技術和經(jīng)驗，能有效解決水壓大于6 MPa 的富水隧道問題。根據(jù)2012 年6月21～22 日召開的“中天山隧道斜井工區(qū)高壓富水段施工方案論證會”，專家對解決高壓富水段施工問題，提出了“注漿減排、排水降壓”的方法［8］，有效地減少了排水量，降低施工安全風險，解決高壓高富水地段施工難度大、施工風險高的問題。

1 注漿材料及工藝控制

注漿施工中主要采用3 種注漿材料，分別是普通水泥單液漿（簡稱C 漿）、普通水泥-水玻璃雙液漿（簡稱C-s 漿）和硫鋁酸鹽水泥單液漿（簡稱AL 漿）。首先采用以C 漿為主，C-s漿為輔的注漿方式進行試驗，而C-s漿是在上述2種注漿材料不能達到預期效果時使用。各注漿材料配比情況如表1所示。

表1 漿液配比參數(shù)Tab.1 Slurry Ratio Parameter

在注漿施工中，注漿材料的選擇與配比可根據(jù)現(xiàn)場情況的不同進行調(diào)整。首先，使用普通水泥漿作為初始注漿液進行注漿，當出現(xiàn)串漿的現(xiàn)象隨之發(fā)生在排水孔內(nèi)時，應使用普通水泥漿-水玻璃雙漿液進行封堵。其次，如果能夠起到良好的封堵注漿作用，之后注漿就可選用普通水泥漿單漿來代替普通水泥漿-水玻璃雙漿，從而減少材料用量。最后，當注漿壓力處于3 MPa 至設計終孔壓力之間時，使用硫鋁酸鹽單漿進行注漿，至注漿完成。

施工過程中注漿順序如下：

⑴先鉆設C3、C6、C9、C13、C16、C19 孔作為注漿孔使用，之后當需要對地質(zhì)情況進一步判斷時，這些孔也可作為超前地質(zhì)探孔使用，并可使用所得的數(shù)據(jù)對設計方案進行動態(tài)優(yōu)化。

⑵應采用“由外往內(nèi)、由上往下、間隔跳孔”的原則進行施工。每排注漿孔數(shù)為奇數(shù)（偶數(shù)）的孔先施工，再施工偶數(shù)（奇數(shù)）孔。局部大水量地區(qū)注漿結(jié)束后，應進行有針對性的加固灌漿。

2 注漿效果評價與分析

2.1 鉆孔涌水量

⑴根據(jù)加固注漿施工時不同時間的鉆孔最大涌水量的變化，所得數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 鉆孔涌水量時間效應Fig.1 Time Effect of Borehole Water Inflow

如圖1 所示，各鉆孔的最大出水量各不相同。在試驗中，前9 個試驗注漿孔最大出水量為239 m3/h，平均出水量為176 m3/h。通過注漿，堵塞了較大的寬張裂縫，取得了一定的堵水效果。下兩輪鉆孔完成后，大部分水裂縫已被堵塞，工作面8 個注漿孔的涌水量明顯減少，平均12 m3/h，達到了注漿減排量的預期效果。

⑵注漿堵水率

各施工階段鉆孔所統(tǒng)計的最大涌水量和計算所得的堵水率如表2所示。

由表2 可知，在鉆井施工過程的前9 個測試孔，平均進水量為176 m3/h。頂水注漿后，單孔平均最大涌水量在外圈孔施工期間為35 m3/h，堵水率為80%。外圈孔堵水注漿較為明顯。當注漿施工由外向內(nèi)進行時，完成內(nèi)圈孔施工后，其堵水率為85%。當完成3個圓形注漿孔后，掌子面8 個注漿孔的最大平均入水量為12 m3/h，堵水率為93%，達到預期堵水效果。

表2 注漿堵水率Tab.2 Grouting Water Blocking Rate

⑶P-Q-t曲線

P-Q-t曲線如圖2 所示，顯示了在循環(huán)鉆孔注漿施工過程中注漿壓力和注漿量隨注漿時間的變化。

注漿封堵地層出口寬裂縫時，注漿過程中涌水量大注漿孔的P-Q-t曲線如圖2?所示，初始壓力約為2 MPa，初始壓力增長到最終壓力期間，壓力變化主要分為2～4 MPa 期間緩慢增長、4～7 MPa 期間快速增長、7 MPa 至最終壓力期間指數(shù)增長3 個階段。最后指數(shù)增長階段注漿流量逐漸減少，最后達到設計結(jié)束標準。

注漿過程中部分含水率較低孔的P-q-t曲線如圖2?所示，初始壓力仍為2 MPa 左右，與涌水量最大孔的P-Q-t曲線所示的變化情況相近。注漿壓力增長速度逐漸加快，最后成指數(shù)增長趨勢，但地層吸漿量較小。隨著注漿壓力增大至設計注漿壓力后，將漿液填滿出水裂縫并壓實，達到預期堵水效果。

圖2 注漿P-Q-t曲線Fig.2 Grouting P-Q-t Curve

2.2 檢查孔注漿效果

當完成注漿后，應根據(jù)循壞鉆孔注漿施工過程中的出水區(qū)域分布情況鉆設檢查孔檢查注漿完成的效果情況，也可在注漿薄弱區(qū)域來選擇鉆設位置［9］。而且在檢查完成之后，檢查孔可作為補充注漿孔來使用。檢查孔均為終孔斷面鉆設，共布設8個，鉆設孔深為28 m（含止?jié){墻），其開孔和終孔位置如圖3所示，出口涌水量情況如圖4 所示。除了鉆設檢查孔之外，還要鉆設徑向終孔，位置應位于開挖輪廓邊界5 m以內(nèi)。

圖3 檢查孔開、終孔布置Fig.3 Inspection Hole Opening and Final Hole Layout

圖4 檢查孔出水情況Fig.4 Check the Water out of the Hole

通過注漿后地層滲透系數(shù)公式：

式中：kg為注漿后的地層系數(shù)（m/d）；Q為穩(wěn)定流量（m3/d）；l為注漿孔長（m）；S為水位差、水頭壓力（m）；r為鉆孔半徑（m）。

當注漿后地層滲透系數(shù)達到10-4～10-5cm/s 時才能滿足開挖要求；

本循環(huán)右線注漿效果檢查：檢查孔長度為20 m（不含止?jié){墻）；漿結(jié)束后，在左側(cè)泄水孔泄水情況下水頭為200 m；鉆孔孔徑為90 mm。

當取滲透系數(shù)為5×10-5cm/s 時，單孔涌水量Q為6.8 m3/h；每延米涌水量為5.65 L/m·min。

從表3 所得到8 個檢查孔的終孔水量均小于5.65 L/m·min，滿足開挖要求。在鉆設檢查孔時，鉆孔速度快，而且沒有卡鉆現(xiàn)象，滿足標準要求的檢驗效果。

表3 檢查孔各段出水情況Tab.3 Check the Water Output of Each Section of the Hole

2.3 檢查孔孔內(nèi)成像測試

采用孔內(nèi)成像技術對鉆出的檢查孔進行檢測。檢測結(jié)果表明，檢查孔內(nèi)壁光滑、成孔良好，沒有出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象；但孔壁上出現(xiàn)有明顯的注漿痕跡，且孔壁上的細小裂縫及巖石與注漿接觸面有出現(xiàn)噴、冒水現(xiàn)象，從而造成孔內(nèi)涌水的情況。孔內(nèi)成像檢測的截圖如圖5所示。

圖5 檢查孔孔內(nèi)攝像測試情況Fig.5 Check the Camera Test Situation in the Hole

2.4 注漿安全風險與成效

通過注漿試驗，得出在處理6.3 MPa 高水壓破碎圍巖問題采用全斷面超前注漿的方法是可行的，并通過加強注漿堵水來降低支護結(jié)構(gòu)的外水壓力。通過超前注漿的方法將高壓水推至開挖輪廓線之外，并且在一定區(qū)域內(nèi)加固地層，從而能使隧道開挖能在低水量的情況下進行，更直接有效地確保了隧道開挖的安全。

⑴普通水泥單漿液為本次注漿試驗所主要使用的注漿材料。在這次實際注漿過程中論證了其可注性的配合比設計，驗證了漿液在工程中的可泵性，為下一步的注漿確定了良好合理的注漿參數(shù)。

⑵在注漿過程中，應根據(jù)當?shù)厍闆r選擇注漿段的長度。對于全斷面提前堵水注漿，注漿加固長度應控制在為25～30 m，且要采用分段提前注漿。注漿加固的長度根據(jù)勘探孔的地質(zhì)條件確定，地質(zhì)條件較好時，長度增大，若不好，則長度減小。設計注漿段長度不應超過30 m，防止出現(xiàn)鉆孔注漿效果降低、最后一段注漿效果差等情況。

⑶確保注漿墻的質(zhì)量和厚度。根據(jù)本次注漿試驗的早期階段的注漿施工，可以看出止?jié){墻在注漿工程中起著重要作用，止?jié){墻是確保鉆孔灌漿施工進行和隧道安全的最后一道防線。在6.3 MPa 的高水壓下，注漿墻厚度應控制在5～8 m 范圍內(nèi)，材料選用C30混凝土。

⑷鉆孔注漿設備應滿足抵抗高壓水的要求。鉆井設備要選擇鉆井能力先進的鉆機，鉆機必須要能承受高壓水，并配有高壓水泵，現(xiàn)場使用2.1 MPa 高壓空壓機和15.0 MPa 高壓水泵，深孔和淺孔交替使用，淺孔鑿巖機采用風鉆空壓機，深孔采用金剛石高壓注漿泵供水，因而對鑿巖機的要求較高，鑿巖機應能同時進行風鉆和水鉆；注漿設備還應選用高壓注漿泵，現(xiàn)場采用15.0 MPa的高壓注漿泵。

⑸泄水降壓非常重要。在注漿前，應先打開排水泄水孔來確保灌漿施工的安全。當注漿完成后，為保證施工作業(yè)能在低壓開挖進行，還要在開挖前設置降壓孔，設置位置在注漿加固圈外。

⑹降壓孔和注漿孔之間的距離應該增加，和單液和雙液注漿材料應該相互結(jié)合使用。

3 注漿進度分析

根據(jù)對試驗階段的鉆孔注漿長度和時間的分析，沒循環(huán)所設計鉆孔的99個孔，其正常情況下長度需要約6 450 m（包括反復掃孔長度）。鉆機的平均鉆孔效率約為8 min/m，一個循壞的鉆孔時間約為32 d，注漿每循壞所需時間約為37 d。鉆孔效率和進度分析如表4所示。

表4 循環(huán)注漿進度分析（30 m，8 m加固圈）Tab.4 Circulating Grouting Schedule Analysis（30 m，8 m Reinforcement Circle）

4 注漿經(jīng)濟性分析

4.1 第一循環(huán)注漿試驗段施工分析

施工的第一個注漿循壞開始日期為3 月22 日，之后4 月6 日因止?jié){墻出現(xiàn)裂縫而停止施工，主要原因為止?jié){墻受高水壓的影響所造成。根據(jù)項目管理中心在5 月19 日的指示選擇在掌子面局部區(qū)域進行注漿試驗工作。之后在6月22日舉行的會議，專家確定了“減壓注漿泄水”的施工原則，繼續(xù)實施循環(huán)注漿，直至8 月8 日完成。試驗段在6.3 MPa 高水壓條件下鉆孔注漿為國內(nèi)首次。因此有必要在不斷的試驗中探索和總結(jié)經(jīng)驗，著同樣也造成了在試驗過程中施工時間長，投資成本高的問題。

⑴在2012 年3 月16 日，引入了RPD-180C 鉆機且配備了專業(yè)的團隊，進行建設的第一個循壞全斷面超前注漿涌水處理試驗部分。2012年8月8日完成了第一循壞注漿施工。

⑵根據(jù)涌水處理施工方案，在第一次循環(huán)注漿施工過程中還增加了止?jié){墻。第一道止?jié){墻厚4 m，但由于現(xiàn)場實際水壓過大，導致止?jié){墻開裂，然后施工第二道止?jié){墻，墻厚為5 m。

4.2 注漿費用分析

結(jié)合第一循環(huán)試驗段施工情況，在正常施工情況下，每循環(huán)注漿的開挖工期約50 d，一循環(huán)超前注漿按加固30 m（含5 m止?jié){墻）考慮，開挖17 m；設計鉆孔99孔，總計鉆孔數(shù)量預計6 500 m（含重復掃孔）；預估注漿量為1 200 m3。每延米注漿估算費用與設計院在方案中給定的指標相差較大，經(jīng)分析主要原因如下：

⑴隧道注漿鉆孔定額采用《鐵路路基隧道工程預算定額》（鐵建設〔2004〕47號）中的相關定額進行編制，其中MK-5 鉆機僅適用于低水壓及軟弱圍巖條件下施工。由于中天山隧道水壓高達6.3 MPa，且閃長巖石英含量高，強度大，MK-5 鉆機根本無法達到施工需要。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，可采用RPD-180C 多功能鉆機進行鉆孔。

⑵由于隧道地層水壓高達6.3 MPa 且地層為閃長巖，圍巖強度較高，耐磨性好，鉆孔難度大，效率極低，鉆具消耗大。通過試驗段鉆孔進度及鉆具消耗統(tǒng)計，試驗段平均每小時鉆孔長度約6 m，是正常鉆進速度的1/3（正常段圍巖段每小時鉆孔長度18 m）；鉆具消耗也比正常施工段多消耗4 倍（正常情況下每鉆進500 m消耗1根鉆桿，而試驗段每100 m就消耗1根）。

⑶由于水壓高達6.3 MPa，注漿只能采用前進式分段注漿，造成實際鉆孔長度遠大于設計理論鉆孔長度，根據(jù)第一循環(huán)現(xiàn)場實際簽認統(tǒng)計，實際鉆孔長度達到設計的217%。

⑷ 設計方案注漿量第一循環(huán)21 m 注漿工程量為203 m3。但由于水壓力高達6.3 MPa，為保證注漿效果，實際采用了較高的注漿壓力，致使?jié){液擴散損失較大，實際注漿量遠大于設計量。根據(jù)第一循環(huán)現(xiàn)場實際簽認統(tǒng)計，其注漿量為936 m3，實際注漿量和設計方案中注漿量出入較大。

5 結(jié)論與建議

隨著地下工程施工的發(fā)展，在眾多相關技術人員不斷努力完善堵水注漿技術下，注漿材料、注漿機械、注漿工藝都有著極大的進步和發(fā)展，并廣泛應用在很多隧道施工中。然而，由于地底的裂縫錯綜復雜，在施工中技術人員很難把控注漿漿液在裂縫中的運動軌跡，只能根據(jù)注漿漿液凝固后的形狀和尺寸來間接判斷注漿效果，這使得在注漿工程中需要對注漿工藝有豐富經(jīng)驗的工程技術人員，如此一來注漿技術的完善還需要研究人員及技術人員的不斷探索和研究。

⑴在“注漿減排、排水降壓”的原則下，采用全斷面超前注漿的方法可以有效解決水壓大于6.3 MPa 的富水隧道問題。

⑵在注漿時，泄壓孔與注漿孔之間的距離不能太過靠近，要有一定的距離。

⑶試驗所選用普通水泥單液漿與水泥-水玻璃雙漿液注漿材料相結(jié)合使用的方法（以單液為主、雙液為輔）使試驗結(jié)果達到預期效果。

⑷工程所采用的滿足鉆孔、注漿設備的機械費用較其它機械而言費用所需很大，因此在鉆孔、注漿過程中，盡可能在滿足堵水的同時提高施工效率。