雙液注漿技術在獅子山隧洞突水突泥處理中的應用研究

劉 浩

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 豐潤 064000)

隨著經濟社會的發(fā)展，基礎設施的建設越來越受國家重視。但在工程建設過程中不可避免遇到各種災變問題，其中突水突泥災害頻繁出現(xiàn)。對于突水突泥的災害治理已經為學者所重視并取得一定的研究成果[1-2]，但是目前的研究主要集中于漿液本身的凝結和配合比設計，鮮有涉及雙液注漿技術的研究[3-4]。本文以滇中引水工程獅子山隧洞為依托工程，對雙液注漿的應用效果進行研究，研究結果可為依托工程及類似工程的設計、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

滇中引水工程獅子山隧洞主洞全長21.172km，隧洞凈空斷面尺寸為9.2m×9.2m。隧洞共設四條施工支洞，其中4號支洞為永久檢修支洞。獅子山隧洞3號支洞與主洞交叉樁號為DLII41+515.361。突水突泥部位位于獅子山隧洞3號支洞主洞控制段上游側，隧洞埋深約453.513m。獅子山隧洞縱斷面見圖1。

1.2 地質概況

突涌部位位于FⅢ-71斷層構造破碎帶附近，地層巖性為斷層角礫巖、凝灰質角礫巖、斷層泥，受構造擠壓作用，斷層帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，結構破碎，強度低，擠壓變形問題突出，頂拱及邊墻易發(fā)生塌方失穩(wěn)破壞，存在線狀至股狀流水現(xiàn)象，突水突泥風險高，垮塌范圍主要集中于隧洞中部及頂部，其影響范圍左側向外向下游方向延伸，右側向外向上游方向延伸。

2 現(xiàn)場概況

2.1 突水突泥

第1次突水突泥：2020年11月28日，隧洞出渣過程中發(fā)生第一次突水突泥事件(見圖2)，突水突泥突涌體總量約3000m3，突泥約1200m3，突水約1800m3，突涌長度約54m。因現(xiàn)場決策正確、及時，突水突泥未造成人員傷亡事故。突水突泥發(fā)生后，制定了施工超前大管棚通過突涌施工段的施工方案。

圖2 現(xiàn)場突水突泥情況

第2次突水突泥：2021年3月6日，在對DLII40+147.6處進行更換拱架過程中發(fā)生了第二次突水突泥事件(見圖2)，拱頂排水管水量忽大忽小、由清變渾濁，拱頂發(fā)生異響，突涌體總量約5200m3，突泥約2800m3，突水約2400m3，突涌長度約124m，造成現(xiàn)場一臺濕噴機被困。同時造成已施工完成的超前大管棚折斷4根(順水流右側)。

2.2 水量變化

突水突泥的發(fā)生與地下水的變化密不可分，通過對突涌部位水量、水質、水色的變化情況進行定時觀測、統(tǒng)計，得到如下結論：

a.第1次突水突泥前，掌子面為線狀裂隙水，單位時間出水量在3～5m3/h左右，水質清澈透亮，無雜質。突水突泥發(fā)生前線狀滲水水色由清澈轉渾濁色，水中含有泥沙懸浮物。

b.第1次突水突泥后，在掌子面拱頂處出現(xiàn)兩處股狀涌水，股狀涌水水量基本穩(wěn)定在60～70m3/h，水質清澈，無雜物。

c.第2次突水突泥發(fā)生前拱頂排水管水量忽大忽小、水質由清變渾濁。

d.第2次突水突泥后股狀涌水水量減少，涌水量基本穩(wěn)定在45m3/h，無明顯變化。

2.3 超前地質預報

為進一步探明突水突泥發(fā)生的誘因，項目部采用了物探結合鉆探的施工方法進行了超前地質預報，預報結果如下：

物探：推測突涌部位為 FⅢ-71斷層構造破碎帶，地層巖性為斷層角礫巖、凝灰質角礫巖夾斷層泥，斷層帶內巖體結構破碎，強度低，頂拱及邊墻易發(fā)生掉塊、塌方失穩(wěn)破壞，發(fā)育線狀至股狀流水現(xiàn)象，突水突泥風險高，圍巖極不穩(wěn)定，預判圍巖類型為Ⅴ類。

鉆探：鉆探結果顯示，DLII40+151.0～DLII140+35.0段圍巖巖性為凝灰質火山角礫巖，局部為泥質充填，巖體結構破碎，圍巖整體強度低，存在卡鉆現(xiàn)象，存在股狀涌水及線狀水出露，綜合判定為Ⅴ類圍巖。DLII40+135.0～DLII40+131.0段節(jié)理裂隙發(fā)育，較破碎，圍巖強度較高，鉆進速度勻速較慢，綜合判定為Ⅴ類圍巖。

2.4 綜合分析

通過兩次突水突泥的規(guī)模比較、涌水量變化及超前地質預報分析，發(fā)現(xiàn)受斷層構造破碎帶影響，在地下水的作用下，斷層泥、角礫巖填充的排水通道隨地下水向已開挖掌子面遷移并且進一步打開，突水突泥是地下水與斷層帶破碎巖體(或斷層泥)相互作用下的共同產物。第二次突水突泥規(guī)模較第一次勢頭更大，僅采用超前大管棚施工不足以通過突涌段落，需要進一步加強超前預支護措施以通過該不良地質洞段。

3 雙液注漿技術應用

通過對掌子面前方超前地質預報結果、突涌物及地下水變化等綜合分析，突水突泥的產生，與地下水對巖體或斷層泥的浸濕、沖刷等破壞作用有關，要保證隧洞開挖支護通過突涌段的安全性、穩(wěn)定性，必須采用相應的排水措施或堵水措施，以消除或減輕地下水對隧洞施工造成的安全隱患。雙液注漿技術能夠有效處理地下水涌水量較大(單孔涌水量大于30L/min)、突水突泥等不良地質洞段，因此擬對突涌段應用超前預灌漿雙液注漿技術以安全平穩(wěn)地通過突涌段落。

3.1 超前預灌漿設計

止?jié){墻施工完成后(止?jié){墻厚2m,施工里程為DLII40+153.5～DLII40+151.5)，對DLII40+153.5～DLII40+123.5進行超前預灌漿施工，超前預固結灌漿的固結范圍為開挖輪廓線外5m范圍內，隧底以開挖輪廓線為界進行控制，隧洞輪廓線以內不灌漿。

3.1.1 孔位設計

超前預灌漿灌漿孔漿液擴散范圍按100cm設計，共設計六環(huán)超前灌漿孔，每環(huán)21孔，合計126孔。按環(huán)間分序、環(huán)內跳孔的原則進行注漿，第一環(huán)、第三環(huán)、第五環(huán)為Ⅰ序環(huán)，第二環(huán)、第四環(huán)、第六環(huán)為Ⅱ序環(huán)。超前預固結灌漿先施工Ⅰ序環(huán)孔，后施工Ⅱ序環(huán)，Ⅱ序環(huán)作為Ⅰ序環(huán)的檢查孔，如Ⅰ序環(huán)灌漿效果不理想，則利用Ⅱ序環(huán)進行補灌。超前預灌漿布孔見圖3。

圖3 注漿設計

3.1.2 漿液配合比設計

考慮到掌子面局部涌水量較大(集中出水量約45m3/h，Q>30L/min)，若只采用普通水泥單液漿無法完全起到堵水止水的目的，因此，超前預灌漿注漿施工漿液采用普通水泥(摻加rw-HPC注漿專用水泥添加劑)+水玻璃漿液雙液漿。rw-HPC注漿專用水泥添加劑添加至普通硅酸鹽水泥中能夠起到縮短凝結時間、提高漿體結石率、降低漿體的壓力泌水率、提高巖體的抗壓強度等綜合作用。

根據(jù)雙液注漿生產性試驗確定的漿液配合比，最終確定的注漿材料及規(guī)格型號、配合比如下：42.5級普通硅酸鹽水泥，rw-HPC注漿專用水泥添加劑，水玻璃模數(shù)2.4～3.4，波美度35；水泥和rw-HPC注漿專用水泥，添加劑為均為粉狀料，單位膠凝材料所含水泥比例為85%，含rw-HPC注漿專用水泥添加劑比例為15%。水泥漿水灰比0.8 ∶1～1 ∶1(質量比)，水泥漿 ∶水玻璃漿=1 ∶0.6～1 ∶1(體積比)(見表1)，施工過程中根據(jù)具體情況適當調整配合比。

表1 漿液配比參數(shù)

3.1.3 注漿壓力控制

注漿的擴散機理包括滲透擴散、劈裂擴散、裂隙填充、擠壓填充。結合突涌段地層情況，選用劈裂注漿方式能夠較好地起到堵水、固結巖體的效果。

注漿終止壓力的控制很大程度上決定注漿能否達到預期效果，如注漿終止壓力過小則漿液無法對地層裂隙填充密實，擴散范圍無法達到注漿設計時所確定的范圍，起不到注漿堵水的效果。擴大注漿終止壓力，可以使注漿擴散范圍進一步得到保證，提高漿液和圍巖結石體的強度和不透水性，但劈裂注漿終止壓力過大容易引起地層裂隙增大，因此需要通過生產性試驗確定合理的注漿終壓，實現(xiàn)注漿擴散范圍可控。

通過注漿生產性試驗，當注漿終止壓力為3～5MPa時能夠起到較好的固結堵水效果，同時注漿過程中必須對注漿壓力不斷進行觀察控制并通過注漿記錄儀對相關注漿參數(shù)進行實時記錄。

3.2 注漿結束標準

當灌漿段在最大設計壓力下，注入率不大于1L/min繼續(xù)灌注30min，即可結束灌漿。無法達到上述標準時，可視具體情況，采用定量法或定壓法確定結束標準。

通過生產性注漿試驗，在最大注漿壓力5MPa條件下，注入率在30～40L/min左右，如繼續(xù)注漿，雖注入率會下降，但注漿壓力會迅速上升至10MPa以上。也就是注入率在當前條件下無法降低至1L/min的停漿標準，如果以1L/min作為注漿結束標準，既不現(xiàn)實又會造成漿液流失、時間浪費等問題。

結合分序跳孔注漿的鉆孔注漿流程，采用定量、定壓相結合的注漿結束標準進行注漿。對同環(huán)內Ⅰ序孔采用注漿終壓(3MPa)+注入率(50～60L/min)作為停漿標準，Ⅱ序孔采用定注漿終壓(5MPa)+注入率(30～40L/min)作為停漿標準。同時按照多孔少注的原則進行注漿量控制，如果一個孔注漿量很大，其他孔注漿量很少，會造成固結范圍內注漿均一性較差。因此采用定量、定壓相結合的注漿方式可以使每個注漿孔都發(fā)揮其應有的作用，實現(xiàn)預期注漿效果。

3.3 注漿效果檢查

按照超前預灌漿設計，鉆孔注漿施工時先施工Ⅰ序環(huán)孔(第一、三、五環(huán)孔，每環(huán)21孔，共63孔)，后施工Ⅱ序環(huán)孔(第二、四、六環(huán)孔，每環(huán)21孔，共63孔)。Ⅰ序環(huán)孔施工完成后采用壓水試驗進行了注漿效果檢查，壓水試驗孔為4孔(不小于灌漿孔總數(shù)的5%)，每5m一個試段。Ⅰ序環(huán)孔施工完成后在注漿達到預期效果的條件下取消了Ⅱ序環(huán)孔施工，為加快通過突涌段提供了安全保障、進度保障?，F(xiàn)場注漿見圖4。

圖4 現(xiàn)場注漿情況

4 結 語

獅子山隧洞3號支洞上游側突泥涌水處理過程中，首次使用了rw-HPC注漿專用水泥添加劑，通過生產性工藝試驗合理確定了雙液注漿的漿液配比，并利用定量、定壓相結合，多孔少注的注漿方式實現(xiàn)了注漿堵水、固結巖體的雙重目的，為隧洞安全、平穩(wěn)、快速地通過突涌段提供了必要保障。同時通過上述施工技術的使用，減少了超前鉆孔注漿量，節(jié)省了施工工期，提高了經濟效益，為類似工程地質條件下的決策、設計、施工提供了借鑒經驗。