深埋隧道富水破碎帶區(qū)堵水灌漿材料應(yīng)用

李曉兵

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著中國西部開發(fā)的深入實(shí)施，涌現(xiàn)了一大批埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋隧洞。深埋隧洞施工過程中常面臨突涌水、巖爆及大變形等地質(zhì)災(zāi)害。特別是富水破碎帶區(qū)域，在地下水及施工擾動(dòng)等的作用下易發(fā)生突涌水災(zāi)害，進(jìn)而誘發(fā)塌方現(xiàn)象，常造成已開挖段隧洞淹沒、設(shè)備損毀、工期延長。因此，富水破碎帶區(qū)因開挖誘發(fā)的突涌水、塌方災(zāi)害，是隧道建設(shè)中的重點(diǎn)控制對(duì)象[1-2]。

灌漿(或注漿)是封堵突涌水的有效手段。針對(duì)隧道灌漿堵水方面的研究，近年來國內(nèi)學(xué)者開展了許多有益的工作。灌漿堵水機(jī)制方面，李術(shù)才等[3]通過開展裂隙巖體涌突水的動(dòng)水注漿模型試驗(yàn)研究，提出了漿液的U形擴(kuò)散規(guī)律和分層分區(qū)擴(kuò)散機(jī)制；灌漿堵水效果評(píng)價(jià)方面，薛翊國等[4]結(jié)合注漿全過程注漿壓力-注漿量-注漿時(shí)間控制法、物探法、檢查孔法與數(shù)字鉆孔攝像法，從宏觀到細(xì)觀對(duì)某隧道注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)，其研究結(jié)果表明綜合上述4種方法的綜合檢驗(yàn)法是檢驗(yàn)注漿效果的有效方法；灌漿堵水材料及其應(yīng)用方面也取得了豐碩的成果。但對(duì)灌漿堵水材料的選取、應(yīng)用及評(píng)價(jià)上，應(yīng)結(jié)合該工程的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件開展實(shí)施。

有鑒于此，針對(duì)富水破碎帶區(qū)域的多涌水通道、高涌水壓力環(huán)境，本文依托某深埋引水隧洞工程，制備了適用于深埋隧道堵水的普通膏漿、速凝膏漿和C-GT1堵水漿材拌和料等灌漿材料，開展了灌漿材料抗沖能力、抗水稀釋能力和凝結(jié)時(shí)間等性能的測(cè)試，并在富水破碎帶區(qū)選?、纛悋鷰r區(qū)域作為試驗(yàn)段對(duì)灌漿材料的堵水效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 深埋隧道富水破碎帶突涌水特征

1.1 工程背景

某隧道最大埋深超過700 m，長度超過8 km，屬典型深埋隧道工程。隧道采用鉆爆法開挖，隧址區(qū)巖性主要為火山角礫巖、青灰色玻屑晶凝灰?guī)r、暗紅色玻屑晶屑凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂巖，穿越多條富水?dāng)鄬悠扑閹?。裂隙面略有起伏粗糙且呈鐵銹色，兩側(cè)巖體風(fēng)化蝕變強(qiáng)烈，圍巖強(qiáng)度低，砂巖為中硬—較軟巖，凝灰?guī)r為中硬巖。破碎帶區(qū)按巖性被劃分為4個(gè)子區(qū)域，圍巖類別主要為Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ、Ⅲb類圍巖。發(fā)育有3組結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)狀分別為344°SW∠71°、50°NW∠51°、304°NE∠51°，結(jié)構(gòu)面空間分布情況見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)面空間展布

1.2 破碎帶區(qū)突涌水特征

破碎帶區(qū)域圍巖濕潤，特別是Ⅳ類圍巖區(qū)，洞周出水點(diǎn)多，穩(wěn)定性差。圖2為該破碎帶區(qū)域典型突涌水災(zāi)害。由圖2可看出，底板突涌水量大，地下水噴涌而出。經(jīng)過測(cè)量，該區(qū)域的穩(wěn)定出水量高達(dá)550～650 m3/h。

圖2 破碎帶區(qū)域圍巖典型突涌水災(zāi)害

通過對(duì)該區(qū)域涌水災(zāi)害案例進(jìn)行收集分析發(fā)現(xiàn)，深埋隧道富水破碎帶區(qū)的突涌水具有以下特點(diǎn)：①涌水通道多且大；②涌水壓力大，高達(dá)1.6 MPa，見圖2；③洞內(nèi)漏水補(bǔ)給水源連通性良好，補(bǔ)給充分。

1.3 灌漿難點(diǎn)與材料性能要求

鑒于該區(qū)域突出的涌水災(zāi)害，工程現(xiàn)場(chǎng)采用灌漿的方式對(duì)涌水區(qū)域進(jìn)行封堵，形成了先堵水、再加固、最后超前預(yù)灌漿的堵水思想。灌漿是通過鉆孔向堆石體中灌注水泥漿液，水泥漿液在灌漿壓力的作用下向孔的四周呈徑向擴(kuò)散[11-12]。由于漿液具有明顯的流動(dòng)特性，因此其在壓力作用下優(yōu)先向涌水通道中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行擴(kuò)散，并進(jìn)而填補(bǔ)、置換此類空隙。針對(duì)深埋隧洞破碎帶區(qū)域的涌水災(zāi)害特點(diǎn)，分析了灌漿堵水的難點(diǎn)以及對(duì)灌漿材料性能的要求：①裂隙連通性好，水源補(bǔ)給充分，堵水難度大；②涌水壓力大，灌漿封堵難度高，灌漿材料的抗沖性及抗水稀釋性能要求高；③存在動(dòng)水堵漏情況，采用普通的灌漿材料可能無法實(shí)現(xiàn)涌水段的快速封堵。

為此，開展了富水破碎帶區(qū)堵水灌漿材料特征及性能測(cè)試的研究。

2 富水破碎帶區(qū)堵水灌漿材料制備及性能特征測(cè)試

2.1 富水破碎帶區(qū)堵水灌漿材料制備

灌漿技術(shù)的關(guān)鍵是灌漿材料和其相應(yīng)的施工工藝，不同的灌漿材料適應(yīng)于不同的地層情況[13-14]。針對(duì)工程特點(diǎn)，除采用普通水泥漿灌漿材料外，還制備了以下特殊灌漿材料。

a)膏漿。對(duì)有流速的動(dòng)水條件下的大孔隙地層灌漿，水泥膏漿技術(shù)是行之有效的手段之一[15]。水泥膏漿是在水泥漿中摻入膏漿外加劑而構(gòu)成的低水灰比的膏狀漿液，其基本特征是膏漿的剪切屈服強(qiáng)度值大于其本身重力的影響。水泥膏漿漿液通過壓力擠入地層后，漿體不會(huì)流失太遠(yuǎn)，材料利用率高；壓力析水時(shí)間短，析水少，充填效果好，灌漿結(jié)石密實(shí)性好，強(qiáng)度高，灌漿后水泥結(jié)石耐久性好。在本工程中采用了2種水泥膏漿灌漿材料，即普通膏漿和速凝膏漿，見圖3。①通過在水泥中摻入普通膏漿外加劑，制備成的漿液可對(duì)分散型的小股水進(jìn)行封堵和加固，其綜合單價(jià)與水泥水玻璃等材料相當(dāng)，但耐久性及可控性明顯優(yōu)于水泥水玻璃灌漿材料。本材料對(duì)開挖完成后仍有漏水的洞段的徑向堵水具有非常好的適用性，且堵水效果好，耐久性高。②在水泥中加入速凝膏漿外加劑，制配成速凝膏漿，速凝膏漿對(duì)于處理較大突涌水和較大裂隙的封堵具有非常好的效果，一般處理裂隙通道10～20 cm，漏水流速小于1.5 m/s的漏水通道，其效果明顯，可控性好，且綜合單價(jià)優(yōu)于化學(xué)灌漿材料。

b)C-GT1堵水漿材拌和料。C-GT1堵水漿材由GT堵水漿材拌合料跟水泥拌合后制得。GT堵水漿材拌和料由新型動(dòng)水高分子材料復(fù)合制備而成，能夠高效地運(yùn)用于各類防滲堵漏工程。該復(fù)合材料的主要組分有高聚物、活性劑、固化劑。其中高聚物的疏水性能提高整體材料的抗沖釋性，活性劑減小整個(gè)界面的張力促使材料成為均一相，固化劑根據(jù)工況靈活調(diào)節(jié)凝固時(shí)間。GT堵水漿材拌和料按照配比與水泥進(jìn)行拌和制成C-GT1堵水漿材。GT堵水漿材拌和料由新型動(dòng)水高分子材料復(fù)合制備而成，主要組分有高聚物、活性劑和固化劑。其中，高聚物的疏水性能提高整體材料的抗沖釋性；活性劑減小整個(gè)界面的張力促使材料成為均一相；固化劑根據(jù)工況靈活調(diào)節(jié)凝固時(shí)間，使得凝結(jié)時(shí)間可控可調(diào)。該C-GT1堵水漿材性能指標(biāo)見表1。

圖3 膏漿外加劑及速凝膏漿

表1 C-GT1堵水漿材性能指標(biāo)

2.2 灌漿材料性能特征

2.2.1膏漿材料性能特征

a)抗沖能力和抗水稀釋能力。由于水泥膏漿成分中含有大量的黏土、膨潤土等摻合料(膏漿外加劑中含增黏劑)，黏土的黏接作用和抗?jié)B透作用使膏漿能自成一個(gè)整體，膏漿里的水泥顆粒、黏土顆粒在擴(kuò)散過程中不會(huì)產(chǎn)生離析，水流中的水不易進(jìn)入水泥膏漿的內(nèi)部，形成一定的抗水稀釋能力。膏漿的抗水稀釋能力使膏漿作為一個(gè)整體來抗擊水流的沖擊，因此要使水泥膏漿產(chǎn)生流動(dòng)，水流必須克服膏漿的剪切屈服強(qiáng)度。為此，開展了膏漿抗沖性能試驗(yàn)，見圖4。水泥膏漿的剪切屈服強(qiáng)度值通常都較高，初始剪切屈服強(qiáng)度值通?？蛇_(dá)到100 Pa以上，且隨著時(shí)間增加，剪切屈服強(qiáng)度增大，故膏漿具有相當(dāng)?shù)目箾_能力。

圖4 膏漿抗沖性能試驗(yàn)

b)凝結(jié)時(shí)間可調(diào)可控。通過摻加不同含量的外加劑，控制、調(diào)整漿液的凝膠時(shí)間，適合于較高流速動(dòng)水條件下的堵漏灌漿。經(jīng)過對(duì)速凝膏漿的物理性能進(jìn)行測(cè)試，獲取了凝結(jié)時(shí)間，見表2。

2.2.2C-GT1堵水漿材材料

適應(yīng)各類流速、流量地下水工況，可通過固化劑調(diào)節(jié)凝固時(shí)間，適合于在各種水質(zhì)條件下使用。制備漿材設(shè)備簡單，水泥灌漿設(shè)備也能完成操作，固結(jié)體無毒、無污染，符合環(huán)保要求，固結(jié)體在保證了一定強(qiáng)度同時(shí)具有微膨脹性。

C-GT1堵水漿材對(duì)于處理孔隙大于15 cm，流速大于1.5 m/s的漏水效果明顯，見效快，材料綜合成本低于聚氨酯類化學(xué)灌漿材料，但結(jié)石體強(qiáng)度及耐久性等特性明顯優(yōu)于溶液型化學(xué)灌漿材料，對(duì)于本工程具有非常好的適應(yīng)性，并且在地表灌漿和洞內(nèi)掌子面堵水施工中，其材料使用的效果也得到驗(yàn)證。

表2 速凝膏漿物理性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 灌漿材料工程應(yīng)用

利用制備的灌漿材料，在破碎帶區(qū)選?、纛悋鷰r區(qū)域?yàn)樵囼?yàn)段，開展了深埋隧道富水破碎帶區(qū)灌漿材料性能驗(yàn)證與應(yīng)用。利用上述材料對(duì)該區(qū)域經(jīng)過地面灌漿、洞內(nèi)抽水、洞內(nèi)超前灌漿，成功封堵了該區(qū)域的涌水。

對(duì)破碎帶區(qū)域第4分段的掌子面軸線長20 m、洞室及其輪廓線以外5 m范圍進(jìn)行了超前預(yù)注漿。通過以上階段的施工，完成涌水處的封堵和超前預(yù)注漿后，在進(jìn)行隧洞掘進(jìn)時(shí)，未發(fā)生涌水現(xiàn)象，保證了隧洞開挖順利通過斷層帶，見圖5。由此可見，通過利用本文制備的灌漿材料有效加固了圍巖，防止了塌方、涌水災(zāi)害的發(fā)生。

3 結(jié)論

a)深埋鉆爆法隧道穿越富水破碎帶區(qū)易發(fā)生突涌水災(zāi)害，涌水災(zāi)害具有涌水通道多、涌水壓力大、水源補(bǔ)給充分等特征，導(dǎo)致其灌漿堵水材料的抗沖性及抗水稀釋性能要求高，且存在動(dòng)水堵漏現(xiàn)象，堵水難度大。

b)針對(duì)深埋隧道涌水特點(diǎn)，研制了高抗沖性、抗水稀釋性，且凝結(jié)時(shí)間可調(diào)可控，適應(yīng)各流速、流量的突涌水工況的膏漿和堵水漿材拌和料等灌漿材料，并測(cè)試了灌漿材料的不同性能特征。

c)利用研制的灌漿材料，選取試驗(yàn)段進(jìn)行了成功應(yīng)用，有效封堵了隧道富水破碎帶區(qū)域的各涌水點(diǎn)，阻斷了涌水通道，降低了隧道涌水塌方災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，保障了隧道開挖順利通過富水破碎帶。