基于地下水環(huán)境效應(yīng)的隧道超前帷幕注漿技術(shù)分析

摘要 超前帷幕注漿技術(shù)作為隧道圍巖加固常用技術(shù)手段，能有效修復(fù)圍巖裂縫，提升圍巖承載能力，對(duì)防治隧道圍巖變形、涌水具有重要作用。為有效提升超前帷幕注漿施工技術(shù)水平，保證隧道涌水治理效果，該文章以某公路隧道涌水治理為背景，基于地下水環(huán)境效應(yīng)，提出超前帷幕注漿處治方案。通過(guò)試驗(yàn)段注漿試驗(yàn)，確定了注漿材料、漿液配比、注漿量、注漿壓力、孔位布置等工藝參數(shù)，并總結(jié)了鉆孔、清孔、壓水試驗(yàn)、注漿施工技術(shù)要點(diǎn)。經(jīng)鉆芯檢測(cè)及水質(zhì)監(jiān)測(cè)表明：注漿加固后圍巖裂隙帶得以修復(fù)，承載性能顯著提升，滲水率3.6 L/min，完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并且周邊水庫(kù)水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)全部處于允許范圍內(nèi)，表明注漿對(duì)地下水影響較小，有效驗(yàn)證了該處治方案的可行性。

關(guān)鍵詞 公路隧道項(xiàng)目；隧道涌水；超前帷幕注漿；地下水污染；環(huán)境效應(yīng)

中圖分類(lèi)號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0058-03

0 引言

公路隧道項(xiàng)目施工環(huán)境復(fù)雜，沿線地質(zhì)、水文、氣候條件變化無(wú)常，隧道開(kāi)挖過(guò)程中極易出現(xiàn)圍巖變形、涌水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道開(kāi)挖安全[1-2]。工程實(shí)踐中，對(duì)于富水區(qū)域隧道施工，為確保開(kāi)挖安全性、高效性，通常采取帷幕注漿技術(shù)對(duì)圍巖實(shí)施超前止水，通過(guò)注漿使?jié){液將松散破碎巖體固結(jié)在一起，形成整體結(jié)構(gòu)，有效提升圍巖結(jié)構(gòu)整體性，從而達(dá)到防止涌水的效果。該技術(shù)具有施工簡(jiǎn)便快捷、效率高、效果好等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，特別對(duì)于富水區(qū)超前止水，其應(yīng)用案例較多[3-5]。為此，該文章結(jié)合某公路隧道項(xiàng)目施工實(shí)踐，根據(jù)隧址緊鄰水源保護(hù)區(qū)的現(xiàn)狀，并基于地下水環(huán)境效應(yīng)，提出了超前帷幕注漿止水方案，并對(duì)實(shí)際施工效果進(jìn)行綜合分析，具有十分重要的參考意義。

1 工程概況

某公路隧道項(xiàng)目，采用分離式布置，其左、右幅長(zhǎng)度分別為4 668.0 m和4 678.0 m，最大埋置深度為649.0 m，通過(guò)分段鉆爆法進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要地層為砂巖層與花崗巖地層，巖體較松散，穩(wěn)定性較差，其中Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖比例高達(dá)55.0%，并且場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在一條松散裂隙帶，地下水水系發(fā)達(dá)，隧道開(kāi)挖期間出現(xiàn)大規(guī)模涌水現(xiàn)象，水量高達(dá)1 800萬(wàn)立方米，遠(yuǎn)超西湖水量，顯著增大隧道開(kāi)挖難度。同時(shí)，隧址位于牙溪水庫(kù)北側(cè)，為二級(jí)水源保護(hù)區(qū)。隧道施工期間，當(dāng)掘進(jìn)至左線ZK222+287位置時(shí)，掌子面產(chǎn)生3處涌水點(diǎn)，依次分布于中央及兩側(cè)部位。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取合適位置設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)施對(duì)涌水情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)頻率為每3 h一次，結(jié)果顯示2022年5月21日～6月13日，該區(qū)域總涌水量約為108萬(wàn)立方米，導(dǎo)致隧道施工無(wú)法正常進(jìn)行，嚴(yán)重威脅施工安全。因此，為確保隧道開(kāi)挖安全，減小對(duì)沿線地下水源污染，施工方選取ZK222+287～ZK222+277路段，采用超前帷幕注漿技術(shù)實(shí)施止水，并對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以有效了解注漿對(duì)地下水造成的影響。

2 帷幕注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 材料及配比

注漿材料選用水泥及水玻璃雙液。水泥漿液主要由水泥、中砂、粉煤灰及膨潤(rùn)土制備而成，水灰比0.8～1.0，水玻璃濃度40.0%。漿體材料中水泥漿液與水玻璃比例為1∶0.8。按照配比將各種材料投入拌和機(jī)后，持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)30 s，且拌和溫度控制在5～40℃范圍內(nèi)，同時(shí)漿液制備完成后，必須在4.0 h內(nèi)用完[6]；否則，應(yīng)予以廢棄。

2.2 注漿量Q控制

水泥漿及水玻璃雙液注漿量，按照式（1）進(jìn)行計(jì)算。

Q=Ana（1+β） （1）

式中：A——注漿區(qū)域圍巖體積（m2）；na（1+β）——填充率（%）；n——空隙率，取0.03～0.05；a——空隙填充率，取0.7～0.9；β——漿體損耗系數(shù)，此處為0.1。由式（1）求出的注漿量為理論值，工程實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際施工情況確定，并應(yīng)充分考量漿體材料收縮、徐變效應(yīng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，以填充料0.2進(jìn)行計(jì)算，求得實(shí)際用量稍高于理論用量。

2.3 注漿壓力P控制

帷幕注漿需采用專用壓力裝置進(jìn)行加壓，方能使?jié){體材料填充至圍巖孔隙內(nèi)。因此，壓力大小對(duì)注漿效果具有重要影響。相關(guān)研究表明，注漿壓力低于巖土體強(qiáng)度條件下，漿體材料擴(kuò)散范圍和壓力呈正相關(guān)關(guān)系，即注漿壓力越大，漿體材料擴(kuò)散范圍越大，加固效果越好[7-8]。但當(dāng)注漿壓力超出巖土體自身強(qiáng)度時(shí)，極易造成巖土體開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)事故。借鑒以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)該項(xiàng)目實(shí)際情況，其注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa范圍內(nèi)。

2.4 孔位布置

結(jié)合隧道開(kāi)挖面具體特征及掘進(jìn)方式，確定通過(guò)短覆蓋方式實(shí)施帷幕注漿，其注漿孔布設(shè)形式，如圖1、圖2所示。注漿孔采用環(huán)形布設(shè)，共設(shè)置3環(huán)，由內(nèi)向外每環(huán)鉆孔數(shù)量依次為1個(gè)、6個(gè)、11個(gè)，共18個(gè)，并設(shè)置檢查孔5個(gè)，直徑10 cm，詳細(xì)情況如表1所示。其中外圍兩圈鉆孔要求較高，最外圍鉆孔沿洞體縱向呈3～5°交角，中間一環(huán)鉆孔沿洞體縱向呈1～3°交角，沿掌子面呈雨傘狀分布，孔深為10.0～12.0 m，最內(nèi)側(cè)注漿孔沿洞體中軸線進(jìn)行布設(shè)，孔深為10.0～12.0 m。隧道開(kāi)挖時(shí)，每掘進(jìn)7.0～9.0 m重復(fù)鉆孔一次，保留3.0 m用作止?jié){盤(pán)，以有效確保注漿加固效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水的全面控制。

2.5 試驗(yàn)步驟

注漿方案確定后，現(xiàn)場(chǎng)選取試驗(yàn)段進(jìn)行施工，主要包括鉆孔、清孔與試壓、注漿、質(zhì)量檢測(cè)四個(gè)流程。詳細(xì)流程如下：

（1）鉆孔：按照鉆孔布設(shè)圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量定位，準(zhǔn)確標(biāo)注出鉆孔孔位，并采用專用鉆孔設(shè)備進(jìn)行鉆孔施工。鉆孔時(shí)采用“十”字形金剛石鉆頭，以有效提升鉆孔速率。鉆孔時(shí)嚴(yán)格控制鉆孔位置，孔位偏差不得超過(guò)10 cm。需檢查孔應(yīng)待注漿完畢進(jìn)行鉆設(shè)，以有效檢驗(yàn)注漿效果。

（2）清孔及壓水試驗(yàn)：鉆孔完成后利用高壓水實(shí)施清孔，以確保注漿孔道通暢，并嚴(yán)格控制水壓，避免壓力過(guò)大對(duì)圍巖造成破壞，待回水為清水時(shí)，再持續(xù)沖洗10 min。選取典型部位（取鉆孔總數(shù)量5%～10%）通過(guò)單點(diǎn)法實(shí)施壓水試驗(yàn)，并計(jì)算圍巖透水率，其計(jì)算公式如下：

q=Q/LP （2）

式中：q——透水率（Lu）；Q——壓水流量（L/min），其終值為最大流量與最小流量差值低于1.0 L/min時(shí)的流量；L——試驗(yàn)路段長(zhǎng)度（m）；P——總壓力（MPa）。

（3）注漿：選用ZKSY90-125型注漿泵，根據(jù)圖1注漿孔位隔孔注漿，以退位注漿為主，對(duì)于特殊塌孔位置，采取前進(jìn)注漿。當(dāng)采取一次性注漿時(shí)，壓力控制在0.3～3.0 MPa。采用分段注漿時(shí)，其首段壓力控制在0.30～2.0 MPa，二段壓力控制在0.5～3.0 MPa，待壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，注漿速率低于2.5 L/min，持續(xù)穩(wěn)壓20 min后，方能停止注漿，注漿完成后利用配比1∶1漿液進(jìn)行封孔。

（4）注漿過(guò)程控制要點(diǎn)：1）注漿過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視注漿壓力，若產(chǎn)生吸漿量過(guò)大及壓力突變等狀況，應(yīng)及時(shí)查找原因，并排除問(wèn)題；如果出現(xiàn)脫空，可通過(guò)調(diào)節(jié)漿體類(lèi)型及配比，對(duì)脫空部位實(shí)施處理。2）針對(duì)圍巖存在的較大孔隙，注漿前應(yīng)預(yù)先采用砂漿進(jìn)行封堵，封堵完成后再實(shí)施注漿。3）當(dāng)采取單循環(huán)注漿時(shí)，如果循環(huán)井內(nèi)部漿體壓力上升過(guò)慢，則需暫停注漿，待雙循環(huán)井注漿完成后再實(shí)施單循環(huán)注漿。4）注漿時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照預(yù)定方案執(zhí)行。

（5）注漿檢查：注漿完畢，并待漿體材料完全固結(jié)后，對(duì)注漿效果實(shí)施檢查。檢查完畢通過(guò)0.5 MPa壓力實(shí)施封孔處理。

3 注漿效果評(píng)價(jià)

3.1 超前注漿帷幕質(zhì)量

注漿時(shí)，若注漿孔標(biāo)號(hào)越大，注漿量越小，則表明注漿效果良好。通過(guò)鉆芯取樣試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了漿體材料主要填充在松散破碎圍巖內(nèi)，斷裂帶內(nèi)部填充效果顯著，有效提升圍巖力學(xué)性能，增強(qiáng)承載性能[9-10]。通過(guò)對(duì)檢查孔實(shí)施壓水試驗(yàn)，結(jié)果顯示巖層滲水率約3.6 L/min，完全符合規(guī)范中不超過(guò)8.0 L/min的規(guī)定，合格率高達(dá)90.0%，充分表明注漿可有效減弱圍巖滲透性，增強(qiáng)圍巖抗?jié)B性能，達(dá)到防滲的效用。

3.2 地下水水質(zhì)分析

注漿期間對(duì)周邊水庫(kù)、電站及隧道出口附近等區(qū)域的水質(zhì)實(shí)施定期測(cè)試。主要測(cè)試指標(biāo)為pH值、金屬介質(zhì)含量等，詳細(xì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表2所示。

由上表2可知：隧道圍巖注漿止水期間，周邊各區(qū)域水質(zhì)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，充分表明注漿帷幕不會(huì)對(duì)地下水及周邊水源造成污染。

４ 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文結(jié)合某公路隧道開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)的涌水問(wèn)題，基于地下水環(huán)境效應(yīng)，提出超前帷幕注漿處治方案。根據(jù)相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)段注漿試驗(yàn)，制定出了具體的注漿施工方案，通過(guò)漿體材料填充松散破碎巖層，使圍巖內(nèi)部斷裂破碎帶形成整體結(jié)構(gòu)，顯著增強(qiáng)圍巖承載性能，提高抗?jié)B能力，有效解決了隧道掌子面涌水問(wèn)題，保證了隧道施工的順利進(jìn)行，并顯著提升施工安全性，高效性。同時(shí)，注漿完成后，對(duì)周邊水庫(kù)水質(zhì)實(shí)施檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)全部處于允許范圍內(nèi)，并取得了顯著成效，具有重要的參考應(yīng)用價(jià)值。

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