閆蘇濤

（中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006）

1 引言

注漿工藝在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，其理論已相對(duì)較成熟，但是在隧道領(lǐng)域應(yīng)用的較晚，尚未形成完整的應(yīng)用體系。注漿作為隧道施工步序中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)隧道的安全和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)外很多隧道安全事故如突水涌泥、塌方等都是由于注漿不合理引起的［1］。然而，由于注漿工藝較為復(fù)雜，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，加上隧道施工作業(yè)面小，機(jī)械設(shè)備靈活性小，很多作業(yè)人員對(duì)隧道中注漿較為排斥，導(dǎo)致很多隧道在注漿這個(gè)環(huán)節(jié)不僅浪費(fèi)了大量的工時(shí)，注漿效果也不達(dá)標(biāo)，為隧道安全施工和運(yùn)營(yíng)埋下隱患［2］，因此，在隧道中尤其是地質(zhì)復(fù)雜隧道中如何選擇簡(jiǎn)便快速有效的注漿施工工藝，對(duì)提高隧道安全、減少工序用時(shí)，縮短隧道工期起到重要作用。

2 工程地質(zhì)概況

廣大線祥和隧道起訖里程：D1K149＋274～D1K159＋494，全長(zhǎng)10 220 m，為雙線隧道，最大埋深約705 m，沿線Ⅳ級(jí)Ⅴ級(jí)圍巖占總長(zhǎng)80.1%，不良地質(zhì)多，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道設(shè)一處922 m長(zhǎng)的斜井，與正洞交匯于D1K157＋500處，距出口1 994 m。進(jìn)口左側(cè)設(shè)置一座橫洞，與正洞交匯于D1K149＋424處，全長(zhǎng)111 m。在隧道右側(cè)30 m處設(shè)置貫通平導(dǎo)，長(zhǎng)度10 076 m。

隧道處于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字型構(gòu)造帶之間構(gòu)造斜交與復(fù)合地帶，斷裂密集發(fā)育，且受區(qū)域性活動(dòng)斷裂紅河深大斷裂及賓川-程海斷裂強(qiáng)烈影響，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差；受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，隧區(qū)內(nèi)發(fā)育上蕎麥地-馬鞍山斷裂、泥哨斷裂、柳沖箐斷層、蕎麥地-架子山斷裂、五福山斷裂、三家村斷層、萬(wàn)寶林?jǐn)嗔选⑸嫌L(fēng)村斷裂等9條斷裂構(gòu)造，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，差異風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化帶厚度較大。

隧道通過(guò)區(qū)有多個(gè)斷裂和侵入巖接觸等蓄水構(gòu)造，在進(jìn)口段及中部分布大段可溶巖，且可溶巖地層中巖溶中等至強(qiáng)烈發(fā)育，地下涌水多呈大股狀、部分呈噴射狀涌水，伴有泥沙，雨季流量明顯增大，正常涌水量約為92 800 m3／d，雨季最大涌水量約為 111 360 m3／d。

祥和隧道斷層影響帶長(zhǎng)度共1 880 m，侵入巖接觸帶長(zhǎng)度共1 280m，水平地應(yīng)力大，最大達(dá)到20MPa；存在的主要風(fēng)險(xiǎn)有軟巖大變形、塌方、突水涌泥，次生風(fēng)險(xiǎn)有環(huán)境和工期風(fēng)險(xiǎn)。

3 注漿方案比選

現(xiàn)階段隧道中注漿工藝主要有套管注漿、帷幕注漿等，套管注漿需先打設(shè)套管，再打注漿管，套管與注漿管密封后再注漿，由于鉆孔內(nèi)壁經(jīng)常呈不規(guī)則形狀，凹凸不平，套管與巖壁存在縫隙，注漿時(shí)易漏漿，使得注漿壓力小，漿液對(duì)周邊圍巖加固效果差，無(wú)法達(dá)到快速有效施工要求；周邊注漿、帷幕注漿還需施作止?jié){墻，工序繁瑣、用時(shí)長(zhǎng)。由于隧道工程地質(zhì)極為復(fù)雜，沿線的軟弱夾層、斷層破碎帶、侵入巖蝕變帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、破碎極軟弱富水帶和軟巖大變形段等不良地質(zhì)均需采取注漿加固措施，需注漿加固的段落占全隧總長(zhǎng)的60%，注漿效果的好壞直接影響到整條隧道的施工和運(yùn)營(yíng)安全，注漿工序的快慢直接影響到隧道的工期，注漿作為一道工序占用了大量的施工時(shí)間，因此研究一套簡(jiǎn)便快速且效果好的注漿工藝十分必要。根據(jù)工程實(shí)際需求，從安全、技術(shù)、成本、工期對(duì)三種注漿方案進(jìn)行了比選，如表1所示。

表1_注漿方案對(duì)比分析

4 膜袋注漿技術(shù)

4.1 原理分析

采用土工膜制作膜袋，膜袋做好后和膠質(zhì)軟管一起套在注漿管一端，由于膠質(zhì)軟管主要作用是往膜袋內(nèi)注漿，其一端要出露，長(zhǎng)度應(yīng)略大于膜袋長(zhǎng)度，套在注漿管后膜袋兩端用扎絲固定并密封，防治漿液出露（見(jiàn)圖1）。打孔后將整套裝置放到超前鉆孔內(nèi)，膜袋在靠近孔口一端。首先通過(guò)膠質(zhì)軟管向膜袋內(nèi)注入速凝固結(jié)材料使膜袋漲開(kāi)并緊密壓合在鉆孔孔壁上［3］，形成了2 m長(zhǎng)的止?jié){塞，由于鉆孔孔壁一般會(huì)凹凸不平，而膜袋是軟的，膨脹后能適應(yīng)不同的形狀，所以能堵塞各種形狀的孔洞，有效地防止高壓下漿液沿著孔壁向外流。其次由于注漿段落隔離掌子面附近破碎段，杜絕了注漿過(guò)程中注漿壓力對(duì)掌子面處破碎圍巖的擾動(dòng)破壞，避免了注漿過(guò)程中引起的掌子面塌方；同時(shí)2 m長(zhǎng)膜袋注漿膨脹后將會(huì)緊貼周邊圍巖，能形成很大的摩阻力，從而能很大程度提高注漿壓力。通過(guò)注漿管對(duì)裸孔段進(jìn)行高壓注漿，能使?jié){液沖破碎石阻力滲透到裂隙中，封堵裂隙、膠結(jié)并擠密破碎巖石，可在鉆孔內(nèi)形成環(huán)狀封固材料保護(hù)圈［4］，保護(hù)圈起到支撐、止水作用［5-6］，有效保證了隧道施工的安全。

圖1 膜袋注漿原理示意

4.2 注漿工藝流程

膜袋注漿相對(duì)于傳統(tǒng)注漿方案在很大程度上簡(jiǎn)化了工序，其工藝流程如圖2所示。

4.3 膜袋注漿參數(shù)

4.3.1 土工膜袋制作

土工膜袋由復(fù)合土工膜和膠質(zhì)軟管制作而成。膜袋材料采用“一布一膜”復(fù)合土工膜，它是由一層土工織物與一層高分子材料經(jīng)過(guò)壓延，熱熔復(fù)合而成的土工合成材料，外層的土工布起到防撕裂、頂破和刺穿等保護(hù)作用；內(nèi)層的土工膜起到密封、防止漏漿作用。膠質(zhì)軟管主要作用是往膜袋內(nèi)注漿。祥和隧道膜袋采用幅寬2 m、厚度1.0 mm的普通聚乙烯復(fù)合土工膜，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工檢驗(yàn)，物理力學(xué)特性能滿(mǎn)足高壓注漿要求。

圖2 注漿工藝流程

表2_土工膜性能指標(biāo)參數(shù)

為了保證膜袋和孔壁能夠緊密相貼，膜袋直徑D一般為鉆孔孔徑d的3.5～4倍，膠質(zhì)軟管直徑20mm，長(zhǎng)度大于膜袋，現(xiàn)場(chǎng)取了2.3 m，管身布設(shè)梅花形溢漿孔，孔徑2～3 mm，縱向間距≤30 cm。將土工布包裹在注漿管與膠質(zhì)軟管上，并用扎絲將土工布兩端綁緊，如圖3所示。

4.3.2 鉆孔

采用鉆機(jī)鉆孔，鉆孔孔位偏差不大于10 cm，鉆孔直徑要大于注漿管直徑，并遠(yuǎn)小于極限膨脹后的膜袋直徑。很多段落在鉆孔的過(guò)程中會(huì)有孔內(nèi)水流出，一般情況下，有水說(shuō)明前面有裂隙，水量越大說(shuō)明裂隙越發(fā)育，而注漿效果就會(huì)越好。在富水地段，裂隙發(fā)育程度和水量成正比，當(dāng)鉆進(jìn)過(guò)程中尚未達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，如果出水量不是太大，對(duì)人身安全沒(méi)有威脅，不要急于停鉆注漿，而要繼續(xù)鉆進(jìn)等出水量達(dá)到一定程度才開(kāi)始注漿，這樣注漿效果會(huì)更好。實(shí)際施工中，當(dāng)單孔出水量大于50 L／min時(shí)，就可以停鉆注漿了。當(dāng)鉆孔遇有洞穴、塌孔或掉塊難以鉆進(jìn)時(shí)，可先進(jìn)行注漿固結(jié)，再鉆進(jìn)。

4.3.3 下注漿管

鉆孔結(jié)束后，盡量采用人工將膜袋與注漿管送入鉆孔內(nèi)，如果采用風(fēng)鉆送注漿管，要避免損壞膜袋，注漿管外露30～50 cm，膠質(zhì)軟管外露30 cm，見(jiàn)圖4。

4.3.4 配漿

圖3 膜袋安裝示意

采用水泥水玻璃雙漿液，先分別配置水泥漿和水玻璃漿，水泥漿中水和水泥質(zhì)量比為0.8∶1，水玻璃漿中水和水玻璃體積比為0.7∶1，水玻璃濃度為35 Be′。然后配置水泥水玻璃雙液漿，雙液漿中水泥漿和水玻璃漿體積比為1∶0.6［7-8］。水泥漿和水玻璃漿液按照配比拌制好后分別存放至兩個(gè)儲(chǔ)漿桶內(nèi)，富水條件下注漿對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間要求較高，要求能迅速達(dá)到較高的強(qiáng)度［9］，凝結(jié)時(shí)間控制在25 s左右。

圖4 注漿管安裝完成示意

4.3.5 注漿

按照設(shè)計(jì)參數(shù)要求分別拌制好水泥漿液和水玻璃漿液，首先往膜袋內(nèi)注漿，雙漿液在桶內(nèi)融合后迅速注入膜袋內(nèi)，終止注漿壓力控制在0.5 MPa，待膜袋內(nèi)漿液終凝后，分兩個(gè)管道往注漿管注漿，漿液在注漿管內(nèi)融合。一般注射漿液易于向上擴(kuò)散，不易于向下擴(kuò)散，所以注漿順序?yàn)橄茸㈨敯宓目?，再注兩?cè)的孔。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用壓力控制為主、進(jìn)漿量控制為輔的方法，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2.5 MPa時(shí)，繼續(xù)注漿5 min以上，且單孔注漿量小于20～30 L／min時(shí)停止［10］。當(dāng)鉆孔有涌水時(shí)，注漿壓力應(yīng)在水壓力上加上1.5 MPa［11-12］。一循環(huán)段落注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為所有單孔都滿(mǎn)足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，掌子面出水量小于 3 m3／（m·d）［13］。注漿過(guò)程中如果有長(zhǎng)時(shí)間注漿而壓力不上升的現(xiàn)象，則可能有寬大的裂隙或者溶洞，此時(shí)應(yīng)暫停注漿，查明前面地質(zhì)情況，并在漿液中加入速凝劑，加快其初凝時(shí)間，或者改注其周邊的鉆孔，周邊孔注漿完畢后再反過(guò)來(lái)在這個(gè)孔繼續(xù)注漿，配備好的漿液宜在2 h內(nèi)使用完畢。

4.3.6 注漿效果檢查

采用檢查孔出水量分析和檢查孔孔內(nèi)攝像兩種方法對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查。

（1）檢查孔出水量分析

檢查孔出水量分析是判斷鉆孔注漿效果最直接的方法，也是目前除了開(kāi)挖外認(rèn)為的最可靠方法。對(duì)注漿可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，一般是出水量較大、注漿量少的孔和注漿終孔交圈等位置，鉆檢查孔，測(cè)定檢查孔出水量大小和水壓，從而判斷注漿堵水效果。檢查孔鉆孔深度原則上比鉆孔注漿段落長(zhǎng)度小2 m，檢查孔允許出水量為0.2 L／（min·m）。

（2）檢查孔孔內(nèi)攝像

利用孔內(nèi)攝像進(jìn)行注漿效果評(píng)定，能夠較為直觀地對(duì)漿液充填度、地層的穩(wěn)定性及出水情況進(jìn)行分析判識(shí)。從孔內(nèi)可以直接看到孔壁是否滲水、碎石顆粒膠結(jié)情況、漿液填充裂隙是否飽滿(mǎn)、是否有塌孔，這些都是判別注漿效果好壞的基本參數(shù)［14］。每循環(huán)注漿后，均應(yīng)鉆孔采用孔內(nèi)成像設(shè)備驗(yàn)證注漿效果，合格后開(kāi)挖。

5 膜袋注漿試驗(yàn)

為驗(yàn)證膜袋注漿的使用價(jià)值，選取試驗(yàn)段從注漿效果、工期、成本三方面對(duì)膜袋注漿適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)段選取祥和隧道平導(dǎo)PDK156＋045～PDK156＋090段，該段落為極破碎富水段，能夠代表祥和隧道復(fù)雜地質(zhì)特征。段落基巖為白云質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化至全風(fēng)化；侵入巖為輝綠巖，全風(fēng)化，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，地下水發(fā)育，局部呈股狀流出，水量為150m3／h，該段共注漿3循環(huán)，每循環(huán)15m，兩循環(huán)之間延2 m。

（1）注漿效果評(píng)價(jià)

每循環(huán)注漿完成后，打設(shè)檢查孔，外觀觀測(cè)檢查孔有無(wú)水流，孔內(nèi)成像設(shè)備檢查孔內(nèi)是否有塌孔、漿液填充是否飽滿(mǎn)、有無(wú)滲水等，試驗(yàn)段檢查孔各項(xiàng)指標(biāo)檢查均沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。檢查孔合格后進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，試驗(yàn)段開(kāi)挖后，如圖5所示，漿液填充飽滿(mǎn)，碎石膠結(jié)牢固，掌子面破碎圍巖已被漿液密實(shí)，堵水效果明顯，自穩(wěn)能力好，成功解決了傳統(tǒng)注漿方法注漿效果差的問(wèn)題。

（2）工期評(píng)價(jià)

試驗(yàn)段采用超前周邊注漿，每循環(huán)15 m，傳統(tǒng)注漿方法需要7 d，膜袋注漿需要5 d，有效縮短了注漿作業(yè)時(shí)間，每循環(huán)節(jié)省2 d工期，試驗(yàn)段3循環(huán)41 m共節(jié)省6 d工期，工效較傳統(tǒng)注漿方法提高了30%。

圖5 注漿后開(kāi)挖效果

（3）注漿成本評(píng)價(jià)

試驗(yàn)段采用超前周邊注漿，注漿管采用φ75中管棚，每根長(zhǎng)15 m，孔口管采用1 m長(zhǎng)φ89鋼管，超前注漿共需注18根。每班注漿工人8人，雙液注漿機(jī)1臺(tái)，鉆機(jī)1臺(tái)。

①節(jié)省的人工費(fèi)和機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用：

人工費(fèi)200元／d，注漿機(jī)費(fèi)用100元／d，鉆機(jī)費(fèi)用1 000元／d。節(jié)省總費(fèi)用為：

（200×8＋100＋1 000）×2＝5 400元

②節(jié)省的材料費(fèi)用：

土工布代替 φ89套管，1根 φ75注漿管需要0.6 m2膜袋，根據(jù)每鉆孔的φ89使用量為40元／個(gè)，套管膜袋單價(jià)5元／m2，節(jié)省總費(fèi)用為：

（40-0.6×5）×18＝666元

③由于工效提高，節(jié)約了2 d工期，減少了2 d的人工機(jī)械誤工，經(jīng)測(cè)算節(jié)省費(fèi)用10萬(wàn)元。

以上合計(jì)，每循環(huán)共節(jié)省費(fèi)用為10.6萬(wàn)元，試驗(yàn)段3循環(huán)的超前周邊注漿，共計(jì)31.8萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，從注漿效果、工期、成本對(duì)膜袋注漿適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，事實(shí)證明祥和隧道中應(yīng)用膜袋注漿從三方面都比傳統(tǒng)注漿要優(yōu)越。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）膜袋注漿和傳統(tǒng)注漿方法相比優(yōu)勢(shì)明顯，不僅封堵效果好，而且操作簡(jiǎn)單施工快，適合地質(zhì)復(fù)雜長(zhǎng)大隧道，注漿參數(shù)是根據(jù)祥和隧道極破碎且富水段落確定的，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程應(yīng)根據(jù)圍巖具體參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

（2）選取了平導(dǎo) PDK156＋040～PDK156＋081段落共計(jì)3循環(huán)41 m，用注漿效果、工期、成本三個(gè)指標(biāo)對(duì)膜袋注漿進(jìn)行了評(píng)價(jià)，結(jié)果表明膜袋注漿加固效果好，圍巖密實(shí)，堵水和自穩(wěn)效果都達(dá)到要求。膜袋注漿相比傳統(tǒng)套管注漿加固41 m共節(jié)省工期6 d，節(jié)省成本31.8萬(wàn)元，工效及經(jīng)濟(jì)效益明顯，試驗(yàn)段是在平導(dǎo)段落，正洞加固范圍比平導(dǎo)大，效益更明顯。

（3）祥和隧道自2013年3月開(kāi)工以來(lái)，多次因不良地質(zhì)影響了施工安全及進(jìn)度，自2016年6月研制出膜袋注漿施工工藝，成功解決了以往注漿管孔口封堵困難，注漿壓力小無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的難題，不僅注漿加固效果好，確保了施工安全，還加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了成本，使祥和隧道中后期施工非常順利。