閆蘇濤

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

注漿工藝在建筑領域應用較為廣泛，其理論已相對較成熟，但是在隧道領域應用的較晚，尚未形成完整的應用體系。注漿作為隧道施工步序中一個重要的環(huán)節(jié)，對隧道的安全和質量起著至關重要的作用，國內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雜，作業(yè)時間較長，加上隧道施工作業(yè)面小，機械設備靈活性小，很多作業(yè)人員對隧道中注漿較為排斥，導致很多隧道在注漿這個環(huán)節(jié)不僅浪費了大量的工時，注漿效果也不達標，為隧道安全施工和運營埋下隱患［2］，因此，在隧道中尤其是地質復雜隧道中如何選擇簡便快速有效的注漿施工工藝，對提高隧道安全、減少工序用時，縮短隧道工期起到重要作用。

2 工程地質概況

廣大線祥和隧道起訖里程：D1K149＋274～D1K159＋494，全長10 220 m，為雙線隧道，最大埋深約705 m，沿線Ⅳ級Ⅴ級圍巖占總長80.1%，不良地質多，為Ⅰ級風險隧道。隧道設一處922 m長的斜井，與正洞交匯于D1K157＋500處，距出口1 994 m。進口左側設置一座橫洞，與正洞交匯于D1K149＋424處，全長111 m。在隧道右側30 m處設置貫通平導，長度10 076 m。

隧道處于川滇南北向構造帶和青藏滇緬歹字型構造帶之間構造斜交與復合地帶，斷裂密集發(fā)育，且受區(qū)域性活動斷裂紅河深大斷裂及賓川-程海斷裂強烈影響，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差；受區(qū)域地質構造影響，隧區(qū)內發(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、萬寶林斷裂、上迎風村斷裂等9條斷裂構造，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，差異風化嚴重，風化帶厚度較大。

隧道通過區(qū)有多個斷裂和侵入巖接觸等蓄水構造，在進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度共1 880 m，侵入巖接觸帶長度共1 280m，水平地應力大，最大達到20MPa；存在的主要風險有軟巖大變形、塌方、突水涌泥，次生風險有環(huán)境和工期風險。

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，套管注漿需先打設套管，再打注漿管，套管與注漿管密封后再注漿，由于鉆孔內壁經(jīng)常呈不規(guī)則形狀，凹凸不平，套管與巖壁存在縫隙，注漿時易漏漿，使得注漿壓力小，漿液對周邊圍巖加固效果差，無法達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、用時長。由于隧道工程地質極為復雜，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均需采取注漿加固措施，需注漿加固的段落占全隧總長的60%，注漿效果的好壞直接影響到整條隧道的施工和運營安全，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間，因此研究一套簡便快速且效果好的注漿工藝十分必要。根據(jù)工程實際需求，從安全、技術、成本、工期對三種注漿方案進行了比選，如表1所示。

表1_注漿方案對比分析

4 膜袋注漿技術

4.1 原理分析

采用土工膜制作膜袋，膜袋做好后和膠質軟管一起套在注漿管一端，由于膠質軟管主要作用是往膜袋內注漿，其一端要出露，長度應略大于膜袋長度，套在注漿管后膜袋兩端用扎絲固定并密封，防治漿液出露（見圖1）。打孔后將整套裝置放到超前鉆孔內，膜袋在靠近孔口一端。首先通過膠質軟管向膜袋內注入速凝固結材料使膜袋漲開并緊密壓合在鉆孔孔壁上［3］，形成了2 m長的止?jié){塞，由于鉆孔孔壁一般會凹凸不平，而膜袋是軟的，膨脹后能適應不同的形狀，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，杜絕了注漿過程中注漿壓力對掌子面處破碎圍巖的擾動破壞，避免了注漿過程中引起的掌子面塌方；同時2 m長膜袋注漿膨脹后將會緊貼周邊圍巖，能形成很大的摩阻力，從而能很大程度提高注漿壓力。通過注漿管對裸孔段進行高壓注漿，能使?jié){液沖破碎石阻力滲透到裂隙中，封堵裂隙、膠結并擠密破碎巖石，可在鉆孔內形成環(huán)狀封固材料保護圈［4］，保護圈起到支撐、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

膜袋注漿相對于傳統(tǒng)注漿方案在很大程度上簡化了工序，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

土工膜袋由復合土工膜和膠質軟管制作而成。膜袋材料采用“一布一膜”復合土工膜，它是由一層土工織物與一層高分子材料經(jīng)過壓延，熱熔復合而成的土工合成材料，外層的土工布起到防撕裂、頂破和刺穿等保護作用；內層的土工膜起到密封、防止漏漿作用。膠質軟管主要作用是往膜袋內注漿。祥和隧道膜袋采用幅寬2 m、厚度1.0 mm的普通聚乙烯復合土工膜，其性能指標見表2。經(jīng)過現(xiàn)場實際施工檢驗，物理力學特性能滿足高壓注漿要求。

圖2 注漿工藝流程

表2_土工膜性能指標參數(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，膠質軟管直徑20mm，長度大于膜袋，現(xiàn)場取了2.3 m，管身布設梅花形溢漿孔，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，并遠小于極限膨脹后的膜袋直徑。很多段落在鉆孔的過程中會有孔內水流出，一般情況下，有水說明前面有裂隙，水量越大說明裂隙越發(fā)育，而注漿效果就會越好。在富水地段，裂隙發(fā)育程度和水量成正比，當鉆進過程中尚未達到設計深度時，如果出水量不是太大，對人身安全沒有威脅，不要急于停鉆注漿，而要繼續(xù)鉆進等出水量達到一定程度才開始注漿，這樣注漿效果會更好。實際施工中，當單孔出水量大于50 L／min時，就可以停鉆注漿了。當鉆孔遇有洞穴、塌孔或掉塊難以鉆進時，可先進行注漿固結，再鉆進。

4.3.3 下注漿管

鉆孔結束后，盡量采用人工將膜袋與注漿管送入鉆孔內，如果采用風鉆送注漿管，要避免損壞膜袋，注漿管外露30～50 cm，膠質軟管外露30 cm，見圖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儲漿桶內，富水條件下注漿對漿液凝結時間要求較高，要求能迅速達到較高的強度［9］，凝結時間控制在25 s左右。

圖4 注漿管安裝完成示意

4.3.5 注漿

按照設計參數(shù)要求分別拌制好水泥漿液和水玻璃漿液，首先往膜袋內注漿，雙漿液在桶內融合后迅速注入膜袋內，終止注漿壓力控制在0.5 MPa，待膜袋內漿液終凝后，分兩個管道往注漿管注漿，漿液在注漿管內融合。一般注射漿液易于向上擴散，不易于向下擴散，所以注漿順序為先注頂板的孔，再注兩側的孔。單孔注漿結束標準采用壓力控制為主、進漿量控制為輔的方法，當注漿壓力達到2.5 MPa時，繼續(xù)注漿5 min以上，且單孔注漿量小于20～30 L／min時停止［10］。當鉆孔有涌水時，注漿壓力應在水壓力上加上1.5 MPa［11-12］。一循環(huán)段落注漿結束標準為所有單孔都滿足注漿結束標準，掌子面出水量小于 3 m3／（m·d）［13］。注漿過程中如果有長時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，此時應暫停注漿，查明前面地質情況，并在漿液中加入速凝劑，加快其初凝時間，或者改注其周邊的鉆孔，周邊孔注漿完畢后再反過來在這個孔繼續(xù)注漿，配備好的漿液宜在2 h內使用完畢。

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攝像兩種方法對注漿效果進行檢查。

（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，也是目前除了開挖外認為的最可靠方法。對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度小2 m，檢查孔允許出水量為0.2 L／（min·m）。

（2）檢查孔孔內攝像

利用孔內攝像進行注漿效果評定，能夠較為直觀地對漿液充填度、地層的穩(wěn)定性及出水情況進行分析判識。從孔內可以直接看到孔壁是否滲水、碎石顆粒膠結情況、漿液填充裂隙是否飽滿、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，均應鉆孔采用孔內成像設備驗證注漿效果，合格后開挖。

5 膜袋注漿試驗

為驗證膜袋注漿的使用價值，選取試驗段從注漿效果、工期、成本三方面對膜袋注漿適用性進行評價。試驗段選取祥和隧道平導PDK156＋045～PDK156＋090段，該段落為極破碎富水段，能夠代表祥和隧道復雜地質特征。段落基巖為白云質灰?guī)r，強風化至全風化；侵入巖為輝綠巖，全風化，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）注漿效果評價

每循環(huán)注漿完成后，打設檢查孔，外觀觀測檢查孔有無水流，孔內成像設備檢查孔內是否有塌孔、漿液填充是否飽滿、有無滲水等，試驗段檢查孔各項指標檢查均沒發(fā)現(xiàn)問題。檢查孔合格后進行開挖驗證，試驗段開挖后，如圖5所示，漿液填充飽滿，碎石膠結牢固，掌子面破碎圍巖已被漿液密實，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題。

（2）工期評價

試驗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)時間，每循環(huán)節(jié)省2 d工期，試驗段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 注漿后開挖效果

（3）注漿成本評價

試驗段采用超前周邊注漿，注漿管采用φ75中管棚，每根長15 m，孔口管采用1 m長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1臺，鉆機1臺。

①節(jié)省的人工費和機械臺班費用：

人工費200元／d，注漿機費用100元／d，鉆機費用1 000元／d。節(jié)省總費用為：

（200×8＋100＋1 000）×2＝5 400元

②節(jié)省的材料費用：

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，套管膜袋單價5元／m2，節(jié)省總費用為：

（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的人工機械誤工，經(jīng)測算節(jié)省費用10萬元。

以上合計，每循環(huán)共節(jié)省費用為10.6萬元，試驗段3循環(huán)的超前周邊注漿，共計31.8萬元，經(jīng)濟效益明顯。

通過現(xiàn)場注漿試驗，從注漿效果、工期、成本對膜袋注漿適用性進行了評價，事實證明祥和隧道中應用膜袋注漿從三方面都比傳統(tǒng)注漿要優(yōu)越。

6 結束語

（1）膜袋注漿和傳統(tǒng)注漿方法相比優(yōu)勢明顯，不僅封堵效果好，而且操作簡單施工快，適合地質復雜長大隧道，注漿參數(shù)是根據(jù)祥和隧道極破碎且富水段落確定的，實際應用過程應根據(jù)圍巖具體參數(shù)進行微調。

（2）選取了平導 PDK156＋040～PDK156＋081段落共計3循環(huán)41 m，用注漿效果、工期、成本三個指標對膜袋注漿進行了評價，結果表明膜袋注漿加固效果好，圍巖密實，堵水和自穩(wěn)效果都達到要求。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31.8萬元，工效及經(jīng)濟效益明顯，試驗段是在平導段落，正洞加固范圍比平導大，效益更明顯。

（3）祥和隧道自2013年3月開工以來，多次因不良地質影響了施工安全及進度，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，注漿壓力小無法達到設計要求的難題，不僅注漿加固效果好，確保了施工安全，還加快了施工進度，節(jié)約了成本，使祥和隧道中后期施工非常順利。