李 彬， 羅發(fā)勝， 肖海苑

(保利長大工程有限公司， 廣州 511400)

隨著我國高速公路不斷向山區(qū)發(fā)展，山嶺隧道的長度和埋深不斷有新的突破，特長隧道往往是項(xiàng)目的控制性工程，隧道在開挖過程中隨著埋深的不斷增加，加之地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，尤其是在富水地層，難免會(huì)遇到突涌水情況[1]，如何成功穿越高壓涌水段落，是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和保障項(xiàng)目順利通車的重要因素，也是急需解決的技術(shù)難題。

超前帷幕注漿技術(shù)其本質(zhì)就是通過對破碎帶內(nèi)的孔隙、裂隙壓注水泥漿，使之在隧道開挖輪廓線外形成一個(gè)加固圈，將承壓水排擠在加固圈外，減少后期滲漏水處理難度和處理費(fèi)用，并加固圍巖，減小后期開挖、支護(hù)過程中的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。隨著注漿技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，很多學(xué)者有了更深的研究。汪綱領(lǐng)[2]依托大瑤山隧道對超前帷幕預(yù)注漿的理論和施工工藝進(jìn)行了介紹；李術(shù)才等[3]對隧道突涌水機(jī)理與治理進(jìn)行了深入的研究；康志鵬等[4]提出了超前帷幕注漿、局部注漿、徑向注漿3種方式的對比；楊云等[5]依托廈門過海隧道優(yōu)化了超前帷幕注漿設(shè)計(jì)方案；張民慶等[6]比較了全斷面帷幕注漿、帶水作業(yè)、周邊注漿的施工效率和效果；鄧川[7]依托中天山隧道對帷幕注漿范圍、止?jié){墻計(jì)算、注漿方式及參數(shù)進(jìn)行了介紹；唐亮[8]探討了水平冷凍技術(shù)在富水淺埋隧道中的應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般隧道堵水注漿施工較為常見，技術(shù)應(yīng)用也相對成熟，但對大于4 MPa的高壓涌水在廣東省內(nèi)屬首次出現(xiàn)，在全國也不多見，這方面的應(yīng)用實(shí)例也不多見。未來我國深埋特長隧道將越來越多，環(huán)保與水保要求也越來越嚴(yán)格，因此針對高壓涌水注漿堵水技術(shù)的研究愈發(fā)重要。本文以在建隧道高壓涌水全斷面超前帷幕注漿施工為例，結(jié)合已有的研究成果和施工經(jīng)驗(yàn)，介紹了高壓涌水寬張斷層裂隙帶地層注漿堵水的相關(guān)技術(shù)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，以期給類似高壓涌水隧道的注漿堵水施工提供參考。

1 工程概況

某隧道位于梅州市豐順縣與五華縣交界地段，為雙向4車道分離式隧道，設(shè)計(jì)車速為100 km/h。隧道右洞長6 350 m，左洞長6 336 m，最大埋深739.9 m，為廣東省第二長公路隧道。右線隧道開挖至K91+169進(jìn)行超前探水遇高壓涌水，最大涌水量為1 650 m3/h，靜水壓力為4.3 MPa；左線隧道開挖至ZK91+163進(jìn)行超前探水遇高壓涌水，最大涌水量為1 050 m3/h，靜水壓力為4.8 MPa。超前探孔(Φ130 mm)出水呈霧狀噴射，噴射距離約為17 m，如圖1所示。

圖1 隧道高壓涌水情況

1.1 工程地質(zhì)

勘察地質(zhì)資料顯示，隧道穿越蓮花山斷裂帶、蓮花山斷裂伴生北西向斷裂、桐子洋復(fù)向斜褶皺影響帶，隧道開挖至K91+169(ZK91+163)受F4-5和 F2-6斷層破碎帶影響，出現(xiàn)高壓涌水。其中F4-5斷層為張性正斷層，斷裂面不規(guī)則，多呈陡直狀，傾向多變有扭轉(zhuǎn)，斷層組成物主要為斷層角礫巖，局部見塊狀石英脈、碎裂巖、硅化破碎火山巖等。F2-6斷層硅化帶裂面不規(guī)整，整體為北東走向(約25°)，傾向南東114°，傾角83°，南西段傾向扭轉(zhuǎn)為北西，傾角86°，屬張扭性斷層，影響帶寬約6 m～15 m，斷層組成物為塊狀石英脈、碎裂巖等。

1.2 水文地質(zhì)

根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，隧道K91+000～K91+300段左側(cè)約440 m～550 m為飛泉水庫，該水庫壩底高程約為686 m，最大蓄水深度約32 m，最大庫容約為25×104m3。水源主要來源于上游溪溝的地表水。該段隧道設(shè)計(jì)高程約為270 m～277 m，高程差約440 m。連通試驗(yàn)也證明了飛泉水庫與鉆孔XSZK21 之間存在明顯的導(dǎo)水通道。飛泉水庫與XSZK21及隧道空間關(guān)系示意如圖2所示。

圖2 飛泉水庫與水文鉆孔XSZK21及隧道空間關(guān)系示意

2 全斷面帷幕預(yù)注漿方案

針對隧道穿越高壓涌水破碎帶地層，為確保施工安全，考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)和隧道長期運(yùn)營安全，隧道左、右線涌水遵循“以堵為主、排堵結(jié)合、限量排放”的處治原則，對右線(K91+169～K91+245)、左線(ZK91+163～ZK91+235)段落采用全斷面超前帷幕預(yù)注漿方案[9-13]。

2.1 注漿設(shè)計(jì)方案

注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，注漿設(shè)計(jì)示意如圖3所示。

表1 全斷面高壓帷幕注漿設(shè)計(jì)參數(shù)[14-15]

2.2 注漿施工工藝

2.2.1 施工準(zhǔn)備

1) 注漿材料備料

考慮到注漿材料用量大，且不可預(yù)估，現(xiàn)場應(yīng)提前準(zhǔn)備充足的注漿材料，同時(shí)和材料供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)調(diào)，保證及時(shí)供應(yīng)。

2) 消耗性材料備料

(1) 孔口管、堵頭板：提前加工好30～40根孔口管以及配套的堵頭板。

(2) 高壓閘閥、球閥、法蘭盤、鋼墊片按每孔一套準(zhǔn)備。

(3) 鉆桿：Φ76 mm鉆桿2.0 m×30根，配套用的連接絲扣40個(gè)。

(4) 沖擊器：Φ98 mm 2個(gè)，Φ79 mm 2個(gè)。

(5) 鉆頭：Φ130 mm 6個(gè)，Φ90 mm 60個(gè)。

(6) 風(fēng)管、電纜、水管引至注漿站。

3) 機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)

對施工所需的主要設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)，如鉆孔設(shè)備、空壓機(jī)、注漿機(jī)、攪拌機(jī)等。

2.2.2 施工工藝流程

超前帷幕預(yù)注漿施工工藝流程如圖4所示。

2.2.3 注漿材料參數(shù)試驗(yàn)及選擇

注漿材料采用普通硅酸鹽水泥單液漿+HPC為主，水泥水玻璃雙液漿為輔。

1) 單液漿+HPC

試驗(yàn)情況如表2、圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，水灰比1∶1，添加18%的HPC的普通硅酸鹽水泥結(jié)石率最高，達(dá)到99.6%，強(qiáng)度也明顯增高，最終選取第3組試驗(yàn)配合比參數(shù)。

2) 雙液漿

雙液漿由水泥漿(水灰比1∶1)+水玻璃(35波美度，模數(shù)為2.83)組成，試驗(yàn)情況如表3、圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，體積比為1∶3時(shí)膠凝時(shí)間最短，體積比為1∶1時(shí)終凝時(shí)間最短，最終選取第4組試驗(yàn)配合比參數(shù)。

2.2.4 突水孔引水

接好導(dǎo)水管，將水從導(dǎo)水管全部導(dǎo)出，是封堵突水的技術(shù)關(guān)鍵。在突水孔位置頂水安裝Φ108 mm導(dǎo)水管，導(dǎo)水管長度約2 m，用添加HPC的膠泥封管，注漿管周邊套絲，通過接管方式將水引致施工平臺外，外端安裝法蘭盤及Φ100 mm高壓閘閥，并保持閘閥敞開，如圖7所示。

2.2.5 止?jié){墻施工

止?jié){墻采用C30混凝土澆筑，厚2 m，周邊施作3 m長錨桿，錨桿嵌入止?jié){墻50 cm，澆筑完成后需在止?jié){墻拱部60°范圍內(nèi)采用風(fēng)槍鉆孔安設(shè)Φ42 mm小導(dǎo)管，并進(jìn)行注漿錨固。錨固完成后在止?jié){墻面上打設(shè)約30個(gè)孔口管，通過掃孔注漿將止?jié){墻與前方10 m的圍巖聯(lián)成整體，全部加固后，再進(jìn)行關(guān)水測壓工作[16-17]。

2.2.6 孔口管制作與安裝

孔口管采用Φ108 mm、δ=6 mm無縫鋼管加工，

(a) 帷幕注漿

(b) 帷幕注漿開孔

圖4 超前帷幕預(yù)注漿施工工藝流程

其外側(cè)采用Φ6 mm盤條焊接3道保護(hù)箍，外壁纏繞50 cm～80 cm長的麻絲成紡錘型，如圖8所示?？卓诠懿捎勉@機(jī)沖擊安設(shè)，外露20 cm，采用水泥漿(添加HPC)錨固以保證孔口管安設(shè)牢固不漏漿，待凝12 h以上再進(jìn)行下一步鉆孔。

2.2.7 鉆孔

采用德國寶峨KR805-2多功能地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，先按照設(shè)計(jì)給定孔位的坐標(biāo)進(jìn)行放樣，并用油漆標(biāo)注開孔編號，再通過調(diào)整鉆桿的角度來控制鉆孔方向。

2.2.8 注漿

在止?jié){墻后方約30 m位置布置注漿站，漿液攪拌時(shí)間不少于120 s，并確保漿液均勻。注漿終壓為水壓的2～3倍，可根據(jù)具體情況調(diào)整。

2.2.9 前進(jìn)式注漿鉆孔分段原則

水量在0～10 m3/h時(shí)，鉆孔10 m后進(jìn)行注漿；水量在10 m3/～30 m3/h時(shí)，鉆孔5 m后進(jìn)行注漿；水量大于30 m3/h或因鉆孔孔內(nèi)水壓超過鉆桿風(fēng)壓(2 MPa)，鉆機(jī)無法鉆進(jìn)時(shí)，立即停止鉆進(jìn)，實(shí)施注漿[18]。

2.2.10 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)行注漿壓力和注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最低值后，若注漿速度大于30 L/min，則繼續(xù)注漿，注漿壓力可適當(dāng)提高；若注漿速度小于30 L/min，則注漿結(jié)束。

表2 HPC參配比例試驗(yàn)記錄

3 高壓注漿關(guān)鍵技術(shù)

3.1 提高漿液填充效果

受水泥漿液固結(jié)收縮的影響，帷幕注漿完成后，隧道洞內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)大面積淋雨和滲漏水情況，為此，通過以下2種方式提高圍巖裂隙漿液填充效果和改善隧道開挖后圍巖滲漏水現(xiàn)象。

1) 添加HPC外加劑縮短水泥漿初凝時(shí)間，提高結(jié)石率。

2) 加大注漿壓力，使原有裂隙有所擴(kuò)大，注漿后擴(kuò)大的裂隙回縮，能使裂隙完全封閉，對漿液的排水固結(jié)特別有效。

3.2 提高掃孔效率

本次全斷面超前帷幕預(yù)注漿共設(shè)計(jì)有165個(gè)注漿孔+1個(gè)引水孔，縱向加固長度為40 m(右洞第一循環(huán)為41 m)，鉆孔、掃孔工程量大，帷幕注漿布孔完成后情況如圖9所示，采取以下3種方式可提高掃孔效率。

(a) 結(jié)石率曲線

(b) 強(qiáng)度曲線

(c) 初凝時(shí)間曲線

(d) 終凝時(shí)間曲線

表3 水玻璃參配比例試驗(yàn)記錄

(a) 膠凝時(shí)間曲線

(b) 終凝時(shí)間曲線

圖7 突水孔引水

圖8 孔口管

圖9 帷幕注漿完成后的情況

1) 優(yōu)化終孔順序

注漿順序按“由深到淺、由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行，并根據(jù)鉆孔以及圍巖情況作適當(dāng)調(diào)整。具體順序由圖4(a)上原來的A號→B號→C號→D號→E號→F號→G號調(diào)整為D號→E號→A號→B號→C號→F號→G號。將鉆孔遇高壓涌水的概率集中在D號和E號孔，減少其余孔處理高壓涌水的次數(shù)，從而減少掃孔次數(shù)，加快施工進(jìn)度。

2) 調(diào)整鉆孔分段長度

根據(jù)現(xiàn)場情況可對前進(jìn)式注漿鉆孔分段長度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，按照以上終孔順序，水量在大于30 m3/h或因鉆孔孔內(nèi)水壓超過鉆桿風(fēng)壓(2 MPa)，鉆機(jī)無法鉆進(jìn)時(shí)，立即停止鉆進(jìn)，實(shí)施注漿，否則將繼續(xù)鉆進(jìn)直至孔底后注漿。

3) 改善鉆孔設(shè)備配置

(1) 采用高頻快沖沖擊器。

(2) 更換合金鉆頭，由原來的球齒型鉆頭更換為尖牙型鉆頭，可以提升鉆孔效率30%。

3.3 注漿常見問題處理措施

1) 堵管：雙液漿膠凝時(shí)間短，注漿時(shí)容易發(fā)生堵管，可通過在堵頭板處安裝2個(gè)注漿閥門，將水泥漿和水玻璃匯合的位置由管道匯合變?yōu)檎谱用鎯?nèi)部匯合。

2) 串漿：若A孔注漿，B孔串漿，則在A孔注單液漿，B孔注雙液漿，使單液漿、雙液漿在B孔孔口位置匯合，匯合區(qū)的水泥-水玻璃體積比由1∶1稀釋為3∶1，可縮短雙液漿的膠凝時(shí)間，達(dá)到快速封堵B孔孔口的目的。

3) 單孔漏漿：由于止?jié){墻的施工縫、止?jié){墻與巖壁的裂隙、附近巖盤破碎及裂隙發(fā)育，在高壓漿液(大于5 MPa時(shí))的作用下導(dǎo)致各種縫隙有所張開，從而引發(fā)漏漿。通過在該孔內(nèi)放入2根套管，1根深入孔底注單液漿，1根深入掌子面前方5 m～10 m注雙液漿，使單液漿和雙液漿在孔口匯合，稀釋雙液漿體積比，快速封堵孔口防止漏漿；或者可采用放置1根套管至孔底，直接注雙液漿，將孔底封堵后再重新掃孔，采用前進(jìn)式注漿再次進(jìn)行注漿處理。

4) 孔口嚴(yán)重滲漏水：首先將Φ50套管深入孔底將水引出，再插入Φ32套管約8 m進(jìn)行雙液漿注漿，待孔口漿液膠凝后再進(jìn)行該孔注漿。

5) 間歇性注漿技術(shù)：發(fā)生串漿、漏漿時(shí)，使?jié){液在巖層裂隙中有相對停留時(shí)間，以便凝膠，但停注時(shí)間不能超過漿液凝膠時(shí)間。

6) 當(dāng)遇到水壓較大、裂隙發(fā)育段落，長時(shí)間單液漿注入后不能及時(shí)凝結(jié)時(shí)，可采用水泥水玻璃雙液漿，待注漿壓力上升后切換為單液漿。

4 應(yīng)用效果評價(jià)

4.1 檢查孔

為檢驗(yàn)注漿效果和保證隧道安全開挖，每循環(huán)在注漿過程中發(fā)現(xiàn)的地層薄弱部位設(shè)置3個(gè)檢查孔檢查出水量，如表4所示。

表4 檢查孔出水量

隧道開挖后，寬張裂隙被有效填充，注漿堵水效果良好，僅局部出現(xiàn)滲滴水，實(shí)現(xiàn)了高壓涌水寬張斷層裂隙帶的安全施工，證明單孔出水量小于15 L/min,孔內(nèi)涌水量小于0.5 L/min·m，開挖是安全的。

4.2 開挖后止水效果

隧道止水效果良好，開挖面漿脈清晰、漿液填充飽滿密實(shí)，效果如圖10所示。

圖10 隧道裂隙漿液填充效果照片

5 結(jié)論與建議

1) 隧道穿越高壓涌水寬張裂隙帶注漿施工，采用了止水墻止水技術(shù)、水泥漿+HPC單液漿注漿技術(shù)、水泥-水玻璃雙液漿注漿技術(shù)、間隙注漿技術(shù)、超前帷幕預(yù)注漿技術(shù)，在公路隧道穿越復(fù)雜水文地質(zhì)條件地層中，成功地封堵了高壓突水，實(shí)現(xiàn)了良好的注漿效果，總結(jié)了一套成熟的施工工藝，為以后同類隧道超前帷幕預(yù)注漿施工積累了成功經(jīng)驗(yàn)。

2) 通過總結(jié)一系列注漿常見問題的處理方案，按照注入單液漿(初凝時(shí)間42 min)、雙液漿(體積比1∶1，膠凝時(shí)間28 s)以及單、雙液漿同時(shí)注入(體積比1∶0.3，膠凝時(shí)間20 s)3種方式，調(diào)整水泥漿液與水玻璃的比例，控制漿液的膠凝時(shí)間，再通過漿液流動(dòng)的路徑長短和時(shí)間來選擇以上一種注漿方式，達(dá)到控制注漿的目的，提高施工效率，為今后類似高壓帷幕注漿堵水施工提供參考。

3) 止?jié){墻是超前帷幕注漿成敗的重要因素，應(yīng)重視止?jié){墻的設(shè)計(jì)厚度和施工質(zhì)量，確保安全有效。

4) 優(yōu)化后的注漿終孔順序和注漿分段長度以及鉆孔設(shè)備的改善，可大大提高總體掃孔的效率。