周鵬飛

（中鐵十六局集團(tuán)路橋工程有限公司 北京 101500）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，為迎合發(fā)展趨勢就需要促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，因此對建設(shè)更發(fā)達(dá)更全面的交通網(wǎng)絡(luò)有了更高的要求，高速公路、地鐵、高速鐵路、隧道等的建設(shè)需求越來越大。在長隧道施工過程中，由于隧道施工的地理位置不同，施工中會產(chǎn)生大量的水和水壓，外部水壓主要受地下水水頭和地下水處理方式影響，與圍巖成拱效應(yīng)無關(guān)［1-2］，但采用全排單一施工方案很難按時完成施工任務(wù)，且施工過程風(fēng)險很大。

目前，在對高壓富水隧道施工處理技術(shù)上，眾多研究技術(shù)人員作出了大量的研究貢獻(xiàn)，取得了顯著的科研成果。房倩等人［3-5］研究了注漿堵水技術(shù)在隧道的應(yīng)用，張健儒［6］為降低圍巖的滲透系數(shù)使用了超前預(yù)注漿堵水的方法，張民慶等人［7］根據(jù)出現(xiàn)齊岳山隧道所出現(xiàn)的高壓裂隙水問題，提出使用普通水泥單漿和普通水泥-水玻璃雙漿注漿堵水方法，且這種方法取得了良好的效果，并在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。但目前還沒有相對成熟的施工技術(shù)和經(jīng)驗，能有效解決水壓大于6 MPa 的富水隧道問題。根據(jù)2012 年6月21～22 日召開的“中天山隧道斜井工區(qū)高壓富水段施工方案論證會”，專家對解決高壓富水段施工問題，提出了“注漿減排、排水降壓”的方法［8］，有效地減少了排水量，降低施工安全風(fēng)險，解決高壓高富水地段施工難度大、施工風(fēng)險高的問題。

1 注漿材料及工藝控制

注漿施工中主要采用3 種注漿材料，分別是普通水泥單液漿（簡稱C 漿）、普通水泥-水玻璃雙液漿（簡稱C-s 漿）和硫鋁酸鹽水泥單液漿（簡稱AL 漿）。首先采用以C 漿為主，C-s漿為輔的注漿方式進(jìn)行試驗，而C-s漿是在上述2種注漿材料不能達(dá)到預(yù)期效果時使用。各注漿材料配比情況如表1所示。

表1 漿液配比參數(shù)Tab.1 Slurry Ratio Parameter

在注漿施工中，注漿材料的選擇與配比可根據(jù)現(xiàn)場情況的不同進(jìn)行調(diào)整。首先，使用普通水泥漿作為初始注漿液進(jìn)行注漿，當(dāng)出現(xiàn)串漿的現(xiàn)象隨之發(fā)生在排水孔內(nèi)時，應(yīng)使用普通水泥漿-水玻璃雙漿液進(jìn)行封堵。其次，如果能夠起到良好的封堵注漿作用，之后注漿就可選用普通水泥漿單漿來代替普通水泥漿-水玻璃雙漿，從而減少材料用量。最后，當(dāng)注漿壓力處于3 MPa 至設(shè)計終孔壓力之間時，使用硫鋁酸鹽單漿進(jìn)行注漿，至注漿完成。

施工過程中注漿順序如下：

⑴先鉆設(shè)C3、C6、C9、C13、C16、C19 孔作為注漿孔使用，之后當(dāng)需要對地質(zhì)情況進(jìn)一步判斷時，這些孔也可作為超前地質(zhì)探孔使用，并可使用所得的數(shù)據(jù)對設(shè)計方案進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。

⑵應(yīng)采用“由外往內(nèi)、由上往下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行施工。每排注漿孔數(shù)為奇數(shù)（偶數(shù)）的孔先施工，再施工偶數(shù)（奇數(shù)）孔。局部大水量地區(qū)注漿結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行有針對性的加固灌漿。

2 注漿效果評價與分析

2.1 鉆孔涌水量

⑴根據(jù)加固注漿施工時不同時間的鉆孔最大涌水量的變化，所得數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 鉆孔涌水量時間效應(yīng)Fig.1 Time Effect of Borehole Water Inflow

如圖1 所示，各鉆孔的最大出水量各不相同。在試驗中，前9 個試驗注漿孔最大出水量為239 m3/h，平均出水量為176 m3/h。通過注漿，堵塞了較大的寬張裂縫，取得了一定的堵水效果。下兩輪鉆孔完成后，大部分水裂縫已被堵塞，工作面8 個注漿孔的涌水量明顯減少，平均12 m3/h，達(dá)到了注漿減排量的預(yù)期效果。

⑵注漿堵水率

各施工階段鉆孔所統(tǒng)計的最大涌水量和計算所得的堵水率如表2所示。

由表2 可知，在鉆井施工過程的前9 個測試孔，平均進(jìn)水量為176 m3/h。頂水注漿后，單孔平均最大涌水量在外圈孔施工期間為35 m3/h，堵水率為80%。外圈孔堵水注漿較為明顯。當(dāng)注漿施工由外向內(nèi)進(jìn)行時，完成內(nèi)圈孔施工后，其堵水率為85%。當(dāng)完成3個圓形注漿孔后，掌子面8 個注漿孔的最大平均入水量為12 m3/h，堵水率為93%，達(dá)到預(yù)期堵水效果。

表2 注漿堵水率Tab.2 Grouting Water Blocking Rate

⑶P-Q-t曲線

P-Q-t曲線如圖2 所示，顯示了在循環(huán)鉆孔注漿施工過程中注漿壓力和注漿量隨注漿時間的變化。

注漿封堵地層出口寬裂縫時，注漿過程中涌水量大注漿孔的P-Q-t曲線如圖2?所示，初始壓力約為2 MPa，初始壓力增長到最終壓力期間，壓力變化主要分為2～4 MPa 期間緩慢增長、4～7 MPa 期間快速增長、7 MPa 至最終壓力期間指數(shù)增長3 個階段。最后指數(shù)增長階段注漿流量逐漸減少，最后達(dá)到設(shè)計結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

注漿過程中部分含水率較低孔的P-q-t曲線如圖2?所示，初始壓力仍為2 MPa 左右，與涌水量最大孔的P-Q-t曲線所示的變化情況相近。注漿壓力增長速度逐漸加快，最后成指數(shù)增長趨勢，但地層吸漿量較小。隨著注漿壓力增大至設(shè)計注漿壓力后，將漿液填滿出水裂縫并壓實，達(dá)到預(yù)期堵水效果。

圖2 注漿P-Q-t曲線Fig.2 Grouting P-Q-t Curve

2.2 檢查孔注漿效果

當(dāng)完成注漿后，應(yīng)根據(jù)循壞鉆孔注漿施工過程中的出水區(qū)域分布情況鉆設(shè)檢查孔檢查注漿完成的效果情況，也可在注漿薄弱區(qū)域來選擇鉆設(shè)位置［9］。而且在檢查完成之后，檢查孔可作為補充注漿孔來使用。檢查孔均為終孔斷面鉆設(shè)，共布設(shè)8個，鉆設(shè)孔深為28 m（含止?jié){墻），其開孔和終孔位置如圖3所示，出口涌水量情況如圖4 所示。除了鉆設(shè)檢查孔之外，還要鉆設(shè)徑向終孔，位置應(yīng)位于開挖輪廓邊界5 m以內(nèi)。

圖3 檢查孔開、終孔布置Fig.3 Inspection Hole Opening and Final Hole Layout

圖4 檢查孔出水情況Fig.4 Check the Water out of the Hole

通過注漿后地層滲透系數(shù)公式：

式中：kg為注漿后的地層系數(shù)（m/d）；Q為穩(wěn)定流量（m3/d）；l為注漿孔長（m）；S為水位差、水頭壓力（m）；r為鉆孔半徑（m）。

當(dāng)注漿后地層滲透系數(shù)達(dá)到10-4～10-5cm/s 時才能滿足開挖要求；

本循環(huán)右線注漿效果檢查：檢查孔長度為20 m（不含止?jié){墻）；漿結(jié)束后，在左側(cè)泄水孔泄水情況下水頭為200 m；鉆孔孔徑為90 mm。

當(dāng)取滲透系數(shù)為5×10-5cm/s 時，單孔涌水量Q為6.8 m3/h；每延米涌水量為5.65 L/m·min。

從表3 所得到8 個檢查孔的終孔水量均小于5.65 L/m·min，滿足開挖要求。在鉆設(shè)檢查孔時，鉆孔速度快，而且沒有卡鉆現(xiàn)象，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的檢驗效果。

表3 檢查孔各段出水情況Tab.3 Check the Water Output of Each Section of the Hole

2.3 檢查孔孔內(nèi)成像測試

采用孔內(nèi)成像技術(shù)對鉆出的檢查孔進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果表明，檢查孔內(nèi)壁光滑、成孔良好，沒有出現(xiàn)塌孔等現(xiàn)象；但孔壁上出現(xiàn)有明顯的注漿痕跡，且孔壁上的細(xì)小裂縫及巖石與注漿接觸面有出現(xiàn)噴、冒水現(xiàn)象，從而造成孔內(nèi)涌水的情況?？變?nèi)成像檢測的截圖如圖5所示。

圖5 檢查孔孔內(nèi)攝像測試情況Fig.5 Check the Camera Test Situation in the Hole

2.4 注漿安全風(fēng)險與成效

通過注漿試驗，得出在處理6.3 MPa 高水壓破碎圍巖問題采用全斷面超前注漿的方法是可行的，并通過加強(qiáng)注漿堵水來降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的外水壓力。通過超前注漿的方法將高壓水推至開挖輪廓線之外，并且在一定區(qū)域內(nèi)加固地層，從而能使隧道開挖能在低水量的情況下進(jìn)行，更直接有效地確保了隧道開挖的安全。

⑴普通水泥單漿液為本次注漿試驗所主要使用的注漿材料。在這次實際注漿過程中論證了其可注性的配合比設(shè)計，驗證了漿液在工程中的可泵性，為下一步的注漿確定了良好合理的注漿參數(shù)。

⑵在注漿過程中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r選擇注漿段的長度。對于全斷面提前堵水注漿，注漿加固長度應(yīng)控制在為25～30 m，且要采用分段提前注漿。注漿加固的長度根據(jù)勘探孔的地質(zhì)條件確定，地質(zhì)條件較好時，長度增大，若不好，則長度減小。設(shè)計注漿段長度不應(yīng)超過30 m，防止出現(xiàn)鉆孔注漿效果降低、最后一段注漿效果差等情況。

⑶確保注漿墻的質(zhì)量和厚度。根據(jù)本次注漿試驗的早期階段的注漿施工，可以看出止?jié){墻在注漿工程中起著重要作用，止?jié){墻是確保鉆孔灌漿施工進(jìn)行和隧道安全的最后一道防線。在6.3 MPa 的高水壓下，注漿墻厚度應(yīng)控制在5～8 m 范圍內(nèi)，材料選用C30混凝土。

⑷鉆孔注漿設(shè)備應(yīng)滿足抵抗高壓水的要求。鉆井設(shè)備要選擇鉆井能力先進(jìn)的鉆機(jī)，鉆機(jī)必須要能承受高壓水，并配有高壓水泵，現(xiàn)場使用2.1 MPa 高壓空壓機(jī)和15.0 MPa 高壓水泵，深孔和淺孔交替使用，淺孔鑿巖機(jī)采用風(fēng)鉆空壓機(jī)，深孔采用金剛石高壓注漿泵供水，因而對鑿巖機(jī)的要求較高，鑿巖機(jī)應(yīng)能同時進(jìn)行風(fēng)鉆和水鉆；注漿設(shè)備還應(yīng)選用高壓注漿泵，現(xiàn)場采用15.0 MPa的高壓注漿泵。

⑸泄水降壓非常重要。在注漿前，應(yīng)先打開排水泄水孔來確保灌漿施工的安全。當(dāng)注漿完成后，為保證施工作業(yè)能在低壓開挖進(jìn)行，還要在開挖前設(shè)置降壓孔，設(shè)置位置在注漿加固圈外。

⑹降壓孔和注漿孔之間的距離應(yīng)該增加，和單液和雙液注漿材料應(yīng)該相互結(jié)合使用。

3 注漿進(jìn)度分析

根據(jù)對試驗階段的鉆孔注漿長度和時間的分析，沒循環(huán)所設(shè)計鉆孔的99個孔，其正常情況下長度需要約6 450 m（包括反復(fù)掃孔長度）。鉆機(jī)的平均鉆孔效率約為8 min/m，一個循壞的鉆孔時間約為32 d，注漿每循壞所需時間約為37 d。鉆孔效率和進(jìn)度分析如表4所示。

表4 循環(huán)注漿進(jìn)度分析（30 m，8 m加固圈）Tab.4 Circulating Grouting Schedule Analysis（30 m，8 m Reinforcement Circle）

4 注漿經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 第一循環(huán)注漿試驗段施工分析

施工的第一個注漿循壞開始日期為3 月22 日，之后4 月6 日因止?jié){墻出現(xiàn)裂縫而停止施工，主要原因為止?jié){墻受高水壓的影響所造成。根據(jù)項目管理中心在5 月19 日的指示選擇在掌子面局部區(qū)域進(jìn)行注漿試驗工作。之后在6月22日舉行的會議，專家確定了“減壓注漿泄水”的施工原則，繼續(xù)實施循環(huán)注漿，直至8 月8 日完成。試驗段在6.3 MPa 高水壓條件下鉆孔注漿為國內(nèi)首次。因此有必要在不斷的試驗中探索和總結(jié)經(jīng)驗，著同樣也造成了在試驗過程中施工時間長，投資成本高的問題。

⑴在2012 年3 月16 日，引入了RPD-180C 鉆機(jī)且配備了專業(yè)的團(tuán)隊，進(jìn)行建設(shè)的第一個循壞全斷面超前注漿涌水處理試驗部分。2012年8月8日完成了第一循壞注漿施工。

⑵根據(jù)涌水處理施工方案，在第一次循環(huán)注漿施工過程中還增加了止?jié){墻。第一道止?jié){墻厚4 m，但由于現(xiàn)場實際水壓過大，導(dǎo)致止?jié){墻開裂，然后施工第二道止?jié){墻，墻厚為5 m。

4.2 注漿費用分析

結(jié)合第一循環(huán)試驗段施工情況，在正常施工情況下，每循環(huán)注漿的開挖工期約50 d，一循環(huán)超前注漿按加固30 m（含5 m止?jié){墻）考慮，開挖17 m；設(shè)計鉆孔99孔，總計鉆孔數(shù)量預(yù)計6 500 m（含重復(fù)掃孔）；預(yù)估注漿量為1 200 m3。每延米注漿估算費用與設(shè)計院在方案中給定的指標(biāo)相差較大，經(jīng)分析主要原因如下：

⑴隧道注漿鉆孔定額采用《鐵路路基隧道工程預(yù)算定額》（鐵建設(shè)〔2004〕47號）中的相關(guān)定額進(jìn)行編制，其中MK-5 鉆機(jī)僅適用于低水壓及軟弱圍巖條件下施工。由于中天山隧道水壓高達(dá)6.3 MPa，且閃長巖石英含量高，強(qiáng)度大，MK-5 鉆機(jī)根本無法達(dá)到施工需要。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，可采用RPD-180C 多功能鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。

⑵由于隧道地層水壓高達(dá)6.3 MPa 且地層為閃長巖，圍巖強(qiáng)度較高，耐磨性好，鉆孔難度大，效率極低，鉆具消耗大。通過試驗段鉆孔進(jìn)度及鉆具消耗統(tǒng)計，試驗段平均每小時鉆孔長度約6 m，是正常鉆進(jìn)速度的1/3（正常段圍巖段每小時鉆孔長度18 m）；鉆具消耗也比正常施工段多消耗4 倍（正常情況下每鉆進(jìn)500 m消耗1根鉆桿，而試驗段每100 m就消耗1根）。

⑶由于水壓高達(dá)6.3 MPa，注漿只能采用前進(jìn)式分段注漿，造成實際鉆孔長度遠(yuǎn)大于設(shè)計理論鉆孔長度，根據(jù)第一循環(huán)現(xiàn)場實際簽認(rèn)統(tǒng)計，實際鉆孔長度達(dá)到設(shè)計的217%。

⑷ 設(shè)計方案注漿量第一循環(huán)21 m 注漿工程量為203 m3。但由于水壓力高達(dá)6.3 MPa，為保證注漿效果，實際采用了較高的注漿壓力，致使?jié){液擴(kuò)散損失較大，實際注漿量遠(yuǎn)大于設(shè)計量。根據(jù)第一循環(huán)現(xiàn)場實際簽認(rèn)統(tǒng)計，其注漿量為936 m3，實際注漿量和設(shè)計方案中注漿量出入較大。

5 結(jié)論與建議

隨著地下工程施工的發(fā)展，在眾多相關(guān)技術(shù)人員不斷努力完善堵水注漿技術(shù)下，注漿材料、注漿機(jī)械、注漿工藝都有著極大的進(jìn)步和發(fā)展，并廣泛應(yīng)用在很多隧道施工中。然而，由于地底的裂縫錯綜復(fù)雜，在施工中技術(shù)人員很難把控注漿漿液在裂縫中的運動軌跡，只能根據(jù)注漿漿液凝固后的形狀和尺寸來間接判斷注漿效果，這使得在注漿工程中需要對注漿工藝有豐富經(jīng)驗的工程技術(shù)人員，如此一來注漿技術(shù)的完善還需要研究人員及技術(shù)人員的不斷探索和研究。

⑴在“注漿減排、排水降壓”的原則下，采用全斷面超前注漿的方法可以有效解決水壓大于6.3 MPa 的富水隧道問題。

⑵在注漿時，泄壓孔與注漿孔之間的距離不能太過靠近，要有一定的距離。

⑶試驗所選用普通水泥單液漿與水泥-水玻璃雙漿液注漿材料相結(jié)合使用的方法（以單液為主、雙液為輔）使試驗結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

⑷工程所采用的滿足鉆孔、注漿設(shè)備的機(jī)械費用較其它機(jī)械而言費用所需很大，因此在鉆孔、注漿過程中，盡可能在滿足堵水的同時提高施工效率。