探討隧道施工的帷幕注漿堵水

【摘 要】 在特長大隧道修建過程中不可避免會遇到高壓、富水、巖溶等不良地質(zhì)條件，施工過程中常發(fā)生高壓涌水、突泥現(xiàn)象，給施工和環(huán)境保護都帶來了巨大的困難和安全隱患，在高水壓、富水區(qū)修建長大隧道是一種具有挑戰(zhàn)性的世界難題。本文依托銅鑼山隧道高水壓、富水、巖溶的特點，結(jié)合周圍環(huán)境條件，研究了帷幕注漿堵水的相關(guān)理論。從溶液型漿材和懸濁液型漿材兩方面探討了注漿材料的種類，以銅鑼山隧道施工的帷幕注漿堵水為基礎(chǔ)，概述了國內(nèi)外常用的注漿設(shè)計和注漿施工工藝。

【關(guān)鍵詞】 隧道施工；注漿；堵水；工藝

1.引言

本文涉及銅鑼山隧道施工，若采取排水方案將造成巖溶地下水水位大幅下降，導致翼部暗河出口水量大幅減小，嚴重時極可能被襲奪疏干；水位大幅下降，相應(yīng)地水力梯度會大幅增加，溶蝕加強，長期如此，隧道通過地帶居民飲水水源的小巖溶泉水點將被襲奪疏干，地下水和隧道的埋深均較大[1]，地表松散層非常薄，疏干排水極可能會產(chǎn)生大面積巖溶塌陷，危及村民的生命、財產(chǎn)安全；巖溶水水流不斷攜帶溶洞充填物或洼地覆土層、溶蝕漏斗，會產(chǎn)生局部地面開裂，甚至巖溶塌陷；因此，堵水施工也是確保隧道安全開挖的前提。

為保證銅鑼山隧道建成后的“綠色工程”，銅鑼山隧道對于水的處理采用“以堵為主、限量排放”的原則。

2.注漿材料種類的選擇

隨著注漿技術(shù)在工程建設(shè)領(lǐng)域中的逐年擴展，漿材也從早期的粘土、石灰和水泥發(fā)展到現(xiàn)在的水泥-水玻璃漿液與各種化學漿液共存的快速發(fā)展時期。注漿材料通常指漿液中的主劑，為化學材料和粒狀材料；漿液是同主劑、溶劑、固化劑等經(jīng)混合后所配成的液體，可分為溶液型和懸濁型兩大類。

2.1 溶液型漿材

（1）水玻璃類漿液

水玻璃類漿液是由水玻璃溶液和膠凝劑組成，具有可注性好，凝膠時間短，毒副作用小等優(yōu)點。水玻璃是化學注漿中最早得到應(yīng)用的材料[2]。

（2）丙烯酸鹽類漿液

丙烯酸鹽漿液是由一定濃度的單體、引發(fā)劑、緩凝劑、交聯(lián)劑等組成的水溶液，漿液可注性好，膠凝時間可控制在數(shù)秒至數(shù)小時之間。

（3）木質(zhì)素類漿液

木制素類漿液由紙漿廢液、促凝劑和膠凝劑等組成。木質(zhì)素類漿液包括硫木素和鉻木素漿液。硫木素漿液低毒、無毒，是可用性高的注漿材料。而鉻木素漿液固化劑為重鉻酸納，其毒性大，無法大規(guī)模使用。

（4）聚氨酯類漿液

聚氨酯類漿液分水溶性和非水溶性。水溶性漿液具有親水性，漿液可均勻地分散或融解于水中，膠凝后形成包含大量水的彈性體；非水溶性漿液難以被地下水沖稀，遇水膨脹，粘度低，擴散半徑和凝固體積比大，無環(huán)境污染，可注性能好。

（5）環(huán)氧樹脂類漿液

環(huán)氧樹脂類漿液的優(yōu)點是粘結(jié)力強、強度高、收縮小、化學穩(wěn)定性好，它的粘結(jié)力和內(nèi)聚力都較混凝土大，所以可用于結(jié)構(gòu)補強。但存在漿液粘稠，可注性低，憎水性強，與潮濕裂縫粘結(jié)力差等不足。

2.2 懸濁液型漿材

懸濁液型漿材是指固體顆粒懸浮在水中的注漿材料。主要包括純水泥漿、水泥粘土漿、水泥水玻璃漿等。

（1）水泥漿液

普通硅酸鹽水泥是目前注漿工程中最常用的注漿材料。水泥細度是決定水泥性能的重要因素之一。水泥漿液材料造價低，無毒性，來源廣，施工工藝簡單方便，結(jié)石率能達到99%，結(jié)石抗壓強度可達22MPa[3]。水泥漿液的缺點是易沉淀析水，穩(wěn)定性差，不適宜動水條件下注漿。由于本文涉及的銅鑼山隧道施工并無特殊要求，因此水泥漿液是施工所用的主要材料。

（2）水泥粘土類漿液

水泥粘土漿液是由水泥與粘土和水按比例混合而成。因粘土具有親水性好，分散性高的優(yōu)點，所以漿液沉淀析水性小，水泥粘土漿液的穩(wěn)定性很高。水泥粘土類漿液的結(jié)石率可高達100%，結(jié)石抗壓強度達13.6MPa。

（3）水泥水玻璃類漿液

水泥水玻璃漿液也叫CS漿液，是用水泥和水玻璃作主劑，按配比混合成雙液方式注入，也可加入速凝劑或緩凝劑來調(diào)整膠凝時間。其膠凝時間可調(diào)整在數(shù)秒內(nèi)，可達到控域注漿的目的，彌補了單一水泥漿的凝結(jié)時間長的缺點，目前應(yīng)用極其廣泛。

（4）超細水泥漿液

超細水泥最大粒徑10μm，平均粒徑僅4μm，。因此它能夠滲入到滲透系數(shù)為10-3～10-4cm/s的細砂層和巖石的細裂隙中。且抗壓強度高，結(jié)石耐久性強，漿液可注性好，穩(wěn)定性高。對于富含水飽和地層而言，采用超細水泥較其它材料優(yōu)勢明顯。

3.注漿設(shè)計

目前，注漿設(shè)計方法均采用注漿參數(shù)為定值的“安全系數(shù)法”，且大多是依賴工程經(jīng)驗，保守、準確性低，需進一步發(fā)展。因注漿介質(zhì)的不均一性、復雜性及注漿影響因素的不確定性，使很多關(guān)于注漿的研究成果仍處于定性階段或無法精確定量，很難在實踐注漿設(shè)計中得到運用。所以在注漿設(shè)計中往往采用現(xiàn)場注漿試驗或半經(jīng)驗公式確定參數(shù)[4]。

通常規(guī)定，地質(zhì)條件復雜的區(qū)域注漿或較大規(guī)模的注漿工程，必須先進行注漿試驗確定參數(shù)后，再正式注漿。隨著注漿應(yīng)用領(lǐng)域及注漿規(guī)模的逐年擴大，以往的單一注漿方式已不能滿足工程的需要。因此，如今在注漿設(shè)計中大多采用綜合注漿法，也就是在一個注漿區(qū)采用幾種注漿方式和幾種不同性質(zhì)的漿材聯(lián)合，以滿足不同的地質(zhì)單元與邊界注漿目的的需要。

另外確定注漿需達到的質(zhì)量標準也十分重要，標準高低的選擇影響到注漿工程的進度、質(zhì)量、造價以及建（構(gòu)）筑物的安全。原始階段的注漿目的相對單一，現(xiàn)代注漿需同時滿足多個目標，所以注漿標準也就變得復雜化和多樣化，這無疑會給注漿設(shè)計參數(shù)的選取增加更大的難度。另外，還必須要考慮到注漿對周邊環(huán)境的影響，也就是環(huán)保控制要求，這個問題也越來越受到關(guān)注，甚至成為注漿方案選擇或放棄的重要原則，其對注漿方式，注漿材料要求都提出嚴格的限制。

總之，注漿設(shè)計過程是一個多模糊性，多影響因素的復雜動態(tài)隨機過程，且因設(shè)計多采用半經(jīng)驗與經(jīng)驗公式，所以導致實際值與計算值差別很大。

4.注漿施工工藝

4.1 單液注漿和雙液注漿

單液注漿，是通過壓力傳遞，使?jié){液沿地層應(yīng)力場中弱應(yīng)力分布區(qū)或最小主應(yīng)力面劈裂、延伸，形成不規(guī)則狀或脈狀的凝結(jié)體，具有擠實和壓密作用，進而使土體的孔隙減小，壓縮模量增大[5]。單液注漿的優(yōu)點是施工操作簡單，速度快，造價低；雙液噴射注漿是將帶有噴頭的注漿管下入到地層，利用壓縮空氣流保護的高壓水射束，對土體進行沖切切割，同時注入漿液，使其成為理想形狀的凝結(jié)體。采用雙液噴射注漿時，注漿的范圍及形狀可控，施工進度快，成本低。

4.2 “孔口封閉”式、“孔內(nèi)卡塞”式、綜合注漿

“孔口封閉”注漿是在孔口處安裝孔口管，由上至下分段鉆進，安設(shè)孔口封閉器注漿，如此循環(huán)鉆注直至結(jié)束；“孔內(nèi)卡塞”注漿即下入套管一次性鉆孔到底，套管跟至最底段，下入止?jié){塞至套管底部進行注漿，由下至上分段注漿，最后一段安設(shè)孔口管進行灌注。綜合注漿是根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況采用以上兩種方式相結(jié)合的注漿方式。

5.結(jié)語

銅鑼山隧道工程采用高水壓、富水區(qū)帷幕注漿綜合技術(shù)進行施工，解決了大型高壓、富水、深埋、充填型溶洞注漿加固的技術(shù)難題，并取得了新的科研成果。推動了隧道及地下工程施工技術(shù)的進步，產(chǎn)生了巨大的社會、經(jīng)濟效益。為確保銅鑼山隧道順利實現(xiàn)貫通，除對高壓富水的防治外，還應(yīng)做好隧道前方地層預報工作，準確及時的地質(zhì)預報對調(diào)整開挖方案有重要的指導意義，可有效避免隧道涌砂突泥出現(xiàn)，避免災(zāi)害性事故發(fā)生。

參考文獻

[1] 吳建元.大瑤山隧道帷幕注漿及地表深孔注漿施工技術(shù)[J]..鐵道建筑技術(shù)，2005，（51）

[2] 鄒振華.全斷面帷幕注漿堵水在大瑤山隧道施工中的應(yīng)用[J]..現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，（01）

[3] 周訓高.大瑤山隧道突發(fā)性涌水整治技術(shù).鐵道標準設(shè)計[J].2006，（11）

[4] 齊傳生.圓梁山隧道深埋大規(guī)模充填性溶洞成因探討[J].鐵道勘察，2004（04）

[5] 王勐.圓梁山毛壩向斜段隧道涌突水災(zāi)害及對地下水的影響[J].中國安全科學學報，2004（05）