富水巖溶隧道注漿堵水技術(shù)探討

摘要：本文主要針對富水巖溶隧道注漿堵水的技術(shù)展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實例，對注漿材料的選擇作了詳細(xì)的說明，并為注漿施工作了系統(tǒng)的闡述和給出了一些相關(guān)的措施，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道工程；富水巖溶；注漿堵水

引言

在富水巖溶地區(qū)進(jìn)行隧道施工，具有著極大的難度和挑戰(zhàn)性，但是隨著建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，特別是注漿堵水技術(shù)的應(yīng)用，使得我國在富水巖溶地區(qū)修建隧道越來越普遍。然而在實際施工中，注漿堵水的施工技術(shù)還未完全應(yīng)用成熟，還需要相關(guān)的工作者不斷探索，以尋求更佳的富水巖溶隧道建設(shè)的施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)特征

隧道左右線采用分離式雙洞單向3車道，中線間距為20m，為大斷面小凈距隧道。

1.2 涌水情況

隧道右洞開挖掘進(jìn)至K5+381時，開始出現(xiàn)涌水，涌水縱斷面如圖1所示，在掌子面前方鉆孔進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，隨著鉆孔加深涌水量越來越大，至15m時由于水量太大，無法繼續(xù)施作鉆孔，隧道掌子面全斷面水流量約為920m3/h，單孔動水壓力0.03～0.061MPa，水溫37℃，涌水壓力較小，水溫較高。經(jīng)過6d洞內(nèi)、外水量監(jiān)測，洞內(nèi)水流量沒有明顯減小趨勢，洞外泉眼、水庫、居民飲水點、水塘等主要水文監(jiān)控點水位沒有明顯下降，水溫保持在37℃。利用地質(zhì)雷達(dá)對掌子面進(jìn)行探測，探測結(jié)果表明前方圍巖為巖溶角礫巖，較破碎，裂隙發(fā)育，整體性較差，圍巖含水豐富。通過水文地質(zhì)分析和現(xiàn)場涌水揭露，認(rèn)為涌水主要來源于巖溶角礫巖及與其存在聯(lián)通關(guān)系的灰?guī)r巖溶管道，且屬深部巖溶管道涌水。

圖1 涌水段縱斷面

2 注漿材料選擇

注漿材料的選取應(yīng)根據(jù)堵水要求、加固要求，是否作為永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)，以及注漿材料漿液的可注性、可控性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮進(jìn)行選擇。

2.1 注漿材料及配合比的確定

根據(jù)隧道的水文地質(zhì)條件，選擇普通硅酸鹽水泥及38～42°Be、模數(shù)3.1～3.4的水玻璃作為主要注漿材料。水泥漿和水玻璃漿的濃度應(yīng)根據(jù)巖石裂隙發(fā)育程度、鉆孔單位吸水量的大小確定。

準(zhǔn)確掌握漿液的初凝時間是注漿中的一個重要環(huán)節(jié)，影響漿液初凝時間的因素有：水泥漿和水玻璃體積比、水泥漿和水玻璃漿的濃度、外加劑、溫度、地下水等。為了準(zhǔn)確地掌握漿液的初凝時間，隧道項目部試驗處在施工前進(jìn)行了科學(xué)的配合比試驗，試驗結(jié)果如表1所示。根據(jù)隧道的實際情況，采用第4組中第3次試驗的數(shù)據(jù)確定了施工配合比。

施工配合比：水∶水泥=0.8∶1；水泥漿∶水玻璃=1∶0.4（體積比）；磷酸氫二鈉（緩凝劑）=3%水泥質(zhì)量。雙漿液試件7d抗壓強(qiáng)度平均值為20MPa。漿液配制的過程中先加水，然后加磷酸氫二鈉，最后加水泥。注漿時用雙液注漿泵按確定的比例將水泥漿、水玻璃漿同時注入，雙液注漿泵上安裝有2種漿液的調(diào)速閥，按照漿液配合比試驗確定的漿液體積比調(diào)節(jié)流速。

2.2 注漿設(shè)備和系統(tǒng)

2.2.1注漿主要設(shè)備

（1）注漿泵

選用耿興80和120兩種型號注漿泵。

（2）鉆機(jī)

選用全液壓意大利多功能鉆機(jī)C4，最大鉆進(jìn)深度為80m。

（3）管路

高壓膠管數(shù)條，可承受5～8MPa的壓力。

（4）攪拌機(jī)

配備兩臺容積為1.0m3的泥漿攪拌機(jī)，以確保連續(xù)供漿。

具體注漿設(shè)備如表2所示。

表1 雙液配合比試驗

表2 注漿設(shè)備

2.2.2 注漿系統(tǒng)

采用雙液注漿系統(tǒng)，其優(yōu)點是操作方便，便于施工，水泥-水玻璃在此混合后注入巖層可隨時調(diào)整，2種漿液在孔口混合后立即注入巖層裂隙，不易出現(xiàn)堵塞管路的現(xiàn)象。

3 注漿施工

3.1 注漿參數(shù)選擇

（1）漿液凝膠時間

漿液凝膠時間應(yīng)根據(jù)進(jìn)水量和泵的壓力變化確定。當(dāng)進(jìn)水量很大，泵的壓力上升緩慢，凝膠時間可取1～2min；當(dāng)進(jìn)水量適中，泵的壓力上升平穩(wěn)，凝膠時間可取3～4min；當(dāng)進(jìn)水量很小，泵的壓力上升較快，凝膠時間可取5～6min。

（2）進(jìn)漿量

當(dāng)雙液進(jìn)漿量>300L/min，泵的壓力上升緩慢，則為大進(jìn)漿量；當(dāng)進(jìn)漿量為100～300L/min，泵的壓力上升平穩(wěn)，則為正常進(jìn)漿量；當(dāng)進(jìn)漿量<100L/min時，且泵的壓力升高較快，則為小進(jìn)漿量。

（3）注漿壓力

一般情況下，注漿壓力主要與滲透地下水壓力、巖層裂隙大小和粗糙程度、漿液的性質(zhì)和濃度、要求的擴(kuò)散半徑等有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗，終壓取2～3MPa。

（4）注漿量的確定

為獲得良好的注漿效果，必須注入足夠的漿量，確保一定的有效擴(kuò)散范圍。漿液壓入量Q可根據(jù)擴(kuò)散半徑及巖層裂隙率進(jìn)行粗略估算。填充率取10%，則按下列公式計算注漿孔每米的最大理論注漿量為2.713m3。

Q=πr2Hnα（1+β）

式中：Q為注漿量（m3）；r為漿液擴(kuò)散半徑（m），此處取3m；H為注漿段長度（m），此處取30m；n為地層孔隙率，根據(jù)地層決定，按5%～20%計算；α為有效注漿系數(shù)（取0.7～0.9），此處取0.8；β為漿液損失率（取0.1～0.4），此處取0.2。

（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)有2個：最終吸漿率和是預(yù)定設(shè)計壓力（終壓）持續(xù)時間。從理論上說，最終吸漿率是越小越好，最好是壓至完全不吸漿，但實際施工難以做到。本次注漿執(zhí)行的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：①注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓；②雙液注漿吸漿率為18～35L/min，穩(wěn)定約20min后即可結(jié)束注漿。注漿結(jié)束后壓入一定量的清水，使?jié){液沖出管路，最后提拔、拆卸注漿器，沖洗保養(yǎng)注漿機(jī)具。

3.2 注漿操作技術(shù)

（1）配漿

注漿中，一般由稀到濃使用漿液，按照大、中、小進(jìn)漿量及時調(diào)整漿液凝膠時間、濃度和混合漿的體積比。

（2）注漿

雙液注漿時應(yīng)先開水泥漿泵，后開水玻璃漿泵。注漿中要嚴(yán)格控制進(jìn)漿比例。隨著注漿壓力緩慢升高，進(jìn)漿量應(yīng)相應(yīng)減小。

（3）注漿段長度的確定

根據(jù)隧道水文地質(zhì)條件和現(xiàn)有注漿設(shè)備，為取得理想的注漿效果，取每1次注漿段的長度為30m，注漿后開挖長度為23～25m，余下的5～7m不開挖，作為下次注漿的止?jié){巖盤。

（4）止?jié){墻

結(jié)合注漿的實際情況和止?jié){墻的施工工期，采用現(xiàn)澆混凝土C30的方式修筑止?jié){墻。止?jié){墻分上、中、下3個臺階進(jìn)行施工，上臺階厚1m，中臺階厚1.5m，下臺階厚2m，其中上臺階高度2.4m，中、下臺階高度均為2m。注漿墻下部嵌入下臺階0.5m，拱部和邊墻嵌入圍巖0.3m。止?jié){墻周邊施作22砂漿錨桿，長3.5m，環(huán)向間距1m，錨入圍巖內(nèi)長2m，嵌入止?jié){墻內(nèi)1.5m，如圖2a所示。在墻體與圍巖接觸的地方，施作與隧道軸線呈45°、長度4m的小導(dǎo)管，并在接觸處噴射25cm厚C25混凝土，防止注漿過程中出現(xiàn)漏漿，如圖2b所示。

圖2 止?jié){墻布置圖（單位：cm）

（5）注漿孔的布置

合理布置注漿孔是提高堵水效果與保證施工安全的主要因素。鉆孔的布置需根據(jù)探水注漿段的長度、巖層裂隙發(fā)育情況、含水層分布情況、隧道斷面大小以及鉆孔作業(yè)是否方便而定。由于巖層裂隙發(fā)育不均勻，鉆孔布置應(yīng)以含水層為主，同時要考慮開挖斷面均勻布孔。為使鉆孔穿越較多裂隙，鉆孔宜長短結(jié)合并呈傘形輻射狀布置，鉆孔布置拱部和邊墻為4圈，仰拱為5圈，內(nèi)外圈按梅花形排列，并采用長短孔結(jié)合，以達(dá)到注漿充分，不留死角的目的。漿液擴(kuò)散半徑3m，孔底間距≤4.5m，拱部及邊墻注漿加固厚度為5m，仰拱注漿加固厚度為3m。

根據(jù)隧道實際情況，在隧道全斷面注漿設(shè)計理念上，對隧道超前帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，把原設(shè)計全斷面布孔改進(jìn)為：拱部及邊墻的4圈孔和仰拱上面3圈孔進(jìn)行上半斷面布孔，仰拱最下面一排孔和增加的一排孔在上、下臺階交界面上布孔，具體布孔位置如圖3所示。

圖3 注漿孔布置（單位：cm）

3.3 注漿流程

注漿具體流程如圖4所示。

圖4 注漿施工工藝流程

3.4 注漿堵水效果檢查

注漿堵水工程結(jié)束1周后，取一注漿循環(huán)段布置6個檢查孔來檢測注漿效果，孔深控制在6m左右，同時對右洞K5+374—K5+389段涌水量進(jìn)行檢測，仰拱涌水量2.592m3/d，初支拱頂水流量為137.67m3/d。檢查孔的出水量如表3所示。

表3 注漿后出水孔的涌水量

從檢測結(jié)果來看，檢查孔單孔涌水量<0.2L/min，注漿后K5+374—K5+389段仰拱涌水量<1m3/（d·m）堵水達(dá)到了工程預(yù)期效果，可以進(jìn)行下部工序施工。新型注漿工藝實施以后，洞壁形成了一層穩(wěn)固的注漿圈，圍巖和工作面趨于穩(wěn)定，襯砌外水壓力顯著降低，達(dá)到了隧道限量排水控制標(biāo)準(zhǔn)，有效降低襯砌外水壓力。

4 結(jié)語

綜上所述，注漿堵水技術(shù)的合理應(yīng)用，對富水巖溶地區(qū)的隧道建設(shè)會有著極大的幫助。因此，我們需要根據(jù)施工的現(xiàn)場環(huán)境，科學(xué)確定施工配合比和準(zhǔn)確選取注漿的參數(shù)，以促進(jìn)注漿施工順利完成，從而確保整個隧道工程的施工質(zhì)量。

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