膜袋法高壓分段注漿技術在隧洞突泥治理中的應用

(浙江省隧道工程公司，浙江 杭州　310012)

隨著可持續發展觀念的深入、環保意識的提高、技術的發展進步，注漿技術在地下工程建設中得到快速的推廣和應用，并且逐漸成為突水突泥災害治理的最主要技術手段之一。本文主要探討隧道斷層突水突泥高壓注漿治理技術，將該治理技術體系應用于龍津溪引水工程隧洞F48和F52斷層突水突泥的治理，取得了實效性結果。

1　工程突水突泥概況

1.1　工程概況

龍津溪引水隧洞全長為13587m，開挖洞徑為底寬3.0m、直徑3.9m的擴底圓形斷面，隧洞山體雄厚，隧道最大埋深達670m，沿線地質條件復雜，斷層發育。地下水豐富，隧洞均位于地下水位以下，共有記錄16條大斷層，本文主要介紹F52斷層和F48斷層。F52：NE35°，SE∠78°，寬2～3m，充填碎裂巖，帶內巖體極破碎；F48：NW295°，SW∠75°，寬1～2m，充填碎裂巖，帶內巖體極破碎，地表形成沖溝。

地質勘探顯示F52和F48是兩條平行斷層，斷層之間有200m Ⅳ～Ⅴ類圍巖，樁號范圍大致為3+000-2+800，隧洞埋深約為200m，隧洞均處于地下水位線以下，地表形成寬度大于100m的沖溝。

1.2　斷層帶突水涌泥情況

在開挖及支護至樁號2+945時(F48斷層附近)，由于地質原因工作面發生較大碎石狀塌方，并伴有大量涌水。經初步支護后，在清理塌方體工作平臺的過程中，工作面發生泥石流狀塌方，泥石流塌方體沖出工作面80余m遠，挖裝機、梭礦、電瓶機車、注漿機等設備被淹埋，工程停工。由于繼續施工的難度非常大，確定將隧洞軸線往右側進行改線施工。

改線施工在右側軸線樁號2+946(F48斷層附近)施工過程中突發涌水，初始5h異常平均涌水量達675m3/h，整個隧洞被突水淹沒，淹沒水深約1m，大量施工設備被水浸泡，造成工程停工5個月。后期水量基本穩定在350～400m3/h的涌水量。

為確保下步順利穿越斷層帶，保證施工安全，采用TGP地質雷達探測系統對塌方區進行探測，探測結果顯示，2+946～2+908段長58m范圍為斷層區，初步推斷為泥質細砂巖與花崗巖侵入體交接帶，從已突出泥石流成分看，斷層帶內充填糜棱巖、斷層泥及花崗巖壓碎體，2+946及2+908處兩組節理在俯視及側視兩個方向均成X形交夾。斷層充填物在地下高壓力水的作用下極易產生泥石流狀塌方。基于地質雷達探測結果，經多方討論，決定從樁號3+062開始，向隧洞左側改線施工穿越破碎帶。

2　注漿方案的選擇和設計

2.1　注漿方案的選擇

根據探測結果，前方地質狀況基本可以確定存在大量地下水和強風化淤泥帶，先后采用管棚、小導管注漿、鋼拱架和錨網噴等支護措施，但這些措施均以失敗告終，最后經過各方討論決定采用膜袋法高壓分段超前預注漿技術。

膜袋法高壓分段超前預注漿技術在隧洞超大涌水地層和大壩堵漏方面應用較多，且有較多成功案例。如水電七局運用膜袋法灌漿技術，在錦屏二級電站隧洞進行堵水灌漿，但該技術還沒有形成正規的理論，在膜袋材料、鉆孔形式、注漿壓力和漿液配比等方面沒有相應的規范要求，主要依靠以前的成功經驗和現場的實際情況進行綜合確定。

2.2　注漿方案的設計

為避免此類現象的再次發生，項目部在改線施工后，預計將到達斷層帶前，采用地質雷達與超前鉆孔探測相結合的方法，來探明前方斷層帶的寬度及地下水情況。

根據現場實際情況，項目部在已探明的斷層帶前6m即停止挖洞，采用提前預留的6m洞段作為安全巖塞段和超前注漿止漿墻，提前進行超前注漿。

注漿工藝的選擇對注漿效果起到決定性作用。膜袋法高壓分段注漿一般按“先近后遠、先下后上、先外后內”的順序進行。考慮該工程有涌水、突泥等影響，單孔采用一次打孔、膜袋分段、分段注漿；在工作面的前進方向采用分段注漿，技術要點為“逐段鉆孔、注漿交替”。在注漿結束后，如果外層泄壓管仍有水滲出，需要時可進行二次高壓力注漿加固。

膜袋法超前分段注漿主要有以下兩個方面的作用：

a.在隧洞前進方向，通過膜袋分段，逐段加固，壓入水泥水玻璃雙漿液到斷層帶中，充填裂隙、擠密斷層充填物，達到改良和加固地層的作用。

b.通過對斷層充填物的擠密、加固作用，降低地層的空隙率和滲透系數，提高地層強度和整體性，起到堵水的作用。

3　膜袋法高壓分段注漿方案的應用

3.1　注漿加固前的準備工作

隧洞一旦發生突涌，圍巖整體穩定性會急劇劣化，因此為確保實施注漿加固作業時能安全平穩進行，在注漿加固作業前須采取必要的安全保障措施，包括排水措施、止漿巖墻的施作以及圍巖補強加固等。

3.1.1引排卸壓

注漿加固時，漿液順圍巖裂隙網絡不斷的脈動充填直至遠處，巖體中原有的孔隙通道被高壓漿液占據，一旦高壓漿液的壓力突破圍巖穩定極限，極有可能產生次生崩塌或突涌事故。因此，必須在注漿加固作業的同時進行引流排水，確保注漿時圍巖承受較小的注漿壓力。而引排措施如果僅布置在圍巖淺部，則有可能造成圍巖完整性下降，并容易誘發機械潛蝕、滲流破壞，進而造成圍巖劣化失穩。因此，為確保安全有效地引排減壓，鉆孔必須深入圍巖內部，在相對完整、穩定的圍巖區布置深部鉆孔，在水力通道的上游部位或水頭較高區域以泄壓的方式降低高壓漿液對圍巖的脈沖壓力。

3.1.2補強加固

除通過引排卸壓外，為確保止漿巖墻后方圍巖的整體穩定，避免高壓漿液導致圍壓劣化，有必要對止漿巖墻后圍巖進行補強加固，防止其在高壓漿液的擾動下產生崩塌事故。因此，為保證圍巖穩定以及作業員工、設備的安全，實施注漿前需對止漿巖墻后方局部范圍進行補強加固。

3.2　注漿方案的布置設計

a.全斷面鉆孔布置分四序進行，分別為A、B、C、D，如圖1所示。A序號布置在開挖輪廓上，鉆孔外插角45°，單孔深10m；B序孔布置在A序孔內50cm，外插角30°，單孔深12m；C序號布置在B序孔內80cm，外插角15°，單孔深15m；D序孔布置在斷面最內部，鉆孔角度0°，單孔深15m，如圖2所示。

圖1　鉆孔布置 (單位：cm)

圖2　D序孔布置斷面

鉆孔布置外插角度及深度以達到開挖輪廓線外0.5～1倍洞徑注漿范圍為佳，小斷面通常為3～5m，大斷面為5～10m。每循環注漿完成后，開挖過程中需預留已注漿加固段4～6m作為下一循環超前注漿的止漿墻。

b.鉆孔及注漿參數。鉆孔設備采用YG70型鑿巖鉆機，配套φ73mm鉆桿，φ90mm潛孔錘和配套鉆頭，采用鉆孔與注漿同步進行的施工方法，即鉆完一孔后隨即裝管注漿。A序號環向間距40cm，共43孔；B序號環向間距60cm，共23孔；C序孔環向間距80cm，共10孔；D序孔共4個。每循環注漿完成后，布置3個檢查孔，總計83孔。

注漿使用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.5∶1～1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.3。水泥使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度35°Bé。注漿最大壓力15MPa。單孔注漿分2～3個注漿段進行，以“從下至上、由淺到深、分段灌注”的順序注漿施工。A、B序孔單孔分兩個注漿段；C、D序孔單孔分三個注漿段進行注漿。

4　注漿方案施工

4.1　鉆孔

鉆孔采用YG70型鑿巖鉆機，根據鉆孔情況，若能一次完成鉆孔，立即按計劃在孔內安裝分段灌漿裝置等待注漿，每孔段的注漿都需通過孔內的預埋裝置進行；若不能一次成孔，則需分次進行(亦可采用跟管鉆進工藝)，按照上述方法進行施工，達到最終的效果。注漿孔內預埋裝置如圖3所示。

圖3　注漿孔內預埋裝置1、2-1寸注漿管；3、4-4分壓漿阻塞注漿管；5-鉆孔；6-膜袋阻塞段

4.2　注漿設備、材料及布置方式

普通的注漿設備多用于小導管注漿，壓力有限，而為了完成較大范圍內的帷幕注漿，必須采用較大的壓力，工程應用中特制了高壓設備：最大壓力可達30MPa的高壓泵；為配合雙液的混合控制，工程中研發了一種手控液壓泵來控制水玻璃的輸入；水泥漿的攪拌采用常規高速攪拌機。

一般工程中注漿材料直接選擇可注性較好且施工方便的普通水泥漿液，但是其聚凝性較差，容易稀釋，不適宜該工程的高壓富水環境。根據工程圍巖地質條件，綜合分析，選擇可注性較好，且凝膠時間方便調控，經濟性良好，可實現在高壓富水斷層帶內快速驅水并加固圍巖的水泥基水玻璃雙液漿最為合適。其缺點是長期耐久性較差，只適合短期快速封堵加固使用，后期圍巖的支護加固仍需重視。水泥漿液與水玻璃使用在鉆孔內預埋的注漿管管口，通過三通混合后注入孔內，水玻璃通過高壓在注漿管內形成噴射狀與水泥漿液混合。水泥水玻璃管內混合裝置如圖4所示。

圖4　水泥水玻璃管內混合裝置

4.3　注漿管注漿支護設計及施工

該工程隧洞斷面形狀為馬蹄形，注漿孔的布置型式宜采用門形。

考慮到隧洞內圍巖條件較差，為保證注漿的可靠性，宜適當加大注漿范圍，分段注漿為宜。根據工程經驗及現場驗證，分段注漿間距選擇3m，可一次性注漿9-15m。注漿選用鋼管，通常采用3～20m長度范圍的DN25mm或DN20mm鋼管。

為保證漿液能有效壓制高壓水頭并成功驅離地下水，實際灌注壓力必須大于理論最大靜水壓力，并在此基礎上增加壓力以保證可注性，根據工程地下水參數及現場試驗最終選定注漿壓力為10～15MPa。

注漿孔直徑宜根據注漿管外徑，一次分段包扎鋼管數量，膜袋膨脹預留空間以及現場條件綜合選用，該工程根據實際情況最終選擇90mm孔徑。為保證漿液的擴散加固范圍，注漿孔應沿洞周輪廓向外側傾斜處理，根據工程經驗，破碎地層中高壓注漿外插角以5°～10°為宜，巖性差取高值，特別差的地段可適當提高角度。

對于長大范圍的斷層破碎帶，需要分次分段多次注漿通過，為保證每一循環后預留止漿墻的有效厚度滿足穩定性要求，前后兩次注漿作業時，注漿管需保證至少3m的搭接距離，巖性特別差的地段，可適當加大。該工程根據圍巖實際狀態選擇3～5m搭接長度。為保證注漿的均勻有效，注漿管在環向上需保證不超過最大間距，此最大間距應根據現場預注漿試驗后選取，通常最大為0.35～0.4m，地下水特別豐富時排距取小值。

為防止作業時掌子面漏漿，注漿施工前應對掌子面采取噴混凝土方式進行封閉處理。漿液灰水比根據現場經驗，選擇0.8∶1、1∶1和1∶1.5三個等級，注入時漿液由稀至濃分級施工，以保證驅水及加固的綜合效果。

注漿作業開始后，應有專人負責記錄各項參數，嚴格控制注漿壓力、注漿量。孔口壓力過高則易導致工作面爆裂，因此，在各注漿管已經滿足注入量、孔口壓力接近限值時需及時終止注漿作業，并以孔口壓力為第一控制條件。

注漿完成后需及時封堵孔口以免漿液返流，然后必須檢查作業的實際注入效果，不滿足基本要求時應進行補注。為保證漿液充分凝固，開挖掘進工序必須在8h后進行。每一循環后止漿巖墻的保留厚度需保證3～5m，加固后若圍巖條件好可取小值，否則取高值。

5　膜袋法高壓分段注漿需注意問題

5.1　超前探水

超前探水系采用直接鉆孔觀測的方法對掌子面前方區域地質條件、水文條件進行探查的有效方法，可作為注漿實施前注漿參數確定的重要依據，施工中必須要高度重視，精心實施。

5.2　止漿巖墻

為保證注漿堵水的效果，以及施工的順利進行，注漿作業時必須有一定厚度的安全密閉的止漿巖墻，以保證注漿時漿液不亂竄，且能抵抗注漿反力以免產生次生塌方或突涌危險。因此，每一注漿循環必須保證有效的搭接間距，開挖時必須保證預留足夠的止漿巖墻厚度。

5.3　漿液配合比

理論上水泥基的水玻璃雙液漿通過不斷的調整其配合比，可以控制不同的膠凝時間，比如20s到3min不等。但實際施工過程中，在斷層破碎帶高壓富水環境里，漿液易被稀釋，且破碎帶內巖屑、巖粉較多，漿液易與各種礦物質混合而發生反應，從而影響其實際膠凝時間。因此，實踐中需要進行預注漿試驗，觀察其實際效果，并分析原因，及時調配，以期取得符合工程實際情況的配合比參數。

5.4　工藝原則

不同的圍巖條件，要求不同的注漿工藝，及不同的注漿原則和參數。根據工程實踐表明，膜袋法高壓分段注漿的綜合目的一是驅水，二是加固。驅水要求施工中能將地下水在橫向上由近處往遠處、圍巖深處不斷驅離，縱向上從下部往上部驅離，在高壓富水環境下，為防止突涌事故，要求能快速的在洞身外圍形成一個有效的安全防護圈。因此，驅水加固要求按照一定的順序進行作業，通常應按照“先近后遠、先下后上，先外后內”的原則操作，注漿壓力也相應的循序漸進，逐步升高。

為達到在富水斷層破碎帶中驅水及加固的目的，考慮到雙液漿易短時間內快速凝結而堵塞圍巖裂隙，對漿液的充分擴散有不利影響，根據工程實踐總結，發現采用交替進行單漿液與雙漿液注入效果更佳，單漿液可保證有效擴散范圍，雙漿液可保證有效封堵加固，二者相得益彰。為保證注漿量及注漿效果，建議先采用單漿液注入，再進行交替注漿。注漿效果的檢查應在注漿結束后通過檢查孔及時查看。

6　總　結

通過該工程的實踐和應用，可以看到膜袋法高壓分段注漿技術在處理隧洞地質災害方面效果顯著，特別是在處理塌方和堵水方面，高壓分段注漿技術的核心是如何快速有效的加固前方的不良地質災害體；高壓分段注漿技術雖然在工程上已在運用，但相應的規范和標準不是很健全，需要根據工程的實際情況和以往工程經驗綜合確定；高壓灌漿技術壓力較高，須做好安全防護和變形監測工作。

鄭敬云.廈平華.地下暗挖專項施工中不良地質段的處理預案分析[J].水利建設與管理,2016(8).