大柱山隧道高壓富水斷層加固技術探索

【摘 要】 長大山嶺隧道施工過程中有時候要通過高壓富水斷層帶，全斷面超前注漿作為高壓富水斷層處理的一種重要手段，能夠起到有效加固地層、封堵地下水的作用，在施工中普遍使用，但當斷層水壓很高時，一般的注漿方式很難起到注漿效果，無法滿足施工要求。大柱山隧道燕子窩斷層就是高壓富水斷層，在施工過程中不斷摸索，得出了一套處理超長高壓富水且地層復雜斷層的施工方法，有效加固了高壓富水斷層，實現了高壓富水斷層超前高壓注漿快速施工。

【關鍵詞】 高壓富水；斷層；高壓動水；超高壓聚合注漿

【Abstract】 During the construction of Changda Mountain Tunnel， it is sometimes necessary to pass high-pressure， water-rich fault zones， and full-face advance grouting is an important method for the treatment of high-pressure water-rich faults， which can effectively strengthen the stratum and seal off groundwater， during construction. Commonly used， but when the fault water pressure is high， the general grouting method is difficult to play the grouting effect， can not meet the construction requirements. The swallow pillar nest fault of the Dazhushan Tunnel is a high-pressure， water-rich fault. During the construction process， a series of construction methods for treating ultra-long high-pressure， high-water， and complex faults in the strata are obtained. This effectively strengthens the high-pressure， water-rich fault and realizes high pressure. Rapid construction of advanced high-pressure grouting for water-rich faults.

【Key words】 High pressure and water enrichment； fault；High pressure water；Ultrahigh pressure polymerization grouting

1. 引言

近年來，隨著社會的發展、交通建設水平的不斷提高，特別是地下工程施工技術不斷取得突破，使得在復雜地質條件下長大隧道的施工成為可能。隧道在穿高壓富水斷層時往往因頻發突水突泥而嚴重影響施工，甚至造成很嚴重的安全事故，如何順利突破高壓富水斷層施工對每一個工程技術人員來說都是一個考驗。全斷面超前注漿是加固地層，封堵水源的一種方法，對保持圍巖穩定，增強隧道施工安全有著積極的作用。在地質特殊地段（富水、破碎巖層或自穩性差的地質地段），采用預注漿（帷幕注漿、洞內圍巖全斷面注漿等）對圍巖進行處理，即可形成較大范圍的筒狀加固區。大柱山隧道燕子窩斷層通過常規前進式分段注漿、隧道深層超前預加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動水分段引排超高壓聚合注漿等不同的措施來加固圍巖，最后總結出高壓動水分段引排超高壓聚合注漿能有效加固高壓動水斷層，加固效果能滿足施工要求，最終順利渡過了該斷層。

2. 工程概況

大柱山隧道平導PDK111+860-947段通過燕子窩破碎帶，該斷層為高壓富水正斷層，斷裂走向N25°W，傾向NE，傾角陡，北端進入瀾滄江后與五里哨斷層相交。斷裂破碎帶寬約95m，呈角礫狀。斷裂附近巖層產狀紊亂，牽引褶曲、小斷裂極發育。NE盤巖層為（T3d1）玄武巖。SW盤巖層為（T2h）灰巖、白云巖，產狀為N50°E/70°SE。斷層軸線與線路呈約48°角。隧道斜向穿過該斷層，影響帶跨度約180m左右，破碎帶物質主要為斷層泥，呈灰褐色、灰黃色 ，軟塑狀局部為流塑狀，夾雜大小不等的灰巖及少量玄武巖質角礫、碎石及塊石。2009年8月5日大柱山隧道平導在施工過程中發生突泥涌水（見附圖1），涌出部位： PDK111+857左側拱部（掌子面里程為+860）；涌出物流速快、流量大，最終穩定時方量約為5300m3，平均涌水量約950m3/h，最大12180 m3/h，根據對附近水源調查，無直接聯系。涌出物以斷層角礫為主，夾雜斷層泥、砂及孤石；涌出物向后方推進40m，采用沙袋進行封堵，方被堵住，造成平導隧道無法施工。

3. 施工方案探討

大柱山隧道平導發生突泥涌水后，由于涌出物數量大、水壓比較高、水量充足、前方掌子面無法封堵等原因無法處理，經四方討論后確定在平導右側以迂回導坑方式通過燕子窩斷層，原平導作為排水泄壓通道。在施工迂回導坑過程中，在施工至YHK0+092處時發生了突泥涌水，突涌后經四方確定在對堆積物進行封閉固結后進行超前大管棚+周邊注漿施工。在對堆積物封閉固結后進行超前大管棚+周邊注漿后，在施工至YHK0+083處時，迂回導坑再次發生了突泥涌水，涌出物情況與平導類似，導致迂回導坑開挖失敗。最后經四方確定以迂回導坑作為排水泄壓通道，從原平導通過的總體方案。

3.1 平導突水突泥處理。

大柱山隧道平導發生突水突泥后一直停滯施工4個月（在施工迂回大坑），期間平導水流量穩定，40m突泥涌出段涌出物為松軟物質，自身沒有強度，在水流作用下呈現流動狀態。決定對涌出物進行注漿加固，一次性加固40m，徹底固化涌出物，同時形成對原突泥突水斷面的封堵。固結方式采用擠排的的方式進行加固，即對涌出物注漿及排水同時進行，中部注漿，兩側及底部安設排水管進行排水，為防止漿液從排水管排出浪費漿液同時堵塞排水管，在排水管上套一層透水膜，水可以進出，但它物質無法進入，有效的進行了排水，注漿采用1：1水泥漿液，加固后打設檢查孔，檢查效果，達到效果后進行開挖，開挖到30m位置時因擔心前方斷面再次發生突泥涌水而停止開挖，改為超前帷幕注漿隊隧道周邊進行加固，加固后清理剩余10m涌出物，在清理過程中有部分原平導初期支護已經破壞，清理了拆換施工。

3.2 高壓富水斷層加固施工方案選擇。

（1）大柱山平導隧道突泥處理結束后就開始跨燕子窩斷層施工。由于該斷層為高壓富水斷層，經相關各方探討，決定采用隧道深層超前預加固咬合樁+管棚施工方案渡過斷層，但在實際施工時發現，由于斷層規模大，在注漿加固過程中漿液的可控性差，無法定量、定區域注漿；由于斷層高壓（3Mpa）富水，且水攜帶大量泥砂對骨架侵蝕后就可能發生坍塌突涌，所以在注漿過程中必須實施大面積、大區域的高壓頂水上行的注漿方法，將斷層水封堵在掌子面6～8m以外。目前國內規范規定的注漿壓力為水壓的2～3倍，而根據我們目前在燕子窩斷層注漿施工經驗，注漿壓力必須達到水壓的5～6倍以上才能達到注漿效果，而目前國內的前進式注漿法（自掌子面向孔口向孔底逐段注漿）、后退式注漿法（自孔底向孔口逐段注漿）、全孔一次注漿法均受孔口管密封墊圈承受的壓力影響（最大只能承受5Mpa），無法達到15Mpa注漿壓力，最后放棄了該方案。

（2）在經歷常規前進式分段注漿、隧道深層超前預加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動水分段引排超高壓聚合注漿施工方案的實踐和探索，最終選擇高壓動水分段引排超高壓聚合注漿施工方案通過燕子窩斷層。

4. 高壓動水分段引排超高壓聚合注漿

高壓動水分段引排超高壓聚合注漿原理是根據注漿堵水原理演化而來的， 該注漿工藝壓力可以逐步提高，加固范圍也可以逐步擴大，由于是一次成孔，解決了前進式分段注漿反復鉆孔工效低的問題，也解決了后退式注漿在松軟地層漿液繞過止漿塞造成浪費的問題，最終使大珠山隧道平導成功渡過燕子窩高壓富水斷層。

4.1 注漿原理。

濾排水管路制作及安裝（見圖2 ）：采用φ48mm鋼管制作，第一段采用兩端壓阻模袋，中間打出漿孔，再采用細紗布包扎出漿孔，防止砂子流入管內產生堵塞。前端安裝分隔器，注漿完成后，打通分隔器，進行排水。一次成孔，一次阻塞，分段注漿。

4.2 施工工藝流程（見圖3）。

高壓動水條件下分段超高壓引排聚合注漿施工工藝流程圖

4.3 注漿孔布置及注漿范圍。

注漿范圍與地質情況、開挖斷面大小、開挖方法、對周邊的影響密切相關，可根據自身工程所處的地質環境、設計圖紙和試驗效果來確定注漿范圍。大柱山隧道循環分段注漿加固注漿管分布如圖4所示。根據鉆機性能施工進度要求，選用每循環注漿段長15m；為了使漿液擴散到所有巖層裂隙中，注漿孔的布置以漿液擴散不出現盲區為原則。大柱山全斷面超前注漿每循環注漿加固長度15m，開挖長度10m，預留搭接長度5m，循環分段注漿加固橫斷面圖如圖4所示，縱斷面圖如圖5所示。

4.4 止漿墻施工。

大柱山隧道平導超前注漿開始時取消了砼止漿墻，但是應用控制性水泥注漿必須使用非常高的注漿壓力，造成漿液外漏，注漿壓力無法保證，為了保證注漿效果，在第一個循環注漿前施做一個止漿巖盤封堵漿液。止漿巖盤厚度2m，采用C20級以上混凝土澆筑而成，周邊深入圍巖50cm，在止漿墻上預留注漿管孔。第二循環注漿時搭接5m注漿段作為止漿墻，避免重復施工混凝土止漿墻。

4.5 鉆孔。

待止漿墻強度達到設計強度的70%、孔口管與止漿墻連接牢固，并檢查止漿墻及周邊范圍無滲漏水時方可進行鉆孔。

孔位布設：嚴格按照技術交底要求進行布孔，將其位置直接定位標識在掌子面上，孔位偏差不得大于5cm，鉆孔偏斜率最大允許偏差為0.5%。在進行鉆空定位時，孔口按鉆孔設計用全站儀按三維坐標進行標準控制，鉆孔偏角采用地質羅盤定向，水平角采用在鉆孔平臺上放設標準點的方式控制，并用全站儀按三維坐標進行抽檢，控制精度要滿足允許偏差要求。第一個鉆孔施工時，要慢速運轉，掌握地層對鉆機的影響情況，以確定在該地層條件下的鉆進參數。密切觀察鉆屑或溢水出水情況，出現大量溢水出水時，應立即停鉆，分析原因后再進行施工。鉆孔時，安排專業工程師值班，及時對巖層、巖性以及孔內各種情況進行詳細記錄。特別是對鉆孔穿越破碎帶和溶蝕空腔進行詳細記錄，以便為注漿漿液及方案的確定提供依據。鉆到出較大的水，無法繼續鉆進時，停止鉆孔，安裝閘閥，進行關水，測量涌水量和水壓力，然后進行注漿。

4.6 注漿方式。

大柱山隧道過斷層段圍巖比較破碎，巖石裂隙水比較豐富，水壓比較高，采用一次性成孔，分段前進式注漿，確保注漿效果。在施工時，一次性將注漿孔鉆到位，采用SQ膨脹膜分段阻隔注漿。該方案通過“控制漿液能頂水上行的水泥灌漿堵漏工藝”（專利號：ZL02159189），一次成孔，高壓動水分段引排超高壓聚合注漿，邊排水、邊注漿保證了漿液最大程度的擴散、擠密以及填充置換。其壓力最大可達到20Mpa。純水泥漿液占漿液的90%，KZY控制液占漿液的10%。能有效將水封堵在開挖輪廓以外。

4.6.1 注漿參數。

4.6.1.1 漿液配置。

配制漿液時采用經鑒定準確的計量工具，按照經試驗確定的設計配方配料。配制漿液時嚴格按照配制順序將注漿材料逐一加入均勻攪拌，攪拌順序一般為：水、水泥、外加劑及其他材料，攪拌時注意控制攪拌時間。一般來講使用普通攪拌機時不小于3min，使用高速攪拌機時不小于3s。攪拌時間大于4h的漿液應該廢棄。任何季節注漿漿液的溫度應保持在5～40°之間。漿液攪拌成型后應該取樣檢查其凝結時間是否符合設計要求，以便對漿液進行分析、評價。另外配制的漿液應在規定的時間內用完。

4.6.1.2 注漿材料的選擇及配比。

注漿材料的選擇與地質條件和涌水量有關，通常有以下幾個方面：

（1）采用水泥漿液時，水灰比宜采用0.8：1～2：1。需縮短膠泥時間，可加入食鹽或三乙醇胺速凝劑。

（2）采用水泥-水玻璃漿液時，應根據膠凝時間配置。一般水泥漿液的水灰比為1：1；水玻璃濃度為35°Be粒水泥漿與水玻璃的體積比宜為1：0.5。

（3）另外注漿要求的水泥細度為通過80μm方孔篩的篩余量不宜大于5%，注漿材料采用重量稱量。現場制漿時，要求加料準確并注意注漿順序，即先往攪拌機中放入規定量的水，然后在加入水泥攪拌均勻后再加入外加劑。

4.6.1.3 注漿壓力：注漿壓力是注漿的主要參數，它對漿液的擴散范圍，巖層裂隙充填的密實程度及注漿效果的好壞起著決定性的作用，所以必須有足夠的注漿壓力克服靜水壓力和地層阻力，方能達到注漿目的，一般富水地段取靜水壓力的2～3倍，大柱山隧道注漿壓力達到15～20MPa。

4.6.1.4 漿液的注入量按如下參數進行控制：

指單孔注入量，按假設漿液在地層中均勻擴散公式為：

Q=πR2L nαη

式中：Q——單孔注漿量（m3）；

R——漿液擴散半徑（m）取2.5m；

L——注漿孔長（m）取20m；

n——地層的裂隙（%），取4%；

α——漿液在巖石裂隙中的充填系數，視巖石情況取0.3～0.9，現場取0.7；

η——漿液消耗率，取1.1。

4.6.2 注漿。

（1）在每次進行注漿前，均對該鉆孔的水壓、水量進行測定，以便對漿液類型和終止注漿壓力的選定。出水量通常采用桶裝法測定，水壓采用關閉高壓閘閥并在止回閥位置安裝一高壓水表進行測定，如圖7所示。注漿時按照順序施作：從注漿段兩邊到中間，間隔跳孔，逐漸加密，以達到擠密加固的目的。開始注漿后，隨時控制好注漿壓力（測量水壓0.5～1.5MPa）。注漿壓力表安裝在注漿泵靠出漿管上，記錄時記錄壓力擺動的平均值，壓力波動范圍不大于灌漿壓力的20%。在壓力突然迅速增加時，應立即停機，以防破管傷人。準確測量吸漿量以此判斷是否改水灰比比級，監測漿液性能（比重、含灰量等），適時調整漿液性能，使漿液性能保持在最佳狀態。為防止注入漿液過早堵塞漿液滲透通道及過多的漿液向要求帷幕范圍以外擴散，通常灌漿漿液濃度遵循由稀到濃的原則逐級改變，在注漿量達到預期數量后注入濃漿對外滲通道予以封堵[8]。但對注漿孔周圍有裂隙水滲流部位，漿液采取由濃到稀或先雙液后單液的方式進行注漿，使先注入的漿液與地下水一道流動，在流動通道中凝固，堵塞地下水外排通道，然后換注稀漿或單液漿，使漿液沿注漿孔內出水通道壓入（漿液轉換模式必須精確掌握轉換時間，過早會導致對出水通道封堵無效，過遲則會堵塞后續漿液的壓入通道）。

（2）單孔注漿結束條件：預注漿各孔段均達到設計終壓并穩定10min，且注漿量不小于設計注漿量的80%，進漿速度為開始進漿速度的1/4。注漿過程應派專人進行過程控制，負責填寫注漿記錄表，記錄注漿時間、注漿壓力、漿液消耗量等數據，以便注漿結束后進行效果檢查（注漿施工 組圖見圖6）。

4.6.3 注漿后可達到如下效果（注漿效果組圖見圖7）：

（1）通過劈裂注漿，形成網格骨架，增加了加固區的整體性；

（2）通過高壓擠密并排水，提高斷層充填物的穩定性、密實性，從而提高加固區的承載能力；

（3）漿液填充錯綜復雜的水路，將水封閉在加固圈以外并引排后，一則可減小水壓，二則可防止水對加固區骨架的侵蝕。

4.6.4 注漿效果檢查。

為了了解注漿效果，注漿完成后開挖前孔內攝像驗證注漿效果。鉆機打設檢查孔，因孔內有水采用防水攝像頭深入孔內對注漿效果進行檢查。

必須在分析資料的基礎上進行注漿效果檢查，可采取鉆孔取芯法對注漿效果進行檢查；大柱山隧道斷層段注漿后采用全校程控影響檢查設備。進行鉆孔取芯檢查發現滲水量滿足限量排放要求[6]（注漿效果驗證組圖見圖8）。

4.7 主要機具設備。

鉆孔設備：1、采用改裝后的70A鉆機，配套73鉆桿，90潛孔錘和配套鉆頭，功率18KW。2、40型液壓式鉆機，配套73鉆桿，90潛孔錘和配套鉆頭，功率15KW。

注漿設備：1、SNS-130/20注漿泵，功率22KW，轉速158/245 r/min，理論流量85/130 L/min，壓力20/10MPa，進道口徑64mm，排道口徑32mm，30及48高壓灌漿管；2、水泥漿液髙速攪拌機，容量200L；3、自行研制的手控液壓泵；4、化學控制液專用泵。

5.常規注漿工藝與高壓動水條件下分段引排超高壓聚合注漿工藝對比（見表1）

6.總結

大柱山隧道所經過的燕子窩斷層含水量大，水壓高，圍巖破碎，易發生突泥涌水事故。目前國內類似斷層隧道還有很多，類似的注漿方案也很多，究竟那里一種注漿加固方案效果比較好沒有準確定論。大柱山隧道平導施工過程中通過常規前進式分段注漿、隧道深層超前預加固咬合樁+管棚施工方案、高壓動水分段引排超高壓聚合注漿等不同的措施來加固圍巖，最終選用高壓動水分段引排超高壓聚合注漿加固方案順利通過該斷層。但由于地層條件復雜，溶腔溶槽分部毫無規律，往往一個溶腔就需要5～8個鉆孔才能完成注漿加固，且注漿完成后這些管就無法重復利用，造成了每循環鉆孔數量過大，工程量增大，造成成本偏高，有待于進一步研究。

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[文章編號] 1619-2737（2018）01-15-622

[作者簡介] 秦跟虎（1978-），男，籍貫：陜西西安人，學歷：大學本科，職稱：工程師，2002年畢業于同濟大學土木學院交通土建專業， 長期從事隧道施工技術管理工作。