膜袋注漿在復(fù)雜地質(zhì)隧道中應(yīng)用技術(shù)研究

閆蘇濤

（中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006）

1 引言

注漿工藝在建筑領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，其理論已相對較成熟，但是在隧道領(lǐng)域應(yīng)用的較晚，尚未形成完整的應(yīng)用體系。注漿作為隧道施工步序中一個重要的環(huán)節(jié)，對隧道的安全和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)外很多隧道安全事故如突水涌泥、塌方等都是由于注漿不合理引起的［1］。然而，由于注漿工藝較為復(fù)雜，作業(yè)時間較長，加上隧道施工作業(yè)面小，機械設(shè)備靈活性小，很多作業(yè)人員對隧道中注漿較為排斥，導(dǎo)致很多隧道在注漿這個環(huán)節(jié)不僅浪費了大量的工時，注漿效果也不達標，為隧道安全施工和運營埋下隱患［2］，因此，在隧道中尤其是地質(zhì)復(fù)雜隧道中如何選擇簡便快速有效的注漿施工工藝，對提高隧道安全、減少工序用時，縮短隧道工期起到重要作用。

2 工程地質(zhì)概況

廣大線祥和隧道起訖里程：D1K149＋274～D1K159＋494，全長10 220 m，為雙線隧道，最大埋深約705 m，沿線Ⅳ級Ⅴ級圍巖占總長80.1%，不良地質(zhì)多，為Ⅰ級風險隧道。隧道設(shè)一處922 m長的斜井，與正洞交匯于D1K157＋500處，距出口1 994 m。進口左側(cè)設(shè)置一座橫洞，與正洞交匯于D1K149＋424處，全長111 m。在隧道右側(cè)30 m處設(shè)置貫通平導(dǎo)，長度10 076 m。

隧道處于川滇南北向構(gòu)造帶和青藏滇緬歹字型構(gòu)造帶之間構(gòu)造斜交與復(fù)合地帶，斷裂密集發(fā)育，且受區(qū)域性活動斷裂紅河深大斷裂及賓川-程海斷裂強烈影響，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差；受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響，隧區(qū)內(nèi)發(fā)育上蕎麥地-馬鞍山斷裂、泥哨斷裂、柳沖箐斷層、蕎麥地-架子山斷裂、五福山斷裂、三家村斷層、萬寶林斷裂、上迎風村斷裂等9條斷裂構(gòu)造，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體較破碎，差異風化嚴重，風化帶厚度較大。

隧道通過區(qū)有多個斷裂和侵入巖接觸等蓄水構(gòu)造，在進口段及中部分布大段可溶巖，且可溶巖地層中巖溶中等至強烈發(fā)育，地下涌水多呈大股狀、部分呈噴射狀涌水，伴有泥沙，雨季流量明顯增大，正常涌水量約為92 800 m3／d，雨季最大涌水量約為 111 360 m3／d。

祥和隧道斷層影響帶長度共1 880 m，侵入巖接觸帶長度共1 280m，水平地應(yīng)力大，最大達到20MPa；存在的主要風險有軟巖大變形、塌方、突水涌泥，次生風險有環(huán)境和工期風險。

3 注漿方案比選

現(xiàn)階段隧道中注漿工藝主要有套管注漿、帷幕注漿等，套管注漿需先打設(shè)套管，再打注漿管，套管與注漿管密封后再注漿，由于鉆孔內(nèi)壁經(jīng)常呈不規(guī)則形狀，凹凸不平，套管與巖壁存在縫隙，注漿時易漏漿，使得注漿壓力小，漿液對周邊圍巖加固效果差，無法達到快速有效施工要求；周邊注漿、帷幕注漿還需施作止?jié){墻，工序繁瑣、用時長。由于隧道工程地質(zhì)極為復(fù)雜，沿線的軟弱夾層、斷層破碎帶、侵入巖蝕變帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、破碎極軟弱富水帶和軟巖大變形段等不良地質(zhì)均需采取注漿加固措施，需注漿加固的段落占全隧總長的60%，注漿效果的好壞直接影響到整條隧道的施工和運營安全，注漿工序的快慢直接影響到隧道的工期，注漿作為一道工序占用了大量的施工時間，因此研究一套簡便快速且效果好的注漿工藝十分必要。根據(jù)工程實際需求，從安全、技術(shù)、成本、工期對三種注漿方案進行了比選，如表1所示。

表1_注漿方案對比分析

4 膜袋注漿技術(shù)

4.1 原理分析

采用土工膜制作膜袋，膜袋做好后和膠質(zhì)軟管一起套在注漿管一端，由于膠質(zhì)軟管主要作用是往膜袋內(nèi)注漿，其一端要出露，長度應(yīng)略大于膜袋長度，套在注漿管后膜袋兩端用扎絲固定并密封，防治漿液出露（見圖1）。打孔后將整套裝置放到超前鉆孔內(nèi)，膜袋在靠近孔口一端。首先通過膠質(zhì)軟管向膜袋內(nèi)注入速凝固結(jié)材料使膜袋漲開并緊密壓合在鉆孔孔壁上［3］，形成了2 m長的止?jié){塞，由于鉆孔孔壁一般會凹凸不平，而膜袋是軟的，膨脹后能適應(yīng)不同的形狀，所以能堵塞各種形狀的孔洞，有效地防止高壓下漿液沿著孔壁向外流。其次由于注漿段落隔離掌子面附近破碎段，杜絕了注漿過程中注漿壓力對掌子面處破碎圍巖的擾動破壞，避免了注漿過程中引起的掌子面塌方；同時2 m長膜袋注漿膨脹后將會緊貼周邊圍巖，能形成很大的摩阻力，從而能很大程度提高注漿壓力。通過注漿管對裸孔段進行高壓注漿，能使?jié){液沖破碎石阻力滲透到裂隙中，封堵裂隙、膠結(jié)并擠密破碎巖石，可在鉆孔內(nèi)形成環(huán)狀封固材料保護圈［4］，保護圈起到支撐、止水作用［5-6］，有效保證了隧道施工的安全。

圖1 膜袋注漿原理示意

4.2 注漿工藝流程

膜袋注漿相對于傳統(tǒng)注漿方案在很大程度上簡化了工序，其工藝流程如圖2所示。

4.3 膜袋注漿參數(shù)

4.3.1 土工膜袋制作

土工膜袋由復(fù)合土工膜和膠質(zhì)軟管制作而成。膜袋材料采用“一布一膜”復(fù)合土工膜，它是由一層土工織物與一層高分子材料經(jīng)過壓延，熱熔復(fù)合而成的土工合成材料，外層的土工布起到防撕裂、頂破和刺穿等保護作用；內(nèi)層的土工膜起到密封、防止漏漿作用。膠質(zhì)軟管主要作用是往膜袋內(nèi)注漿。祥和隧道膜袋采用幅寬2 m、厚度1.0 mm的普通聚乙烯復(fù)合土工膜，其性能指標見表2。經(jīng)過現(xiàn)場實際施工檢驗，物理力學(xué)特性能滿足高壓注漿要求。

圖2 注漿工藝流程

表2_土工膜性能指標參數(shù)

為了保證膜袋和孔壁能夠緊密相貼，膜袋直徑D一般為鉆孔孔徑d的3.5～4倍，膠質(zhì)軟管直徑20mm，長度大于膜袋，現(xiàn)場取了2.3 m，管身布設(shè)梅花形溢漿孔，孔徑2～3 mm，縱向間距≤30 cm。將土工布包裹在注漿管與膠質(zhì)軟管上，并用扎絲將土工布兩端綁緊，如圖3所示。

4.3.2 鉆孔

采用鉆機鉆孔，鉆孔孔位偏差不大于10 cm，鉆孔直徑要大于注漿管直徑，并遠小于極限膨脹后的膜袋直徑。很多段落在鉆孔的過程中會有孔內(nèi)水流出，一般情況下，有水說明前面有裂隙，水量越大說明裂隙越發(fā)育，而注漿效果就會越好。在富水地段，裂隙發(fā)育程度和水量成正比，當鉆進過程中尚未達到設(shè)計深度時，如果出水量不是太大，對人身安全沒有威脅，不要急于停鉆注漿，而要繼續(xù)鉆進等出水量達到一定程度才開始注漿，這樣注漿效果會更好。實際施工中，當單孔出水量大于50 L／min時，就可以停鉆注漿了。當鉆孔遇有洞穴、塌孔或掉塊難以鉆進時，可先進行注漿固結(jié)，再鉆進。

4.3.3 下注漿管

鉆孔結(jié)束后，盡量采用人工將膜袋與注漿管送入鉆孔內(nèi)，如果采用風鉆送注漿管，要避免損壞膜袋，注漿管外露30～50 cm，膠質(zhì)軟管外露30 cm，見圖4。

4.3.4 配漿

圖3 膜袋安裝示意

采用水泥水玻璃雙漿液，先分別配置水泥漿和水玻璃漿，水泥漿中水和水泥質(zhì)量比為0.8∶1，水玻璃漿中水和水玻璃體積比為0.7∶1，水玻璃濃度為35 Be′。然后配置水泥水玻璃雙液漿，雙液漿中水泥漿和水玻璃漿體積比為1∶0.6［7-8］。水泥漿和水玻璃漿液按照配比拌制好后分別存放至兩個儲漿桶內(nèi)，富水條件下注漿對漿液凝結(jié)時間要求較高，要求能迅速達到較高的強度［9］，凝結(jié)時間控制在25 s左右。

圖4 注漿管安裝完成示意

4.3.5 注漿

按照設(shè)計參數(shù)要求分別拌制好水泥漿液和水玻璃漿液，首先往膜袋內(nèi)注漿，雙漿液在桶內(nèi)融合后迅速注入膜袋內(nèi)，終止注漿壓力控制在0.5 MPa，待膜袋內(nèi)漿液終凝后，分兩個管道往注漿管注漿，漿液在注漿管內(nèi)融合。一般注射漿液易于向上擴散，不易于向下擴散，所以注漿順序為先注頂板的孔，再注兩側(cè)的孔。單孔注漿結(jié)束標準采用壓力控制為主、進漿量控制為輔的方法，當注漿壓力達到2.5 MPa時，繼續(xù)注漿5 min以上，且單孔注漿量小于20～30 L／min時停止［10］。當鉆孔有涌水時，注漿壓力應(yīng)在水壓力上加上1.5 MPa［11-12］。一循環(huán)段落注漿結(jié)束標準為所有單孔都滿足注漿結(jié)束標準，掌子面出水量小于 3 m3／（m·d）［13］。注漿過程中如果有長時間注漿而壓力不上升的現(xiàn)象，則可能有寬大的裂隙或者溶洞，此時應(yīng)暫停注漿，查明前面地質(zhì)情況，并在漿液中加入速凝劑，加快其初凝時間，或者改注其周邊的鉆孔，周邊孔注漿完畢后再反過來在這個孔繼續(xù)注漿，配備好的漿液宜在2 h內(nèi)使用完畢。

4.3.6 注漿效果檢查

采用檢查孔出水量分析和檢查孔孔內(nèi)攝像兩種方法對注漿效果進行檢查。

（1）檢查孔出水量分析

檢查孔出水量分析是判斷鉆孔注漿效果最直接的方法，也是目前除了開挖外認為的最可靠方法。對注漿可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，一般是出水量較大、注漿量少的孔和注漿終孔交圈等位置，鉆檢查孔，測定檢查孔出水量大小和水壓，從而判斷注漿堵水效果。檢查孔鉆孔深度原則上比鉆孔注漿段落長度小2 m，檢查孔允許出水量為0.2 L／（min·m）。

（2）檢查孔孔內(nèi)攝像

利用孔內(nèi)攝像進行注漿效果評定，能夠較為直觀地對漿液充填度、地層的穩(wěn)定性及出水情況進行分析判識。從孔內(nèi)可以直接看到孔壁是否滲水、碎石顆粒膠結(jié)情況、漿液填充裂隙是否飽滿、是否有塌孔，這些都是判別注漿效果好壞的基本參數(shù)［14］。每循環(huán)注漿后，均應(yīng)鉆孔采用孔內(nèi)成像設(shè)備驗證注漿效果，合格后開挖。

5 膜袋注漿試驗

為驗證膜袋注漿的使用價值，選取試驗段從注漿效果、工期、成本三方面對膜袋注漿適用性進行評價。試驗段選取祥和隧道平導(dǎo)PDK156＋045～PDK156＋090段，該段落為極破碎富水段，能夠代表祥和隧道復(fù)雜地質(zhì)特征。段落基巖為白云質(zhì)灰?guī)r，強風化至全風化；侵入巖為輝綠巖，全風化，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，地下水發(fā)育，局部呈股狀流出，水量為150m3／h，該段共注漿3循環(huán)，每循環(huán)15m，兩循環(huán)之間延2 m。

（1）注漿效果評價

每循環(huán)注漿完成后，打設(shè)檢查孔，外觀觀測檢查孔有無水流，孔內(nèi)成像設(shè)備檢查孔內(nèi)是否有塌孔、漿液填充是否飽滿、有無滲水等，試驗段檢查孔各項指標檢查均沒發(fā)現(xiàn)問題。檢查孔合格后進行開挖驗證，試驗段開挖后，如圖5所示，漿液填充飽滿，碎石膠結(jié)牢固，掌子面破碎圍巖已被漿液密實，堵水效果明顯，自穩(wěn)能力好，成功解決了傳統(tǒng)注漿方法注漿效果差的問題。

（2）工期評價

試驗段采用超前周邊注漿，每循環(huán)15 m，傳統(tǒng)注漿方法需要7 d，膜袋注漿需要5 d，有效縮短了注漿作業(yè)時間，每循環(huán)節(jié)省2 d工期，試驗段3循環(huán)41 m共節(jié)省6 d工期，工效較傳統(tǒng)注漿方法提高了30%。

圖5 注漿后開挖效果

（3）注漿成本評價

試驗段采用超前周邊注漿，注漿管采用φ75中管棚，每根長15 m，孔口管采用1 m長φ89鋼管，超前注漿共需注18根。每班注漿工人8人，雙液注漿機1臺，鉆機1臺。

①節(jié)省的人工費和機械臺班費用：

人工費200元／d，注漿機費用100元／d，鉆機費用1 000元／d。節(jié)省總費用為：

（200×8＋100＋1 000）×2＝5 400元

②節(jié)省的材料費用：

土工布代替 φ89套管，1根 φ75注漿管需要0.6 m2膜袋，根據(jù)每鉆孔的φ89使用量為40元／個，套管膜袋單價5元／m2，節(jié)省總費用為：

（40-0.6×5）×18＝666元

③由于工效提高，節(jié)約了2 d工期，減少了2 d的人工機械誤工，經(jīng)測算節(jié)省費用10萬元。

以上合計，每循環(huán)共節(jié)省費用為10.6萬元，試驗段3循環(huán)的超前周邊注漿，共計31.8萬元，經(jīng)濟效益明顯。

通過現(xiàn)場注漿試驗，從注漿效果、工期、成本對膜袋注漿適用性進行了評價，事實證明祥和隧道中應(yīng)用膜袋注漿從三方面都比傳統(tǒng)注漿要優(yōu)越。

6 結(jié)束語

（1）膜袋注漿和傳統(tǒng)注漿方法相比優(yōu)勢明顯，不僅封堵效果好，而且操作簡單施工快，適合地質(zhì)復(fù)雜長大隧道，注漿參數(shù)是根據(jù)祥和隧道極破碎且富水段落確定的，實際應(yīng)用過程應(yīng)根據(jù)圍巖具體參數(shù)進行微調(diào)。

（2）選取了平導(dǎo) PDK156＋040～PDK156＋081段落共計3循環(huán)41 m，用注漿效果、工期、成本三個指標對膜袋注漿進行了評價，結(jié)果表明膜袋注漿加固效果好，圍巖密實，堵水和自穩(wěn)效果都達到要求。膜袋注漿相比傳統(tǒng)套管注漿加固41 m共節(jié)省工期6 d，節(jié)省成本31.8萬元，工效及經(jīng)濟效益明顯，試驗段是在平導(dǎo)段落，正洞加固范圍比平導(dǎo)大，效益更明顯。

（3）祥和隧道自2013年3月開工以來，多次因不良地質(zhì)影響了施工安全及進度，自2016年6月研制出膜袋注漿施工工藝，成功解決了以往注漿管孔口封堵困難，注漿壓力小無法達到設(shè)計要求的難題，不僅注漿加固效果好，確保了施工安全，還加快了施工進度，節(jié)約了成本，使祥和隧道中后期施工非常順利。