隧道超前預注漿用壓濾式膜袋封孔技術及應用研究

許 毓 才

(山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030000)

隧道穿越松散涌水地層時，極易發生坍塌、突水突泥、掌子面失穩等事故，甚至造成重大的經濟損失和人員傷亡[1-2]。超前小導管注漿因施工便捷、對環境影響小、操作靈活等優點，是工程上解決該類問題的有效防控手段，而如何封閉超前小導管與鉆孔之間縫隙，是確保注漿質量的關鍵之一。

目前，國內外的常用封孔方法有水泥漿封孔[3-4]、聚氨酯封孔[5-6]、封孔器封孔[7-8]、囊袋式封孔等[9]。其中，水泥漿封孔能夠承受較大壓力，但是水泥凝固后會收縮，而且在強壓下會發生脆性破裂；聚氨酯發泡反應快，能實現快速封堵，但是在高壓下容易變形，對操作要求較高，容易造成封孔效果不理想甚至封孔失敗；封孔器由于結構復雜、笨重、成本高，難以推廣利用[10-11]；相對于其他封孔方式，囊袋式注漿封孔結構簡單，操作方便，能有效封堵煤層裂隙，并且對巷道形成主動支護，在我國煤礦得到了廣泛應用[12-14]。但遺憾的是，現有的中心分流式囊袋注漿[15]、分體式囊袋注漿封孔[16]等施工較為復雜、成本相對較高。

為此，本文針對超前小導管施工環境特點，提出一種隧道超前預注漿用壓濾式膜袋封孔膜袋，闡明相應的工作原理和給出相應的施工工藝，并通過理論分析建立注漿封孔長度、膜袋注漿壓力以及地層注漿壓力之間的關系。最后，將上述成果在山西省中部引黃工程水源工程中得到應用。研究成果為超前小導管注漿封孔提供了新思路。

1 壓濾式膜袋封孔止漿原理

壓濾式膜袋封孔方法主要是利用新型土工合成材料(長絲機織土工布)對水泥顆粒良好的反濾性，在注漿管與鉆孔之間形成一層隨孔壁形狀變化而壓實的柔性封孔段，原理示意圖如圖1所示。

圖1 注漿封孔原理示意圖

(1) 當漿液以一定壓力從膠紙軟管中注入密閉的長絲機織土工布中，漿液會不斷充填膨脹長絲機織土工布直至達到長絲機織土工布密閉空間的膨脹極限，由于長絲機織土工布密閉空間遠大于注漿孔與鉆孔之間的空間，故長絲機織土工布密閉空間的膨脹過程會不斷擠壓周邊圍巖，最終形成類似“止口塞”的作用，實現注漿封孔。

(2)由于采用的長絲機織土工布為柔軟的小孔隙高強材料，該類材料具有良好的反慮性，即允許自由水排出而顆粒無法通過。因此，漿液在不斷充填過程中會在注漿壓力作用下不斷析出多余的自由水，使得漿液不斷發生“壓濾效應”進而加快漿液凝結時間，也可以不斷提高漿液結石體強度，顯著提高施工工效和止漿能力。與此同時，由于長絲機織土工布為柔軟性材料，形狀會隨凹凸不規則孔壁變化，真正能夠達到密實壓合在孔壁的效果，形成有效封堵長度，防止高壓灌漿時孔口跑漿，起到止漿的作用。

2 壓濾式膜袋封孔止漿工藝

壓濾式膜袋封孔注漿結合隧洞內施工場地狹窄、洞內有淤泥積水等特點，在很大程度上簡化了程序，主要工藝流程圖如圖2所示。

圖2 超前預注漿工藝流程

2.1 膜袋止漿塞制作

壓濾式膜袋封孔止漿塞的主要材料為密度200 g/m2左右的長絲機織土工布、DN20無縫鋼管(進漿管)、DN8無縫鋼管(膜袋進漿管)、小直徑橡膠皮軟管以及捆綁鉛絲和膠帶，具有制作加工簡單、可根據現場情況靈活制作、材料成本低廉等特點(見圖3)。制作加工工具為手持式縫包機，膜袋徑向尺寸根據鉆孔孔徑而定，一般取鉆孔孔徑的30%～50%，止漿塞長度根據裸露巖體的裂隙情況、出水點位置等現場實際情況按需設計。

圖3 壓濾式膜袋封孔止漿塞

2.2 膜袋注漿工藝

采用全液壓一體鉆機鉆孔，鉆孔深度保證在隧洞軸線上的投影長度為28.5 m，孔徑為Φ108 mm。待鉆孔完成后，將制作好的壓濾式膜袋封孔止漿塞置入注漿孔內的設計孔深處(見圖4)，并采用小排量注漿泵注入水灰比為0.8～0.5的普通純水泥漿液，當注漿壓力達到0.5 MPa時結束注漿，待凝時間15 min。此外，在膜袋止漿塞注漿充填過程中(特別是有較大涌水壓力的灌漿孔)為防止止漿塞被沖出或滑落需人工采用簡易工具臨時固定，待止漿塞內漿液充填飽滿后即可拆除。

圖4 膜袋注漿施工

2.3 地層注漿工藝

待壓濾式膜袋封孔止漿塞完成后進行地層注漿，注漿孔按照分序加密的原則進行，從頂拱—邊墻—底板交替施作，并逐漸對掌子面進行注漿封閉，形成封閉的阻水圈。注漿材料一般以注入單液水泥漿為主，遇到大涌水時調整為水泥-水玻璃雙液漿，注漿壓力參照帷幕灌漿采用的壓力范圍2倍～3倍水頭進行調整，不小于1 MPa。注漿結束條件應根據地質條件和工程要求確定，一般情況下，當灌漿段在設計壓力下，注入率小于1 L/min后，繼續灌注30 min，即可結灌漿。需要注意的是，掌子面集中涌水點水量較大時，可在超前預注漿后于集中涌水點附近布置泄壓孔，然后先封堵集中涌水點部位，降低涌水流速，使水流由股狀泄水轉為線狀流水，再封泄壓孔，最后達到將掌子面涌水封堵的目的。注漿完成后開挖24 m，預留4 m搭接長度，作為下一個循環預注漿的掌子面。

3 壓濾式膜袋封孔止漿機制

在注漿過程中，膜袋封孔需要承受來自注漿管注入漿液的擠壓作用，當漿液在上述擠壓力的作用超過封孔漿體與孔壁之間的咬合力，漿液就會沿著膜袋與鉆孔的邊壁流出，膜袋封孔時效。因此，需要設計合理的封孔止漿長度、膜袋注漿壓力以及地層注漿壓力。

對膜袋封孔止漿能力進行分析，作如下假定：

(1)膜袋內的漿體在不同封孔高度上為均質、各向同性且不可壓縮的流體。

(2)封孔止漿過程中漿液保持流型不變，除注漿孔附近外，服從同心環狀層流運動。

(3)地層注漿壓力均勻的作用在鉆孔孔壁與灌漿管之間縫隙內膜袋底部。

(4)地層注漿時的漿液在軸向注漿壓力的作用下僅產生軸向變形。

根據上述假設(1)—(4)，可建立膜袋封孔止漿模型，如圖5所示。

圖5 膜袋封孔止漿模型

如圖5所示，取dx分析段進行受力分析，若假設注漿壓力為P，封孔段漿液單元的應力為σ，膜袋與鉆孔孔壁之間的黏滯力為τ1，注漿漿液與注漿管壁之間的黏滯力為τ2。則根據軸向力的平衡可得：

Sdσ=τ1(x)πR2dx+τ2(x)πR1dx

(1)

(2)

根據文獻[17]可知，黏滯力與相應的相對位移成正比，則有：

(3)

(4)

式中:K1為膜袋與鉆孔邊壁的剪移比例系數，MPa；K2為膜袋與注漿管接觸面的剪移比例系數，MPa；B=(R2-R1)/2。

將式(3)、式(4)代入式(2)得：

(5)

式中:D1、D2為常數。

對式(5)兩邊分別求兩階導，可得：

(6)

將式(2)求導代入式(6)得：

(7)

對式(7)求導，可得：

(R2τ1(x)+R1τ2(x))″=

(8)

解微分方程(8)，得出：

(9)

式中:C為積分常數。

當設計的膜袋封孔長度為L時，膜袋與邊壁的起裂壓力為P0時，壓濾式膜袋封孔止漿的控制方程為：

(10)

由上式可知，壓濾式膜袋封孔止漿能力與封孔長度、注漿漿液性能、膜袋注漿壓力以及鉆孔孔壁與注漿管之間縫隙的開度有關。

4 工程應用

山西省中部引黃水源工程是國家172項節水供水重大水利工程之一，地處天橋泉域排泄帶，地下水極其豐富，且具有一定的承壓性，引水隧洞和泄水洞均在地下水位線以下，巖性以奧陶系灰巖、泥質白云巖及泥灰巖地層為主，隧洞穿越規模較大的斷層2條，斷距約50 m，Ⅴ類圍巖占70%左右，開挖過程中涌水量大(單孔涌水量達到120 L/min～150 L/min)、出水點多、有較大的承壓力，泥灰巖遇水后迅速軟化成泥，掌子面附近淤泥堆積，嚴重影響了施工質量。

本次應用以2#引水隧洞Y0+825.4—Y1+454.3樁號段為例，該段巖層呈近水平狀，隧洞洞頂和底角各有一層約0.2 m厚泥灰巖，掌子面巖體破碎、裂隙發育、涌水量大且具有承壓力，探孔單孔涌水量達到150 L/mim，單斷面最大涌水量可達40 m3/s針對該施工特點，為增加圍巖穩定性和減小出水量，制定了超前預堵水灌漿方案。灌漿壓力采用0.5 MPa～0.7 MPa，循環搭接長度為2 m。超前預注漿面臨以下幾個難點：灌漿掌子面為沒有蓋板的裸露破碎基巖，表層因本身巖性較差和開挖放炮裂隙發育；掌子面裂隙涌水量大、出水點多且分散；部分洞段為泥質灰巖，硬度低遇水變軟承載力不強等。按有關施工技術規范規程和常規的灌漿施工經驗，超前預注漿孔的方向多為垂直于掌子面或小角度傾斜，無法形成有效高度壓差，實現自流跑漿，通常采用橡膠漿止塞、止漿閥，或采用棉紗、麻料等材料攥緊灌漿管、設置止漿墻、再或采用新材料實現“以漿止漿”封閉法。以上封閉方式在地下水豐富且地質條件復雜地層中使用因封閉范圍小、封閉長度短、承壓小、工藝復雜等問題，不能起到很好的效果。

結合2#引水隧洞的施工與地質條件、目前涌水以及根據超前探孔和超前地質預報揭露即將出現更大涌水且有水壓的實際情況，并在借鑒其他類似工程經驗，提出壓漿式膜袋封堵灌漿施工技術，以此解決涌水壓力高、流速快且施工難度大的高難堵水灌漿施工難題。

膜袋封孔注漿在10 min內可快速完成，超前預注漿過程中，孔口沒有明顯漏漿，灌漿時能夠達到設計灌漿壓力，大大縮短了超前堵水灌漿時間、提高了堵水灌漿質量；改為壓漿式膜袋封孔的超前預注漿后，開挖進度由每月開挖支護50 m～60 m大幅度提高到了每月開挖支護140 m左右，施工進度明顯加快。開挖后洞身巖層滲水較以前明顯減少，降低了地下洞室群的抽排水負荷。

5 結 論

(1) 提出了一種快速、有效的膜袋封孔工藝，該工藝所需材料市場常見易購置，膜袋制作簡單，工藝易操作。

(2) 建立了膜袋封孔止漿模型，為膜袋封孔長度和膜袋注漿壓力提供理論依據。

(3) 通過現場應用表明，壓漿式膜袋封孔很好的解決了隧洞開挖在大涌水地層且地質復雜條件中超前預注漿存在的不起壓、孔口跑漿等問題，且具有制作加工簡單、操作工序簡便、材料成本低廉特點。實踐表明壓漿式膜袋封孔工藝具有很好技術經濟性能，為今后類似的工程提供了有益的經驗。