不同地質(zhì)條件下隧道注漿施工工法優(yōu)化及適用性研究

劉京增

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 工程概況

歇馬隧道地質(zhì)條件極其復(fù)雜，主要的工程不良地質(zhì)有斷層、軟弱圍巖、溶洞、高壓富水、煤窯采空區(qū)、有毒有害氣體、瓦斯段等。而隧址區(qū)“三山兩槽”的特殊地質(zhì)構(gòu)造，使不良地質(zhì)在槽谷地段集中發(fā)育。槽谷地段長約3000多m，高壓富水，巖溶極其發(fā)育、地表地下水水力聯(lián)系十分直接，施工中極易誘發(fā)涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，并會(huì)迅速地反映至地表，造成隧道施工難度及危險(xiǎn)性成倍增加[1-3]。

本研究結(jié)合歇馬隧道復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，就不同工程地質(zhì)環(huán)境下注漿工藝流程進(jìn)行適應(yīng)性及工法優(yōu)化研究，以便為類似工程提供借鑒和參考。

2 軟弱破碎圍巖的掃孔控制注漿

2.1 注漿關(guān)鍵技術(shù)及操作要點(diǎn)

軟弱破碎圍巖掃孔控制注漿施工工法減免了混凝土止?jié){墻的施工，以解決傳統(tǒng)型注漿工藝在軟弱破碎圍巖段壓力上不去、孔口周邊圍巖裂隙溢漿等現(xiàn)象，保障隧道注漿效果。施工前在孔內(nèi)預(yù)先放置一根略短于注漿孔深度的PVC 管或PE 管，并與孔口進(jìn)漿管連接，注漿漿液通過PVC 管或PE 管直達(dá)注漿孔底部，避免注漿漿液在進(jìn)入注漿孔的過程中被孔內(nèi)涌水稀釋、沖刷分散，從而改變注漿漿液的化學(xué)性能。注漿設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

該工法適用于超前帷幕注漿、超前局部預(yù)注漿、超前環(huán)向加固封堵注漿，特別適用于掌子面圍巖裂隙發(fā)育、軟弱破碎圍巖段的注漿加固施工。其關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)注漿孔位進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)保證設(shè)計(jì)的科學(xué)性及可行性，并對(duì)各鉆孔情況做好記錄，掌握巖層性質(zhì)、出水位置，為控制性注漿用PVC 導(dǎo)管插入孔內(nèi)深度以及材料的選擇提供依據(jù)。注漿前首先通過試驗(yàn)確定注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，其影響因素主要包括注漿材料本身、漿液的水灰比例以及雙液的摻配比例；注漿過程中，根據(jù)圍巖出水情況及地下水壓力大小適時(shí)調(diào)整注漿壓力，通過漿液的擠壓、滲透作用快速加固周邊圍巖，防止周邊圍巖裂隙溢漿，從而保證注漿質(zhì)量。

（1）注漿加固方案設(shè)計(jì)。按照設(shè)計(jì)文件、地質(zhì)勘察資料及注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等制定合理有效的實(shí)施方案。首先通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、孔內(nèi)成像等技術(shù)，對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況、地下水壓力及分布范圍進(jìn)一步驗(yàn)證；根據(jù)探測(cè)結(jié)果明確注漿加固范圍[4]、注漿順序以及分段注漿長度等相關(guān)參數(shù)。

（2）隧道注漿順序應(yīng)堅(jiān)持“由外到內(nèi)、由下到上，間隔開孔、跳孔注漿”的總體原則，可有效防止?jié){液竄孔，到注漿堵水及加固圍巖的目的，見圖1（a）。

由外到內(nèi)的順序：B 孔→C 孔→D 孔→E 孔。

B 孔第一循環(huán)注漿：先注B13 孔，再注B11、B15→B9、B17→B7、B19→B5、B21→B3、B23→B1。

B 孔第二循環(huán)注漿：B12、B14→B10、B16→B8、B18→B6、B20→B4、B22→B2、B24。

最外圈注漿孔完成后，參照同樣的注漿順序，由外向內(nèi)逐圈依次進(jìn)行C孔→D 孔→E 孔注漿。

A 孔作為補(bǔ)充注漿孔，終孔位置比其他注漿孔后退5～8m 左右，形成一個(gè)完整的止?jié){巖盤，見圖1（b）。

圖1 超前帷幕注漿孔位布置示意圖（單位：cm）

（3）注漿材料準(zhǔn)備及配比。注漿材料若為單液漿，常用的材料一般有快硬硫鋁酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，見表2；也可采用以單液漿為主雙液漿為輔的注漿方式，解決單液漿凝結(jié)時(shí)間長、易受沖刷分散的弊端[5]。

表2 注漿常用材料規(guī)格

（4）外接法蘭盤加工制作。根據(jù)孔口管直徑選擇外接法蘭盤型號(hào)，在其中心部分焊接出漿口、進(jìn)漿口，在進(jìn)漿口末端連接變徑套環(huán)，之后連接PVC管。

（5）制作：注漿孔口管可根據(jù)注漿孔徑大小，選擇適宜直徑的無縫鋼管制作，為保證孔口管安裝效果以及使用方便，長度一般加工為2～3m。孔口管與法蘭盤連接，連接采用焊接的方式，距法蘭盤約30cm 處開始纏繞麻絲成仿錘型，纏繞長度100cm 以上，完成后在麻絲表面敷設(shè)水泥凈漿，見圖2。

圖2 孔口管加工示意圖

2.2 注漿工藝流程

軟弱破碎圍巖掃孔控制注漿工藝流程：

（1）測(cè)量放線、孔位標(biāo)注：根據(jù)注漿實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)所指孔位布置要求，在巖面上測(cè)量定位，并做好各孔標(biāo)記。

（2）鉆淺孔：采用多功能地質(zhì)鉆機(jī)，根據(jù)開孔位置及鉆孔參數(shù)調(diào)整鉆機(jī)角度且孔位必須符合設(shè)計(jì)鉆孔要求，鉆孔直徑φ130mm，鉆孔深度3.0m。

（3）孔口管安裝：退出鉆桿，鉆機(jī)移位，安裝孔口管，孔口管采用無縫鋼管加工制作，一端焊接與外接法蘭盤同型號(hào)的快速接頭，距快速接頭約30cm 處開始纏繞麻絲成仿錘型，纏繞長度100cm 以上；完成后在其麻絲表面使用硫鋁酸鹽水泥凈漿敷設(shè)，采用鉆機(jī)將孔口管頂入鉆孔中，孔口管外留長度30cm。

（4）外接法蘭盤及注漿管路安裝：將PVC 管插入孔內(nèi)，PVC 管長度應(yīng)根據(jù)鉆孔深度確定，其管口末端距鉆孔底部距離≤60cm，另一端連接至已加工完成的外接法蘭盤的變徑套環(huán)上，出漿口、進(jìn)漿口分別連接對(duì)應(yīng)型號(hào)閥門。

（5）后退式注漿：混合器上兩個(gè)進(jìn)漿口連接單向閥，以防止?jié){液回流堵塞各進(jìn)漿管道；單向閥后分別連接水泥漿進(jìn)漿管、控制液進(jìn)漿管；各管路及注漿機(jī)械準(zhǔn)備就緒后開始注漿，兩種漿液經(jīng)混合器沿PVC 管噴出，一部分進(jìn)入加固巖層，一部分返流至孔口管周邊；因本工法取消止?jié){墻的施作，其孔口管周邊存在裂隙，一部分漿液返流的主要目的即為加固封堵該裂隙；當(dāng)孔口管周邊巖層裂隙溢漿后，持續(xù)注漿，水泥漿管路進(jìn)漿量不變，增大控制液進(jìn)漿管流量，使其縮短漿液凝結(jié)時(shí)間；當(dāng)調(diào)整后的混合漿液從孔口管周邊巖層裂隙溢出后，打開出漿口閥門，降低孔口管周邊巖層裂隙溢漿壓力，當(dāng)溢漿現(xiàn)象由大變小直至停止后，將控制液進(jìn)漿管流量調(diào)整回初始狀態(tài)，繼續(xù)注漿，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)漿量逐漸減小、注漿壓力逐漸，則暫停該孔注漿。

（6）分段掃孔：將各進(jìn)漿管路及外接法蘭盤上各部件及閥門移除，鉆機(jī)就位，按照步驟2 中所述，重新對(duì)該孔進(jìn)行掃孔，孔徑φ90mm，掃孔深度8～10m；然后重復(fù)步驟4、步驟5 的操作過程，通過重復(fù)注漿→鉆孔→注漿→鉆孔，達(dá)到注漿加固封堵的目的。

3 圍截式控制注漿

3.1 注漿關(guān)鍵技術(shù)及操作要點(diǎn)

隧道開挖后在集中涌水處，如采取直接堵漏法從出水口頂水注漿，雖然涌水被封堵，但水仍會(huì)從薄弱處用涌出，造成大面積涌水。圍截式注漿是從出水口一定范圍成環(huán)狀逐層向內(nèi)布孔注漿，層層縮小包圍圈，將水逐步趕至出水口，然后對(duì)出水口進(jìn)行高壓頂水注漿，將地下水封堵在隧道外部的一種堵水注漿方式。圍截注漿的目的是設(shè)法把大的涌水變成較小的滲漏水，當(dāng)涌水被堵在巖層深部時(shí)，如果繼續(xù)排出將通過較長的細(xì)小裂隙排出，水壓、水量都會(huì)大大減小，從而減小隧道襯砌承受壓力。因此，圍截式控制注漿特別適用于局部徑向注漿。

（1）孔位布置。注漿孔間距根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況不同通常按1.5～2.5m梅花形布置。

①對(duì)于初支面點(diǎn)、片狀出水，布孔應(yīng)在出水點(diǎn)周邊縱向各延伸3.0～5.0m范圍，按照1.5m×1.5m 梅花形布設(shè)孔位。

②對(duì)于初支表面大面積滲水，應(yīng)在滲水面縱向各延伸5.0～8.0m 范圍按環(huán)向間距1.5m，長度按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行布孔。

③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，鉆孔方向不應(yīng)沿隧道噴射混凝土面法線徑向開孔，該開孔方法只是理論上可行，應(yīng)根據(jù)隧道圍巖產(chǎn)狀，盡可能垂直巖面開孔，使其穿過更多的巖層交界面或裂隙，應(yīng)斜向開孔。

（2）鉆孔方式。因多功能鉆機(jī)高度受限，鉆孔鉆具可采用RPD-180C多功能鉆機(jī)與風(fēng)槍配合開孔；RPD-180C 多功能鉆機(jī)主要對(duì)仰拱面以上5m范圍開孔，5m 以上至拱頂部分采用風(fēng)槍開孔。

（3）注漿參數(shù)。注漿施工前應(yīng)通過試驗(yàn)確定漿液的性能及各項(xiàng)指標(biāo)，包括漿液的配合比、擴(kuò)散半徑、凝結(jié)時(shí)間等指標(biāo)，見表3。

表3 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表

止?jié){可采用充水膨脹式止?jié){塞，通過注水使止?jié){塞橡膠筒膨脹，膨脹到一定程度后受注漿孔壁的限制，最終與孔壁擠壓密實(shí)，實(shí)現(xiàn)止?jié){的作用。為確保現(xiàn)場(chǎng)施工安全，防止在注漿過程中因漿液或地下水的壓力作用使其滑脫，止?jié){塞放入孔內(nèi)深度必須≥60cm。

3.2 注漿工藝流程

3.2.1 鉆孔

開孔堅(jiān)持“輕、慢”的操作要領(lǐng)，確保開孔位置和角度精準(zhǔn)。“輕、慢”則指在開孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓要輕、轉(zhuǎn)速要慢；在鉆進(jìn)過程中根據(jù)地質(zhì)情況和鉆進(jìn)深度選擇合適的鉆壓和轉(zhuǎn)速，均勻給進(jìn)。在地質(zhì)不均或巖層交接處鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)減小鉆壓和轉(zhuǎn)速，減緩給進(jìn)速度，并做好鉆孔記錄。根據(jù)鉆進(jìn)速度初步判斷圍巖變化情況，根據(jù)孔口出水情況判斷富水段落，從而進(jìn)一步指導(dǎo)注漿參數(shù)優(yōu)化。

注漿施工時(shí)應(yīng)根據(jù)注漿孔出水量大小、進(jìn)漿量的快慢，適時(shí)調(diào)整漿液的配合比。注漿初期可選擇凝結(jié)時(shí)間較短的配合比，對(duì)孔口周邊圍巖裂隙進(jìn)行快速封堵，預(yù)防大面積漏漿；涌水量較大則優(yōu)先選用濃度較大、不易離散的注漿材料。鉆孔順序：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，按照圍截注漿原則，堅(jiān)持以出水點(diǎn)為中點(diǎn)，先遠(yuǎn)后近，由下而上間隔鉆孔的施工順序。

3.2.2 注漿

注漿程序：隧道注漿按照地質(zhì)水文分析、注漿施工準(zhǔn)備、壓水試驗(yàn)、注漿掃孔、檢測(cè)評(píng)價(jià)、檢測(cè)合格后進(jìn)行下一循環(huán)施工的注漿程序。正式注漿前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，檢查注漿設(shè)備及管路系統(tǒng)是否正常；判定巖體透水性的強(qiáng)弱。

注漿方式：主要有分段掃孔注漿（包括前進(jìn)式和后退式）、全孔一次性注漿。在鉆孔施工中若未出現(xiàn)較大股狀涌水或塌孔現(xiàn)象，一次成孔直至設(shè)計(jì)深度；反之，鉆孔中出現(xiàn)股狀涌水或塌孔、卡鉆，難以成孔等現(xiàn)象，則鉆一段注一段后在原位掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)深度。

注漿速度：當(dāng)鉆孔涌水量＞0.8L/s，注入速度80～120L/min；當(dāng)涌水量＜0.8L/s，注入速度30～80L/min。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：進(jìn)漿量＜20L/min；注漿壓力＞4MPa，同時(shí)無明顯漏漿現(xiàn)象，則單孔注漿結(jié)束。

按注漿設(shè)計(jì)方案完成注漿后，通過鉆芯檢查其注漿效果。檢查孔涌水量＜0.2L/min；檢查孔巖芯飽和達(dá)到一定強(qiáng)度；同時(shí)加固范圍大于設(shè)計(jì)值則可結(jié)束本段注漿施工。若不滿足要求，則需通過補(bǔ)注漿進(jìn)一步加固封堵。

4 結(jié)束語

在歇馬隧道注漿施工中，針對(duì)不同的地質(zhì)及水文情況，研究了多種注漿堵水及加固方式。軟弱破碎圍巖掃孔控制注漿、圍截式控制性注漿、管道型高壓涌水控制加固注漿是針對(duì)不同地質(zhì)、出水情況總結(jié)形成的注漿工法，解決了傳統(tǒng)隧道注漿工藝效率低、效果差的難題。可有效保證隧道富水段施工安全、保證工程質(zhì)量、加快施工進(jìn)度、降低工程建設(shè)成本。