隧道注漿技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

卓 越， 李治國(guó)， 高廣義

(1. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 511458； 3. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450000)

0 引言

注漿技術(shù)是指通過(guò)將適宜的膠凝材料配制成針對(duì)性漿液，利用壓力設(shè)備直接或間接注入巖土體，以改變巖土體的力學(xué)分布和結(jié)構(gòu)組成，待漿液凝固與原始地層形成復(fù)合體，提高其物理力學(xué)性能，達(dá)到防水、加固或糾偏的工程目的[1]。目前，注漿技術(shù)已廣泛應(yīng)用于隧道工程、邊坡工程、地基工程和堤壩工程等，在地質(zhì)災(zāi)害治理、地下圍巖加固、建筑結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、資源安全開(kāi)發(fā)等工程領(lǐng)域有著特殊又不可替代的作用，可為交通、建筑、礦產(chǎn)、水利、管道等工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)安全提供重要保障。隨著隧道工程建設(shè)向更深、更長(zhǎng)、更快發(fā)展，注漿技術(shù)已逐漸成為高風(fēng)險(xiǎn)不良地質(zhì)隧道不可或缺的核心施工環(huán)節(jié)之一[2]。

注漿技術(shù)的發(fā)展已有兩百多年歷史。法國(guó)人開(kāi)辟了注漿施工的先河，1864年法國(guó)人在阿里因普瑞貝礦首次用水泥基材料對(duì)井筒進(jìn)行注漿堵水加固[3]，有效地解決了井筒出水問(wèn)題，并發(fā)明了水泥漿材，水泥開(kāi)始成為注漿的主要材料，此后又發(fā)明了化學(xué)漿材。20世紀(jì)50年代初，我國(guó)注漿技術(shù)的研究和應(yīng)用開(kāi)始起步；20世紀(jì)80年代，以衡廣鐵路大瑤山隧道施工中遇到的9號(hào)斷層為契機(jī)，經(jīng)過(guò)40多年的研究，隧道注漿技術(shù)得到了快速發(fā)展，特別是在跨江越海隧道、富水高壓隧道的注漿材料、工藝工法、設(shè)備和效果監(jiān)測(cè)手段等方面的研究成果已處于世界先進(jìn)行列，注漿應(yīng)用的領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大到市政、公路和鐵路隧道的復(fù)雜地質(zhì)加固堵水中[4-6]。目前，注漿技術(shù)有效解決了突涌水治理[7-8]、地層加固[9]、坍方處理[10-12]、變形控制[13-15]、瓦斯防溢和工程搶險(xiǎn)[16-17]等施工技術(shù)難題，推動(dòng)了交通強(qiáng)國(guó)和“一帶一路”基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展。

當(dāng)前，有關(guān)注漿理論與技術(shù)方面的研究成果和工程實(shí)踐較多，近些年我國(guó)在隧道注漿技術(shù)領(lǐng)域也取得了可喜的成績(jī)，但通過(guò)歸納可以發(fā)現(xiàn)，隨著超高水壓、強(qiáng)透水地層及城市敏感地區(qū)地下工程的開(kāi)展，依然存在很多需要解決的技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)，由于注漿工程模糊性、隱蔽性、隨機(jī)性和復(fù)雜性的特征，使其存在“難預(yù)測(cè)、難選材、難控制、難評(píng)價(jià)”的問(wèn)題。因此，有必要總結(jié)近20年國(guó)內(nèi)在隧道注漿技術(shù)方面取得的成績(jī)和進(jìn)步，找出隧道注漿下一步重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題，以期推動(dòng)我國(guó)隧道注漿技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。

1 隧道注漿技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展

1.1 注漿理論研究現(xiàn)狀

注漿漿液的流動(dòng)過(guò)程是漿液和被注介質(zhì)共同作用的結(jié)果，因此，對(duì)注漿漿液和被注介質(zhì)的認(rèn)識(shí)是研究注漿滲流過(guò)程的基礎(chǔ)[18]。注漿形式主要包括滲透注漿、壓密注漿、劈裂注漿、滲流和多場(chǎng)耦合注漿等。

1.1.1 滲透注漿

滲透注漿理論的基本原理： 漿液在壓力作用下充填空隙或裂隙，排出孔中的自由水和氣體，擴(kuò)散到土顆粒間，不改變土體結(jié)構(gòu)，以改善巖土體的物理力學(xué)性能[19]。漿液擴(kuò)散形狀如圖1所示，注漿效果如圖2所示。滲透注漿主要成果為球形擴(kuò)散理論(Maag擴(kuò)散)和柱形擴(kuò)散理論。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：R為擴(kuò)散半徑，cm；r0為注漿頭半徑，cm；p為注漿壓力，MPa；k為砂土滲透系數(shù)，cm/s；t為注漿時(shí)間，s；n′為砂土孔隙率;β為漿液黏度對(duì)水的黏度比。

(a) 球形擴(kuò)散 (b) 柱面擴(kuò)散

圖2 粉細(xì)砂層滲透注漿效果

1.1.2 壓密注漿

壓密注漿的基本理論： 注入地層的漿液使土體壓縮，當(dāng)土體壓縮到一定程度后，漿液繼續(xù)注入的土體保持不變，可假定土體是均質(zhì)各向同性的彈塑性材料，壓密注漿的過(guò)程相當(dāng)于在無(wú)限土體中擴(kuò)張一個(gè)半徑為r的小孔，在孔的周?chē)纬梢粋€(gè)應(yīng)力影響區(qū)[20-21]。當(dāng)壓力增加時(shí)，圍繞著小孔周?chē)膮^(qū)域?qū)⒂蓮椥誀顟B(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)；隨著壓力的繼續(xù)增大，塑性區(qū)不斷擴(kuò)大，直至小孔內(nèi)的壓力達(dá)到極限壓力pu，此時(shí)的擴(kuò)孔半徑為Ru；設(shè)彈、塑性交界處的半徑為Rp，在半徑Rp以?xún)?nèi)為塑性區(qū)，Rp以外的土體仍為彈性狀態(tài)，如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)壓密注漿照片如圖4。

σθ為環(huán)向應(yīng)力，σt為徑向應(yīng)力。

圖4 全風(fēng)化土層壓密形成漿泡

通過(guò)調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，壓密注漿理論的研究主要集中在注漿方式方面，而注漿機(jī)理和注漿效果方面的研究較少，理論研究主要是基于彈塑性理論或應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系的柱孔、球孔擴(kuò)張模型。在研究的過(guò)程中，逐步發(fā)現(xiàn)要考慮最大極限注漿壓力和壓濾效應(yīng)引起的孔隙水壓力、有效應(yīng)力、水壓消散等問(wèn)題。

1.1.3 劈裂注漿

劈裂注漿的基本理論： 劈裂注漿是在鉆孔內(nèi)施加液體壓力于弱透水性地層中，當(dāng)液體壓力達(dá)到起裂注漿壓力p0時(shí)，土體產(chǎn)生水力劈裂，進(jìn)漿量突然增加[22]。劈裂注漿在鉆孔附近形成網(wǎng)狀漿脈，通過(guò)漿脈擠壓土體和漿脈的骨架作用加固土體，其起裂注漿壓力p0及最大擴(kuò)散半徑Rmax可通過(guò)冪律型流體進(jìn)行表達(dá)：

(3)

(4)

(a)

(b)

劈裂注漿研究中考慮的影響因素主要為土體密實(shí)度、含水量、注漿壓力、注漿孔深度等，土體擠密和漿脈骨架作用是注漿機(jī)制分析和注漿效果評(píng)價(jià)中考慮的主要因素，產(chǎn)生了分配系數(shù)、復(fù)合體等效模型、復(fù)合體等效壓縮模量等參數(shù)[23]。從研究方法上看，理論計(jì)算和數(shù)值模擬較多，而試驗(yàn)研究較少。

1.1.4 漿液滲流和多場(chǎng)耦合

漿液滲流和多場(chǎng)耦合理論： 由于隧道裂隙巖體的生成原因不同，且其相應(yīng)地質(zhì)歷史發(fā)展過(guò)程不同，巖體具有其特定應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境；通常裂隙巖體會(huì)處于一定地下水環(huán)境，水的流動(dòng)對(duì)應(yīng)形成特定滲流場(chǎng)，二者之間相互影響稱(chēng)為隧道裂隙巖體滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合作用。這是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡，主要通過(guò)巖體滲透性能及其變化實(shí)現(xiàn)。

注漿理論研究受到注漿目的、地質(zhì)條件、環(huán)境條件、漿液類(lèi)型及性能、注漿方案參數(shù)及工藝、機(jī)械設(shè)備等影響，往往是各種機(jī)理相互交織、綜合作用，由于地層的不均一性、非連續(xù)性、各向異性，一些工程注漿實(shí)際情況和理論出入比較大。

1.2 隧道注漿材料現(xiàn)狀

注漿材料是關(guān)系到注漿成敗的關(guān)鍵因素之一，它直接影響到注漿成本、注漿工藝、注漿效果等一系列問(wèn)題。現(xiàn)代注漿材料的品種繁多，隧道常用注漿材料可分為膠結(jié)材料、化學(xué)材料及復(fù)合材料3類(lèi)[24-25]。膠結(jié)漿材包括不穩(wěn)定粒狀漿材(水泥類(lèi))和穩(wěn)定粒狀漿材(水泥黏土等)，化學(xué)漿材包括無(wú)機(jī)漿材(水玻璃類(lèi))和有機(jī)漿材(環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)、聚氨酯類(lèi))。常見(jiàn)注漿材料的特性及應(yīng)用見(jiàn)表1。

目前，很難找到一種注漿材料能同時(shí)滿(mǎn)足各類(lèi)需求。注漿材料的選擇應(yīng)考慮地質(zhì)條件、注漿目的、工程對(duì)象特征等，選擇較合理的一種或幾種漿材聯(lián)合使用，使注漿既有效又經(jīng)濟(jì)合理。

表1 常見(jiàn)注漿材料的特性及應(yīng)用

1.3 隧道鉆孔注漿設(shè)備現(xiàn)狀

近20年隧道鉆孔注漿設(shè)備得到高速發(fā)展，鉆機(jī)從分離式小型坑道鉆機(jī)發(fā)展為大型大功率履帶式全液壓多功能鉆機(jī)。在隧道有限的作業(yè)空間內(nèi)，大中型履帶鉆機(jī)為鉆孔設(shè)備的主流，其相比于傳統(tǒng)臺(tái)式鉆機(jī)，具有空間定位十分便捷、鉆孔效率高的優(yōu)勢(shì)，如意大利C6、日本礦巖RPD180、意大利MC15、徐工XMZ120鉆機(jī)、廊坊秋田等[26]。動(dòng)力系統(tǒng)由電動(dòng)液壓或風(fēng)動(dòng)發(fā)展為單動(dòng)力(電動(dòng)/內(nèi)燃)液壓鉆機(jī)，再發(fā)展到雙動(dòng)力(電動(dòng)+內(nèi)燃)液壓鉆機(jī)，并配套一系列自動(dòng)化輔助設(shè)備和裝置，如鉆孔防突、繩索取芯裝置、自動(dòng)控制記錄和孔內(nèi)攝像系統(tǒng)等。隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的大力發(fā)展，鉆孔設(shè)備必將向多功能化、大型化、高效化、控制智能化的趨勢(shì)發(fā)展，而且更注重安全和環(huán)境的保護(hù)。

注漿設(shè)備不斷發(fā)展形成了相關(guān)設(shè)備的平臺(tái)集成化，減少了管路的連接，加快了進(jìn)出場(chǎng)速度，提升了作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)了注漿設(shè)備輕小型化、機(jī)組化、系列化、專(zhuān)用化和自動(dòng)化。集鉆、注等設(shè)備為一體，生產(chǎn)輕小型注漿機(jī)組設(shè)備，發(fā)展專(zhuān)用注漿機(jī)組，在注漿機(jī)組中配置自動(dòng)化控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一整套自動(dòng)注漿系統(tǒng)的集中控制、自動(dòng)記錄、多臺(tái)泵大規(guī)模注漿施工。

1.4 隧道注漿工藝現(xiàn)狀

根據(jù)隧道地質(zhì)情況和作業(yè)條件的不同，注漿施工工藝也隨之不同，目前常用的注漿工藝及其適用性見(jiàn)表2。

1.5 隧道注漿效果檢查方法現(xiàn)狀

對(duì)注漿效果進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)是保證安全施工、確保注漿質(zhì)量的關(guān)鍵。常見(jiàn)的注漿工程注漿效果評(píng)定方法建議按表3進(jìn)行選擇。通過(guò)研究總結(jié)，將注漿效果檢查方法按分析法、檢查孔法、開(kāi)挖取樣法和物探法進(jìn)行了4類(lèi)11種系統(tǒng)的分類(lèi),如圖6所示[27]。因注漿效果檢查種類(lèi)較多,在實(shí)際注漿施工中，一定要根據(jù)注漿要求、現(xiàn)場(chǎng)條件和注漿目的等綜合選擇合理的注漿評(píng)定方法。

表3 常見(jiàn)的注漿工程注漿效果評(píng)定方法

注漿效果檢測(cè)評(píng)價(jià)方法分析法p-Q-t曲線法p-t曲線Q-t曲線{漿液填充率法?反算漿液填充率涌水量對(duì)比法?注漿前后鉆孔涌水量ì?í????鉆孔檢查法滲透系數(shù)法?巖層滲透系數(shù)鉆孔取芯法?取芯率完整性鉆孔觀察法?涌水、涌沙情況孔內(nèi)攝像法?巖層裂隙充填情況ì?í????開(kāi)挖取樣法力學(xué)參數(shù)指標(biāo)法抗壓強(qiáng)度含水率{加固效果觀察法?開(kāi)挖后有無(wú)水及坍塌{物探法電法?注漿前后電阻率變化磁法?注漿前后電磁變化{ì?í??????????????????

2 隧道重難點(diǎn)地層注漿進(jìn)展

2.1 高壓富水?dāng)鄬訋ё{技術(shù)

山嶺隧道穿越高壓富水?dāng)鄬悠扑閹悄壳八淼佬藿ㄟ^(guò)程中的攔路虎，如處理不當(dāng)，易造成突水涌泥、坍方甚至泥石流，嚴(yán)重影響隧道正常掘進(jìn)[28]。結(jié)合中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院處理的宜(昌)萬(wàn)(州)鐵路齊岳山隧道高壓富水F11斷層注漿案例，介紹隧道注漿技術(shù)在高壓富水?dāng)鄬訋У膽?yīng)用。齊岳山隧道F11斷層長(zhǎng)度約230 m，由角礫巖、破裂巖、斷層泥組成，斷層內(nèi)富含高壓水，超前探孔單孔最大涌水量1 800 m3/h，水壓高達(dá)3.2 MPa。注漿技術(shù)創(chuàng)新如下： 1)針對(duì)高壓富水?dāng)鄬悠扑閹У奶攸c(diǎn)，提出“注漿加固、分水降壓、快挖快封、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”綜合治理方案，采取信息化跟蹤注漿設(shè)計(jì)理念，打破了高壓富水地層全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)理念；2)采用多孔合一注漿工藝，采用硫鋁酸鹽特種水泥，開(kāi)發(fā)應(yīng)用無(wú)工作室管棚施工技術(shù)及玻璃纖維錨桿穩(wěn)定工作面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超前注漿加固施工在高壓富水?dāng)鄬犹幚淼目焖傩浴⒂行浴⒖煽啃约敖?jīng)濟(jì)性；3)建立專(zhuān)業(yè)注漿隊(duì)伍，加強(qiáng)注漿過(guò)程控制，引進(jìn)專(zhuān)業(yè)的人員配備和專(zhuān)業(yè)化的施工設(shè)備，從方案設(shè)計(jì)到過(guò)程控制能夠充分發(fā)揮其專(zhuān)業(yè)化水平，是實(shí)現(xiàn)安全、質(zhì)量、進(jìn)度的保障。現(xiàn)場(chǎng)施工及注漿效果如圖7和圖8所示。

圖7 正洞掌子面鉆孔注漿施工

圖8 漿液固結(jié)破碎巖體情況

2.2 大型富水填充巖溶注漿技術(shù)

在巖溶地區(qū)修建的隧道工程遇到的巖溶種類(lèi)多，尤其是高壓充填型溶洞，其突涌風(fēng)險(xiǎn)高，嚴(yán)重制約隧道施工。以中鐵隧道局承建的渝懷線圓梁山隧道高壓充填型溶洞為例，采用注漿加固方式成功通過(guò)。圓梁山隧道最大埋深780 m，施工所揭露的溶洞多為充填型溶洞，充填物為淤泥、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂層等，在超前地質(zhì)鉆孔施工中，從鉆孔中射出高壓水，射程達(dá)30 m，鉆頭被頂出，水壓達(dá)3.6 MPa。針對(duì)施工難題，提出： 1)圓梁山隧道充填型溶洞高壓水采取“以堵為主，限量排放”原則，實(shí)現(xiàn)有控制排放的目標(biāo)，采取了超前鉆孔帷幕注漿和開(kāi)挖后徑向注漿2種堵水方案； 2)在可溶巖與非可溶巖接觸帶、向斜核部區(qū)段、平導(dǎo)采用5 m，正洞采用8 m加固圈，充填型溶洞的注漿以高壓擠密劈裂的形式加固改良充填物； 3)采用大范圍、高壓、密孔注漿技術(shù)，既減少了對(duì)隧道開(kāi)挖的威脅，又阻斷了地下水通道，改善圍巖抗水壓能力； 4)建立了高壓、動(dòng)水、粉細(xì)砂層填充型溶洞“先粗后細(xì)，先濃后稀，先快后慢，先低壓、后高壓”的注漿原則。現(xiàn)場(chǎng)施工及注漿效果如圖9和圖10所示。

圖9 充填溶洞鉆孔涌水涌沙

圖10 充填溶洞注漿加固效果

2.3 極高水壓富水節(jié)理密集帶堵水注漿技術(shù)

對(duì)于穿越極高水壓節(jié)理密集帶且排水能力有限的隧道，必須采取超前注漿堵水方式以滿(mǎn)足隧道正常開(kāi)挖。結(jié)合由中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)承擔(dān)的大(理)瑞(麗)鐵路高黎貢山隧道1#豎井井底車(chē)場(chǎng)施工階段封堵極高壓水施工任務(wù)介紹注漿技術(shù)應(yīng)用。高黎貢山隧道1#豎井深762.59 m，井底車(chē)場(chǎng)施工期間靜水壓力高達(dá)7.6 MPa，單孔水量約為100 m3/h，且抽排能力有限，最大抽水能力為150 m3/h，突涌淹井風(fēng)險(xiǎn)極高。為解決狹小空間富水極高壓堵水難題，采取了以下創(chuàng)新技術(shù)： 1)根據(jù)車(chē)場(chǎng)分階段排水能力，建立“以堵為主，限量排放”的堵水原則； 2)根據(jù)超前探孔涌水估算堵水區(qū)域的地層滲透，并根據(jù)實(shí)際抽排能力，制定合理的注漿堵水啟動(dòng)和結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)； 3)采用“分區(qū)定位、封堵水流，間隔跳孔、鎖定水源，增加補(bǔ)孔、局部加強(qiáng)” 的動(dòng)態(tài)信息化注漿過(guò)程控制原則，從而達(dá)到“減少注漿孔數(shù)量、提高施工效率”的目的； 4)采用溶液型的改性脲醛樹(shù)脂，以2～3倍靜水壓力的高注漿終壓(部分孔的終壓達(dá)到18～23 MPa)，有效解決了地層可注性差的問(wèn)題，達(dá)到了較好的堵水效果； 5)定制大功率窄體履帶式液壓鉆機(jī)并配置無(wú)級(jí)變速超高壓低流量雙液泵，滿(mǎn)足狹小空間鉆機(jī)反復(fù)拆、吊及極高壓注漿施工難題。現(xiàn)場(chǎng)施工及注漿效果如圖11和圖12所示。

圖11 鉆孔中高壓水

圖12 注漿加固后效果

2.4 高滲透海底風(fēng)化槽注漿技術(shù)

海底隧道施工中，高滲透海底風(fēng)化槽穩(wěn)定性差、透水率高、水量補(bǔ)給無(wú)限且承受持續(xù)高水壓作用，施工中既要防止地層失穩(wěn)造成突涌水事故，又要可靠地堵水以減少隧道排水量，注漿設(shè)計(jì)對(duì)地層的適應(yīng)性和注漿機(jī)理成為海底隧道注漿施工的關(guān)鍵。以中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的廈門(mén)地鐵跨海隧道穿越多個(gè)風(fēng)化槽施工任務(wù)為例，風(fēng)化槽與海水聯(lián)通性強(qiáng)，水壓高，鉆孔單孔涌水噴射距離可達(dá)20 m，水量可達(dá)250 m3/h。為確保海底隧道的安全順利施工，采取以下創(chuàng)新技術(shù)： 1)針對(duì)風(fēng)化槽，制定了全斷面帷幕注漿和周邊徑向補(bǔ)充注漿相結(jié)合的注漿方法，確定了“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的堵水加固”原則和“25 m-20 m-5 m”的加固開(kāi)挖方案，即每循環(huán)加固段長(zhǎng)25 m，開(kāi)挖20 m，下循環(huán)搭接長(zhǎng)度5 m，并配套無(wú)工作室超前大管棚支護(hù)方案，對(duì)地層進(jìn)行擠密和加固，達(dá)到了“以堵為主，堵排結(jié)合”的目的。2)注漿中先注稀漿后注濃漿,出水大的孔注普通水泥,出水小的孔注超細(xì)水泥，封孔采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿，并對(duì)有機(jī)和無(wú)機(jī)材料采取多種類(lèi)、多配比漿液試驗(yàn)，提出海底隧道注漿堵水高抗?jié)B新材料，有效解決了風(fēng)化槽地層密實(shí)度高、水壓高、海水腐蝕性強(qiáng)的問(wèn)題； 3)采用多臂臺(tái)車(chē)施工注漿孔與大型履帶式鉆機(jī)施工管棚孔相結(jié)合的方式，匹配臺(tái)階法施工，實(shí)現(xiàn)上半斷面布孔加固全斷面，前進(jìn)式注漿保質(zhì)量，避免了注漿平臺(tái)反復(fù)變動(dòng)，提高了注漿施工效率，保證了平衡注漿質(zhì)量和周邊環(huán)境安全的需求，在確保注漿質(zhì)量和滿(mǎn)足周邊環(huán)境安全二者之間取得了平衡。注漿加固設(shè)計(jì)BIM展示圖如圖13所示，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖14所示。

圖13 注漿加固設(shè)計(jì)BIM展示圖

圖14 廈門(mén)地鐵過(guò)海隧道安全順利貫通

2.5 富水粉細(xì)砂層注漿施工技術(shù)

隧道穿越富水砂層時(shí)，因其屬泥質(zhì)弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)，遇水或長(zhǎng)時(shí)間暴露時(shí)極易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，很快變成松散流塑狀，極易發(fā)生涌砂、塌方等工程災(zāi)害。中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的山西中南部通道百店隧道富水砂層施工任務(wù)，采用超前注漿加固處理技術(shù)成功處理，提出一套富水砂層的注漿加固技術(shù)： 1)提出“外堵內(nèi)固”高壓劈裂注漿和開(kāi)挖過(guò)程中薄弱環(huán)節(jié)TSS管補(bǔ)充注漿的加固措施，提高了開(kāi)挖面砂層的整體強(qiáng)度和抗變形能力，降低了砂層的透水性，保證了順利開(kāi)挖； 2)在加固體外布設(shè)大角度的泄水降壓孔，直接有效地疏散了因注漿引起的水量積聚，并能有效降低地層水對(duì)注漿體的侵害程度； 3)動(dòng)態(tài)化注漿技術(shù)將注漿與隧道開(kāi)挖觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，查出注漿薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取補(bǔ)充注漿，并結(jié)合掌子面前方地層、地下水變化狀況進(jìn)行優(yōu)化，避免了注漿的盲目性，使注漿取得了良好的效果。現(xiàn)場(chǎng)照片如圖15所示，注漿完成后泄水降壓設(shè)計(jì)如圖16所示。

圖15 富水粉細(xì)砂淹沒(méi)已開(kāi)挖隧道

圖16 注漿完成后泄水降壓設(shè)計(jì)圖(單位： cm)

3 隧道注漿技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新

3.1 堵水為主的隧道信息化注漿設(shè)計(jì)新理念

常規(guī)全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)理念如圖17所示，假定地層是均勻的，外側(cè)水壓力均勻分布。圖中注漿堵水加固范圍與水壓力有關(guān)，注漿加固厚度一般是隧道半徑的2～3倍，缺點(diǎn)是鉆孔量大、工期長(zhǎng)、成本不可控。而信息化注漿設(shè)計(jì)與全斷面注漿設(shè)計(jì)存在本質(zhì)不同。信息化注漿設(shè)計(jì)理念如圖18所示，是將隧道周邊巖體、水量及水壓力分布假定為不均勻性，從而通過(guò)超前探孔鎖定弱水區(qū)和強(qiáng)水區(qū)，對(duì)弱水區(qū)采取基本注漿, 對(duì)強(qiáng)水區(qū)采取加強(qiáng)注漿，注漿機(jī)理為“封堵裂隙、減少水量、固結(jié)圍巖、改良地層”；注漿時(shí)，先通過(guò)區(qū)域定位孔進(jìn)行無(wú)約束注漿堵水,從而使地層中水量得到有效控制，然后按照“合理步距、封堵水流，由外到內(nèi)、環(huán)環(huán)相扣，間隔跳孔、鎖定水源，增加補(bǔ)孔、區(qū)域加強(qiáng)”的注漿理念進(jìn)行注漿施工。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，信息化注漿能快速達(dá)到注漿堵水效果。信息化注漿與全斷面帷幕注漿相比，注漿孔數(shù)量和注漿量減少50%。在水量大時(shí)，注漿進(jìn)度提高80%，一般情況下注漿進(jìn)度可提高50%左右。

圖17 全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)理念

圖18 信息化跟蹤注漿設(shè)計(jì)理念

3.2 隧道注漿新方法、新工藝

3.2.1 上斷面開(kāi)孔全斷面超前加固方式

鑒于目前隧道以大斷面為主，隧道注漿施工如采取上下臺(tái)階分區(qū)域施作，工序轉(zhuǎn)化多，工期長(zhǎng)，注漿效果也無(wú)法保證。結(jié)合目前大型鉆孔設(shè)備及信息化快速注漿理念，研究出通過(guò)上半斷面開(kāi)孔對(duì)全斷面進(jìn)行注漿加固的施工方式。上半斷面空間高度為4.5～6 m，滿(mǎn)足鉆孔設(shè)備作業(yè)要求，如圖19所示。

圖19 上半斷面開(kāi)孔超前加固示意圖(單位： cm)

該加固方式的優(yōu)勢(shì)為： 1)控制風(fēng)險(xiǎn)，上下斷面分臺(tái)階開(kāi)挖，有利于軟弱地層安全風(fēng)險(xiǎn)控制； 2)減少工序轉(zhuǎn)化，每循環(huán)可節(jié)約工期4～5 d； 3)減少止?jié){墻澆注工程數(shù)量。

3.2.2 加筋注漿工藝

在破碎、松散的軟巖中，最大的危險(xiǎn)就是開(kāi)挖工作面前方因局部注漿薄弱而失穩(wěn)和開(kāi)挖面臨空局部垮塌，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)研究驗(yàn)證提出“加筋注漿工藝”。該工藝基于新意法核心土穩(wěn)定理念，在超前注漿施工過(guò)程中，在注漿鉆孔完成后孔內(nèi)下入玻璃纖維錨桿、PVC管或樹(shù)竹式錨桿并進(jìn)行注漿，使具有高抗拉強(qiáng)度的錨桿通過(guò)漿液和軟弱地層固結(jié)成為整體，提高了加固范圍的抗形變剛度,使得隧道周邊的拱效應(yīng)能自然發(fā)揮作用，保證隧道能夠大斷面安全、順利開(kāi)挖掘進(jìn)，從而進(jìn)一步降低隧道開(kāi)挖變形風(fēng)險(xiǎn)。加筋注漿使“待挖核心體”能有效抑制因開(kāi)挖引起的地層形變,促使“拱效應(yīng)”在開(kāi)挖輪廓周邊能自然起作用。

3.2.3 鉆注一體注漿工藝

鉆注一體注漿工藝是指： 在鉆孔至設(shè)計(jì)深度后，利用孔口密封裝置，通過(guò)鉆桿完成注漿，并在注漿過(guò)程中持續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆桿，分段后退，依次拆除各節(jié)鉆桿，直至最終完成注漿。可實(shí)現(xiàn)鉆孔注漿的快速連續(xù)作業(yè)，達(dá)到鉆注一體化，提高工效，改善效果，降低成本。鉆注一體化施工原理如圖20所示。

1—鉆機(jī)； 2—進(jìn)漿管； 3—進(jìn)漿單向閥； 4—進(jìn)水管； 5—供水單向閥； 6—鉆桿； 7—中空壓盤(pán)； 8—法蘭盤(pán)； 9—止?jié){塞； 10—止?jié){筒； 11—防突水裝置； 12—排渣排氣裝置； 13—孔口管； 14—錨固劑； 15—止?jié){墻； 16—鉆孔； 17—鉆頭； 18—漿液。

3.3 隧道注漿新材料

對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下不良地質(zhì)處理，快凝、早強(qiáng)的材料至關(guān)重要，宜萬(wàn)鐵路齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬幼{處理時(shí)，應(yīng)用特種硫鋁酸鹽水泥取得了較好的堵水加固效果。硫鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、高強(qiáng)特點(diǎn)，采用硫鋁酸鹽水泥配置的單液漿，具有凝結(jié)可控、高強(qiáng)可靠、操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)散控域、工藝匹配、經(jīng)濟(jì)適用、綠色環(huán)保、堵水高效等特點(diǎn)，從而使?jié){液既具有普通硅酸鹽水泥單液漿的優(yōu)點(diǎn)，又具有普通硅酸鹽水泥-水玻璃雙液漿的優(yōu)點(diǎn)， 尤其適用于注漿堵水前進(jìn)式分段注漿工藝施工，注漿效率提高30%以上。硫鋁酸鹽水泥單液漿性能參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 硫鋁酸鹽水泥單液漿性能參數(shù)

改性脲醛樹(shù)脂是一種聚合物注漿材料，是尿素和甲醛在加熱以及一定的酸堿度下，合成反應(yīng)為脲醛樹(shù)脂。其用于堵水，材料由A、B液2組成分組成，A液為液體樹(shù)脂，B液為固化劑。A、B 2種材料按適當(dāng)比例混合后可在需要的時(shí)間內(nèi)凝固形成結(jié)石，發(fā)揮堵水作用，適用于隧道微裂隙的堵水施工。改性脲醛樹(shù)脂滲透性較好，固化后收縮小，穩(wěn)定性較好，強(qiáng)度可達(dá)5 MPa以上，pH為7.0～9.0，固體含量≥45%，游離甲醛含量≤0.8%，凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況通過(guò)調(diào)整配合比來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步改善施工環(huán)境，減少施工環(huán)境中的游離甲醛含量，目前正在研究應(yīng)用一種無(wú)醛樹(shù)脂注漿材料。

3.4 鉆孔注漿設(shè)備配套

隧道注漿施工由于涉及場(chǎng)地準(zhǔn)備和工序轉(zhuǎn)換，綜合注漿效率成為影響隧道掘進(jìn)的關(guān)鍵因素，因此，必須選擇適宜的鉆孔、注漿、拌漿設(shè)備，并進(jìn)行配套，以期提高鉆孔、注漿作業(yè)效率。對(duì)于隧道鉆孔設(shè)備，因隧道有限的作業(yè)空間，大中型履帶鉆機(jī)為鉆孔設(shè)備的主流，相比于傳統(tǒng)臺(tái)式鉆機(jī)，具有空間定位十分便捷、鉆孔效率高的優(yōu)勢(shì)，其轉(zhuǎn)矩可達(dá)到8 000 N·m，轉(zhuǎn)速可到達(dá)80 r/min，沖擊力450 kN，沖擊數(shù)2 200 bpm，如意大利Casagrande C6鉆機(jī)(見(jiàn)圖21)、日本礦巖RPD-180CBR鉆機(jī)(見(jiàn)圖22)、德國(guó)MC15、徐工XMZ120鉆機(jī)等[26]。鉆孔設(shè)備制造技術(shù)還將向更大的轉(zhuǎn)矩、更高的轉(zhuǎn)速、更穩(wěn)的液壓系統(tǒng)不斷進(jìn)步；同時(shí)，自動(dòng)化裝卸鉆桿、智能化變速鉆進(jìn)以及環(huán)保化集塵降噪等，也是新時(shí)代注漿鉆孔技術(shù)之一，目前正處于不斷的探索和實(shí)踐驗(yàn)證中。

圖21 意大利Casagrande C6鉆機(jī)

圖22 日本礦巖RPD-180CBR鉆機(jī)

注漿設(shè)備逐漸發(fā)展出了相關(guān)設(shè)備的小平臺(tái)集成化，減少了管路的連接，加快了進(jìn)出場(chǎng)速度，提升了作業(yè)效率。

4 展望

4.1 注漿理論研究方面

注漿理論發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于注漿實(shí)踐，目前關(guān)于漿液擴(kuò)散范圍等的理論公式研究遠(yuǎn)未成熟。大部分計(jì)算漿液在孔隙裂隙中的滲流理論，都會(huì)對(duì)被注介質(zhì)孔隙裂隙進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，故難以反映真實(shí)擴(kuò)散情況，而且大多經(jīng)驗(yàn)公式都是為特定地質(zhì)條件推導(dǎo)得出的，不具有普遍意義。而對(duì)于隧道注漿理論研究，不同地質(zhì)條件、不同材料下的注漿機(jī)理，包括漿液在裂隙巖體中的擴(kuò)散狀態(tài)、擴(kuò)散范圍、損傷、加固機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

4.2 注漿材料方面

隧道注漿目的是防水及固結(jié)，因此，研發(fā)滲透性與韌性兼顧的柔性注漿材料是隧道注漿材料研究的發(fā)展趨勢(shì)。研發(fā)聚氨酯與水玻璃復(fù)合而成的有機(jī)-無(wú)機(jī)混合注漿材料有望綜合水玻璃、聚氨酯2種材料的優(yōu)點(diǎn)，避免各自的缺點(diǎn)，得到兼具低滲透性與韌性的柔性注漿材料，改善單聚氨酯注漿材料的易燃特性。此外，生化領(lǐng)域的發(fā)展推動(dòng)了注漿新材料的創(chuàng)新研發(fā)，新材料一經(jīng)應(yīng)用就會(huì)給注漿技術(shù)帶來(lái)巨大突破，非水反應(yīng)聚合物、CW 環(huán)氧樹(shù)脂、 MICP、無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料等均有待改良創(chuàng)新。此外，關(guān)于注漿材料的研究目前多集中在對(duì)其配合比和物理性質(zhì)等宏觀性能上，缺乏結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)、漿液擴(kuò)散理論等方面的研究，開(kāi)展相應(yīng)的基礎(chǔ)理論研究對(duì)于提高注漿效果將起到重要的促進(jìn)作用。

4.3 注漿過(guò)程智能化控制技術(shù)研究

注漿施工過(guò)程常因缺乏先進(jìn)的注漿信息化實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，使得實(shí)際注漿施工時(shí)盡量多注，常會(huì)引起加固巖土體過(guò)大而造成沉降、偏移或瞬時(shí)上拱，且造成材料浪費(fèi)、成本增加、工期拖延等。需建立先進(jìn)且高精度的注漿過(guò)程巖土加固體狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與信息化處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)注漿加固過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與反饋智能化控制技術(shù)。

4.4 鉆孔設(shè)備自動(dòng)化、智能化研究

注漿設(shè)備的輕小型化、機(jī)組化、系列化、專(zhuān)用化和自動(dòng)化，形成鉆注一體注漿機(jī)組，配合自動(dòng)化控制監(jiān)測(cè)， 實(shí)現(xiàn)一整套自動(dòng)化注漿系統(tǒng)。

4.5 注漿效果驗(yàn)證研究

對(duì)于注漿效果評(píng)價(jià)，目前手段眾多，但多以定性進(jìn)行判定，缺少定量化的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)注漿效果的評(píng)價(jià)應(yīng)以不同的受注介質(zhì)，同種介質(zhì)不同的力學(xué)、節(jié)理等參數(shù)，不同的工程要求分別提出不同的定量化標(biāo)準(zhǔn)，尤其采用物探手段，通過(guò)建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行定量化效果評(píng)價(jià)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著多個(gè)國(guó)家戰(zhàn)略性工程的啟動(dòng)和推進(jìn)，隧道建設(shè)不斷深入曾經(jīng)的工程地質(zhì)禁區(qū)，而注漿技術(shù)作為改良地質(zhì)的最直接手段，必將在工程實(shí)踐中進(jìn)一步深化注漿理論、進(jìn)一步開(kāi)發(fā)注漿材料、進(jìn)一步優(yōu)化注漿工藝、進(jìn)一步升級(jí)注漿設(shè)備、進(jìn)一步完善注漿效果檢驗(yàn)，以更好的注漿質(zhì)量、更快的注漿速度，承擔(dān)新的重任，迎接新的挑戰(zhàn)。