基于地下水環境效應的隧道超前帷幕注漿技術分析

摘要 超前帷幕注漿技術作為隧道圍巖加固常用技術手段，能有效修復圍巖裂縫，提升圍巖承載能力，對防治隧道圍巖變形、涌水具有重要作用。為有效提升超前帷幕注漿施工技術水平，保證隧道涌水治理效果，該文章以某公路隧道涌水治理為背景，基于地下水環境效應，提出超前帷幕注漿處治方案。通過試驗段注漿試驗，確定了注漿材料、漿液配比、注漿量、注漿壓力、孔位布置等工藝參數，并總結了鉆孔、清孔、壓水試驗、注漿施工技術要點。經鉆芯檢測及水質監測表明：注漿加固后圍巖裂隙帶得以修復，承載性能顯著提升，滲水率3.6 L/min，完全符合標準要求，并且周邊水庫水質各項指標全部處于允許范圍內，表明注漿對地下水影響較小，有效驗證了該處治方案的可行性。

關鍵詞 公路隧道項目；隧道涌水；超前帷幕注漿；地下水污染；環境效應

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0058-03

0 引言

公路隧道項目施工環境復雜，沿線地質、水文、氣候條件變化無常，隧道開挖過程中極易出現圍巖變形、涌水現象，嚴重影響隧道開挖安全[1-2]。工程實踐中，對于富水區域隧道施工，為確保開挖安全性、高效性，通常采取帷幕注漿技術對圍巖實施超前止水，通過注漿使漿液將松散破碎巖體固結在一起，形成整體結構，有效提升圍巖結構整體性，從而達到防止涌水的效果。該技術具有施工簡便快捷、效率高、效果好等優點，在工程領域應用廣泛，特別對于富水區超前止水，其應用案例較多[3-5]。為此，該文章結合某公路隧道項目施工實踐，根據隧址緊鄰水源保護區的現狀，并基于地下水環境效應，提出了超前帷幕注漿止水方案，并對實際施工效果進行綜合分析，具有十分重要的參考意義。

1 工程概況

某公路隧道項目，采用分離式布置，其左、右幅長度分別為4 668.0 m和4 678.0 m，最大埋置深度為649.0 m，通過分段鉆爆法進行掘進作業。場區內主要地層為砂巖層與花崗巖地層，巖體較松散，穩定性較差，其中Ⅳ級、Ⅴ級圍巖比例高達55.0%，并且場區內存在一條松散裂隙帶，地下水水系發達，隧道開挖期間出現大規模涌水現象，水量高達1 800萬立方米，遠超西湖水量，顯著增大隧道開挖難度。同時，隧址位于牙溪水庫北側，為二級水源保護區。隧道施工期間，當掘進至左線ZK222+287位置時，掌子面產生3處涌水點，依次分布于中央及兩側部位。根據現場實際情況，選取合適位置設置監測設施對涌水情況實施監測，監測頻率為每3 h一次，結果顯示2022年5月21日～6月13日，該區域總涌水量約為108萬立方米，導致隧道施工無法正常進行，嚴重威脅施工安全。因此，為確保隧道開挖安全，減小對沿線地下水源污染，施工方選取ZK222+287～ZK222+277路段，采用超前帷幕注漿技術實施止水，并對水庫水質進行監測，以有效了解注漿對地下水造成的影響。

2 帷幕注漿現場試驗

2.1 材料及配比

注漿材料選用水泥及水玻璃雙液。水泥漿液主要由水泥、中砂、粉煤灰及膨潤土制備而成，水灰比0.8～1.0，水玻璃濃度40.0%。漿體材料中水泥漿液與水玻璃比例為1∶0.8。按照配比將各種材料投入拌和機后，持續高速旋轉30 s，且拌和溫度控制在5～40℃范圍內，同時漿液制備完成后，必須在4.0 h內用完[6]；否則，應予以廢棄。

2.2 注漿量Q控制

水泥漿及水玻璃雙液注漿量，按照式（1）進行計算。

Q=Ana（1+β） （1）

式中：A——注漿區域圍巖體積（m2）；na（1+β）——填充率（%）；n——空隙率，取0.03～0.05；a——空隙填充率，取0.7～0.9；β——漿體損耗系數，此處為0.1。由式（1）求出的注漿量為理論值，工程實踐中，應結合實際施工情況確定，并應充分考量漿體材料收縮、徐變效應。經現場實際測試，以填充料0.2進行計算，求得實際用量稍高于理論用量。

2.3 注漿壓力P控制

帷幕注漿需采用專用壓力裝置進行加壓，方能使漿體材料填充至圍巖孔隙內。因此，壓力大小對注漿效果具有重要影響。相關研究表明，注漿壓力低于巖土體強度條件下，漿體材料擴散范圍和壓力呈正相關關系，即注漿壓力越大，漿體材料擴散范圍越大，加固效果越好[7-8]。但當注漿壓力超出巖土體自身強度時，極易造成巖土體開裂，嚴重時還會引發事故。借鑒以往工程施工經驗，并根據該項目實際情況，其注漿壓力控制在1.5～2.0 MPa范圍內。

2.4 孔位布置

結合隧道開挖面具體特征及掘進方式，確定通過短覆蓋方式實施帷幕注漿，其注漿孔布設形式，如圖1、圖2所示。注漿孔采用環形布設，共設置3環，由內向外每環鉆孔數量依次為1個、6個、11個，共18個，并設置檢查孔5個，直徑10 cm，詳細情況如表1所示。其中外圍兩圈鉆孔要求較高，最外圍鉆孔沿洞體縱向呈3～5°交角，中間一環鉆孔沿洞體縱向呈1～3°交角，沿掌子面呈雨傘狀分布，孔深為10.0～12.0 m，最內側注漿孔沿洞體中軸線進行布設，孔深為10.0～12.0 m。隧道開挖時，每掘進7.0～9.0 m重復鉆孔一次，保留3.0 m用作止漿盤，以有效確保注漿加固效果，實現對地下水的全面控制。

2.5 試驗步驟

注漿方案確定后，現場選取試驗段進行施工，主要包括鉆孔、清孔與試壓、注漿、質量檢測四個流程。詳細流程如下：

（1）鉆孔：按照鉆孔布設圖紙進行現場測量定位，準確標注出鉆孔孔位，并采用專用鉆孔設備進行鉆孔施工。鉆孔時采用“十”字形金剛石鉆頭，以有效提升鉆孔速率。鉆孔時嚴格控制鉆孔位置，孔位偏差不得超過10 cm。需檢查孔應待注漿完畢進行鉆設，以有效檢驗注漿效果。

（2）清孔及壓水試驗：鉆孔完成后利用高壓水實施清孔，以確保注漿孔道通暢，并嚴格控制水壓，避免壓力過大對圍巖造成破壞，待回水為清水時，再持續沖洗10 min。選取典型部位（取鉆孔總數量5%～10%）通過單點法實施壓水試驗，并計算圍巖透水率，其計算公式如下：

q=Q/LP （2）

式中：q——透水率（Lu）；Q——壓水流量（L/min），其終值為最大流量與最小流量差值低于1.0 L/min時的流量；L——試驗路段長度（m）；P——總壓力（MPa）。

（3）注漿：選用ZKSY90-125型注漿泵，根據圖1注漿孔位隔孔注漿，以退位注漿為主，對于特殊塌孔位置，采取前進注漿。當采取一次性注漿時，壓力控制在0.3～3.0 MPa。采用分段注漿時，其首段壓力控制在0.30～2.0 MPa，二段壓力控制在0.5～3.0 MPa，待壓力達到設計值后，注漿速率低于2.5 L/min，持續穩壓20 min后，方能停止注漿，注漿完成后利用配比1∶1漿液進行封孔。

（4）注漿過程控制要點：1）注漿過程中應嚴密監視注漿壓力，若產生吸漿量過大及壓力突變等狀況，應及時查找原因，并排除問題；如果出現脫空，可通過調節漿體類型及配比，對脫空部位實施處理。2）針對圍巖存在的較大孔隙，注漿前應預先采用砂漿進行封堵，封堵完成后再實施注漿。3）當采取單循環注漿時，如果循環井內部漿體壓力上升過慢，則需暫停注漿，待雙循環井注漿完成后再實施單循環注漿。4）注漿時應嚴格按照預定方案執行。

（5）注漿檢查：注漿完畢，并待漿體材料完全固結后，對注漿效果實施檢查。檢查完畢通過0.5 MPa壓力實施封孔處理。

3 注漿效果評價

3.1 超前注漿帷幕質量

注漿時，若注漿孔標號越大，注漿量越小，則表明注漿效果良好。通過鉆芯取樣試驗，進一步驗證了漿體材料主要填充在松散破碎圍巖內，斷裂帶內部填充效果顯著，有效提升圍巖力學性能，增強承載性能[9-10]。通過對檢查孔實施壓水試驗，結果顯示巖層滲水率約3.6 L/min，完全符合規范中不超過8.0 L/min的規定，合格率高達90.0%，充分表明注漿可有效減弱圍巖滲透性，增強圍巖抗滲性能，達到防滲的效用。

3.2 地下水水質分析

注漿期間對周邊水庫、電站及隧道出口附近等區域的水質實施定期測試。主要測試指標為pH值、金屬介質含量等，詳細檢測數據，如表2所示。

由上表2可知：隧道圍巖注漿止水期間，周邊各區域水質均滿足相關標準要求，充分表明注漿帷幕不會對地下水及周邊水源造成污染。

４ 結語

綜上所述，該文結合某公路隧道開挖過程中出現的涌水問題，基于地下水環境效應，提出超前帷幕注漿處治方案。根據相關工程施工經驗，并結合試驗段注漿試驗，制定出了具體的注漿施工方案，通過漿體材料填充松散破碎巖層，使圍巖內部斷裂破碎帶形成整體結構，顯著增強圍巖承載性能，提高抗滲能力，有效解決了隧道掌子面涌水問題，保證了隧道施工的順利進行，并顯著提升施工安全性，高效性。同時，注漿完成后，對周邊水庫水質實施檢測，各項指標全部處于允許范圍內，并取得了顯著成效，具有重要的參考應用價值。

參考文獻

[1]鄧磊磊.冰水沉積層隧道超前帷幕注漿施工技術應用探討[J].科技創新與應用，2023（10）：164-167.

[2]李君華.富水粉細砂地層引水隧洞注漿加固方案研究[J].水利技術監督，2023（2）：246-249.

[3]羅依珍，成國文，尹利君，等.鴻圖嶂隧道突涌水預測及防治措施[J].水文地質工程地質，2020（5）：64-72.

[4]王聰，朱永全.正盤臺隧道超前帷幕注漿合理范圍[J].科學技術與工程，2020（22）：9196-9201.