高壓富水斷層超前預注漿快速施工技術研究

劉正茂

(中鐵十九局廈深鐵路指揮部，福建漳州 363500)

0 引言

近年來，隨著交通建設規模的不斷擴大，一些隧道及地下工程不得不在復雜地質條件下修建，當圍巖穩定性不能滿足隧道施工和環境安全或有可能引發突泥涌水災害時，必須采取輔助施工方法對其進行處理［1］。注漿作為地下軟弱圍巖和地下水處理的一項常用技術，已經成為隧道及地下工程施工技術研究和應用的重要部分。經過廣大工程技術人員的不斷努力，注漿工法已成功應用于各種工程領域，解決了施工中遇到的各類地質難題。如:我國第1條自行設計、施工的廈門翔安海底隧道花崗巖風化槽［2］、渝懷鐵路圓梁山隧道高壓富水粉細砂充填型溶洞［3］、宜萬鐵路齊岳山隧道長達230 m的F11高壓富水斷層［4］、野三關隧道“602溶腔”潰口坍塌［5］等，均采用超前注漿方法順利安全通過。因此，注漿在巖溶、富水斷層破碎帶涌水突泥治理、隧道坍方處理、軟弱地層加固等方面取得了顯著的成果，在應對復雜地質條件下隧道及地下工程施工中發揮著重要的作用。但由于超前預注漿施工周期長、成本高，使超前預注漿技術推廣受到一定的限制，因此，必須對預注漿工藝進行技術創新，在確保施工質量、安全的前提下實現快速施工。

1 超前注漿設計的創新

1.1 信息化注漿設計新理念

全斷面預注漿是對隧道開挖工作面及開挖輪廓線外一定范圍進行注漿加固［6］，形成全斷面注漿帷幕，以此來抵抗外水壓力。其假定條件為地層是均勻的，外側水壓力均勻分布，注漿堵水加固范圍與水壓力有關，水壓力越高、水量越大、加固范圍也就越大，如圖1所示，目前鐵路隧道一般平導普遍采用3～5 m注漿圈，正洞采用5～8 m注漿圈。

圖1 全斷面注漿設計原理Fig.1 Design principle of full-face grouting

在實際工程中地層是不均勻的，其透水性和水量也是不完全相同的。信息化注漿設計就是用探孔或前期注漿孔探明地質情況，先進行分區定位，確定預注漿重點范圍，再通過前期外圈注漿改變巖體的透水性，使隧道周邊地層中水量得到有效控制，然后按均勻地層進行“合理步距，由外及內”方式實現基本區域注漿加固，并對局部區域進行注漿補強，保證隧道開挖安全［7］。每個注漿孔既是探孔又是注漿孔和檢查孔，按照注漿孔探明的地質及前期注漿情況，確定注漿參數和注漿工藝，因此，信息化注漿設計又可稱為“動態注漿設計”，見圖2。

圖2 信息化注漿設計原理Fig.2 Design principle of information-aided grouting

1.2 信息化注漿設計關鍵技術

1)分區定位、鎖定區域。先考慮對隧道開挖輪廓線外3～5 m區域進行鉆注施工，探測破碎巖體周圍強水區與弱水區，以確定需要注漿的基本加固區和加強區。

2)控域注漿、區域加強。先對基本注漿區(3～5 m范圍)進行鉆孔注漿，再對探明的強水區進行補注漿加強(5～8 m范圍)。

3)環環相扣、過程控制。嚴格按照“先外圈后內圈、同圈間隔跳孔”的順序進行注漿，后續注漿孔兼作前序孔注漿效果檢查孔，通過加強單孔注漿過程控制，確保整體注漿效果。

4)效果檢查、標準評定。高壓富水斷層既要達到堵水效果，又要起到加固作用，因此，應嚴格按制定的標準進行注漿效果檢查，未達到標準必須進行補充注漿。

1.3 信息化注漿設計施工效果分析

1.3.1 可靠性分析

經過宜萬線齊岳山隧道、龍廈鐵路象山隧道近30個循環的注漿施工和開挖揭示，在高壓富水破碎帶和富水巖溶段注漿施工中采用精細注漿設計，均能達到預期的注漿效果，滿足安全開挖技術要求。

1.3.2 經濟性分析

以宜萬線齊岳山隧道F11高壓富水斷層施工為例，對一般全斷面超前注漿法和采用信息化注漿設計全斷面注漿法進行經濟效益分析，見圖3—5。

1)工程數量比較。從圖3注漿孔數量比較來看:平導按目前全斷面超前預注漿3個循環，平均循環注漿孔數量為90個;信息化注漿12個循環，平均循環注漿孔數量為26個，孔數減少幅度為71%。正洞按目前全斷面超前注漿1個循環，循環注漿孔數量為122個，信息化注漿實施12個循環，平均循環注漿孔數量為50個，孔數減少幅度為59%。

圖3 注漿孔數量比較Fig.3 Comparison in terms of grouting holes

2)循環工期比較。由圖4注漿循環作業時間來看:平導按目前全斷面超前注漿3個循環，平均循環作業時間45 d;信息化注漿12個循環，平均循環作業時間18 d，為目前全斷面超前注漿循環作業時間的40%。正洞按目前全斷面超前注漿1個循環，循環作業時間為63 d;信息化注漿12個循環，平均循環作業時間為25 d，為目前全斷面超前注漿循環作業時間的39.7%。

圖4 注漿作業時間比較Fig.4 Comparison in terms of grouting time

3)漿材消耗比較。由圖5知:全斷面超前注漿延米注漿量平導為50.2 m3，正洞為63.8 m3;信息化注漿延米注漿量平導為21.3 m3，正洞為36.1 m3。信息化注漿較全斷面超前注漿，平導延米注漿量減少42.4%，正洞減少56.4%。

圖5 延米注漿量比較Fig.5 Comparison in terms of grouting amount

通過比較分析，采用信息化注漿設計施工在工程數量、施工時間和材料消耗方面均明顯減少，對快速施工起到了關鍵作用，具有明顯的社會效益和經濟效益。

2 鉆孔注漿機械配套

機械設備配套是保證注漿質量、加快注漿進度的重要環節。針對高壓富水斷層鉆孔注漿施工，鉆孔注漿設備不僅要具有頂壓鉆進、退鉆、自動裝卸鉆桿的能力，且需大推進力、高扭矩以滿足快速鉆進。經過對國產MZ－200、日本礦巖150C、意大利C6等幾種鉆孔設備性能的對比和應用試驗發現:國產MZ－200鉆機在高壓富水地層，初始速度為18 m/h，鉆深到10 m后，鉆進速度急劇下降，當鉆孔深度至20 m時，鉆進速度為5 m/h以下，鉆進效率極低;意大利C6和日本礦巖150C鉆機在高壓富水條件下，初始速度為18 m/h，隨著鉆孔深度加大，鉆進速度勻速下降，當鉆孔深度達到30 m時，鉆進速度仍能保持在15 m/h左右，兩者都適合于高壓富水斷層快速鉆進。

為滿足高壓富水斷層注漿需要，注漿設備的配置必須兼顧單液、雙液注漿方式的作業要求。通過對國產注漿泵的比選分析，ZJB(BP)－30型單液注漿泵和KBY90/150雙液泵較為適合。ZJB(BP)－30型單液注漿泵采用先進的高變頻調速技術無級調速，零起動運行平穩，對電網無沖擊，保護裝置完備、安全、節能，結構簡單、操作方便、施工效率高;KBY90/150雙液泵可實現雙液注漿，操作簡單、流量大、壓力高、性能穩定。

3 超前注漿合理施工斷面

為了進一步提高隧道施工機械化程度，提高施工效率，施工企業大都引進了國外先進的大型履帶式全液壓鉆孔設備(如意大利卡薩、日本礦巖等)，用于軟弱地層超前注漿加固等施工。履帶式鉆機作業平舉高度約2.8 m，最大仰角為23°，其作業高度為4～4.5 m，按照目前一般隧道開挖10～12 m高度，很難實現一次性全斷面開孔作業，因此，必須根據鉆機和注漿施工要求進行合理施工斷面研究。

3.1 上下半斷面分部鉆注作業

按照目前的施工方式鉆孔作業時，為滿足鉆機作業要求，采用上下臺階分部進行。如采用全斷面開挖必須在開挖面采用碎石鋪設4～5 m高的作業平臺，一般長8～10 m，鉆機通過作業平臺完成上半斷面的鉆孔注漿施工任務后，撤出鉆孔及注漿等相關配套設備，清除下半斷面墊設的作業平臺，再次安設注漿設備，鉆機開始進行下半斷面的鉆孔注漿作業任務。該作業方式的主要缺點為:1)鋪設鉆機作業平臺，反復倒運鋪墊碎石，工作量大，耗時長;2)鉆機及注漿設備需要多次就位、撤離，工序轉換多，施工效率低;3)如采用上下臺階法開挖，僅在上半斷面鉆孔注漿，然后撤出設備開挖下半斷面，進行鉆孔與注漿作業，仍難實現全斷面由外向內的作業順序，影響注漿效果。

3.2 上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業

上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業即在隧道開挖施工過程中采取上下臺階開挖平行推進方式，每循環下臺階開挖距上半斷面10～12 m停止，并將預留未開挖段作為鉆機作業平臺，在上半斷面施作混凝土止漿墻。采用從上半斷面開孔完成對全面注漿加固作業的施工模式，該模式尤其適用于需多循環連續超前注漿作業的長大斷層和巖溶隧道施工。施工模式如圖6所示。

圖6 上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業模式Fig.6 Mode of full-face grouting with grouting holes drilled from the top heading

經過現場多循環的實際應用，采取上半斷面開孔實現全斷面注漿加固作業模式，均能達到預期的注漿效果。目前意大利C6等同類型鉆機，可以采用覆蓋高度為3.8～4.5 m作業斷面，通過上半斷面開孔完全可以實現全斷面加固的目的。不僅可以有效地減少止漿墻封堵工程量，減少工序轉化，每循環可縮短工期5～7 d，而且對于需要多循環鉆孔注漿作業的地層，采用上下斷面平行推進分臺階開挖，有利于開挖安全風險控制，加快施工進度。

4 新型注漿材料

目前注漿施工中常用的注漿材料有普通水泥單液漿、水泥－水玻璃雙液漿以及超細類硫鋁酸鹽水泥。普通水泥單液漿凝結時間長不利于控域注漿;水泥－水玻璃雙液漿凝結時間可調，但結石體強度低，操作性差;超細類漿材料單價高，僅適于特殊條件下使用。

硫鋁酸鹽水泥單液漿作為一種新型注漿材料，兼顧了普通水泥單液漿高強、水泥－水玻璃雙液漿凝結時間可調的特點。硫鋁酸鹽水泥是由鋁質原料(如礬土)、石灰質原料(如石灰石)和石膏，經適當配合后，鍛燒成含有適量無水硫鋁酸鈣的熟料，再摻適量石膏共同磨細所得的水硬性膠凝材料，具有早期強度高、長期強度穩定、低溫硬化性能好的特點。在隧道及地下工程注漿施工中，在摻入外加劑條件下硫鋁酸鹽水泥單液漿具有凝結可控、高強可靠、操作簡單、工藝匹配等特性［8］，對隧道工程“注漿堵水、加固地層”十分有利，且特別適宜于前進式分段注漿工藝要求，對超前預注漿快速施工有促進作用。

硫鋁酸鹽水泥單液漿性能測試如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥單液漿性能測試指標Table 1 Performance of sulphoaluminate cement

5 注漿效果檢查新方法

注漿效果檢查評定方法和標準對提高注漿質量、防止注漿隱患有著極其重要的作用。目前也沒有一個較為系統完善、可操作性強、安全可靠的標準和規范，以適應地下工程注漿堵水加固需要［9］。實際施工中，隧道超前預注漿效果檢查常用的評定方法可以分為4大類:分析法、檢查孔法、開挖取樣和物探［10］。其中最為直觀且常用的方法為檢查孔法，對于以堵水為目的的注漿，通過檢查孔可以分析出水量來評價注漿效果;而對于以固結地層為目的的注漿，常采用檢查孔取芯法對注漿后地層穩定性、漿液進行直觀的判識，必要時對芯樣進行力學試驗。由于目前施工技術水平有限，取芯過程受機械破壞，芯樣很難真實反映加固效果，且取芯耗時長，對快速施工不利。

經過施工中反復研究應用，利用孔內攝影技術通過鉆設的檢查孔對注漿段內的地層進行攝像記錄，能夠較為直觀地對地層地質狀況、漿液充填度和地層的穩定性以及出水情況進行直觀判識，可對注漿效果進行客觀評價，指導開挖施工。該方法具有操作方便、高效、直觀的特點，成為一種新的注漿效果評定檢查方法，可以取代鉆孔取芯被推廣應用。

6 結論

通過對超前預注漿設計理念、機械配套、施工模式、注漿材料及新的效果評定方法的研究應用，完全可以實現鉆孔注漿的快速施工。目前以鐵路隧道全斷面超前注漿循環加固長度25 m為例，運用該技術后，在高壓富水斷層破碎帶鉆注施工周期為15～20 d;富水巖溶區鉆注施工周期為20～25 d，較目前常用的工法縮短工期10～20 d。該技術的運用，為隧道及地下工程在高風險、巖溶、斷層等不良地質的快速、安全施工提供了重要的保障，具有推廣意義。

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