淺析澤雅隧道F12斷層超前帷幕注漿施工技術

管紅寶 王 超

（中鐵十三局集團第五工程有限公司，四川 成都 610500）

1 工程概況

澤雅隧道全長12030m，為單洞雙線隧道，是金溫線鐵路上最長的隧道和重點控制性工程之一。隧道進口里程DK156+358，出口里程DK168+388。除進出口段淺埋外，洞身一般埋深大于100m，局部地段埋深大于400m。澤雅隧道DK165+488～DK165+540段穿越F12斷層，設計為Ⅴ級圍巖，屬于澤雅隧道2#斜井工區施工范圍，該斷層屬北東向斷裂，破碎帶寬2～20m，局部有巖脈充填。斷裂性質早期為壓性，晚期為張性。大地電磁探測結果顯示，該段視電阻率等值線呈低阻凹陷，推測為斷層破碎帶，本段巖體破碎，地下水發育，施工中存在坍塌、突水、涌水的可能。

2 超前地質預報

2012年3月15日，開挖施工到165+543，距設計斷層結構面3米，掌子面圍巖開始破碎，節理發育，拱頂有少量水流出，根據圍巖條件分析，即將進入F12斷層破碎帶，和設計里程基本相符，即刻停止了掌子面開挖施工，按設計要求進行了超前地質預報工作，先后施作了掌子面地質素描、超前水平鉆鉆探、TSP探測和紅外探水。

2.1 超前水平鉆

根據設計要求，在DK165+543掌子面上導施作了5個孔，具體為拱部3個孔，邊墻2個孔，孔徑為110mm，孔深達到27-30米左右。鉆孔在施作到12米左右的時候，即到里程DK165+531，拱頂三個孔均出現涌水，經估算，合計涌水量約150m3/h，后經過四天的觀察，隨著時間的推移水量并無明顯減少。同時，在12米至16米范圍時，即DK165+531-DK165+527，鉆孔過程中出現明顯卡鉆，有泥漿冒出，推測該地段為斷層。

2.2 紅外探水

圖2 TSP 203原理圖

2012年3月23日，運用HW-304紅外探測儀對DK165+543掌子面及后方50米范圍進行探測，預報掌子面前方30米地質情況，根據紅外探測結果及已開挖揭示的圍巖地質情況分析如下：

開挖揭示的圍巖地質情況：圍巖為流紋質晶屑凝灰巖，弱風化，節理裂隙較發育，巖體較破碎，地下水發育，邊墻股狀出水。

結合紅外探測原理分析判定：DK165+543～DK165+513段，巖體較破碎，節理裂隙發育，地下水發育。

2.3 TSP探測

2012年03月23日，中鐵隧道勘測設計院工程勘察分院在現場監理見證下，采用瑞士生產的TSP203儀器在165+543里程出進行了TSP探測，探測結果如下：

在探測段DK165+543～DK165+402范圍內，掌子面已開挖揭示的圍巖為為侏羅系上統灰紫色流紋質玻屑凝灰巖，弱風化，塊狀構造，巖體整體較破碎，屬硬巖，節理裂隙發育，地下水較發育。

DK165+543～DK165+444巖體較破碎，圍巖穩定性一般，節理裂隙發育，屬硬巖；DK165+444～DK165+402巖體較完整，圍巖穩定性較好，節理裂隙較發育。

其中在DK165+520～DK165+506段滴水、滲水，存在線狀水發育或股狀水；DK165+444～DK165+442、DK165+424～DK165+421段附近存在滲水、滴水現象。

后經過業主單位、設計單位、監理單位和施工單位對現場地質情況進行分析，結合多種地質超前預報報告揭示的前方圍巖地下水發育的現狀，決定采取超前帷幕注漿的方式進行堵水，防止開挖施工引起涌水、突水等地質災害。

3 注漿截水帷幕施工

3.1 注漿截水帷幕設計

根據水文地質及施工條件，結合工程類比，確定全斷面超前帷幕注漿設計參數，如表1所示。

表1 全斷面超前預注漿設計參數

全斷面超前預注漿孔位布置如圖3、圖4所示。

3.2 止漿墻施工

止漿墻采用C20混凝土澆筑，厚度為1m。為保證止漿墻的穩定，在其周邊利用2排環向間距1.5m，排距1m，長2m的Φ25mm砂漿錨桿與圍巖相連，同時在澆注過程時，在周邊預埋1m長的Φ42mm導管，管口緊貼初支面，止漿墻澆注完成后，通過導管進行注漿對止漿墻與初支護間的裂隙進行封堵，形成封閉體系，防止超前注漿時跑漿，影響注漿效果。

3.3 注漿材料

漿液配比是決定注漿效果的一個關鍵因素，根據注漿時對漿液凝膠時間的要求，施工前，對不同漿液配比進行分組試驗。注漿施工時，配比的選擇原則是根據涌水量大小和進漿情況而確定：當涌水量大，進漿快時，選用較濃漿和凝膠時間短的配比；反之，當涌水量較小且進漿量較慢時，則選用凝膠時間長一些的配比。當注漿孔涌水量小于30L/min時，選用純水泥漿；當注漿孔涌水量在30～200L/min范圍內，選用凝膠時間為4～6min的漿液；當注漿孔涌水大于200L/min，選用凝膠時間為3～4min的漿液。

3.4 鉆孔注漿機械、設備選取及配置

根據隧道內場地狹小，要求所選用的鉆機、注漿機等機械在洞內操作方便，功率強大，性能優良，轉移便捷，體積小，占用作業空間小。鉆機應能水平鉆孔30m以上，且成孔快；注漿機應能滿足4MPa以上注漿壓力，并且操作簡單，配合比易控制，配備的主要注漿設備見表2。

3.5 注漿順序

鉆孔按先外圈后內圈的順序進行。外圈孔先鉆 1、3、5…，之后再鉆 2、4、6…，之后間隔鉆剩余孔，內圈鉆孔參照外圈鉆孔的順序。后序孔可檢查前序孔的漿效果。逐步加密注漿一方面可根據鉆孔的情況，調整注漿參數；另一方面如果鉆孔情況證明注漿效果已達到設計要求，即可進行下一圈孔的鉆進，減少鉆孔的工作量，加快施工進度。

3.6 鉆孔注漿施工工藝

3.6.1 牢固密實,保證不漏漿、不串漿的孔口管是決定注漿效果好壞的重要因素。其埋設方法:鉆進3米后安放φ108、壁厚5mm、長度3m的孔口管。再將2.8m長一端焊上法蘭盤，外露20cm，孔口管前端30cm及60cm處分別用φ6.5鋼筋焊成倒錐形，以增加抗拔力，管壁與孔口接觸處用麻絲填塞，再向孔口管內注雙液漿固結。為防止鉆孔過程中突發涌水突泥，孔口管安設完成前端須安設高壓閘閥，通過高壓閘閥進行鉆孔施工。孔口管起著導向作用，鉆孔安裝時要控制好外插角度。

3.6.2 注漿采用后退式分段注漿，即將氣囊式止漿塞放入注漿孔內，通過輸氣設備，使止漿塞膨脹，和巖體形成止漿系統，滿足后退式分段注漿要求。分段長度5～10m，第一注漿段完成后，后退止漿塞至下一注漿段預定位置進行第二段注漿，如此循環，直至該孔注漿完成。

3.6.3 當巖層破碎或涌水量過大，不能一次成孔時，采用分段前進式注漿。在該段注漿完成后，掃孔鉆進至下一段，再注漿，如此循環往復，直至達到設計深度。

3.6.4 注漿泵開機前旋轉壓力調節旋鈕將油壓調到要求的表刻度上，隨注漿阻力的增大，泵壓打開泄漿閥減壓。

3.6.5 若鉆孔過程中，遇到較大突涌水，應立即停止鉆孔，進行注漿。

圖5 超前帷幕注漿施工工藝流程圖

3.7 注漿結束標準

單孔結束標準：注漿壓力逐步升高至設計終壓；并繼續注漿十分鐘以上；注漿結束時的進漿量小于5L/min。

全孔結束標準：所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現象；漿液有效注入范圍大于設計值；注漿預測涌水量小于3m3/m.d；檢查孔涌水量小于0.2L/m.min；檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿。

注漿結束時，應先打開泄漿管閥門，再關閉進漿管閥門并用清水將注漿管路沖洗干凈后方可停機。

3.8 異常情況處理

在注漿過程中，不可避免地會出現諸如跑漿、竄漿、單孔受漿量特別大而壓力不上升難以達到正常結束等異常情況，即時采取措施加以處理。

3.8.1 作業面跑漿是發生比較多的一種情況，主要原因是止漿巖盤充填不密實或混凝土止漿墻灌注不密實。處理措施先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙，并調整漿液配合比，縮短凝膠時間，若仍跑漿在漏漿處用普通風槍鉆淺孔注漿固結。

3.8.2 注漿過程中，注漿壓力突然升高，說明裂隙被堵，采用另一臺小泵量注漿機壓注單液水泥漿或壓注清水待漿壓恢復正常再注。

3.8.3 水泥漿泵吸不上漿，這種現象經常發生，主要原因是進漿口被堵，或者是泵閥門處鋼球被漿液固結，或結塊堵塞。處理方法是停泵清理，另一臺泵采用間歇注清水的方法。為了減少此類情況出現，可注一段時間漿后注1～2min的清水，在注漿過程中清洗管路。

表2 注漿設備表

3.8.4 當注漿量很大，而泵壓又長時間不上升，產生這種現象的原因一般是超擴散或漿液流失。處理措施是調整漿液的濃度，先稀后濃，單、雙液交替灌注施工，縮短漿液的凝膠時間，控制注漿量。

3.8.5 對于水量大、水壓高的出水點，用進漿量大，注漿壓力高的單液注漿機或兩臺同孔注漿，確保單孔一次到位，盡量避免反復掃孔注漿，減少工序轉換，縮短施工時間。

3.8.6 當含泥沙量較大時，利用超細注漿材料并加適量速凝劑的方法解決注漿數量和注漿效果不理想的問題。

3.8.7 對于圍巖破碎、裂隙發育、串漏漿現象嚴重、含水、泥夾層多的地段，采用雙孔同時注漿和調整注漿參數的方法，必要時施作整體或局部止漿墻來避免漏漿現象發生和防止高壓注漿時圍巖坍塌。

3.9 注漿效果檢查

3.9.1 分析法

（1）P-Q-t曲線法。施工中，為了更為有效的對注漿過程進行適時監控，采用灌漿自動記錄系統對注漿過程中壓力和流量進行控制，準確記錄單孔單段注漿量和注漿壓力，并通過自動繪制P-Q-t曲線對注漿效果進行分析評價。P-Q-t曲線表現形式如圖3所示。

注漿過程中，總體趨勢均表現為注漿壓力隨注漿時間呈注漿上升趨勢，最終達到設計終壓，隨著壓力升高，速度也呈現明顯下降趨勢。對于出水量較大的孔，初始壓力都在1.7MPa左右，注漿速度一般在30L/min左右，注漿時間一般跟出水量的大小成正比，隨著注漿的進行，漿液逐漸對出水裂隙進行封堵，注漿速度隨即下降，注漿壓力快速上升，經過對已充填裂隙的快速擠壓密實過程后，壓力達到或超過設計注漿壓力，而停止注漿。對于個別水量較小或無水的注漿孔，初始壓力都比較小，但注漿壓力上升較快，地層吸漿較小。隨著漿液的注入和注漿壓力的上升并達到設計注漿壓力，出水裂隙被漿液充填密實，地層破碎巖體也得到有效加固，地層取得較好的改良效果。

（2）鉆孔出水量及注漿量情況分析

注漿施工過程中，根據鉆孔過程中的涌水量及注漿過程中的注漿量繪制涌水量時間效應圖及對應注漿量時間效應圖。

圖6 鉆孔涌水量時間效應圖

圖7 鉆孔注漿量時間效應圖

由圖6可以看出，各孔出水量雖然表現出一定的離散性質，但一序孔出水量明顯大于二序孔，隨著鉆孔注漿施工進行，后續孔出水量明顯減小，大部分孔表現為無水，說明經過注漿后大的出水裂隙得到有效封堵和固結，注漿效果較為明顯。

由圖7可以看出，各孔之間注漿量分布離散性較大，二序孔注漿過程中個別孔仍表現出較大的吸漿量，這與地層裂隙發育的不規則性有著重要的關系，該段巖層層狀裂隙及節理極其發育，漿液沿層面裂隙擴散范圍相對較大，而在垂直巖面方向漿液擴散極其困難，因此漿液擴散各向差異性較大。

通過單孔注漿量和對應孔出水量對比可以看出，單孔注漿量和出水量有較為明顯的對應關系，出水量大的孔地層吸漿較大，出水量小的孔吸漿量較小，說明對該段地層注漿主要是以封堵地下出水裂隙為主。個別孔出水量雖然比較小，但注漿量仍然較大，表現出局部地層比較破碎，地層孔隙率較大，這與鉆孔注漿施工過程中鉆孔揭示地質情況一致。

3.9.2 檢查孔法

（1）檢查孔觀察法：按“全覆蓋、有重點、無盲區”的原則，重點對鉆孔注漿施工過程中可能出現的薄弱環節進行鉆孔檢查，檢查孔數量按注漿孔總數的10%控制。檢查孔在施鉆過程中，無卡鉆、涌泥、涌砂現象，成孔性較好，但個別檢查孔單孔出水量大于0.2L/min·m的評定標準，不過基本都在2.0L/min·m以內，且在后續對檢查孔進行注漿封堵時，地層吸漿量較小，說明經過注漿加固后，地層密實度得到很大提高。

（2）檢查孔取芯法。從取芯的情況看，芯樣大多成短柱狀，可明顯看到被漿液充填的裂隙及已經被漿液固結的破碎巖體，漿液充填飽滿，加固效果明顯。

3.9.3 結論與體會

（1）在隧道施工過程中，對斷裂富水段進行全斷面超前帷幕注漿是行之有效的，也是有必要的。

（2）超前帷幕注漿施工質量的好壞與注漿施工工藝、注漿參數、注漿材料、機械設備等有很大關系。在注漿施工過程中，只有不斷深入研究并解決好各自間相互影響的因素，才能提高帷幕注漿的質量。

a.注漿段長：采用前進式分段注漿時，注漿段長度的選取一定要適當，如注漿段過長，一是在注漿過程中，孔越深，漿液到孔底時，壓力損失較大，很難保證孔底的注漿效果；二是在鉆孔過程中，一方面對鉆機性能要求增高，另一方面還大大的增加了重復掃孔的工作量；如注漿段過段，又涉及到工序頻繁轉換的問題，不利于施工的開展。根據目前的國內機械設備及施工水平，建議注漿段長在23～30m較為適宜。

b.注漿分段長度：采用前進式分段注漿時，對破碎且局部裂隙較大或水量較大地段，一定要嚴格控制分段長度，以確保漿液在地層中的均勻擴散，如分段長度過長，則對一些細小縫隙很難達到加固效果，但在某一區域，這種細小縫隙達到一定量時，在高水壓的作用下，加固圈很容易被擊穿。而對于局部圍巖相對完整且水量較小地段，則應適當加大分段長度，以減少重復掃孔的數量，加快施工進度。

c.注漿速度：應根據不同地層的吸漿率合理調整注漿速度，對裂隙較大地段，注漿速度相應放大，裂隙較小地段，如壓斷層，則注漿速度要相應放緩，以防速度過快，造成壓力升高過快的假象。

d.鉆進過程中遇涌水或巖層破碎造成卡鉆，應停止鉆進，進行注漿，掃孔后再行鉆進。

e.注漿過程中，若壓力突然升高，應停止注漿，檢查后，再行注漿；必須建立良好的止漿體系，并加固好后方的周邊巖體,確保注漿過程的安全。

f.注漿過程中，注意觀察止漿巖盤的變形情況，準備好加固措施。

（3）注漿效果評定應結合工程水文地質及現場施工情況，采取多種方法，綜合進行分析。

結合P-Q-t曲線、鉆孔出水量及注漿量情況，檢查孔芯樣及孔內攝像情況綜合進行分析，認為在超前小導管預支護的情況下，可以進行開挖，但建議開挖過程中，及時施做超前地質預報，對前方地層及水的分布情況進行探測，避免突發涌水。開挖時應遵循弱爆破、短進尺、早支護、勤量測的原則，開挖完成后應初支要及早封閉成環，并加強施工監測，做好信息化施工。

[1]張民慶，張梅.高壓富水斷層“外堵內固注漿法”設計新理念與工程實際[J].中國工程科學，2009.

[2]董裕國.注漿加固工法在齊岳山隧道F11斷層施工中研究與應用[J].隧道建設，2010.