馬麗散在鐵路特長隧道徑向注漿中的應用研究

張旭珍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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馬麗散在鐵路特長隧道徑向注漿中的應用研究

張旭珍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

為了提高關角隧道徑向注漿堵水效果和注漿效率，通過市場調研分析，采用目前國內煤礦中得到廣泛應用的新型高分子材料馬麗散進行試驗，并取得成功。該新型高分子注漿材料能有效封堵基巖裂隙水，注漿工藝簡單，固結速度快，漿液損失小，耐久性好，減少鉆孔數(shù)量，極大地提高了注漿堵水效果和注漿效率，加快了施工進度，在鐵路隧道堵水中具有很好的推廣應用價值。

鐵路隧道；高分子材料；馬麗散；徑向注漿；試驗

1　概述

大量的山嶺隧道工程建設經(jīng)驗表明，施工中的突泥涌水是隧道建設的難點之一。為了降低施工風險、提高施工效率、降低排水費用、改善作業(yè)環(huán)境，施工中根據(jù)涌水形式及涌水量的大小分別采取了帷幕注漿、頂水注漿、徑向注漿等堵水措施，注漿材料主要以水泥基類材料為主[1-4]。由于該種材料存在可灌性差，初凝時間長，易被地下水稀釋，在水壓高、水量大的情況下，漿液損失較大等缺點[5-6]，在徑向注漿中的效果不是太理想。為了提高徑向注漿的堵水效果和注漿效率，經(jīng)市場調研，選用了目前在國內煤礦中得到廣泛應用的高分子化學注漿堵水材料馬麗散在斜井內進行了徑向注漿試驗，并取得了成功。

2　工程概況

關角隧道長32.69 km，為兩座平行的單線隧道，線間距40 m，最大埋深900 m，共設置11座斜井輔助施工，總工期5年。隧道洞身嶺脊段通過了長達10 km(單延米)的灰?guī)r富水段，地下水類型以巖溶裂隙水為主，以股狀、散狀水為主要涌水形式，涌水特點為水量大、衰減緩慢、水壓高，關角隧道施工期間的正常涌水量達到了238 954 m3/d。受地下水的影響，關角隧道施工進度緩慢、排水費用增加、施工人員更換頻繁，嚴重地影響到了整個隧道的建設工期。

3　注漿材料的選擇

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對不同的注漿材料進行了比選，不同注漿材料的優(yōu)缺點比較詳見表1。經(jīng)綜合比較，馬麗散化學漿具有流動性好、擴散范圍大、遇水膨脹固化、凝固時間快、固化后結石體不收縮、能實現(xiàn)對微小空隙的入滲、堵水效果好等優(yōu)點，尤其適合于對散狀涌水注漿封堵，可達到長期堵水的目的[7]。特別對巖溶裂隙水，采用馬麗散漿液進行徑向注漿可達到事半功倍的效果。調研中發(fā)現(xiàn)，馬麗散在國內煤礦堵水中應用較多[8-11]，而在交通隧道特別是鐵路隧道中的應用卻很少[12-13]，無成熟的經(jīng)驗可借鑒。為了驗證其注漿效果，故在3號斜井井身散水比較嚴重的地段進行了徑向注漿試驗研究。

表1　注漿材料綜合比較

4　馬麗散注漿的性能特點

4.1注漿加固原理及材料性能

馬麗散堵水材料是一種低黏度、雙組分合成高分子—聚亞胺膠脂材料，兩種組分為樹脂和催化劑，屬高分子化學產品，適用于圍巖涌水的封堵和加固。馬麗散漿液的特點是密度ρ與水非常相近，而且黏度μ較小，在其發(fā)生化學反應之前，流動性較好，是一種非常易于注漿和擴散的材料，材料在進入有水的裂隙及空間后，遇水即發(fā)生膨脹，快速地充填孔隙，封堵水流，達到堵水效果，膨脹系數(shù)為3～25倍(無水時膨脹系數(shù)大于3，有水時膨脹系數(shù)大于10)；材料反應時間可以根據(jù)不同的地質條件和要求調節(jié)，最短時間為十幾秒。馬麗散參數(shù)詳見表2。

表2　馬麗散參數(shù)

馬麗散漿液對裂隙水的封堵，取決于其兩個特性。一方面取決于其時變留存的性質，另一方面，化學漿液運移的蟻群效應，漿液發(fā)生時變反應之前，能夠在壓力場的調節(jié)下，合理的選擇最近、最通暢的運移路徑，隨流場水流運移至裂隙的未封堵區(qū)，進而通過漿液的時變留存，實現(xiàn)裂隙的最終封堵。

4.1.1馬麗散漿液的同化運移擴散特點

通過注漿模擬試驗，發(fā)現(xiàn)馬麗散漿液在動水運移作用下，隨著擴散的穩(wěn)定，漿液的運移狀態(tài)逐漸被流場同化，呈現(xiàn)出與裂隙水流相同的流場狀態(tài)，其流速、水壓等在流場內逐漸均一化，漿液的這個擴散特點，即為同化運移(圖1)。同化運移的特性，大大提高了化學漿液的擴散能力，在時變反應前，能夠使?jié){液擴散至過水裂隙或者其他導水通道的任意位置，增加漿液的有效封堵和加固范圍。這是水泥基類漿液所不具備的優(yōu)點。

圖1　馬麗散漿液在水中的同化運移試驗

4.1.2馬麗散漿液的時變封堵特點

馬麗散漿液根據(jù)其時變反應的不同可以分為兩大步，一是體積膨脹反應，體積膨脹可達到原漿液的3～25倍，從而達到有效封堵裂隙動水的效果；二是快速固化反應，漿液膨脹后，迅速反應固化，形成強度穩(wěn)定的結石體，充填加固裂隙。

4.1.3馬麗散漿液的動水封堵優(yōu)點

(1)具有良好的可注性，在反應時刻之前，保持流體狀態(tài)。

(2)結石體強度高，對圍巖的加固效果好，并且結石體穩(wěn)定性好，抗凍融能力強，不受酸、堿環(huán)境影響。

(3)擴散能力強，漿液的蟻穴效應運移特征，增加了漿液運移的靈活性，適合封堵更加復雜的導水通道。

(4)反應時間可調，不同的組份或加入不同的添加劑，可調整材料的初始反應時間，能適應更復雜的工況。

(5)固化時間短，基本不影響其他工序施工。

(6)施工工藝簡單，用料少，效率高。

(7)封孔設備先進，只須打孔，在專用設備作用下進行封孔作業(yè)。

4.2注漿設計

4.2.1注漿參數(shù)

馬麗散漿液在關角隧道中是第一次使用，缺少成熟的經(jīng)驗，故在3號斜井進行了徑向注漿試驗，試驗參數(shù)的選取參照了水泥基類漿液，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行了部分調整(表3)。

表3　注漿參數(shù)

4.2.2注漿結束標準

注漿后段內涌水量不大于20 m3/m·d，集中出水點單孔涌水量<10 m3/h。

4.2.3注漿工藝

結合關角隧道的水文地質特點，分六大步驟。

(1)尋找富水區(qū)和導水裂隙。

(2)確定流場水流速度和注漿孔的連通性。

(3)根據(jù)圍巖特征和揭露導水裂隙位置，確定漿液最佳反應位置。

(4)以孔深、連通性和圍巖條件為鉆孔質量評價重點因素，選取關鍵孔，進行注漿。

(5)利用現(xiàn)場條件進行漿液的配比試驗，調配出初始反應時間為to的漿液配比。

(6)注漿時，同時對圍巖變形、水量、水壓等信息進行實時監(jiān)測，以掌握注漿效果和確保工程安全。

4.2.4注漿設備

馬麗散采用專用的漿液泵，風壓4～7 MPa，雙液注漿系統(tǒng)，注漿壓力5 MPa。同時還需配置專用的混合槍及注漿管。

4.2.5注漿效果

本次徑向注漿試驗是在3號斜井內散狀水比較嚴重的X9+97～X9+99段進行的，注漿前該段水量達到了1 800 m3/d，起初采用水泥-水玻璃雙液漿，由于水量大、流速快，初凝時間長，還未凝固就被沖了出來，反復壓注均未達到預期的效果。實施了馬麗散化學漿液后，該段基本無線狀流水，效果比較顯著(圖2)。

圖2　馬麗散注漿效果前后對比

5　效益分析

通過現(xiàn)場水泥-水玻璃雙液漿和馬麗散漿液試驗得知，采用水泥-水玻璃雙液漿徑向注漿每延米需要鉆19個孔，而馬麗散注漿只需9個孔；水泥-水玻璃雙液漿每延米的用量為26 m3，馬麗散僅為1 m3；綜合注漿單價水泥-水玻璃雙液漿為3.5萬元/m，馬麗散漿液為4.5萬元/m。僅從造價方面來看，馬麗散要比水泥-水玻璃漿液貴約30%，但馬麗散堵水效果好、工藝簡單、速度快、工期短、減少了鉆孔數(shù)量、節(jié)約了注漿時間、降低了施工難度和工期風險。綜合比較，馬麗散注漿的效果還是比較顯著的。

6　結語

馬麗散在關角隧道注漿堵水的成功應用，證明這種新型高分子注漿材料流動性好、擴散范圍大，遇水膨脹固化，凝固時間快，固化后結石體不收縮，能實現(xiàn)對微小空隙的入滲，堵水效果好，而且其專用的注漿設備性能良好，封孔技術先進，注漿工藝簡單，不需要止?jié){墻，漿液損失小，耐久性好，減少鉆孔數(shù)量，非常適合散狀涌水地段的徑向注漿，極大提高了注漿堵水效果和注漿效率，加快了隧道施工進度。馬麗散注漿材料的應用突破了鐵路隧道長期采用水泥基類注漿材料的現(xiàn)狀，推動了國內鐵路隧道注漿技術的進步，在鐵路隧道注漿堵水中具有較好的推廣應用價值。

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Study on Application of Marison in Radial Grouting in Railway Tunnel

ZHANG Xu-zhen

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

In order to improve radial grouting plugging effect and grouting efficiency in Guanjiao Tunnel， the polymer Marison， which is currently widely used in coal mine based on market investigation.， is put into test and proved applicable The new polymer grouting material is effective in blocking bedrock fissure water with the characteristics of simple grouting process， fast consolidation， small loss of slurry， good durability and less drilling， which greatly improve water plugging and grouting effect， accelerate construction progress with the potential in railway tunnel water plugging

polymer materials; Marison; radil grouting ;test; Railway tunnel

2016-02-21；

2016-03-16

中鐵第一勘察設計院集團有限公司科技開發(fā)項目(院科08-05)

張旭珍(1976—)，男，高級工程師， 2000年畢業(yè)于石家莊鐵道學院交通土建專業(yè)，工學學士，E-mail：648025846@qq.com。

1004-2954(2016)08-0105-03

U455

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.022