公路隧道帷幕注漿堵水技術研究

張良周

摘要：為了有效解決富水區隧道開挖出現特大突泥涌水這一問題，文章以某條高速公路山心隧道為依托工程，采用有限元和水力學方法，結合超前地質預報情況，提出了適用于富水區地層特大突泥涌水隧道的全斷面帷幕注漿加固方法，制定了帷幕注漿方案，并采用瞬變電磁數據和物探方法對注漿效果進行評價，結果表明注漿穩固效果明顯，可有效保證隧道開挖掘進施工。

關鍵詞：公路隧道；帷幕注漿；堵水技術；研究

引言

在富水斷層帶修建隧道是國內外隧道工程界極具挑戰性的技術難題。較早之前這樣的地區被喻為“隧道工程的禁區”。但這幾年，穿越高水壓富水斷層帶修建的鐵路、公路隧道越來越多，如渝懷鐵路圓梁山隧道、宜萬線多條隧道、關角隧道等。富水斷層巖溶地段的修建技術及理論還不成熟，巖溶的處理技術有待發展，如堵水處理措施中注漿材料、注漿方式、注漿參數仍需進一步試驗和研究。紅巖灣隧道是達陜高速公路上一條特長瓦斯隧道、巖溶富水隧道，穿越大量可溶巖，并且通過褶皺和斷層構造，巖層傾角大，巖體裂隙發育，大氣降水豐富，隧道涌突水可能性大。比單純的高壓富水隧道來說施工難度更大，因此質量、安全、進度等在可控的條件下，對注漿止水施工技術的研究是非常重要的。

1、帷幕注漿堵水技術概述

1.1帷幕注漿堵水技術

帷幕注漿堵水技術是一種注漿施工技術，在實際應用中，通過液壓或氣壓，依據工程設計標準，將漿液按照一定濃度通過注漿孔并壓送至規定的巖土層中，對巖土體中的裂隙或孔隙起到了填補作用，以改善巖土體力學性能，保證工程建設質量。根據注漿功能的不同，可分為防滲注漿和加固注漿，其中前者的主要作用是增強工程的基礎抗滲能力，是通過在具有合理孔距的鉆孔中注人漿液，使得多個孔隙中的漿液互相搭接，從而形成一種類似帷幕結構的混凝土防滲墻，起到更好的防滲作用。

1.2帷幕注漿處理塌方原理

帷幕注漿是提前給隧道開挖通過地段范圍內鉆取一定數量的注漿孔，再利用高壓給孔內注入漿液，漿液一般為水泥或者水泥與水玻璃的混合物。漿液注入后，可以將一定區域內存在于圍巖裂縫中的水通過擠壓排出去，讓圍巖縫隙充滿混合漿料，重新和巖體固結成一個整體，形成止水帷幕，從而增加洞口的穩定性。

2、注漿工藝和方案

除了漿液本身的特性以外，注漿施工工藝也對注漿效果產生重要的影響，特別是注漿施工現場漿液注入方式和注漿方式等因素。對于不同的地質特征則要選擇特定的注漿漿液；同樣的，每種漿液也要有相應的灌注方式。注漿設計時要充分考慮各個因素，盡可能地優化注漿工藝，以期達到最佳的注漿效果。例如，在裂隙發育較寬且淺時，漿液的注入方式則可采用充填注漿；而對于裂隙緊密卻延長較深時當采用滲透或劈裂注漿方式等等。

注漿方案也應當根據工作面所處地質情況而適當選擇。例如，在巖體相對較為完整的地段可以采用在局部注漿或者開挖后在裂隙處注漿的方式；而在水壓和水量較大或者裂隙密集、發育明顯的地段應當采用在開挖前通過鉆孔方式提前注漿的超前預注漿方案。本工程海域段地處海水以下，且巖層裂隙發育明顯，一般可用直接測試法和鉆孔預測法得到掌子面的涌水量。根據本工程實測值，單孔涌水量較大，將對施工造成一定的影響，需采取超前預注漿措施。

3、注漿材料的選擇

3.1普通水泥單液漿

普通水泥單液漿是指不包括附加劑，僅用普通水泥和水調制而成的漿液，簡稱c漿。綜合現場注漿驗證情況，普通水泥單液漿具有以下特點：（1）資源豐富，價格低廉；（2）工藝設備簡單，操作方便，對工人要求低；（3）漿液結石體強度高，抗壓強度大，抗滲性能好；（4）漿液初凝時間長，抗分散性差，在富水區易被地下水稀釋和沖走，不易控制；（5）終凝時間長，強度上升緩慢，注漿完成后不能立即開挖；（6）水泥顆粒粒徑相對較大，難以注入0.2mm以下的裂隙中。

3.2水泥水玻璃雙液漿

水泥一水玻璃雙液漿亦稱為cs漿液，是以水泥和水玻璃為主劑，兩者按一定比例采用雙液方式注入，必要時加入附加劑所形成的注漿材料。其避免了單液漿凝固時間長不易控制等缺點，保證了注漿效果，是一種用途廣泛效果良好的注漿材料。其具有以下特點：（1）通過不同配比調整凝膠時間，實現控制性注漿；（2）漿液滲透性強，適用地層廣；（3）凝結時間短，抗壓強度較低，耐久性較差；（4）材料來源豐富，價格便宜且對環境無污染；（5）施工工藝要求高，凝結時間短，操作不當容易造成設備堵塞，對工人要求高。

3.3普通水泥宏字①號水玻璃雙液漿

宏宇①號水玻璃是中南大學歷時多年研發的一種新型水玻璃，其主要在普通水玻璃中加入多種輔助劑混合而成；其初凝時間極短，形成具有網狀包裹的塊狀不易受流水沖散，在封堵涌水的過程中具有獨特的優勢和效果。和普通水泥及普通水玻璃雙液漿相比，普通水泥一宏宇①號水玻璃雙液漿具有以下特點：（1）初凝時間更短，瞬間至十幾秒可完成初凝，結石效果好，抗壓強度大；（2）漿液滲透性較差，漿液擴散半徑小；（3）漿液可瞬間以塊狀初凝，且高分子材料在其外圍形成一層網狀包裹，使其不受水流分散；（4）原料供應較少，價格較普通水玻璃高；（5）施工工藝要求高，凝結時間短，操作不當容易造成設備堵塞，對工人要求高。

在注漿施工過程中，漿液類型的選擇基本根據地下水賦存情況、巖溶發育狀況和涌水量等因素綜合確定，當遇到斷層破碎帶或者巖溶發育區域時多使用單液漿或水泥一水玻璃雙液漿，當遇到裂隙發育含大量稀泥或者少量水涌出時使用普通水泥—普通水玻璃單液漿。

4、注漿壓力的計算

注漿壓力的計算需要綜合管理損失壓力、漿柱壓力以及孔口壓力來進行計算。注漿壓力的大小受多種因素影響，比如注漿材料、注漿順序次數、注漿位置、注漿孔深度、以及巖石的滲透性和強度等，根據實驗以及相關的研究，施工的注漿壓力在靜水壓力的基礎上增加1-2MPa，在初始注漿過程中，注漿初壓要比設計壓力低，然后根據深度的增加適當進行增加。

5、帷幕注漿的施工方法和施工要點

（1）超前鉆探，為了有效探測巖石的具體情況和水量，需要利用鉆機從洞內的工作面向隧道前方鉆大約30m的探孔，進行注水和探測試驗。（2）超前地質預報，對隧道內多次進行監測，確定隧道圍巖等級及地質情況。（3）開孔，按照地質調查結果確定的鉆孔方案進行開孔注漿，開孔直徑要比孔口管直徑大，終孔直徑可以略小于孔口管直徑。（4）注漿管的安裝，可以利用鉆機逐段進行安裝，孔口可以利用錨固劑進行固定。（5）鉆孔注漿，安裝孔口管，再進行鉆孔，注漿前安裝好導管以及止漿塞，按照梅花形錯開、分區、分段進行注漿，保證注漿效果。

（6）鉆孔開工前由技術負責人和測量人員共同采用經緯儀定位。（7）過斷層前10m開始取芯至終孔，以準確確定斷層為止，每回次進尺不得超過巖芯管長度，確保巖芯采取率，其余孔段不取芯。（8）巖芯要碼放在干燥地點，不得亂放。（9）鉆進中準確記錄出水位置、水量。（10）施工前仔細檢查鉆場及附近巷道支護情況，加強巷道支護，無危險時方可施工。（11）施工中發現孔內異常，立即停鉆，查明原因排除危險后方可施工，突水時不得拔出鉆桿。（12）施工現場附近要安設通訊設施，如有危險情況必須立即通知所有受水威脅區域的人員。

結束語

總而言之，隧道巖溶地質垂直滲流帶由于施工難度大、安全風險高，一直受到社會各方的關注，采用注漿止水施工技術，對高壓富水斷層帶地質構造突水突泥災害進行理論研究，并指導于施工，受到良好的效果，同時對今后巖溶隧道施工防突泥突水地質災害借鑒性極強，社會效益顯著。