粘度時變漿材在巖溶地區公路隧道堵水中的應用

2020-05-18 11:05:26范明明袁進科

黑龍江交通科技 2020年4期

范明明，倪濤，袁進科

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川成都 610059)

1 工程概況

銀百高速城口(陜渝界)至開縣段旗桿山隧道斜井位于重慶市城口縣境內，區內高山縱橫，屬于中山構造剝蝕地貌區。隧道區洞身地形陡峭，地表植被發育，主要以灌木叢林為主。并且，遂址區一帶有斷裂構造，其走向與隧道走向斜交，夾角為71°～82°，斷層傾向為15°～26°。隧道全長1 860 m，最大埋深820 m，主要巖層為灰巖、泥質灰巖、砂質灰巖，風化層厚度較大，巖體較為破碎，力學性質差異大。其中，出現涌水問題的掌子面位于XK1+165m，為T1d2、T1d3灰巖，中厚層狀構造，巖質較硬，呈鑲嵌碎裂結構，巖溶中等發育，以巖溶溝槽為主，為中等透水中等富水巖組，地下水類型為碳酸鹽裂隙溶洞水。該掌子面于2019年3月13日出現涌水狀況，實測涌水壓力0.30～0.36 MPa，涌水量達到260～450 m3/h(6 000～10 000 m3/d)，且涌水壓力一直未見減小，在注漿封堵加固前，由三臺型號為100WQ100-15-7.5的污水潛水泵持續往洞外排水。

根據地質雷達、TSP、鉆探等手段獲得的超前地質預報資料，掌子面及其前側皆以灰巖為主，節理裂隙發育，此外，掌子面的左上方發育有一定規模的溶蝕空腔，局部裂隙充填有黃棕色黏土，掌子面前2～15 m范圍內為巖溶集中發育區，裂隙通道連通性較好。

2 涌水原因分析

(1)在斷層牽引的作用下，拱部圍巖體變得破碎，由中厚層狀構造變成薄層狀構造，層間夾有黃泥，遇水軟化，具有微膨脹性，造成軟硬相間，節理裂隙發育，巖體破碎。

(2)遂址區地層以灰巖為主，在具有侵蝕性的流水作用下，灰巖被逐漸侵蝕，形成溶蝕裂隙通道，并具有較好的連通性。

(3)該隧道突涌水地段處于高山底部，埋深近300 m，在地質構造及流水沖刷作用下，山體之間形成多條河流。在外界河流及雨季雨水的補給下，溶蝕裂隙中充滿著水體，當掌子面出現鉆孔時，源源不斷的水匯集鉆孔中，從掌子面涌出。

3 注漿堵水加固方案設計

3.1 注漿堵水加固原理

在壓力作用下，漿液以一定的方式被泵送到巖層裂隙中，發生凝結、固化，對裂隙產生封堵、加固作用。在本工程中，由于斷層破碎帶及溶蝕裂隙發育，溶蝕空腔內部分充填黏土，擬采用以充填為主，滲透、劈裂為輔的聯合注漿方式進行治理。首先，漿液在壓力作用下，克服涌水壓力，向鉆孔周圍擴散，充填裂隙、空腔，并向破碎巖體中滲透，當注漿壓力大于夾層泥的強度時，即產生劈裂作用，漿液進入泥層中，實現堵水加固效果。

3.2 漿液設計

施工方原設計使用水泥-水玻璃雙液注漿的治理方法，二者體積比1∶0.8，水灰比0.6，凝結時間為2 min，試驗孔共注漿80余方，但由于涌水壓力高、水量大，注入的漿液未能及時充填裂隙并凝結，造成漿液流失量大，堵水加固效果不理想，大大增加治理成本。

后改用為筆者團隊研制的粘度時變型漿液，該漿液是由1#、2#灌漿料、水泥及水按照一定的配合比配制而成，該灌漿料是由蓖齒篙、改性纖維以及硅鈣類無機物組成，具有摻量小、效果顯著等特征。配制成的漿液具有初始流動性好、凝結時間可控、早期強度高等優點。其中1號助劑起“緩凝”作用，使水泥顆粒的水化作用更充分徹底；2#助劑主要是調節水泥水化的反應速度和反應程度。在實際應用過程中，通過改變不同助劑摻量，調整漿液性能。依據掌子面涌水現狀及相關工程經驗，確定粘度時變漿液配合比及基本性能如下表1所示。施工所用水泥為32.5#復合硅酸鹽水泥。

表1 施工所用漿液配合比

圖1 助劑1#對漿材基本性能的影響

不同助劑摻量對漿液性能的影響如圖1、2所示。從圖中可以看出，當2#助劑的摻量保持不變時(1.8%)，隨著助劑1#的增加，漿液的流動性、可泵期以及初終凝時間均有所增加，但并非呈嚴格的線性關系。而當1#助劑摻量保持不變時(0.6%)，隨著助劑2#的增加，漿液的流動性、可泵期以及初終凝時間均有所減小。在實際施工中，需要1#、2#助劑配合使用，以調整漿液的流動性及凝結時間，達到最好的效果。該堵水加固工程中，助劑1號的摻量為0.6%，助劑2#的摻量為2.2%，漿液的可泵期為10 min。

圖2 助劑2#對漿材基本性能的影響

3.3 注漿孔孔位布置

依據掌子面實際地層概況，結合涌水現狀，采用“周密中疏、梅花型”的布孔原則，初步設計注漿孔35個，孔徑90 mm，孔深20 m，設計孔加固范圍為掌子面前方20 m，開挖輪廓線外5 m，因此，對于靠近輪廓線的孔，采用外傾角的設計，原則上傾角不大于25°，而對于掌子面中間的孔，孔距1.0～1.5 m。設計注漿堵水分別采用上、下傾角的設計，傾角不大于20°。

3.4 注漿參數設計

一般情況下，對于突涌水的巖溶地層，注漿量很難確定，可根據漿液擴散半徑、注漿壓力及巖層孔隙率等相關參數進行估算。計算公式如下：

Q=πr2Hna(1+β)

式中：Q—注漿量，m3；r—漿液擴散半徑，m，取1.0 m；H—注漿斷長度，m，取20 m；n—巖層裂隙率或巖溶率，取15%；a—有效灌注系數，一般為0.6～1.0，取0.8；β—漿液的損耗系數，一般取0.1～0.4，取0.2。

按照上式估算得出單孔注漿量9 m3，總注漿量為315 m3，水泥使用量315 t。

3.5 孔口密封裝置

本工程采用自發研制的雙管雙路孔口密封裝置，該裝置可有效分離漿、水，減少流水對漿液的沖刷作用，保證其凝結效果，提高堵水加固效果。整個裝置結構簡單，易于操作，主要有進漿管接頭、內漿管、排水管、排水閥門及孔口壓力表組成。其中內漿管與鉆孔內注漿管相連，通過孔內注漿管將漿液直接送到指定位置；排水管具有一定的錐度，提高與孔壁的貼合度，主要用來排除鉆孔內的空氣和水體。在實際應用中，可在其表面纏繞一定厚度的土工布并固定，重錘打入鉆孔中，實現孔口密封。

3.6 注漿施工工藝

超前注漿根據注漿方式分為一次性注漿和分段式注漿，分段式注漿又可分為前進式注漿和后退式注漿。該工程中鉆孔深20 m、孔徑90 mm，設計采用一次性灌注，而當鉆孔內出現巖溶裂隙發育或溶蝕空腔時，則采用前進式分段鉆進、分段注漿的方式進行堵水加固。

施工工藝流程為：鉆孔定位→開孔→安裝空口密封裝置→壓水試驗→配制漿液→注漿→結束注漿→關閉孔口管，清洗注漿設備。

3.7 結束注漿標準

采用兩項技術指標控制注漿結束的標準，一是最終注漿量，當注漿量達到設計值時，即可終止注漿；二是當注漿壓力達到最大設計壓力時，吃漿量不大于10 L/min，維持10 min即可結束灌漿。一般情況下，綜合考慮兩項控制指標來決定是否結束注漿。

4 現場注漿堵水加固效果

在水泥-水玻璃漿液無法達到理想治理效果的情況下，改用粘度時變漿液進行注漿封堵，經現場試驗，當1#孔注漿完成后，掌子面的涌水情況得到了有效的緩解，僅掌子面右上角止漿墻與圍巖的交界部位存在小股線狀流水。待設計孔位全部注漿完成后，掌子面已基本無流水，呈干燥狀態。共注入該粘度時變漿液280 m3，使用水泥280 t。

根據設計方案，在掌子面的拱頂和左右邊墻分別鉆孔檢查注漿封堵加固效果，共布設檢查孔5個，鉆進參數見下表2。從檢測結果來看，檢查孔整體完整、無塌孔現象，拱頂檢查孔出現線狀滴水，涌水量<10 L/h，注漿堵水加固達到了預期效果，在開挖線外5 m范圍內封堵了裂隙通道，形成了一道注漿加固圈，提高了圍巖的整體穩定性，大大降低了襯砌所承受的外水壓力。