深埋隧道富水破碎帶區堵水灌漿材料應用

李曉兵

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著中國西部開發的深入實施，涌現了一大批埋深大、地質條件復雜的深埋隧洞。深埋隧洞施工過程中常面臨突涌水、巖爆及大變形等地質災害。特別是富水破碎帶區域，在地下水及施工擾動等的作用下易發生突涌水災害，進而誘發塌方現象，常造成已開挖段隧洞淹沒、設備損毀、工期延長。因此，富水破碎帶區因開挖誘發的突涌水、塌方災害，是隧道建設中的重點控制對象[1-2]。

灌漿(或注漿)是封堵突涌水的有效手段。針對隧道灌漿堵水方面的研究，近年來國內學者開展了許多有益的工作。灌漿堵水機制方面，李術才等[3]通過開展裂隙巖體涌突水的動水注漿模型試驗研究，提出了漿液的U形擴散規律和分層分區擴散機制；灌漿堵水效果評價方面，薛翊國等[4]結合注漿全過程注漿壓力-注漿量-注漿時間控制法、物探法、檢查孔法與數字鉆孔攝像法，從宏觀到細觀對某隧道注漿效果進行檢驗，其研究結果表明綜合上述4種方法的綜合檢驗法是檢驗注漿效果的有效方法；灌漿堵水材料及其應用方面也取得了豐碩的成果。但對灌漿堵水材料的選取、應用及評價上，應結合該工程的工程地質、水文地質等條件開展實施。

有鑒于此，針對富水破碎帶區域的多涌水通道、高涌水壓力環境，本文依托某深埋引水隧洞工程，制備了適用于深埋隧道堵水的普通膏漿、速凝膏漿和C-GT1堵水漿材拌和料等灌漿材料，開展了灌漿材料抗沖能力、抗水稀釋能力和凝結時間等性能的測試，并在富水破碎帶區選取Ⅳ類圍巖區域作為試驗段對灌漿材料的堵水效果進行了驗證。

1 深埋隧道富水破碎帶突涌水特征

1.1 工程背景

某隧道最大埋深超過700 m，長度超過8 km，屬典型深埋隧道工程。隧道采用鉆爆法開挖，隧址區巖性主要為火山角礫巖、青灰色玻屑晶凝灰巖、暗紅色玻屑晶屑凝灰巖和凝灰質砂巖，穿越多條富水斷層破碎帶。裂隙面略有起伏粗糙且呈鐵銹色，兩側巖體風化蝕變強烈，圍巖強度低，砂巖為中硬—較軟巖，凝灰巖為中硬巖。破碎帶區按巖性被劃分為4個子區域，圍巖類別主要為Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ、Ⅲb類圍巖。發育有3組結構面，產狀分別為344°SW∠71°、50°NW∠51°、304°NE∠51°，結構面空間分布情況見圖1。

圖1 結構面空間展布

1.2 破碎帶區突涌水特征

破碎帶區域圍巖濕潤，特別是Ⅳ類圍巖區，洞周出水點多，穩定性差。圖2為該破碎帶區域典型突涌水災害。由圖2可看出，底板突涌水量大，地下水噴涌而出。經過測量，該區域的穩定出水量高達550～650 m3/h。

圖2 破碎帶區域圍巖典型突涌水災害

通過對該區域涌水災害案例進行收集分析發現，深埋隧道富水破碎帶區的突涌水具有以下特點：①涌水通道多且大；②涌水壓力大，高達1.6 MPa，見圖2；③洞內漏水補給水源連通性良好，補給充分。

1.3 灌漿難點與材料性能要求

鑒于該區域突出的涌水災害，工程現場采用灌漿的方式對涌水區域進行封堵，形成了先堵水、再加固、最后超前預灌漿的堵水思想。灌漿是通過鉆孔向堆石體中灌注水泥漿液，水泥漿液在灌漿壓力的作用下向孔的四周呈徑向擴散[11-12]。由于漿液具有明顯的流動特性，因此其在壓力作用下優先向涌水通道中的薄弱環節進行擴散，并進而填補、置換此類空隙。針對深埋隧洞破碎帶區域的涌水災害特點，分析了灌漿堵水的難點以及對灌漿材料性能的要求：①裂隙連通性好，水源補給充分，堵水難度大；②涌水壓力大，灌漿封堵難度高，灌漿材料的抗沖性及抗水稀釋性能要求高；③存在動水堵漏情況，采用普通的灌漿材料可能無法實現涌水段的快速封堵。

為此，開展了富水破碎帶區堵水灌漿材料特征及性能測試的研究。

2 富水破碎帶區堵水灌漿材料制備及性能特征測試

2.1 富水破碎帶區堵水灌漿材料制備

灌漿技術的關鍵是灌漿材料和其相應的施工工藝，不同的灌漿材料適應于不同的地層情況[13-14]。針對工程特點，除采用普通水泥漿灌漿材料外，還制備了以下特殊灌漿材料。

a)膏漿。對有流速的動水條件下的大孔隙地層灌漿，水泥膏漿技術是行之有效的手段之一[15]。水泥膏漿是在水泥漿中摻入膏漿外加劑而構成的低水灰比的膏狀漿液，其基本特征是膏漿的剪切屈服強度值大于其本身重力的影響。水泥膏漿漿液通過壓力擠入地層后，漿體不會流失太遠，材料利用率高；壓力析水時間短，析水少，充填效果好，灌漿結石密實性好，強度高，灌漿后水泥結石耐久性好。在本工程中采用了2種水泥膏漿灌漿材料，即普通膏漿和速凝膏漿，見圖3。①通過在水泥中摻入普通膏漿外加劑，制備成的漿液可對分散型的小股水進行封堵和加固，其綜合單價與水泥水玻璃等材料相當，但耐久性及可控性明顯優于水泥水玻璃灌漿材料。本材料對開挖完成后仍有漏水的洞段的徑向堵水具有非常好的適用性，且堵水效果好，耐久性高。②在水泥中加入速凝膏漿外加劑，制配成速凝膏漿，速凝膏漿對于處理較大突涌水和較大裂隙的封堵具有非常好的效果，一般處理裂隙通道10～20 cm，漏水流速小于1.5 m/s的漏水通道，其效果明顯，可控性好，且綜合單價優于化學灌漿材料。

b)C-GT1堵水漿材拌和料。C-GT1堵水漿材由GT堵水漿材拌合料跟水泥拌合后制得。GT堵水漿材拌和料由新型動水高分子材料復合制備而成，能夠高效地運用于各類防滲堵漏工程。該復合材料的主要組分有高聚物、活性劑、固化劑。其中高聚物的疏水性能提高整體材料的抗沖釋性，活性劑減小整個界面的張力促使材料成為均一相，固化劑根據工況靈活調節凝固時間。GT堵水漿材拌和料按照配比與水泥進行拌和制成C-GT1堵水漿材。GT堵水漿材拌和料由新型動水高分子材料復合制備而成，主要組分有高聚物、活性劑和固化劑。其中，高聚物的疏水性能提高整體材料的抗沖釋性；活性劑減小整個界面的張力促使材料成為均一相；固化劑根據工況靈活調節凝固時間，使得凝結時間可控可調。該C-GT1堵水漿材性能指標見表1。

圖3 膏漿外加劑及速凝膏漿

表1 C-GT1堵水漿材性能指標

2.2 灌漿材料性能特征

2.2.1膏漿材料性能特征

a)抗沖能力和抗水稀釋能力。由于水泥膏漿成分中含有大量的黏土、膨潤土等摻合料(膏漿外加劑中含增黏劑)，黏土的黏接作用和抗滲透作用使膏漿能自成一個整體，膏漿里的水泥顆粒、黏土顆粒在擴散過程中不會產生離析，水流中的水不易進入水泥膏漿的內部，形成一定的抗水稀釋能力。膏漿的抗水稀釋能力使膏漿作為一個整體來抗擊水流的沖擊，因此要使水泥膏漿產生流動，水流必須克服膏漿的剪切屈服強度。為此，開展了膏漿抗沖性能試驗，見圖4。水泥膏漿的剪切屈服強度值通常都較高，初始剪切屈服強度值通常可達到100 Pa以上，且隨著時間增加，剪切屈服強度增大，故膏漿具有相當的抗沖能力。

圖4 膏漿抗沖性能試驗

b)凝結時間可調可控。通過摻加不同含量的外加劑，控制、調整漿液的凝膠時間，適合于較高流速動水條件下的堵漏灌漿。經過對速凝膏漿的物理性能進行測試，獲取了凝結時間，見表2。

2.2.2C-GT1堵水漿材材料

適應各類流速、流量地下水工況，可通過固化劑調節凝固時間，適合于在各種水質條件下使用。制備漿材設備簡單，水泥灌漿設備也能完成操作，固結體無毒、無污染，符合環保要求，固結體在保證了一定強度同時具有微膨脹性。

C-GT1堵水漿材對于處理孔隙大于15 cm，流速大于1.5 m/s的漏水效果明顯，見效快，材料綜合成本低于聚氨酯類化學灌漿材料，但結石體強度及耐久性等特性明顯優于溶液型化學灌漿材料，對于本工程具有非常好的適應性，并且在地表灌漿和洞內掌子面堵水施工中，其材料使用的效果也得到驗證。

表2 速凝膏漿物理性能試驗結果

2.3 灌漿材料工程應用

利用制備的灌漿材料，在破碎帶區選取Ⅳ類圍巖區域為試驗段，開展了深埋隧道富水破碎帶區灌漿材料性能驗證與應用。利用上述材料對該區域經過地面灌漿、洞內抽水、洞內超前灌漿，成功封堵了該區域的涌水。

對破碎帶區域第4分段的掌子面軸線長20 m、洞室及其輪廓線以外5 m范圍進行了超前預注漿。通過以上階段的施工，完成涌水處的封堵和超前預注漿后，在進行隧洞掘進時，未發生涌水現象，保證了隧洞開挖順利通過斷層帶，見圖5。由此可見，通過利用本文制備的灌漿材料有效加固了圍巖，防止了塌方、涌水災害的發生。

3 結論

a)深埋鉆爆法隧道穿越富水破碎帶區易發生突涌水災害，涌水災害具有涌水通道多、涌水壓力大、水源補給充分等特征，導致其灌漿堵水材料的抗沖性及抗水稀釋性能要求高，且存在動水堵漏現象，堵水難度大。

b)針對深埋隧道涌水特點，研制了高抗沖性、抗水稀釋性，且凝結時間可調可控，適應各流速、流量的突涌水工況的膏漿和堵水漿材拌和料等灌漿材料，并測試了灌漿材料的不同性能特征。

c)利用研制的灌漿材料，選取試驗段進行了成功應用，有效封堵了隧道富水破碎帶區域的各涌水點，阻斷了涌水通道，降低了隧道涌水塌方災害風險，保障了隧道開挖順利通過富水破碎帶。