冰水沉積層隧道超前帷幕注漿施工技術(shù)應(yīng)用探討

摘" 要：超前帷幕注漿堵水是隧道過富水圍巖安全施工保證的重要手段。該文以川藏鐵路某隧道過冰水沉積層段為例，詳細介紹超前帷幕注漿堵水施工的整體施工方法和具體操作，對注漿效果進行簡單評價。基于此，提出針對超前帷幕注漿施工技術(shù)的個人見解，以便為類似工程施工提供一定的借鑒和成功經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：隧道；冰水沉積層；超前帷幕注漿；堵水；鐵路施工

中圖分類號：U455" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0164-04

Abstract： Water plugging by advanced curtain grouting is an important means to ensure the safe construction of water-rich surrounding rock of the tunnel. Taking the ice-water deposition section of a tunnel of Sichuan-Tibet Railway as an example， this paper introduces in detail the overall construction method and concrete operation of leading curtain grouting water plugging construction， and simply evaluates the grouting effect. Thus， some suggestions on the construction technology of advanced curtain grouting are put forward， in order to provide some reference and successful experience for the construction of similar projects.

Keywords： tunnel; ice-water deposit; advanced curtain grouting; water plugging; railway construction

隧道作為鐵路網(wǎng)施工中主體結(jié)構(gòu)之一，對縮短線路距離、改善運行條件等都具有突出作用。而我國地形條件復(fù)雜，在施工過程中常會遇到巖溶地質(zhì)、特殊水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)或者富水段落，隧道施工破壞容易發(fā)生涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，直接威脅到隧道的安全施工。為此，采用科學手段對存在的涌水、突泥等風險進行控制，使隧道施工免除特殊水文地質(zhì)構(gòu)造等威脅是保證隧道安全施工的關(guān)鍵[1]。超前帷幕注漿技術(shù)是目前控制涌水、突泥等風險的有效手段，在隧道施工中得到廣泛應(yīng)用，可以通過對液壓或氣壓的有效控制和充分利用，通過鉆孔將合理配比漿液壓送至巖土層裂縫或空隙，從而對地質(zhì)條件進行改善，有效提升隧道的施工安全[2-4]。

1" 工程概況

隧道工程屬于川藏鐵路，全長8 755 m，單線隧道設(shè)計，根據(jù)地質(zhì)條件和工程需要共設(shè)計了4個施工區(qū)域，分別為進口、出口以及1#、2#橫洞。由于工程周邊地質(zhì)條件限制，隧道1#橫洞林芝方向近1 000 m施工段位于冰水沉積層段，且區(qū)域地形條件為高山谷地，冰水沉積層段正處于該地形的低位處，周邊溝谷較多且水系較為發(fā)達，根據(jù)已有探測數(shù)據(jù)顯示該處地下水埋深在26～50 m，地下水富水性極為發(fā)達，且富水區(qū)域周邊巖層較為破碎，在施工形成導(dǎo)水通道的時候涌水量將會成倍增加。此段地下水位線最低標高為3 663 m，隧道平均標高為3 616 m，均在隧道洞身以上，預(yù)測正常涌水量為7 615 m3/d。而冰水沉積層段洞身穿越富水土層段，易發(fā)涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害。隧道斷面拱部采用Φ89管棚加強支護，管棚單根長度10 m，縱向6.4 m/環(huán)，全部為Ⅴ級Ⅴd型復(fù)合襯砌，臺階法（臨時橫撐）施工。

通過現(xiàn)場及超前鉆探結(jié)果顯示，掌子面上臺階開挖至DK166+915位置時，揭示地層巖性為花崗閃長巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)疏松，巖體較破碎，為強風化帶，局部為全風化帶，用手可捏碎，地下水較發(fā)育，掌子面呈濕潤狀，局部點滴成線，邊墻及拱頂易剝落掉塊，圍巖自穩(wěn)能力較差，如圖1所示?？紤]到DK166+950處即將進入冰水沉積層，為保證施工安全質(zhì)量，掌子面暫停施工，立即組織超前鉆探及超前地質(zhì)取芯設(shè)備人員進場。根據(jù)超前探孔鉆探情況，決定DK166+915開始設(shè)計采用超前帷幕注漿堵水，保證隧道的安全順利施工。

2" 施工方法

2.1" 注漿孔設(shè)計參數(shù)

根據(jù)施工設(shè)計及現(xiàn)有施工條件，注漿堵水采用全封閉注漿方式，即對所有可能存在裂隙導(dǎo)水帶和形成導(dǎo)水通道的區(qū)域進行注漿帷幕范圍圈定，然后對圈定范圍進行注漿，使?jié){液覆蓋所有存在裂隙和破碎區(qū)域，達到堵水加固作用，根據(jù)周邊已有地質(zhì)資料，設(shè)計以隧道正中軸線為中心呈扇形進行注漿鉆孔布置，按照裂隙分布和范圍設(shè)計鉆機注漿長度為30 m，根據(jù)現(xiàn)場條件進行適當調(diào)整，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，開挖支護25 m，保留5 m長止?jié){巖盤。基于超前注漿基礎(chǔ)，迫使隧道施工輪廓外部形成一層堵水止水帷幕，降低滲流量，消除施工過程中因滲流造成圍巖破壞的威脅，提升施工安全和降低隧道施工滲流水的處理難度，同時能夠?qū)λ淼朗┕^(qū)域周邊圍巖起到加固作用，改良施工條件，降低后續(xù)隧道施工和圍巖支護的難度和安全風險。

根據(jù)已有鉆探資料顯示的水文地質(zhì)條件和本次施工施工工藝設(shè)計，將超前帷幕注漿的位置的上臺階由DK166+950回退35 m至DK166+915，下臺階回退37 m至DK166+913，止?jié){墻的厚度調(diào)整至2 m。每次注漿長度為30 m，注漿分7環(huán)實施，第一環(huán)長13.659 m，37個孔；第二環(huán)長20.292 m，31個孔；第三環(huán)長30.979 m，25個孔；第四環(huán)長30.560 m，18個孔；第五環(huán)長30.256 m，12個孔；第六環(huán)長30.068 m，6個孔；第七環(huán)長30 m，1個孔；全斷面布孔共計130個，合計鉆孔長度3 032.5 m，如圖2、圖3所示。

2.2" 掌子面處理

按照帷幕注漿設(shè)計，為了提高圍巖外輪廓止?jié){墻的穩(wěn)定性，后期全斷面噴20 cm厚C25砼封閉。根據(jù)布孔設(shè)計在現(xiàn)場定位后，按照定位將導(dǎo)向管按照已有設(shè)計的方位、與掌子面的夾角等參數(shù)提前進行布置，并利用Φ22鋼筋骨架按照橫向、縱向固定將其固定在導(dǎo)向墻上。而止?jié){墻內(nèi)的導(dǎo)向管Φ22無縫鋼管，其漏出導(dǎo)向墻的長度根據(jù)現(xiàn)場施工需求確定，一般要大于等于2 m，且漏出部分尾部焊接法蘭盤。為了保證超前帷幕注漿能夠按照設(shè)計覆蓋整體范圍及保證施工質(zhì)量，必須要確保導(dǎo)向鋼管的固定。

1）鉆孔施工參數(shù)設(shè)計和現(xiàn)場施工質(zhì)量對超前帷幕注漿最終質(zhì)量起到至關(guān)重要的作用，為了保證鉆孔現(xiàn)場施工能夠按照參數(shù)設(shè)計進行，導(dǎo)向鋼管的角度方向等參數(shù)成為關(guān)鍵，所以設(shè)計計劃選用鋼筋骨架對導(dǎo)線鋼管進行參數(shù)定位和固定。

2）根據(jù)鉆孔位置的具體布置，按照外插角方法計算處縱斷面上鉆孔的變化范圍半徑，按照0.5～1 m的間隔，固定圓心不同半徑方式向外擴散布置鋼筋骨架，并按照每環(huán)上鉆孔數(shù)量將所需鋼筋骨架進行等分，并用縱向鋼筋將其固定，對導(dǎo)向管進行參數(shù)定位。

3）導(dǎo)向鋼管采用Φ200的無縫鋼管（設(shè)計Φ108），以保證采用前進式分段注漿工藝時的成孔直徑。

4）利用導(dǎo)向鋼管外漏尾部焊接的法蘭盤，固定注漿作業(yè)所需的閘閥，對注漿壓力進行調(diào)節(jié)以便滿足設(shè)計要求。

3" 帷幕注漿施工

3.1" 注漿施工具體方法和操作

根據(jù)設(shè)計，帷幕注漿的漿體以水泥漿為主，而在注漿完成需要封孔，或者注漿過程中發(fā)生瞬時涌水量增大、甚至發(fā)生突水等現(xiàn)象的時候采用水泥漿、玻璃漿雙液漿。

1）純水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1；水泥漿∶水玻璃漿液為1∶0.8，水玻璃波美度為Be'=40度。

2）純水泥漿配比和制作：水泥選用普通硅酸鹽水泥，按照配比放進攪拌機后進行0.1～0.3 h攪拌，形成漿液后為了防止凝固必須在攪拌機中持續(xù)攪拌至注漿施工。

3）涌突水時注漿，按先進行雙液注漿快速形成加固圈，再采用純水泥漿注漿，最后采用雙液注漿加固封堵；成孔容易且地下水不發(fā)育的地層以注單液漿為主；在松散、軟弱、含水或坍塌嚴重的地層內(nèi)以注雙液漿為主；注漿套管封堵以雙液漿為主；單獨采用水泥漿注漿結(jié)束后為了防止在卸下閘閥后漿液受到內(nèi)壓影響造成回流外溢，注漿完成后需采用雙液對鉆孔進行有效封堵，或者在水泥漿注漿持續(xù)一定時間后壓力未發(fā)生明顯變化，需將水泥漿注漿改為雙液注漿。

4）注漿。根據(jù)設(shè)計，為了保證注漿效果，在注漿前對各個注漿孔的涌水量及涌水壓力進行測定，并制定針對性的注漿方式。涌水量較小可以直接將注漿芯焊接在導(dǎo)向管末端焊接的法蘭盤上進行注漿，采用分段注漿的方式，待每段注漿完成后進行掃孔鉆進至下一個分段，然后進行注漿，依次注漿至最終設(shè)計深度，分段間隔和分段位置根據(jù)鉆孔涌水量和現(xiàn)場鉆孔情況進行確定。對于巖層破碎或者涌水量較大的情況，要立刻停止作業(yè)，對圍巖進行注漿加固或進行注漿堵水，得到有效控制后再采用分段直接鉆進注漿的方法進行注漿。而對于涌水壓力較小，鉆孔成孔質(zhì)量較好，但在注漿過程中容易造成鉆孔塌孔、堵塞等現(xiàn)象時，原有設(shè)計采用先在鉆孔內(nèi)插入Φ32PVC花管，并且與法蘭盤進行固定連接，然后進行直接注漿的方法，但容易造成因注漿壓力大而發(fā)生管節(jié)連接處脫落的現(xiàn)象，故對原有設(shè)計進行更改，將PVC花管更換為Φ32鋼花管，管連接處通過車絲進行穩(wěn)固連接，并將前進式注漿方式更改為后退式，效果顯著。

5）注漿壓力的控制。注漿壓力主要通過注漿泵上的可控壓力調(diào)節(jié)器對注漿油壓進行閾值調(diào)節(jié)，注漿阻力與泵壓刻度顯示成正比，當注漿阻力不斷增大促使泵壓刻度超過調(diào)節(jié)閾值，注漿泵會自動停止工作，防止因壓力過大造成超壓注漿的危險。

3.2" 注漿順序

1）按照帷幕注漿設(shè)計，分上下2個臺階、呈扇形分布進行鉆孔施工和鉆孔注漿工作。

2）根據(jù)圍巖賦存地質(zhì)條件，注漿順序按照鉆孔分布從外向內(nèi)、由上至下有序進行施工，參照地下水的整體流向，外側(cè)鉆孔注漿先由左再向右施工。

3）注漿必須嚴格執(zhí)行帷幕注漿施工設(shè)計和操作原則進行，以便取得良好的穩(wěn)固效果。

4）為了充分分析和掌握帷幕圈定治理區(qū)域的巖性特征和富水條件，采用鉆孔鉆探和注漿相結(jié)合的方法，在分段注漿過程中按照分段距離對鉆孔進行掃孔，以便為后續(xù)鉆孔施工和注漿提供更為準確的資料支撐，并根據(jù)鉆探驗證和研判的相關(guān)地質(zhì)及水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，對帷幕注漿圈定范圍和施工方案進行及時調(diào)整。而后續(xù)的鉆孔也可以作為已注漿鉆孔效果的驗證孔，可以通過后續(xù)鉆孔對注漿效果、注漿范圍等進行及時了解。

5）通過探注結(jié)合和后續(xù)鉆孔驗證的方法，可以針對注漿效果和注漿范圍等做出鉆孔注漿數(shù)量適當增大或減少的調(diào)整。以便降低后續(xù)因注漿鉆孔存在注漿盲區(qū)進行補鉆，延長工期的風險。

6）每一循環(huán)注漿長度為30 m，開挖25 m，保留5 m長止?jié){巖盤。

7）做好注漿前的準備工作。應(yīng)根據(jù)圍巖特征和富水條件等對注漿量進行預(yù)計；對注漿設(shè)備材料等進行核查，以便滿足注漿需求；對注漿系統(tǒng)進行壓水檢查和空機運轉(zhuǎn)試驗，保證所有注漿設(shè)備運行良好。

8）帷幕注漿薄弱地段，開挖時采用超前小導(dǎo)管進行補注漿加強。

3.3" 帷幕注漿參數(shù)

3.3.1" 雙液漿配比

在帷幕圈定注漿過程中，很有可能存在涌水量突出、單液注漿效果差、鉆孔封閉和堵水等特殊情況，經(jīng)過對比試驗論證采用純水泥漿配合雙液漿作為注漿材料，以便解決上述類似突發(fā)情況。以注漿要求的漿液凝膠時間為標準，進行配比試驗，見表1。

3.3.2" 配比漿液的滲透能力

滲透能力表述的為漿液注入裂隙帶、巖層等空間位置的難易程度。而對于懸濁液，滲透能力取決于顆粒大小。根據(jù)試驗，砂性土空隙直徑必須大于漿液顆粒直徑的3倍以上，漿液才能注入。

3.3.3" 注漿結(jié)束后執(zhí)行標準

結(jié)束單孔注漿標準：注漿壓力達到設(shè)計壓力要求并持續(xù)注漿10 min以上，且注漿壓力沒有明顯增大；注漿量與設(shè)計注漿量基本吻合，且每分鐘注漿量維持在20～30 L。為了保證注漿質(zhì)量，完成所有鉆孔注漿后，在標注的主要涌水點附近布置至少5個鉆孔進行注漿結(jié)果檢查，并測定檢查孔內(nèi)的水量，如果孔內(nèi)水量小于1.0 m3/d·m，方可按照設(shè)計進行開挖，否則應(yīng)當進行必要補孔注漿。

4" 注漿效果及建議

在隧道冰水沉積層區(qū)段進行帷幕注漿，注漿段原始的單個鉆孔涌水量在8～20 L/s，鉆孔注漿后，通過檢查孔驗證，注漿質(zhì)量較好，且出水量滿足注漿后水量標準。而從隧道開挖后所揭示的具體情況觀察，破碎帶和裂隙逐漸充填效果較好，所有可見導(dǎo)水裂隙帶均充滿漿體，擠壓密實，且開挖后未發(fā)生較大滲漏水現(xiàn)象，均滿足設(shè)計標準要求，達到了注漿封堵的效果。同時圍巖得到了加固，在破碎的斷層中，漿液充分擴散，截斷了水的通道，膠結(jié)牢固，提高了圍巖的穩(wěn)定性，開挖過程中并未出現(xiàn)坍落和掉塊現(xiàn)象。

5" 關(guān)于冰積層超前帷幕注漿的思考

1）注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m，有無有效的措施驗證其實際加固范圍，如不能，是否可將加固范圍增加到8 m。

2）帷幕注漿后，是否應(yīng)對仰拱底進行鉆芯取樣，確認其注漿加固范圍，測試基底承載力，并根據(jù)實際情況確認基底重新加固的措施及范圍。

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