隧道富水注漿快速堵水技術

1、富水隧道注漿快速堵水技術 張 勝 (中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006)摘 要：蘭武鐵路二線烏鞘嶺隧道6號斜井工區(qū)隧道地質復雜，以三疊系砂巖為主，地下水發(fā)育，與地表連通性好，隧道位于地表嚴重缺水的甘肅武威境內，為保護地表水環(huán)境，在隧道設計中采取了“以堵為主，排為輔”的全方位注漿堵水，對以往隧道地下水“以排為主”的設計原則是一種理念的革新，對今后類似隧道的設計和施工具有一定的借鑒價值。關鍵詞：環(huán)境保護 注漿堵水一、工程水文地質情況、地表環(huán)境及用水條件1工程地質及水文地質情況烏鞘嶺特長隧道位于蘭新鐵路蘭州武威南段增建第二線打柴溝車站與龍溝車站之間。設計為兩座單線隧道，長20050米，隧

2、道出口段線路位于半徑為1200m的曲線上，除左、右線緩和曲線伸入隧道127.29m及68.84m外，其余地段均位于直線上，線間距為40m；兩座隧道線路縱坡相同，主要為11的單面下坡，右線隧道較左線隧道高0.560.73m。 6號斜井井口位于芨芨溝上游右岸斜坡地帶，溝谷較開闊，常年無水，在雨季有少量流水。斜井長2135.38m，平均坡度11.8%；根據(jù)烏鞘嶺建指任務劃分，擔負正洞左線平導700m及F4斷層的施工任務，最終完成左線平導及擴挖2513m,右線600m施工任務。斜井口上覆第四系全新統(tǒng)坡、洪積碎石土，稍密、稍濕，級硬土，0 = 400kPa，級圍巖，下伏基巖為三疊系上統(tǒng)的砂巖夾頁巖，為洞

3、身穿過的主要地層，砂巖為主，夾頁巖及薄層煤，級軟石級的次堅石，0= 800kPa，級級圍巖。弱富水區(qū)，設計水量1520m3/d。正洞平導洞身通過三疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖及薄層煤，砂巖為主。巖體受地質構造影響較嚴重，節(jié)理很發(fā)育發(fā)育，巖體較破碎較完整，呈層狀、塊石碎石狀塊狀結構。級軟石級次堅石，級、級圍巖。該段為基巖裂隙弱富水段，巖體原生層理發(fā)育，構造及風化節(jié)理裂隙，地下水儲存于原生層理、構造及風化節(jié)理裂隙中。6號斜井管區(qū)隧道埋深約700米，正常涌水量2894.92 m3/d，最大涌水量3338.02 m3/d，不同巖性接觸帶及斷層帶邊緣發(fā)生過突水。 F4斷層，在DK170 + 300+ 750段穿過

4、隧道，斷帶寬200500m，隧道通過長度450m，斷帶物質為碎裂巖和斷層泥礫，巖體破碎，呈碎石角礫狀結構，級軟石，級圍巖。斷帶為中等富水段，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，并含有豐富的地下水。接受大氣降水、高山融雪及上游地下水的補給。正常涌水量1327.36 m3/d，最大涌水量達到2654.72 m3/d，曾經(jīng)發(fā)生突水，最大突水量達到7800m3/d 。2地表環(huán)境及用水條件地表風化節(jié)理裂隙較發(fā)育，地表干嚴重缺水，僅靠少量大氣降水、高山雪融水的補給，生態(tài)環(huán)境極為脆弱，雖然為草原牧區(qū)，但幾乎不見綠草和樹木，一直有“5cm深就是草原，20cm高就是森林”這一說法，由此可見水資源的嚴重匱乏。如果由于本隧道施工造成

5、地表水泄漏，將更嚴重影響地表牧民的放牧、生活，造成地表植被的干枯，破壞生態(tài)平衡。由于地表本來就位于嚴重缺水地區(qū)，一旦發(fā)生泄漏水事件，將嚴重影響社會安定、造成社會不穩(wěn)定。因此，采取措施保護周邊水環(huán)境是本隧道設計施工的關鍵所在。二、地下水設計施工處理原則及主要標準的確定 1、地下水處理原則為防止地下水由于隧道施工引起資源流失，保護生態(tài)環(huán)境，本隧道地下水處理原則為：“施工掘進期間堵排結合、限量排放，在經(jīng)過堵水、抽水后使掌子面的水不影響正洞的掘進；超前帷幕注漿超前局部預注漿鉆注漿孔，加工花管鉆注漿孔，加工花管注 漿注 漿注漿效果評價達到注漿效果未達到注漿效果開 挖超前二次補注漿開挖后效果評價達到注漿效

6、果未達到注漿效果初期支護后注漿防排水系統(tǒng)襯 砌后注漿效果評判未達到注漿效果注漿設計超前預報及超前探測不滿足超前注漿條件總出水量嚴重破碎帶0.4L/min ，一般地段 0.2L/min總出水量嚴重破碎帶0.4L/min ，一般地段 0.2L/min，但某一處涌水10L/min漿液配合比選定二次襯砌施作前，以堵為主，減少地下水的流失，保護生態(tài)平衡?！钡叵滤幚砹鞒桃妶D1。2、地下水處理達到的設計標準眾所周知，在隧道施工中，無論采取何種堵水措施，都不可能做到滴水不漏。由于鐵路隧道設計規(guī)范沒有允許排放量的規(guī)定，在我國鐵路建設史上，也沒有這方面的經(jīng)驗，根據(jù)烏鞘嶺隧道的地理位置和特殊環(huán)境，建設指揮部和設計

7、院請教了眾多隧道專家后確定了隧道堵水的標準如下：全段注漿結束標準檢查孔內涌水量：嚴重破碎帶應小于0.4L/min .m ，一般地段小于0.2 L/min .m ，且某一處涌水量小于10L/min 。注漿后表觀要達到邊墻不淌水，拱部不滴水成線的效果，堵水率要達到60。三、堵水設計與施工1、堵水設計方案設計上注漿采用徑向注漿、局部頂水注漿、超前預注漿三種方式。要求施工過程中，首先對集中涌水點進行局部頂水注漿；對已開挖地段大面積淋水地段實施徑向注漿堵水。對未開挖地段，根據(jù)圍巖狀況、施工中根據(jù)超前探水及掌子面的滲水量情況，對于集中涌水點實施局部頂水注漿或超前注漿堵水，以減少掌子面的涌水。對開挖后出現(xiàn)大

8、面積滲水、淋水地段，在掌子面施工同時按設計預鉆徑向注漿孔，待工序能調整開時，立即進行周邊徑向注漿，以減少掌子面的涌水量，加快施工進度。2、注漿堵水施工 注漿堵水范圍注漿堵水范圍為隧道周邊34m范圍。 漿液的選擇本著安全可靠、經(jīng)濟實用的目標，本隧道的堵水注漿材料采用水泥漿（摻速凝劑）和水泥水玻璃雙液漿。 水泥漿單液水泥漿是以水泥為主，添加一定量的速凝劑，再加水調制而成的漿液，它具有以下特點：· 凝結時間可根據(jù)實際需要進行調節(jié)，其變化范圍為一分多鐘至幾個小時；· 漿液結石強度高，不會隨時間流失而后期強度顯著降低；· 結石體抗?jié)B性能好；· 采用單液方式注入，工

9、藝及設備簡單，操作方便；· 水泥作為注漿材料，來源豐富，價格低廉；· 漿液配合比可根據(jù)需要進行配置，可灌性好；但對中細粉砂層及裂隙細微巖層可注性差；· 漿液無毒性，對地下水環(huán)境無污染；· 漿液初、終凝時間相對較長，不能準確控制，容易流失，結石率低。根據(jù)以上特點，我們經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，確定水泥漿液主要用于圍巖裂隙較大有水時，摻用適量的速凝劑調節(jié)凝結時間達到堵水目的。通過多次試驗，總結出速凝劑對水泥漿影響性能如下表31，水泥漿現(xiàn)場配制表如32所示。表31 山西凱迪牌速凝劑摻量對水泥膠凝時間的影響速凝劑摻量（水泥）水灰比環(huán)境溫度（與隧道內溫度接近）膠 凝 時

10、間初 凝終 凝0234560.50.50.50.50.50.52020202020203min20s1min15s1min18s1min10s1min8s5min40s3min15s1min55s1min45s1min32ss表32 水泥漿（不加附加劑）現(xiàn)場配制表水灰比水泥（袋）水（L）制成漿量（m3）備 注0.5:10.6:10.75:11:11.25:11.5:12:124221915131196006607127508128259001.0001.0261.0291.0001.0291.0081.050每袋水泥50kg經(jīng)過以上試驗和結合現(xiàn)場，當圍巖裂隙較大且涌水壓力不大時，采用水泥漿水灰

11、比0.5:1, 速凝劑摻量（水泥）=2%，當圍巖裂隙較大且涌水壓力較大時，采用水泥漿水灰比0.5:1, 速凝劑摻量（水泥）=36%，視水壓情況現(xiàn)場調整。 水泥水玻璃漿液水泥水玻璃雙液漿亦稱CS漿液(C代表水泥,S代表水玻璃),是以水泥水玻璃為主劑，兩者按照一定比例，必要時摻加一定量的外加劑摻水配制而成的注漿材料。它是一種用途及其廣泛，使用效果良好的注漿材料，具有以下特點：· 漿液可控性好，凝膠時間可準確控制在幾秒至幾十分鐘范圍內；· 漿液結石強度高，可達520.0Mpa；· 漿液的結石率高，可達100；· 結石體的滲透系數(shù)小，為103cm/s；·

12、; 漿液適宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒徑的砂層使用；· 材料來源豐富，價格便宜，漿液對地下水和環(huán)境無污染；· 施工工藝較單液復雜；· 后期強度低，隨著時間流失而后期強度顯著降低或喪失；· 可灌性較單液差，施工中易出現(xiàn)堵管、爆管現(xiàn)象；· 按配合比配制好的漿液在注入水中時會立刻發(fā)生變化，難以達到預期的注漿效果，結石時間及強度難以保證。根據(jù)以上特點，我們也經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗，確定水泥水玻璃漿液主要用于圍巖裂隙較小且水壓較大時，摻用適量的外加劑調節(jié)凝結時間達到堵水目的。新購水玻璃濃度為35°Be，設計采用濃度為40°Be，根據(jù)

13、比重D114.15/(144.3-°Be)，分別計算出35°Be、40°Be和45°Be的理論比重，再利用公式V水（D原D配）V原（D配D水），分別計算出每桶15L的35°Be水玻璃稀釋成40°Be和45°Be濃度水玻璃稀釋用水量V水，再通過多次試驗，總結出水泥漿濃度對水泥水玻璃漿液凝膠時間影響如下表33，水泥漿與水玻璃體積比對水泥水玻璃漿液凝膠時間影響如表34所示。 表33 水泥漿濃度對水泥水玻璃漿液凝膠時間影響水灰比凝 膠 時 間說 明35°Be40°Be45°Be15：1125：11：10

14、75：105：12min0s1min31s1min18s0min58s0min55s2min55s2min 21s1min51s1min38s1min4s3min44s3min17s2min30s2min18s1min41s水泥為祁連山牌普通425號硅酸鹽水泥，水泥漿與水玻璃體積比為1表34 水泥漿與水玻璃體積比對水泥水玻璃漿液凝膠時間影響C:S凝 膠 時 間35°Be40°Be45°Be1：0.31：0.351：0.41：0.451：0.51：0.551：0.61：0.71：0.80min20.5s0min21s0min24.5s0min27.5s0min29.

15、2s0min32s0min37.5s0min41.2s0min56.4s0min22s0min24.5s0min29.8s0min31s0min34s0min36.9s0min41.5s0min48.1s1min8s0min25.5s0min28.3s0min31.6s0min34.5s0min42.4s0min45s0min48.4s0min56.7s1min17s綜合以上試驗，洞內溫度一般在20，現(xiàn)場注漿時對裂隙小且水壓不大時采用水泥漿水灰比1：1，水玻璃濃度40°Be漿液，雙液漿體積比C：S1：0.8，凝膠時間控制在1min8s1min45s之間，對裂隙小且水壓較大時采用水泥漿

16、水灰比0.5：1，水玻璃濃度40°Be漿液，雙液漿體積比C：S1：0.5，凝膠時間控制在0min30s1min2s之間，堵水效果很好。 設備選型根據(jù)設計的要求，現(xiàn)場采用單過濾管注漿法，先按設計加工好花管，由于設計注漿終壓要求在1.5Mpa并繼續(xù)注漿10min以上，在花管加工時采用以下加工方法，詳見下圖2。 圖2 花管加工圖 單位:mm根據(jù)設計要求，由于是漿液對圍巖裂隙或孔隙進行充塞達到堵水目的，裂隙或孔隙逐漸變小，吸漿量將逐漸變低，相應的注漿壓力呈遞增趨勢，根據(jù)不同的注漿深度、不同的巖層條件下，要求采用不同的注漿流量和壓力，特別是在雙液注漿施工中，為了能準確控制漿液的凝固時間，兩液的

17、吸漿量應滿足一定的比例關系，要求注漿泵在注漿過程中，能隨時調節(jié)流量、壓力，而且供液要均勻穩(wěn)定，以滿足注漿工藝和保證注漿質量的要求，綜合以上原因，我們采用的注漿泵為YSB250/120型液力調速注漿泵。 現(xiàn)場施工工前處理先將工作面初噴砼封閉后，按設計間距布孔，用50鉆頭手持風鉆鉆孔至設計深度，將管頭脹楔輕輕套入花管插入圍巖端，在花管內插入長度比花管約短15厘米的木棍，用風鉆將管頭脹楔和花管頂入至孔底，然后抽出木棍繼續(xù)頂入花管，使管頭脹楔將花管底部脹開持力。封住注漿口噴射鋼筋網(wǎng)片砼厚1520cm作為止?jié){墻，使?jié){液不外流。 超前局部注漿堵水未施工段涌水較大時結合超前預加固措施對拱部進行預注漿堵水和加

18、固地層，以防止發(fā)生突水突泥，減少掌子面的抽水壓力，保證施工正常進行。超前局部注漿堵水是根據(jù)出水點的位置，并在其它位置設檢查孔對整個隧道范圍內掌子面前方的地下水進行檢查的情況下進行局部注漿。 局部頂水注漿對于開挖后的股狀水、集中出水點，在出水穩(wěn)定期或衰減期采用圍截注漿法進行局部頂水注漿堵水。以出水點為中心，在其周圍一定范圍內布孔，先外圈、后內圈，層層注漿縮小，最后對出水點集中注漿堵水。漿液采用水泥水玻璃雙液漿，膠凝時間12。 周邊徑向注漿對于開挖后圍巖較差，節(jié)理較發(fā)育，洞室周邊漏水、滲水點較多，但水壓力較小或無水壓地段，進行周邊系統(tǒng)的徑向注漿措施對圍巖予以加固并堵水。 主要注漿參數(shù) 注漿壓力注漿

19、壓力是注漿過程中非常重要的參數(shù)，它對漿液擴散、裂隙充填效果等影響很大，是注漿效果的控制參數(shù)之一。注漿壓力與通道、水壓力及注漿材料有關，一般情況下注漿壓力為實測水壓力1.0Mpa；注漿終壓為23倍的實測水壓力。該隧道多次實測水壓力為0.5M pa，故設計要求注漿終壓達到1.5Mpa。 注漿結束標準· 單孔注漿壓力上升至終壓并持續(xù)注漿10min以上；· 單孔注漿結束時進漿量小于2030Lmin；· 每一循環(huán)注漿結束后，至少施作5個檢查孔對注漿效果進行檢查，要求每個孔內的出水量均小于0.4Lmin.m。· 全段注漿結束后，所有注漿孔均符合單孔注漿結束條件；· 全段注漿結束后，檢查孔內涌水量：嚴重破碎帶應小于0.2Lmin.m，且某一處漏水小于10L