1、富水隧道注漿快速堵水技術(shù) 張 勝 (中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006)摘 要：蘭武鐵路二線烏鞘嶺隧道6號(hào)斜井工區(qū)隧道地質(zhì)復(fù)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(yán)重缺水的甘肅武威境內(nèi)，為保護(hù)地表水環(huán)境，在隧道設(shè)計(jì)中采取了“以堵為主，排為輔”的全方位注漿堵水，對(duì)以往隧道地下水“以排為主”的設(shè)計(jì)原則是一種理念的革新，對(duì)今后類似隧道的設(shè)計(jì)和施工具有一定的借鑒價(jià)值。關(guān)鍵詞：環(huán)境保護(hù) 注漿堵水一、工程水文地質(zhì)情況、地表環(huán)境及用水條件1工程地質(zhì)及水文地質(zhì)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(shè)計(jì)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(hào)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(wù)劃分，擔(dān)負(fù)正洞左線平導(dǎo)700m及F4斷層的施工任務(wù)，最終完成左線平導(dǎo)及擴(kuò)挖2513m,右線600m施工任務(wù)。斜井口上覆第四系全新統(tǒng)坡、洪積碎石土，稍密、稍濕，級(jí)硬土，0 = 400kPa，級(jí)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(jí)軟石級(jí)的次堅(jiān)石，0= 800kPa，級(jí)級(jí)圍巖。弱富水區(qū)，設(shè)計(jì)水量1520m3/d。正洞平導(dǎo)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(zhì)構(gòu)造影響較嚴(yán)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(jié)構(gòu)。級(jí)軟石級(jí)次堅(jiān)石，級(jí)、級(jí)圍巖。該段為基巖裂隙弱富水段，巖體原生層理發(fā)育，構(gòu)造及風(fēng)化節(jié)理裂隙，地下水儲(chǔ)存于原生層理、構(gòu)造及風(fēng)化節(jié)理裂隙中。6號(hào)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(zhì)為碎裂巖和斷層泥礫，巖體破碎，呈碎石角礫狀結(jié)構(gòu)，級(jí)軟石，級(jí)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(bǔ)給。正常涌水量1327.36 m3/d，最大涌水量達(dá)到2654.72 m3/d，曾經(jīng)發(fā)生突水，最大突水量達(dá)到7800m3/d 。2地表環(huán)境及用水條件地表風(fēng)化節(jié)理裂隙較發(fā)育，地表干嚴(yán)重缺水，僅靠少量大氣降水、高山雪融水的補(bǔ)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(yán)重匱乏。如果由于本隧道施工造成

5、地表水泄漏，將更嚴(yán)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(yán)重缺水地區(qū)，一旦發(fā)生泄漏水事件，將嚴(yán)重影響社會(huì)安定、造成社會(huì)不穩(wěn)定。因此，采取措施保護(hù)周邊水環(huán)境是本隧道設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵所在。二、地下水設(shè)計(jì)施工處理原則及主要標(biāo)準(zhǔn)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(hù)生態(tài)環(huán)境，本隧道地下水處理原則為：“施工掘進(jìn)期間堵排結(jié)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(jìn)；超前帷幕注漿超前局部預(yù)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(píng)價(jià)達(dá)到注漿效果未達(dá)到注漿效果開 挖超前二次補(bǔ)注漿開挖后效果評(píng)價(jià)達(dá)到注漿效

6、果未達(dá)到注漿效果初期支護(hù)后注漿防排水系統(tǒng)襯 砌后注漿效果評(píng)判未達(dá)到注漿效果注漿設(shè)計(jì)超前預(yù)報(bào)及超前探測(cè)不滿足超前注漿條件總出水量嚴(yán)重破碎帶0.4L/min ，一般地段 0.2L/min總出水量嚴(yán)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(hù)生態(tài)平衡?！钡叵滤幚砹鞒桃妶D1。2、地下水處理達(dá)到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)規(guī)范沒有允許排放量的規(guī)定，在我國鐵路建設(shè)史上，也沒有這方面的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)烏鞘嶺隧道的地理位置和特殊環(huán)境，建設(shè)指揮部和設(shè)計(jì)

7、院請(qǐng)教了眾多隧道專家后確定了隧道堵水的標(biāo)準(zhǔn)如下：全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)檢查孔內(nèi)涌水量：嚴(yán)重破碎帶應(yīng)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(dá)到邊墻不淌水，拱部不滴水成線的效果，堵水率要達(dá)到60。三、堵水設(shè)計(jì)與施工1、堵水設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)上注漿采用徑向注漿、局部頂水注漿、超前預(yù)注漿三種方式。要求施工過程中，首先對(duì)集中涌水點(diǎn)進(jìn)行局部頂水注漿；對(duì)已開挖地段大面積淋水地段實(shí)施徑向注漿堵水。對(duì)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(duì)于集中涌水點(diǎn)實(shí)施局部頂水注漿或超前注漿堵水，以減少掌子面的涌水。對(duì)開挖后出現(xiàn)大

8、面積滲水、淋水地段，在掌子面施工同時(shí)按設(shè)計(jì)預(yù)鉆徑向注漿孔，待工序能調(diào)整開時(shí)，立即進(jìn)行周邊徑向注漿，以減少掌子面的涌水量，加快施工進(jìn)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(jì)實(shí)用的目標(biāo)，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(diào)制而成的漿液，它具有以下特點(diǎn)：· 凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，其變化范圍為一分多鐘至幾個(gè)小時(shí)；· 漿液結(jié)石強(qiáng)度高，不會(huì)隨時(shí)間流失而后期強(qiáng)度顯著降低；· 結(jié)石體抗?jié)B性能好；· 采用單液方式注入，工

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

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(chǎng)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(yàn)和結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)，當(dāng)圍巖裂隙較大且涌水壓力不大時(shí)，采用水泥漿水灰

11、比0.5:1, 速凝劑摻量（水泥）=2%，當(dāng)圍巖裂隙較大且涌水壓力較大時(shí)，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(chǎng)調(diào)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(shí)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(diǎn)：· 漿液可控性好，凝膠時(shí)間可準(zhǔn)確控制在幾秒至幾十分鐘范圍內(nèi)；· 漿液結(jié)石強(qiáng)度高，可達(dá)520.0Mpa；· 漿液的結(jié)石率高，可達(dá)100；· 結(jié)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(jià)格便宜，漿液對(duì)地下水和環(huán)境無污染；· 施工工藝較單液復(fù)雜；· 后期強(qiáng)度低，隨著時(shí)間流失而后期強(qiáng)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(shí)會(huì)立刻發(fā)生變化，難以達(dá)到預(yù)期的注漿效果，結(jié)石時(shí)間及強(qiáng)度難以保證。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們也經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(shí)，摻用適量的外加劑調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間達(dá)到堵水目的。新購水玻璃濃度為35°Be，設(shè)計(jì)采用濃度為40°Be，根據(jù)

13、比重D114.15/(144.3-°Be)，分別計(jì)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(jì)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(yàn)，總結(jié)出水泥漿濃度對(duì)水泥水玻璃漿液凝膠時(shí)間影響如下表33，水泥漿與水玻璃體積比對(duì)水泥水玻璃漿液凝膠時(shí)間影響如表34所示。 表33 水泥漿濃度對(duì)水泥水玻璃漿液凝膠時(shí)間影響水灰比凝 膠 時(shí) 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(hào)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(duì)水泥水玻璃漿液凝膠時(shí)間影響C:S凝 膠 時(shí) 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(yàn)，洞內(nèi)溫度一般在20，現(xiàn)場(chǎng)注漿時(shí)對(duì)裂隙小且水壓不大時(shí)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(shí)間控制在1min8s1min45s之間，對(duì)裂隙小且水壓較大時(shí)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(shí)間控制在0min30s1min2s之間，堵水效果很好。 設(shè)備選型根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，現(xiàn)場(chǎng)采用單過濾管注漿法，先按設(shè)計(jì)加工好花管，由于設(shè)計(jì)注漿終壓要求在1.5Mpa并繼續(xù)注漿10min以上，在花管加工時(shí)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(shè)計(jì)要求，由于是漿液對(duì)圍巖裂隙或孔隙進(jìn)行充塞達(dá)到堵水目的，裂隙或孔隙逐漸變小，吸漿量將逐漸變低，相應(yīng)的注漿壓力呈遞增趨勢(shì)，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(zhǔn)確控制漿液的凝固時(shí)間，兩液的

17、吸漿量應(yīng)滿足一定的比例關(guān)系，要求注漿泵在注漿過程中，能隨時(shí)調(diào)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(zhì)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(diào)速注漿泵。 現(xiàn)場(chǎng)施工工前處理先將工作面初噴砼封閉后，按設(shè)計(jì)間距布孔，用50鉆頭手持風(fēng)鉆鉆孔至設(shè)計(jì)深度，將管頭脹楔輕輕套入花管插入圍巖端，在花管內(nèi)插入長度比花管約短15厘米的木棍，用風(fēng)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(shí)結(jié)合超前預(yù)加固措施對(duì)拱部進(jìn)行預(yù)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(jìn)行。超前局部注漿堵水是根據(jù)出水點(diǎn)的位置，并在其它位置設(shè)檢查孔對(duì)整個(gè)隧道范圍內(nèi)掌子面前方的地下水進(jìn)行檢查的情況下進(jìn)行局部注漿。 局部頂水注漿對(duì)于開挖后的股狀水、集中出水點(diǎn)，在出水穩(wěn)定期或衰減期采用圍截注漿法進(jìn)行局部頂水注漿堵水。以出水點(diǎn)為中心，在其周圍一定范圍內(nèi)布孔，先外圈、后內(nèi)圈，層層注漿縮小，最后對(duì)出水點(diǎn)集中注漿堵水。漿液采用水泥水玻璃雙液漿，膠凝時(shí)間12。 周邊徑向注漿對(duì)于開挖后圍巖較差，節(jié)理較發(fā)育，洞室周邊漏水、滲水點(diǎn)較多，但水壓力較小或無水壓地段，進(jìn)行周邊系統(tǒng)的徑向注漿措施對(duì)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(duì)漿液擴(kuò)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(guān)，一般情況下注漿壓力為實(shí)測(cè)水壓力1.0Mpa；注漿終壓為23倍的實(shí)測(cè)水壓力。該隧道多次實(shí)測(cè)水壓力為0.5M pa，故設(shè)計(jì)要求注漿終壓達(dá)到1.5Mpa。 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)· 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(jié)束時(shí)進(jìn)漿量小于2030Lmin；· 每一循環(huán)注漿結(jié)束后，至少施作5個(gè)檢查孔對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，要求每個(gè)孔內(nèi)的出水量均小于0.4Lmin.m。· 全段注漿結(jié)束后，所有注漿孔均符合單孔注漿結(jié)束條件；· 全段注漿結(jié)束后，檢查孔內(nèi)涌水量：嚴(yán)重破碎帶應(yīng)小于0.2Lmin.m，且某一處漏水小于10L