軟巖隧道突水涌泥段動(dòng)態(tài)化注漿施工探討

王平安

(中鐵二十局集團(tuán) 第三工程有限公司，重慶 401121)

0 引言

新建蘭新鐵路甘青段大梁隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開(kāi)挖后隧道進(jìn)、出口及斜井工區(qū)先后進(jìn)入板巖地層，巖體破碎至極破碎，擠壓撓曲特征明顯，巖質(zhì)軟弱，成巖性差，圍巖大變形明顯。期間大梁斜井輔助正洞出口方向軟巖地層連續(xù)發(fā)生多次大規(guī)模突水、涌泥，造成施工機(jī)具、襯砌臺(tái)車等被淹沒(méi)等險(xiǎn)性事件。在該段采用了大管棚+帷幕注漿堵水加固技術(shù)，由于富水地層軟巖具有泥化特征，為了加強(qiáng)對(duì)帷幕注漿效果的可控性，實(shí)現(xiàn)“封堵地下水、固結(jié)軟弱地層”的核心目標(biāo)，施工中采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，綜合分析前方水體分布、圍巖地質(zhì)等參數(shù)，在全面掌握可靠地質(zhì)參數(shù)的前提下，開(kāi)展動(dòng)水動(dòng)態(tài)化注漿施工，不斷優(yōu)化注漿方案，通過(guò)調(diào)整注漿材料和漿液配比、注漿量和注漿壓力等施工參數(shù)，做到了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)注漿施工，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效、可控帷幕注漿。

1 工程概況

新建蘭新鐵路雙線甘青段大梁隧道(DK328 +820 ～DK335 +370)全長(zhǎng)6 550 m，位于青海省門源縣，地處大梁中高山區(qū)，平均海拔3 600 ～4 200 m，軌面最高海拔3 607．40 m，是全線最高點(diǎn)，洞身地表起伏較大，最大埋深780 m。為雙線大斷面Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道，V 級(jí)圍巖，開(kāi)挖斷面為152 m2。

隧道穿越奧陶系中統(tǒng)砂巖、灰?guī)r、板巖，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺、斷裂發(fā)育;洞身穿越1條區(qū)域斷裂構(gòu)造F5 以及一處向斜構(gòu)造。施工中隧道進(jìn)、出口及斜井工區(qū)先后進(jìn)入灰黑色板巖地層，薄層狀，節(jié)理極發(fā)育，撓曲特征明顯，巖質(zhì)軟弱，巖體極破碎，成巖性差，大變形明顯。經(jīng)科研單位測(cè)試，大梁隧道斜井工區(qū)為極高地應(yīng)力，出口工區(qū)為高地應(yīng)力。

2 突水涌泥

2．1 突水涌泥情況

大梁隧道斜井輔助正洞出口方向自從2013 年3 月30 日23:50 首次在DK332 +266 右側(cè)拱腰突發(fā)涌水以來(lái)，分別于4 月23 日、5 月22 日、5 月23 日、7 月31 日、8 月1 日發(fā)生較大規(guī)模涌水突水、突泥現(xiàn)象，累計(jì)達(dá)17 次。最大涌水量約為4 萬(wàn)m3/d，正常涌水量約為13 000 m3/d，瞬時(shí)突石量達(dá)2 萬(wàn)m3/6 min，先后造成數(shù)臺(tái)挖掘機(jī)、裝載機(jī)和1 臺(tái)襯砌臺(tái)車及部分機(jī)具、儀器被沖毀，見(jiàn)圖1。

2．2 突水機(jī)理分析

突水涌泥點(diǎn)位于向斜、背斜交叉段，地層處于強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r、薄層狀板巖交替互層帶，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖具有明顯遇水極易軟化、泥化之特征，且與地表具有匯水條件的、大范圍的雪山相連通，一旦隧道開(kāi)挖形成臨空面，在高壓水作用下，軟化巖體順層崩潰沖出，是隧道內(nèi)形成突水、突泥(石)等泥石流型突發(fā)災(zāi)害的物質(zhì)條件。

圖1 大梁隧道斜井出口方向3．30 ～8．1 日期間數(shù)次突水、突石

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，該地區(qū)海拔高，隧道埋深約400 m，山頂常年積雪，在斷層帶地表水大量滲入地下，水位抬高，水壓增大，一旦超過(guò)隧道圍巖的承受能力，就會(huì)造成巖體崩潰，是造成該災(zāi)害的直接誘發(fā)因素。

2．3 突水涌泥處理方案

突水涌泥后，斜井輔助正洞出口方向掌子面施工中斷。經(jīng)多次專家考察現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按照“排水釋壓、注漿加固、管棚支護(hù)”的原則，首先高位引水，之后上中臺(tái)階帷幕注漿封堵，管棚支護(hù)的方案進(jìn)行突水段處理。具體施工方案為:左側(cè)迂回平導(dǎo)及平導(dǎo)(含平導(dǎo)內(nèi)側(cè)位泄水支洞)超前+右側(cè)高位泄水洞+正洞塌體帷幕注漿管棚支護(hù)通過(guò)。

3 動(dòng)水動(dòng)態(tài)化施工工藝

(1)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前鉆探探明的隧道前方的圍巖地質(zhì)情況和動(dòng)水情況，當(dāng)探孔出水量大于2 m3/d 且水壓大于0．2 MPa 時(shí)，需進(jìn)行管棚支護(hù)、帷幕注漿，反之則直接開(kāi)挖。

(2)根據(jù)以往的注漿經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)預(yù)注漿方案，在預(yù)注漿設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況調(diào)整注漿孔布置、注漿工藝，并選擇注漿漿液及注漿配套機(jī)具。

(3)根據(jù)超前探孔，掌握掌子面前方30 m 動(dòng)水分布情況，根據(jù)出水量分出弱水區(qū)和富水區(qū)，劃分量值為10 mm3/d。

(4)對(duì)弱水區(qū)和富水區(qū)分別進(jìn)行布孔，并加密弱水區(qū)布孔;優(yōu)化注漿材料和注漿設(shè)備。

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)預(yù)注漿方案及注漿原則，進(jìn)行弱水區(qū)和富水區(qū)動(dòng)態(tài)控制注漿。

(6)注漿效果檢查，分別采用P-Q-t 曲線分析法、鉆孔出水量法、注漿量法和檢查孔分析法，相互驗(yàn)證分析結(jié)論。檢查孔數(shù)量為超前注漿孔的5%，重點(diǎn)檢查異常區(qū)域，檢查孔無(wú)涌泥，不塌孔，涌水量不大于2 L/min·m。

(7)進(jìn)行開(kāi)挖施工。動(dòng)水動(dòng)態(tài)化注漿施工工藝流程如圖2 所示。

4 動(dòng)水動(dòng)態(tài)化施工技術(shù)

4．1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

(1)TSP 超前預(yù)報(bào)。常規(guī)預(yù)報(bào)方法，在此不再累述。迂回平導(dǎo)掌子面里程為PDK332 +338，預(yù)報(bào)里程范圍PDK332 +338 ～+438預(yù)報(bào)結(jié)論:綜合評(píng)定此段巖體極破碎，沿破碎帶見(jiàn)軟弱泥化夾層，較軟巖～極軟巖，整體性、穩(wěn)定性差，節(jié)理裂隙大量密集發(fā)育，極易坍塌，弱富水～富水。

(2)紅外探水。本次探測(cè)范圍PDK332 +338 ～+368，結(jié)論:此段存在弱富水，主要形態(tài)為裂隙水和隱伏水。

(3)超前地質(zhì)鉆孔。采用日本礦巖RPD-150C 型全液壓多功能鉆機(jī)實(shí)施，在迂回平導(dǎo)掌子面均勻的選擇外圈4 個(gè)孔作為超前地質(zhì)探孔，其中1#、2#、3#、4#縱向孔深12 ～40 m，終孔在徑向?yàn)殚_(kāi)挖輪廓線外3 ～5 m。鉆孔布置見(jiàn)圖3，各孔探測(cè)情況見(jiàn)表1。

圖2 動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿流程框圖

圖3 大梁斜井迂回平導(dǎo)PDK332 +338 超前鉆孔平面布置示意圖(單位:mm)

通過(guò)掌子面5 個(gè)超前地質(zhì)鉆探，探測(cè)前方地質(zhì)情為:1 ～14 m段為灰黑色板巖，巖體整體性差，屬軟巖，含水量較小，鉆進(jìn)正常;14 ～17 m 段地層受水沖擊，形成大的裂隙，巖體十分破碎，含泥量增大，水量隨孔深增加而不斷增大，鉆進(jìn)速度快，內(nèi)有大量細(xì)小顆粒物，水呈乳白色，單孔水量在200 m3/h;17 ～22 m 時(shí)工作面右側(cè)和上部，卡鉆、裹鉆、塌孔現(xiàn)象較為嚴(yán)重，鉆進(jìn)困難，進(jìn)度緩慢;22 ～25 m 屬較軟巖，夾有不規(guī)則板巖，有少量出水，吸漿量較小。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，終孔水壓為0．35 ～0．38 MPa。

綜上，通過(guò)上述物探預(yù)報(bào)收到粗略分析出水體分布，經(jīng)過(guò)超前鉆探較為清晰的了解掌子面前方的水體分布、水量、水壓和圍巖裂隙情況等。同時(shí)，鉆孔注漿反饋的地質(zhì)信息是注漿過(guò)程中通過(guò)鉆孔巖體硬度、涌水情況、流出的巖石細(xì)末、注漿吸漿情況等綜合分析掌子面前方地質(zhì)水文情況，是對(duì)原地質(zhì)信息的不斷更新和完善補(bǔ)充。

表1 大梁斜井迂回平導(dǎo)PDK338 超前鉆孔記錄表

4．2 建立動(dòng)態(tài)施工模型

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，分析加固區(qū)域橫斷面內(nèi)涌水量分布。即出水量的的區(qū)域主要分布在加固工作面右側(cè)和下部，而工作面左部孔出水量相對(duì)于右側(cè)和下部出水量相對(duì)較小，為本段注漿的弱水區(qū)。建立動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿模型，并在鉆孔注漿過(guò)程中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料不斷加以完善，見(jiàn)圖4。

圖4 動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿模型圖

4．3 分階段注漿優(yōu)化及動(dòng)態(tài)控制

4．3．1 前階段注漿

根據(jù)施工情況及超前地質(zhì)探孔揭示地質(zhì)情況，注漿以封堵地下水、固結(jié)軟弱地層為核心目的，并通過(guò)超前大管棚形成立體預(yù)支護(hù)剛性體系，提高周邊圍巖及工作面穩(wěn)定性，確保安全。

拱部180°范圍內(nèi)沿開(kāi)挖輪廓線布置超前大管棚。在掌子面注漿堵水結(jié)束后開(kāi)始施作大管棚。采用無(wú)管棚工作間施工工法，縱向長(zhǎng)25 m，開(kāi)挖輪廓線向內(nèi)30 cm 環(huán)向布置，開(kāi)孔環(huán)向間距40 cm，外插角7° ～8°，共布設(shè)21 根管棚，管棚孔兼作上斷面補(bǔ)充注漿孔。管棚及上臺(tái)階帷幕注漿孔位布置圖5。

大管棚采用外徑Φ89 mm，壁厚5 mm 熱軋無(wú)縫鋼管加工，每節(jié)長(zhǎng)9 m，沿管壁布設(shè)4 排Φ6 mm 對(duì)稱溢漿孔，梅花形布設(shè)，孔間距50 cm，每根管棚末端2．5 m 不布設(shè)溢漿孔，前端加工成椎形尖端并封閉。采用Φ76 mm、壁厚4 mm 熱軋無(wú)縫鋼管套入Φ89 mm 管棚，焊接連接頂入孔內(nèi)。管棚安設(shè)完成后進(jìn)行全孔一次性注漿，注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，漿液配合比見(jiàn)表2，根據(jù)地質(zhì)情況，加入一定比例的外加劑，以調(diào)整注漿材料的各項(xiàng)性能。注漿順序:先右邊孔后左邊、先上邊孔后邊墻孔，間隔跳孔的順序施工。

表2 漿液配比參數(shù)表

4．3．2 動(dòng)態(tài)優(yōu)化注漿

圖5 拱部180°管棚布置圖

通過(guò)超前探孔及前期注漿孔情況看，地層泥質(zhì)含量較大，局部含碎石，含泥量達(dá)30%以上。表現(xiàn)為軟塑狀，鉆進(jìn)塌孔、包鉆現(xiàn)象極為嚴(yán)重，施工前期鉆注很難平行作業(yè)，施工進(jìn)度緩慢，且注漿過(guò)程中跑漿、串漿現(xiàn)象嚴(yán)重。后續(xù)注漿過(guò)程中，動(dòng)態(tài)優(yōu)化了注漿方案，以提高注漿漿液束約性為目的，優(yōu)化注漿工藝，縮短漿液初凝時(shí)間，建立動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿模型，最大限度減少漿液損失，保證注漿的有效性。具體做法是:

(1)動(dòng)水分區(qū)注漿。后續(xù)循環(huán)開(kāi)孔注漿扔以加固圍巖封堵裂隙達(dá)到堵水效果為目的，根據(jù)物探、超前鉆孔的數(shù)據(jù)將動(dòng)水分為弱水區(qū)和富水區(qū)，對(duì)弱水區(qū)進(jìn)行一般性注漿，可以少開(kāi)孔;富水區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)性注漿。本循環(huán)設(shè)25 m 的長(zhǎng)序孔19 個(gè)以輻射狀成環(huán)加固隧道圍巖，其中10 個(gè)孔作為富水區(qū)重點(diǎn)注漿孔。為了保證注漿效果，在鉆孔注漿過(guò)程中，必須根據(jù)鉆孔注漿反饋的地質(zhì)水文情況，對(duì)原有設(shè)計(jì)初步方案不斷進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化注漿。

(2)不同時(shí)段采用不同注漿材料。開(kāi)始先采用普通水泥-水玻璃雙液漿，充分利用其快速凝膠特性，限制漿液擴(kuò)散距離，對(duì)初始地層進(jìn)行填充，與軟弱地層形成骨架，有效的保證后期鉆孔的成孔率，固結(jié)骨架形成穩(wěn)定層后再采用硫鋁酸鹽水泥單液漿。

(3)調(diào)整注漿方式。后續(xù)循環(huán)開(kāi)始在右側(cè)孔注漿過(guò)程中，出現(xiàn)泄水洞串漿、跑漿現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)注漿過(guò)程控制，一旦出現(xiàn)有串漿現(xiàn)象，立即調(diào)整漿液配比，采用間歇式注漿以縮短漿液初凝時(shí)間，降低漿液的擴(kuò)散半徑，保證注漿有效性。

(4)定量控制。地層松散，相對(duì)吸漿量較大，注漿過(guò)程中壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升時(shí)，調(diào)整漿液凝膠時(shí)間或間歇注漿方式使壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓結(jié)束該孔注漿。

(5)定壓控制。注漿過(guò)程中注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓(3 ～4 MPa)并穩(wěn)定10 min 后，結(jié)束該孔注漿。

5 動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿效果評(píng)定分析

5．1 鉆孔出水量及注漿量隨時(shí)間變化效應(yīng)分析

從前后期動(dòng)態(tài)注漿優(yōu)化施工后效果對(duì)比看出，施鉆過(guò)程各孔最大出水量存在較大的差異，前期出水量相對(duì)較大，出水量最大為200 m3/h。通過(guò)注漿施工，主要的出水裂隙通道被有效封堵，出水量明顯減小，有70%孔涌水量在20 m3/h 以下，尤其是在采取分區(qū)、調(diào)整注漿孔、注漿材料、定量和定壓控制等動(dòng)態(tài)注漿施工后，在原富水區(qū)預(yù)留檢查孔出水量均在2 m3/h 以下，動(dòng)水水頭水壓由初始值0．35 ～0．38 MPa 降低至0．1 MPa，堵水效果明顯。

5．2 從各孔注漿量分析

該段落注漿量和出水量無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明地層極不均勻，注漿主要以加固改良地層為主;注漿施工過(guò)程中，14 ～17 m 地層吸漿量明顯增大，在右側(cè)施工過(guò)程中，主要是定壓控制結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，隨著注漿施工進(jìn)行，地層吸漿量逐漸減小，特別是在左側(cè)孔的施工過(guò)程中，吸漿量明顯較小。這說(shuō)明通過(guò)前期終孔的注漿施工工作面前方17 m 的松散地層已經(jīng)得到很好的加固。

5．3 P-Q-t 曲線分析

根據(jù)本循環(huán)鉆孔注漿施工過(guò)程，注漿量和注漿壓力隨注漿時(shí)間變化情況繪制P-Q-t 曲線，主要表現(xiàn)為2 種形式，如圖6 所示。

圖6 注漿P-Q-t 曲線

圖6(a)為外圈孔20 m 后注漿過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的P-Q-t 曲線。受涌水?dāng)_動(dòng)，地層孔隙較大或地層相對(duì)軟弱，注漿過(guò)程中，漿液沿松散通道流動(dòng)，擴(kuò)散距離相對(duì)較遠(yuǎn)，長(zhǎng)時(shí)間注漿，注漿壓力仍未上升，注漿過(guò)程中以定量控制結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)的延米注漿量后，采用調(diào)整漿液濃度，間歇式注漿，注漿壓力逐漸上升，注漿流量隨注漿壓力上升迅速減小，達(dá)到設(shè)計(jì)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)束該孔注漿。

圖6(b)是后期管棚孔大多數(shù)注漿時(shí)的表現(xiàn)，隨著注漿的進(jìn)行，注漿壓力升高，注漿速度減慢，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓3．0 ～4．0 MPa 時(shí)，地層基本表現(xiàn)為不吸漿，進(jìn)漿速度急劇降低，注漿壓力迅速上升，瞬間達(dá)到注漿設(shè)計(jì)終壓，結(jié)束該孔注漿。

5．4 檢查孔法

注漿結(jié)束后，根據(jù)該循環(huán)所有注漿鉆孔出水及地層吸漿分布情況，對(duì)薄弱區(qū)域進(jìn)行效果檢查，檢查孔按總注漿孔的5%布置，共計(jì)布設(shè)3 個(gè)，用右側(cè)剩余管棚孔代替檢查孔，縱向孔深為25 m，徑向終孔在開(kāi)挖輪廓線外2 m 內(nèi)的區(qū)域。

(1)從設(shè)計(jì)的2 個(gè)檢查孔出水情況分析，檢查孔內(nèi)出水量均小于0．5 L/min·m，均達(dá)到設(shè)計(jì)檢查效果標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)后續(xù)施工的管棚孔和檢查孔鉆設(shè)過(guò)程中鉆速快，無(wú)卡鉆現(xiàn)象。

6 結(jié)論

軟巖富水地層隧道，由于地質(zhì)及水文條件復(fù)雜多變，且軟巖遇水條件下常具有極易軟甚至泥化的特征，為達(dá)到注漿效果、注漿周期可控，在前階段采取上臺(tái)階整體帷幕注漿，以消除方案設(shè)計(jì)注漿空間的盲區(qū)來(lái)保證注漿效果;在后階段注漿過(guò)程中，為加快注漿速度，通過(guò)建立動(dòng)水動(dòng)態(tài)注漿模型，對(duì)富水區(qū)和弱水區(qū)布孔進(jìn)行方案優(yōu)化，對(duì)富水區(qū)重點(diǎn)注漿，對(duì)弱水區(qū)一般簡(jiǎn)化注漿，動(dòng)態(tài)調(diào)整了注漿材料和漿液配比、注漿量和注漿壓力等施工參數(shù)，不斷優(yōu)化注漿方案，動(dòng)態(tài)化注漿施工，最后對(duì)注漿空間進(jìn)行效果評(píng)定、分析，驗(yàn)證優(yōu)化方案的科學(xué)性，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、高效、快速、可控的帷幕注漿目的。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院．大梁隧道斜井工區(qū)出口方向突涌水處理預(yù)設(shè)計(jì)圖．

［2］鐵建設(shè)［2010］241 號(hào) 高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］．

［3］高東波．巖溶富水隧道可控注漿施工技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(6):0172-04．

［4］袁晏仁．動(dòng)水動(dòng)態(tài)信息化注漿施工技術(shù)研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(6):0176-04．

［5］TB10753—210 高速鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)［S］．