膜袋法高壓分段注漿技術(shù)在隧洞突泥治理中的應(yīng)用

(浙江省隧道工程公司，浙江 杭州　310012)

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的深入、環(huán)保意識(shí)的提高、技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，注漿技術(shù)在地下工程建設(shè)中得到快速的推廣和應(yīng)用，并且逐漸成為突水突泥災(zāi)害治理的最主要技術(shù)手段之一。本文主要探討隧道斷層突水突泥高壓注漿治理技術(shù)，將該治理技術(shù)體系應(yīng)用于龍津溪引水工程隧洞F48和F52斷層突水突泥的治理，取得了實(shí)效性結(jié)果。

1　工程突水突泥概況

1.1　工程概況

龍津溪引水隧洞全長(zhǎng)為13587m，開(kāi)挖洞徑為底寬3.0m、直徑3.9m的擴(kuò)底圓形斷面，隧洞山體雄厚，隧道最大埋深達(dá)670m，沿線(xiàn)地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育。地下水豐富，隧洞均位于地下水位以下，共有記錄16條大斷層，本文主要介紹F52斷層和F48斷層。F52：NE35°，SE∠78°，寬2～3m，充填碎裂巖，帶內(nèi)巖體極破碎；F48：NW295°，SW∠75°，寬1～2m，充填碎裂巖，帶內(nèi)巖體極破碎，地表形成沖溝。

地質(zhì)勘探顯示F52和F48是兩條平行斷層，斷層之間有200m Ⅳ～Ⅴ類(lèi)圍巖，樁號(hào)范圍大致為3+000-2+800，隧洞埋深約為200m，隧洞均處于地下水位線(xiàn)以下，地表形成寬度大于100m的沖溝。

1.2　斷層帶突水涌泥情況

在開(kāi)挖及支護(hù)至樁號(hào)2+945時(shí)(F48斷層附近)，由于地質(zhì)原因工作面發(fā)生較大碎石狀塌方，并伴有大量涌水。經(jīng)初步支護(hù)后，在清理塌方體工作平臺(tái)的過(guò)程中，工作面發(fā)生泥石流狀塌方，泥石流塌方體沖出工作面80余m遠(yuǎn)，挖裝機(jī)、梭礦、電瓶機(jī)車(chē)、注漿機(jī)等設(shè)備被淹埋，工程停工。由于繼續(xù)施工的難度非常大，確定將隧洞軸線(xiàn)往右側(cè)進(jìn)行改線(xiàn)施工。

改線(xiàn)施工在右側(cè)軸線(xiàn)樁號(hào)2+946(F48斷層附近)施工過(guò)程中突發(fā)涌水，初始5h異常平均涌水量達(dá)675m3/h，整個(gè)隧洞被突水淹沒(méi)，淹沒(méi)水深約1m，大量施工設(shè)備被水浸泡，造成工程停工5個(gè)月。后期水量基本穩(wěn)定在350～400m3/h的涌水量。

為確保下步順利穿越斷層帶，保證施工安全，采用TGP地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)塌方區(qū)進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果顯示，2+946～2+908段長(zhǎng)58m范圍為斷層區(qū)，初步推斷為泥質(zhì)細(xì)砂巖與花崗巖侵入體交接帶，從已突出泥石流成分看，斷層帶內(nèi)充填糜棱巖、斷層泥及花崗巖壓碎體，2+946及2+908處兩組節(jié)理在俯視及側(cè)視兩個(gè)方向均成X形交夾。斷層充填物在地下高壓力水的作用下極易產(chǎn)生泥石流狀塌方。基于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，經(jīng)多方討論，決定從樁號(hào)3+062開(kāi)始，向隧洞左側(cè)改線(xiàn)施工穿越破碎帶。

2　注漿方案的選擇和設(shè)計(jì)

2.1　注漿方案的選擇

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，前方地質(zhì)狀況基本可以確定存在大量地下水和強(qiáng)風(fēng)化淤泥帶，先后采用管棚、小導(dǎo)管注漿、鋼拱架和錨網(wǎng)噴等支護(hù)措施，但這些措施均以失敗告終，最后經(jīng)過(guò)各方討論決定采用膜袋法高壓分段超前預(yù)注漿技術(shù)。

膜袋法高壓分段超前預(yù)注漿技術(shù)在隧洞超大涌水地層和大壩堵漏方面應(yīng)用較多，且有較多成功案例。如水電七局運(yùn)用膜袋法灌漿技術(shù)，在錦屏二級(jí)電站隧洞進(jìn)行堵水灌漿，但該技術(shù)還沒(méi)有形成正規(guī)的理論，在膜袋材料、鉆孔形式、注漿壓力和漿液配比等方面沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范要求，主要依靠以前的成功經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行綜合確定。

2.2　注漿方案的設(shè)計(jì)

為避免此類(lèi)現(xiàn)象的再次發(fā)生，項(xiàng)目部在改線(xiàn)施工后，預(yù)計(jì)將到達(dá)斷層帶前，采用地質(zhì)雷達(dá)與超前鉆孔探測(cè)相結(jié)合的方法，來(lái)探明前方斷層帶的寬度及地下水情況。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，項(xiàng)目部在已探明的斷層帶前6m即停止挖洞，采用提前預(yù)留的6m洞段作為安全巖塞段和超前注漿止?jié){墻，提前進(jìn)行超前注漿。

注漿工藝的選擇對(duì)注漿效果起到?jīng)Q定性作用。膜袋法高壓分段注漿一般按“先近后遠(yuǎn)、先下后上、先外后內(nèi)”的順序進(jìn)行?？紤]該工程有涌水、突泥等影響，單孔采用一次打孔、膜袋分段、分段注漿；在工作面的前進(jìn)方向采用分段注漿，技術(shù)要點(diǎn)為“逐段鉆孔、注漿交替”。在注漿結(jié)束后，如果外層泄壓管仍有水滲出，需要時(shí)可進(jìn)行二次高壓力注漿加固。

膜袋法超前分段注漿主要有以下兩個(gè)方面的作用：

a.在隧洞前進(jìn)方向，通過(guò)膜袋分段，逐段加固，壓入水泥水玻璃雙漿液到斷層帶中，充填裂隙、擠密斷層充填物，達(dá)到改良和加固地層的作用。

b.通過(guò)對(duì)斷層充填物的擠密、加固作用，降低地層的空隙率和滲透系數(shù)，提高地層強(qiáng)度和整體性，起到堵水的作用。

3　膜袋法高壓分段注漿方案的應(yīng)用

3.1　注漿加固前的準(zhǔn)備工作

隧洞一旦發(fā)生突涌，圍巖整體穩(wěn)定性會(huì)急劇劣化，因此為確保實(shí)施注漿加固作業(yè)時(shí)能安全平穩(wěn)進(jìn)行，在注漿加固作業(yè)前須采取必要的安全保障措施，包括排水措施、止?jié){巖墻的施作以及圍巖補(bǔ)強(qiáng)加固等。

3.1.1引排卸壓

注漿加固時(shí)，漿液順圍巖裂隙網(wǎng)絡(luò)不斷的脈動(dòng)充填直至遠(yuǎn)處，巖體中原有的孔隙通道被高壓漿液占據(jù)，一旦高壓漿液的壓力突破圍巖穩(wěn)定極限，極有可能產(chǎn)生次生崩塌或突涌事故。因此，必須在注漿加固作業(yè)的同時(shí)進(jìn)行引流排水，確保注漿時(shí)圍巖承受較小的注漿壓力。而引排措施如果僅布置在圍巖淺部，則有可能造成圍巖完整性下降，并容易誘發(fā)機(jī)械潛蝕、滲流破壞，進(jìn)而造成圍巖劣化失穩(wěn)。因此，為確保安全有效地引排減壓，鉆孔必須深入圍巖內(nèi)部，在相對(duì)完整、穩(wěn)定的圍巖區(qū)布置深部鉆孔，在水力通道的上游部位或水頭較高區(qū)域以泄壓的方式降低高壓漿液對(duì)圍巖的脈沖壓力。

3.1.2補(bǔ)強(qiáng)加固

除通過(guò)引排卸壓外，為確保止?jié){巖墻后方圍巖的整體穩(wěn)定，避免高壓漿液導(dǎo)致圍壓劣化，有必要對(duì)止?jié){巖墻后圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，防止其在高壓漿液的擾動(dòng)下產(chǎn)生崩塌事故。因此，為保證圍巖穩(wěn)定以及作業(yè)員工、設(shè)備的安全，實(shí)施注漿前需對(duì)止?jié){巖墻后方局部范圍進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

3.2　注漿方案的布置設(shè)計(jì)

a.全斷面鉆孔布置分四序進(jìn)行，分別為A、B、C、D，如圖1所示。A序號(hào)布置在開(kāi)挖輪廓上，鉆孔外插角45°，單孔深10m；B序孔布置在A序孔內(nèi)50cm，外插角30°，單孔深12m；C序號(hào)布置在B序孔內(nèi)80cm，外插角15°，單孔深15m；D序孔布置在斷面最內(nèi)部，鉆孔角度0°，單孔深15m，如圖2所示。

圖1　鉆孔布置 (單位：cm)

圖2　D序孔布置斷面

鉆孔布置外插角度及深度以達(dá)到開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外0.5～1倍洞徑注漿范圍為佳，小斷面通常為3～5m，大斷面為5～10m。每循環(huán)注漿完成后，開(kāi)挖過(guò)程中需預(yù)留已注漿加固段4～6m作為下一循環(huán)超前注漿的止?jié){墻。

b.鉆孔及注漿參數(shù)。鉆孔設(shè)備采用YG70型鑿巖鉆機(jī)，配套φ73mm鉆桿，φ90mm潛孔錘和配套鉆頭，采用鉆孔與注漿同步進(jìn)行的施工方法，即鉆完一孔后隨即裝管注漿。A序號(hào)環(huán)向間距40cm，共43孔；B序號(hào)環(huán)向間距60cm，共23孔；C序孔環(huán)向間距80cm，共10孔；D序孔共4個(gè)。每循環(huán)注漿完成后，布置3個(gè)檢查孔，總計(jì)83孔。

注漿使用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比0.5∶1～1∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.3。水泥使用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度35°Bé。注漿最大壓力15MPa。單孔注漿分2～3個(gè)注漿段進(jìn)行，以“從下至上、由淺到深、分段灌注”的順序注漿施工。A、B序孔單孔分兩個(gè)注漿段；C、D序孔單孔分三個(gè)注漿段進(jìn)行注漿。

4　注漿方案施工

4.1　鉆孔

鉆孔采用YG70型鑿巖鉆機(jī)，根據(jù)鉆孔情況，若能一次完成鉆孔，立即按計(jì)劃在孔內(nèi)安裝分段灌漿裝置等待注漿，每孔段的注漿都需通過(guò)孔內(nèi)的預(yù)埋裝置進(jìn)行；若不能一次成孔，則需分次進(jìn)行(亦可采用跟管鉆進(jìn)工藝)，按照上述方法進(jìn)行施工，達(dá)到最終的效果。注漿孔內(nèi)預(yù)埋裝置如圖3所示。

圖3　注漿孔內(nèi)預(yù)埋裝置1、2-1寸注漿管；3、4-4分壓漿阻塞注漿管；5-鉆孔；6-膜袋阻塞段

4.2　注漿設(shè)備、材料及布置方式

普通的注漿設(shè)備多用于小導(dǎo)管注漿，壓力有限，而為了完成較大范圍內(nèi)的帷幕注漿，必須采用較大的壓力，工程應(yīng)用中特制了高壓設(shè)備：最大壓力可達(dá)30MPa的高壓泵；為配合雙液的混合控制，工程中研發(fā)了一種手控液壓泵來(lái)控制水玻璃的輸入；水泥漿的攪拌采用常規(guī)高速攪拌機(jī)。

一般工程中注漿材料直接選擇可注性較好且施工方便的普通水泥漿液，但是其聚凝性較差，容易稀釋?zhuān)贿m宜該工程的高壓富水環(huán)境。根據(jù)工程圍巖地質(zhì)條件，綜合分析，選擇可注性較好，且凝膠時(shí)間方便調(diào)控，經(jīng)濟(jì)性良好，可實(shí)現(xiàn)在高壓富水?dāng)鄬訋?nèi)快速驅(qū)水并加固圍巖的水泥基水玻璃雙液漿最為合適。其缺點(diǎn)是長(zhǎng)期耐久性較差，只適合短期快速封堵加固使用，后期圍巖的支護(hù)加固仍需重視。水泥漿液與水玻璃使用在鉆孔內(nèi)預(yù)埋的注漿管管口，通過(guò)三通混合后注入孔內(nèi)，水玻璃通過(guò)高壓在注漿管內(nèi)形成噴射狀與水泥漿液混合。水泥水玻璃管內(nèi)混合裝置如圖4所示。

圖4　水泥水玻璃管內(nèi)混合裝置

4.3　注漿管注漿支護(hù)設(shè)計(jì)及施工

該工程隧洞斷面形狀為馬蹄形，注漿孔的布置型式宜采用門(mén)形。

考慮到隧洞內(nèi)圍巖條件較差，為保證注漿的可靠性，宜適當(dāng)加大注漿范圍，分段注漿為宜。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，分段注漿間距選擇3m，可一次性注漿9-15m。注漿選用鋼管，通常采用3～20m長(zhǎng)度范圍的DN25mm或DN20mm鋼管。

為保證漿液能有效壓制高壓水頭并成功驅(qū)離地下水，實(shí)際灌注壓力必須大于理論最大靜水壓力，并在此基礎(chǔ)上增加壓力以保證可注性，根據(jù)工程地下水參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終選定注漿壓力為10～15MPa。

注漿孔直徑宜根據(jù)注漿管外徑，一次分段包扎鋼管數(shù)量，膜袋膨脹預(yù)留空間以及現(xiàn)場(chǎng)條件綜合選用，該工程根據(jù)實(shí)際情況最終選擇90mm孔徑。為保證漿液的擴(kuò)散加固范圍，注漿孔應(yīng)沿洞周輪廓向外側(cè)傾斜處理，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，破碎地層中高壓注漿外插角以5°～10°為宜，巖性差取高值，特別差的地段可適當(dāng)提高角度。

對(duì)于長(zhǎng)大范圍的斷層破碎帶，需要分次分段多次注漿通過(guò)，為保證每一循環(huán)后預(yù)留止?jié){墻的有效厚度滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，前后兩次注漿作業(yè)時(shí)，注漿管需保證至少3m的搭接距離，巖性特別差的地段，可適當(dāng)加大。該工程根據(jù)圍巖實(shí)際狀態(tài)選擇3～5m搭接長(zhǎng)度。為保證注漿的均勻有效，注漿管在環(huán)向上需保證不超過(guò)最大間距，此最大間距應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)注漿試驗(yàn)后選取，通常最大為0.35～0.4m，地下水特別豐富時(shí)排距取小值。

為防止作業(yè)時(shí)掌子面漏漿，注漿施工前應(yīng)對(duì)掌子面采取噴混凝土方式進(jìn)行封閉處理。漿液灰水比根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，選擇0.8∶1、1∶1和1∶1.5三個(gè)等級(jí)，注入時(shí)漿液由稀至濃分級(jí)施工，以保證驅(qū)水及加固的綜合效果。

注漿作業(yè)開(kāi)始后，應(yīng)有專(zhuān)人負(fù)責(zé)記錄各項(xiàng)參數(shù)，嚴(yán)格控制注漿壓力、注漿量。孔口壓力過(guò)高則易導(dǎo)致工作面爆裂，因此，在各注漿管已經(jīng)滿(mǎn)足注入量、孔口壓力接近限值時(shí)需及時(shí)終止注漿作業(yè)，并以孔口壓力為第一控制條件。

注漿完成后需及時(shí)封堵孔口以免漿液返流，然后必須檢查作業(yè)的實(shí)際注入效果，不滿(mǎn)足基本要求時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注。為保證漿液充分凝固，開(kāi)挖掘進(jìn)工序必須在8h后進(jìn)行。每一循環(huán)后止?jié){巖墻的保留厚度需保證3～5m，加固后若圍巖條件好可取小值，否則取高值。

5　膜袋法高壓分段注漿需注意問(wèn)題

5.1　超前探水

超前探水系采用直接鉆孔觀測(cè)的方法對(duì)掌子面前方區(qū)域地質(zhì)條件、水文條件進(jìn)行探查的有效方法，可作為注漿實(shí)施前注漿參數(shù)確定的重要依據(jù)，施工中必須要高度重視，精心實(shí)施。

5.2　止?jié){巖墻

為保證注漿堵水的效果，以及施工的順利進(jìn)行，注漿作業(yè)時(shí)必須有一定厚度的安全密閉的止?jié){巖墻，以保證注漿時(shí)漿液不亂竄，且能抵抗注漿反力以免產(chǎn)生次生塌方或突涌危險(xiǎn)。因此，每一注漿循環(huán)必須保證有效的搭接間距，開(kāi)挖時(shí)必須保證預(yù)留足夠的止?jié){巖墻厚度。

5.3　漿液配合比

理論上水泥基的水玻璃雙液漿通過(guò)不斷的調(diào)整其配合比，可以控制不同的膠凝時(shí)間，比如20s到3min不等。但實(shí)際施工過(guò)程中，在斷層破碎帶高壓富水環(huán)境里，漿液易被稀釋?zhuān)移扑閹?nèi)巖屑、巖粉較多，漿液易與各種礦物質(zhì)混合而發(fā)生反應(yīng)，從而影響其實(shí)際膠凝時(shí)間。因此，實(shí)踐中需要進(jìn)行預(yù)注漿試驗(yàn)，觀察其實(shí)際效果，并分析原因，及時(shí)調(diào)配，以期取得符合工程實(shí)際情況的配合比參數(shù)。

5.4　工藝原則

不同的圍巖條件，要求不同的注漿工藝，及不同的注漿原則和參數(shù)。根據(jù)工程實(shí)踐表明，膜袋法高壓分段注漿的綜合目的一是驅(qū)水，二是加固。驅(qū)水要求施工中能將地下水在橫向上由近處往遠(yuǎn)處、圍巖深處不斷驅(qū)離，縱向上從下部往上部驅(qū)離，在高壓富水環(huán)境下，為防止突涌事故，要求能快速的在洞身外圍形成一個(gè)有效的安全防護(hù)圈。因此，驅(qū)水加固要求按照一定的順序進(jìn)行作業(yè)，通常應(yīng)按照“先近后遠(yuǎn)、先下后上，先外后內(nèi)”的原則操作，注漿壓力也相應(yīng)的循序漸進(jìn)，逐步升高。

為達(dá)到在富水?dāng)鄬悠扑閹е序?qū)水及加固的目的，考慮到雙液漿易短時(shí)間內(nèi)快速凝結(jié)而堵塞圍巖裂隙，對(duì)漿液的充分?jǐn)U散有不利影響，根據(jù)工程實(shí)踐總結(jié)，發(fā)現(xiàn)采用交替進(jìn)行單漿液與雙漿液注入效果更佳，單漿液可保證有效擴(kuò)散范圍，雙漿液可保證有效封堵加固，二者相得益彰。為保證注漿量及注漿效果，建議先采用單漿液注入，再進(jìn)行交替注漿。注漿效果的檢查應(yīng)在注漿結(jié)束后通過(guò)檢查孔及時(shí)查看。

6　總　結(jié)

通過(guò)該工程的實(shí)踐和應(yīng)用，可以看到膜袋法高壓分段注漿技術(shù)在處理隧洞地質(zhì)災(zāi)害方面效果顯著，特別是在處理塌方和堵水方面，高壓分段注漿技術(shù)的核心是如何快速有效的加固前方的不良地質(zhì)災(zāi)害體；高壓分段注漿技術(shù)雖然在工程上已在運(yùn)用，但相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不是很健全，需要根據(jù)工程的實(shí)際情況和以往工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定；高壓灌漿技術(shù)壓力較高，須做好安全防護(hù)和變形監(jiān)測(cè)工作。

鄭敬云.廈平華.地下暗挖專(zhuān)項(xiàng)施工中不良地質(zhì)段的處理預(yù)案分析[J].水利建設(shè)與管理,2016(8).