改性脲醛樹脂在高黎貢山隧道1號(hào)豎井注漿堵水中的應(yīng)用

賈建波， 姚 暉， 周志輝

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511457； 2. 中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司， 云南 昆明 650011； 3. 中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司， 廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著科技的發(fā)展，超前注漿加固及堵水技術(shù)在隧道施工中得到了普遍應(yīng)用并迅速提升，有效解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下圍巖破碎和地下水豐富問題。國內(nèi)鐵路、公路、礦建、水利等行業(yè)對超前注漿加固、堵水技術(shù)、注漿效果以及安全評(píng)估等方面均有較多研究[1-9]。例如廈門翔安海底服務(wù)隧道F1風(fēng)化槽注漿堵水技術(shù)[1]、龍洲灣隧道富水地層注漿堵水施工技術(shù)及應(yīng)用[2]、深圳益田淺埋暗挖地鐵隧道富水砂層注漿堵水技術(shù)[3]、齊岳山隧道富水溶槽注漿堵水技術(shù)[4]、太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究[5]、山東菏澤龍固煤礦大水工作面注漿堵水技術(shù)[6]等。但對于鐵路豎井施工豎向工作面注漿堵水技術(shù)研究較少，尤其是在閉合—微張裂隙且發(fā)育高壓裂隙水的花崗巖地層[10]中超前注漿技術(shù)研究更少。高黎貢山隧道地處我國西南地區(qū)的橫斷山脈末端，地層年代近、地震頻繁，受地質(zhì)構(gòu)造影響[11]，1號(hào)豎井施工揭示花崗巖裂隙豎向發(fā)育，閉合—微張，地下水發(fā)育且存在隨井深增加水壓成正比增加的特性，采用傳統(tǒng)注漿方式無法保證注漿效果。在高黎貢山隧道1號(hào)豎井超前注漿堵水施工過程中，通過多次方案對比和試驗(yàn)，采用了改性脲醛樹脂，介紹了其在閉合-微張豎向裂隙、高壓富水花崗巖地層超前注漿中的應(yīng)用及取得的效果。

1 工程概況

高黎貢山隧道是我國鐵路重點(diǎn)項(xiàng)目新建大理到瑞麗鐵路保山至端麗段的控制性工程，工程位于云南省龍陵縣，全長34.538 km。為加快施工進(jìn)度并滿足運(yùn)營期間運(yùn)營通風(fēng)、防災(zāi)救援等需要，于D1K205+080附近設(shè)置1號(hào)豎井，采用主副井型式，主井井徑6 m，深762.59 m； 副井井徑5 m，深764.74 m。

受大氣降水及地表水影響，1號(hào)豎井巖層富水性較好，且沒有明顯的隔水層，出水方向、層位無規(guī)律，與井筒外側(cè)存在水力聯(lián)系，且有相對穩(wěn)定的補(bǔ)給，水壓隨井筒深度成正比增加，預(yù)測井筒最大涌水量6 200 m3/d，最大靜水壓力7.6 MPa； 揭示地層巖性為混合花崗巖，巖體致密、塊狀、堅(jiān)硬、局部破碎，陡傾狀裂隙發(fā)育，密閉—微張且充填高嶺土，具有分布不規(guī)律、上下連通性好的特點(diǎn)，顆粒狀注漿材料很難在裂隙中擴(kuò)散。

主、副井分別施工至198.5、135 m時(shí)，鉆孔出水量分別達(dá)112、26 m3/h，嚴(yán)重影響施工。在主副井處相繼開展工作面注漿，但發(fā)現(xiàn)普通水泥漿難以注入。

2 注漿材料比選

2.1 普通水泥

1號(hào)豎井施工至井深130 m時(shí)，超前鉆孔及加深炮孔揭示掌子面前方地下水發(fā)育，水壓2 MPa，存在突水可能。隨后啟動(dòng)工作面注漿，注漿材料選用普通水泥，水灰質(zhì)量比1∶1～2∶1，注漿段高100 m，注漿壓力4～8 MPa，注入水泥漿300 m3，注漿后孔內(nèi)剩余總水量4.6 m3/h，單段開挖后全井筒水量增加最高達(dá)17.2 m3/h。因井筒內(nèi)空間限制及豎井施工工藝影響，井壁漏水大于10 m3/h，對井筒掘砌施工效率影響較大，本段注漿不能滿足現(xiàn)場施工需求。經(jīng)分析主要原因?yàn)椋?1號(hào)豎井所處區(qū)域?yàn)榛旌匣◢弾r，裂隙閉合—微張且充填高嶺土，普通水泥比表面積較大，易在裂隙內(nèi)淤積，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散范圍較小，無法形成有效帷幕。

2.2 超細(xì)水泥

在井深200～600 m處開始采用超細(xì)水泥注漿，水灰質(zhì)量比1∶1～2∶1，注漿段高60～80 m，注漿壓力為2～4倍靜水壓力。經(jīng)更換注漿材料后，本段前期漿液注入量、注漿孔剩余水量、開挖后剩余水量得到有效控制。隨著井筒加深，靜水壓力由2 MPa增加至6 MPa，過程中雖將超細(xì)水泥由800目過渡到1 250目，但仍存在漿液注入量逐漸減小、剩余水量逐漸增大的情況，至井深600 m時(shí)，單段開挖后全井筒水量增加，最高達(dá)到18.6 m3/h，且副井在井深627 m處因突水造成淹井(突水量300 m3/h)，已無法滿足施工需求。經(jīng)分析主要原因?yàn)椋夯◢弾r風(fēng)化形成粒徑更小的高嶺土在裂隙內(nèi)堆積，顆粒性材料較難有效通過裂隙擴(kuò)散，無法形成有效帷幕。

2.3 改性脲醛樹脂

2.3.1 成分組成

1)改性脲醛樹脂(簡稱A液)： 改性脲醛樹脂又稱脲甲醛樹脂，是一種聚合物注漿材料，是尿素和甲醛在加熱以及一定的酸堿度下合成反應(yīng)為脲醛樹脂，其中一羥脲和二羥脲最多。

2)固化劑(簡稱B液)： 一般為草酸與水溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

2.3.2 材料特性

1)脲醛樹脂(UF)，又稱尿素甲醛樹脂，是尿素與甲醛在催化劑(堿性或酸性催化劑)作用下縮聚成初期脲醛樹脂，然后再在固化劑或助劑作用下形成不溶、不熔的末期熱固性樹脂。

2)改性脲醛樹脂滲透性較好，固化后收縮小，穩(wěn)定性較好，強(qiáng)度可達(dá)5 MPa以上，pH為7.0～9.0，固體體積分?jǐn)?shù)≥45%，游離甲醛體積分?jǐn)?shù)≤0.8%(見表1)，凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況通過調(diào)整配合比來達(dá)到。該材料具有黏度低、可注性好等特點(diǎn)，能注入到巖土層中的細(xì)小裂隙或孔隙中并形成良好的擴(kuò)散充填，漿液初凝和固化時(shí)間具有較大的調(diào)節(jié)幅度，適用于礦井、巷道及隔水帶的堵水施工。

表1 脲醛樹脂材料性能指標(biāo)

2.3.3 注漿機(jī)制

改性脲醛樹脂(A液)與固化劑(B液)按照一定配比充分?jǐn)嚢杌旌虾?見表2)，通過注漿泵進(jìn)行超前注漿，漿液充填巖石裂隙、凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度，最終將豎井工作面總水量控制在允許范圍內(nèi)(滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn))，滿足豎井施工注漿堵水要求。

表2 脲醛樹脂配比表(體積比2∶1)

2.4 性能對比及應(yīng)用范圍

主、副井分別施工至198.5、135 m時(shí)，鉆孔出水量分別達(dá)112、26 m3/h，嚴(yán)重影響施工，在主副井處相繼開展工作面注漿。過程中發(fā)現(xiàn)普通水泥漿難以注入，經(jīng)多次試驗(yàn)、掘砌、再試驗(yàn)、再掘砌，最終確定了將“有疑必探”調(diào)整為“有掘必探、先探后掘”、注漿材料為超細(xì)水泥漿的處理原則； 但隨著豎井深度的增加，超細(xì)水泥由最初的800目調(diào)整為1 250目，注入量仍逐漸減少，堵水效果變差。經(jīng)專家會(huì)研討，1號(hào)豎井注漿采用以超細(xì)水泥為主，輔以改性脲醛樹脂補(bǔ)充注漿的注漿原則(不同材料性能見表3)； 隨著豎井深度的增加，靜水壓力逐步增大，超細(xì)水泥已無法注入，600 m之后全部采用改性脲醛樹脂注漿(不同注漿材料應(yīng)用范圍見表4)[12]。

表3 注漿材料性能對比表

表4 不同注漿材料應(yīng)用范圍統(tǒng)計(jì)表

3 注漿方案

3.1 鉆孔布置

每循環(huán)工作面注漿采用1圈孔布置，圈徑為4.6 m，主井26個(gè)孔、副井24個(gè)孔。單數(shù)孔(1序孔)長60 m，雙數(shù)孔(2序孔)長40 m。為最大限度揭穿裂隙，鉆孔軌跡設(shè)置15°切向角，孔底落于井筒荒徑外3 m。

3.2 注漿啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)

沿井筒4個(gè)方位選取4孔作為探水孔(1#、7#、13#、21#)，若單孔出水量大于2 m3/h，或4個(gè)探水孔預(yù)測工作面前方出水量超過10 m3/h，則啟動(dòng)工作面注漿工作； 若單孔涌水量小于2 m3/h，或4個(gè)探水孔預(yù)測工作面前方出水量小于10 m3/h，則再施作4個(gè)探水孔(4#、10#、18#、24#)，若單個(gè)探水孔出水量大于2 m3/h，或4個(gè)探水孔預(yù)測工作面前方出水量超過10 m3/h，則啟動(dòng)工作面注漿，若單孔涌水量小于2 m3/h，或4個(gè)探水孔預(yù)測工作面前方出水量小于10 m3/h，則結(jié)束探水，恢復(fù)井筒掘砌。豎井超前周邊注漿鉆孔如圖1所示，高壓注漿泵如圖2所示。

(a) 鉆孔立面布置圖

(b) 鉆孔平面布置圖

圖2 高壓注漿泵

3.3 注漿壓力

注漿壓力為2～4倍靜水壓力。

3.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿流量20～25 L/min，并持續(xù)10 min以上。

2)注漿后單孔水量小于1 m3/h，各注漿孔總剩余水量小于5 m3/h。

3.5 注漿設(shè)備

根據(jù)高黎貢山隧道超深豎井靜水壓力隨井深增加而加大的特點(diǎn)，豎井工作面注漿選用MKQJ-120/40型潛孔鉆機(jī)，配φ50 mm鉆桿，φ90 mm牙輪沖擊鉆頭或三翼鉆頭，注漿泵采用3TGB型高壓注漿泵[13](見表5)。

表5 注漿主要設(shè)備

3.6 注漿工藝

3.6.1 注漿方式

豎井工作面注漿采用下行式壓入注漿方式。

3.6.2 鉆孔施工

在打鉆前，在φ108 mm孔口管上安設(shè)4″高壓球閥及防突水裝置，鉆進(jìn)過程中，當(dāng)鉆孔涌水量大于2 m3/h時(shí)，暫停鉆進(jìn)，先注漿封水，并記錄鉆孔及注漿情況，鉆孔水量減少至2 m3/h以下時(shí)恢復(fù)鉆進(jìn)直至終孔，終孔水量不得大于1 m3/h。

3.6.3 壓水試驗(yàn)

注漿前對孔口管進(jìn)行壓水試驗(yàn)，用鉆機(jī)掃孔并超過孔口管0.5 m進(jìn)行試壓，采用2倍靜水壓力進(jìn)行耐壓抗?jié)B試驗(yàn)，壓水10～20 min不漏即為合格，合格后正常鉆進(jìn)，否則注漿加固孔口管直到合格為止。同時(shí)可以沖洗巖石裂隙中的充填物，提高漿液結(jié)石體與巖石裂隙面的黏結(jié)強(qiáng)度及抗?jié)B透能力[14]。

3.6.4 注漿

在注漿過程中，注漿壓力分為初期、正常及終壓3個(gè)階段變化，當(dāng)初始質(zhì)量濃度確定后，根據(jù)注漿壓力變化情況，及時(shí)控制注漿量，調(diào)整漿液質(zhì)量濃度及凝膠時(shí)間等，使注漿壓力平緩升高，避免出現(xiàn)較大波動(dòng)，直至達(dá)到注漿終壓和終量，并穩(wěn)定10 min以上。

3.6.5 注漿工藝流程

注漿工藝流程見圖3。

4 注漿效果對比

采用改性脲醛樹脂注漿后，漿液注入量明顯增加，注漿孔掃孔后(注漿后復(fù)鉆)測定孔內(nèi)剩余水量及開挖揭示水量明顯減小，能夠滿足現(xiàn)場施工要求，且注漿孔掃孔次數(shù)明顯減少(見表6)。改性脲醛樹脂注漿后漿液填充見圖4。

圖3 注漿工藝流程圖

表6 各段落注漿效果對比表

圖4 改性脲醛樹脂注漿后漿液填充

5結(jié)論及建議

在高壓富水閉合-微張且充填高嶺土花崗巖巖層中，使用改性脲醛樹脂作為注漿材料，其漿液注入量、注漿孔剩余水量、井壁漏水量較水泥基材料均有較大優(yōu)勢，能夠更好地保證注漿效果，大大降低了豎井施工淹井的風(fēng)險(xiǎn)，確保了豎井施工安全； 同時(shí)，使用改性脲醛樹脂注漿減少了單孔復(fù)鉆復(fù)注次數(shù)，節(jié)約了鉆孔、注漿時(shí)間，工程建設(shè)工期可以得到保證。但該材料凝結(jié)強(qiáng)度不高，在地下水壓力較大的地層中需適當(dāng)增加注漿壓力，使裂隙中有足夠厚度的凝結(jié)體以抵抗水壓，避免開挖時(shí)凝結(jié)體被地下水擊穿。

建議在高壓富水尤其是在閉合-微張花崗巖地層豎井施工中采用改性脲醛樹脂注漿，以確保注漿堵水效果，縮短工期。在材料選擇上，還需進(jìn)一步調(diào)研無醛或低醛的改性脲醛樹脂材料，以有效改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。