化學(xué)注漿在引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞施工過(guò)程中的應(yīng)用研究

張鵬 ZHANG Peng

（中鐵十七局集團(tuán)第二工程有限公司，西安 710000）

0 引言

水工隧洞開挖施工過(guò)程中地下水和松軟巖層是兩大尤為棘手的問題，它們不僅影響了隧洞的穩(wěn)定性，還可能引發(fā)一系列的安全隱患。因此，如何有效治理地下水和松軟巖層[1-2]這兩大工程病害問題，一直是水工隧洞工程施工的主要難題之一。

在水工隧洞中涌水、滲漏及巖層穩(wěn)定工程病害問題若不得當(dāng)處理，不僅影響工程進(jìn)度與質(zhì)量，更可能帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。目前，注漿堵漏技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道施工中的涌水治理、變形縫滲漏控制以及漏水維修加固等多個(gè)方面?；瘜W(xué)注漿堵水技術(shù)[3-4]以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高滲透性、快速凝固和優(yōu)秀的封堵效果等，扮演著至關(guān)重要的角色。在隧道施工中[5]，該技術(shù)能夠有效封堵地下水涌入，保障施工的安全與順利進(jìn)行；在變形縫滲漏治理中[6]，注漿材料能夠填充縫隙，形成有效的止水屏障；而在漏水維修加固中[7-8]，注漿技術(shù)則能夠強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，提高耐久性。然而，盡管化學(xué)注漿堵水技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在輸水隧洞施工過(guò)程中的具體應(yīng)用仍顯得相對(duì)零散，缺乏系統(tǒng)深入的研究。

以引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞工程K67+163.517～K75+286 段為背景，針對(duì)K68+835～K68+851 段開挖掌子面挖穿透水帶，導(dǎo)致掌子面及邊墻涌水問題，提出采用化學(xué)注漿技術(shù)進(jìn)行涌水堵漏處理，以解決輸水隧洞施工中涌水問題。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞工程起點(diǎn)K67+163.517，終點(diǎn)K75+286，全長(zhǎng)8.122km，隧洞設(shè)計(jì)流量70m3/s，結(jié)構(gòu)橫斷面形式為弧形仰拱平底結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)采用錨噴支護(hù)，C30 鋼筋混凝土襯砌。開挖掌子面挖穿透水帶，位于隧洞K68+835～K68+851 約16m 范圍，節(jié)理密集部出現(xiàn)環(huán)狀透水帶；多處點(diǎn)片狀滲漏，順?biāo)鞣较蜃髠?cè)底板距邊墻1.5m左右成管狀外涌，出水量約300m3/h，涌水壓力約1.5MPa；右側(cè)邊墻起拱線以上1.6m 處片狀出水，出水量約90～100 m3/h，涌水壓力約1.0MPa；右側(cè)邊墻1.0m 左右，成片狀外噴，出水量約250～300m3/h，涌水壓力約1.0MPa；掌子面大部零星散狀分布較小掛簾滲漏點(diǎn)，漏量較小，出水量約30～90m3/h 左右，滲漏總體出水量約800～1000m3/h 左右。透水源頭估計(jì)為地表及山體含水，透水量經(jīng)過(guò)近一年流失，出水點(diǎn)集中在底板16m 范圍內(nèi)，整個(gè)透水環(huán)帶各主要漏水點(diǎn)不排除相互串通可能。

針對(duì)隧洞K68+835～K68+851 段開挖掌子面及邊墻涌水問題，提出采用化學(xué)注漿技術(shù)來(lái)進(jìn)行堵漏處理。首先通過(guò)對(duì)節(jié)理密集帶2m 寬初支進(jìn)行鑿除，準(zhǔn)確揭示密集帶，并將節(jié)理密集帶2m 寬范圍劃分為I 區(qū)，其余范圍劃分為Ⅱ區(qū)。Ⅰ區(qū)土建部分先行實(shí)施，Ⅱ區(qū)注漿布孔9 環(huán)，共309孔，單環(huán)布設(shè)26 至40 孔，孔排距0.93m×2.05m，孔徑90mm，鉆孔方向垂直巖面。Ⅰ、Ⅱ區(qū)化學(xué)注漿孔布置示意圖如圖1 所示。

圖1 Ⅰ、Ⅱ區(qū)化學(xué)注漿孔布置示意圖

2 漿液制備關(guān)鍵技術(shù)研究

化學(xué)注漿堵水技術(shù)的關(guān)鍵在于注漿管的精確埋設(shè)、化學(xué)漿液的高質(zhì)量制備以及注漿過(guò)程的細(xì)致實(shí)施。以引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞K68+835～K68+851 段為例，提出涌水堵漏處理關(guān)鍵技術(shù)，包括精確布設(shè)注漿管、優(yōu)化制備化學(xué)漿液和精細(xì)實(shí)施注漿過(guò)程，以確保有效封堵涌水，保障隧洞安全。

2.1 注漿材料

單液為親水性速凝快脹注漿液，密度1.185g/cm3，抗壓強(qiáng)度55MPa，凝固時(shí)間155s，閉縫精鋼水不漏，初凝55s，終凝1.2min，1 小時(shí)抗壓強(qiáng)度40.5MPa，抗折6.2MPa，3d 抗壓強(qiáng)度71.9MPa，抗折12.MPa，7d 抗?jié)B＞1.5MPa；硅酸鈉溶液，密度1.32g/cm3，波美度35Be，緩凝劑摻量2%；普通硅酸鹽水泥PO42.5。

2.2 漿液制備

漿液制備主要步驟如下：①集中制漿臺(tái)車供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)漿液，水灰比0.5:1，通過(guò)專業(yè)管路即時(shí)送至注漿臺(tái)車，制漿臺(tái)車就近設(shè)置，確保供漿迅速且滿足需求；②嚴(yán)格控制固相材料稱量誤差在5%以內(nèi)，保障漿液質(zhì)量；③高速攪拌普通漿液至少30 秒，輸漿流速1.4～2.0m/s，使用NB-1 型泥漿比重儀監(jiān)測(cè)漿液密度，并根據(jù)需求調(diào)整水灰比；④漿液使用前過(guò)篩，標(biāo)準(zhǔn)漿液使用時(shí)間不超過(guò)4 小時(shí)，細(xì)水泥和穩(wěn)定漿液在2 小時(shí)內(nèi)使用完畢，且保持漿液溫度在5℃～40℃之間，確保漿液性能穩(wěn)定。

3 化學(xué)注漿關(guān)鍵技術(shù)及工藝

3.1 注漿關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1初支刻槽

密集帶堵水處理長(zhǎng)度27m，需要注漿處理的長(zhǎng)度為16m，注漿結(jié)束后再進(jìn)行二次襯砌。節(jié)理密集帶中心部位，沿發(fā)育方向刻槽，底板采用履帶式破碎錘鑿除，邊墻頂拱部位采用人工電鎬鑿除，向縫隙兩側(cè)各延伸1m，垂直鑿深30cm，形成一條寬2m，深30cm 帶狀溝槽，揭露出完整的節(jié)理帶，使用高壓水槍清洗溝槽裂隙至巖面干凈。

3.1.2聚流

根據(jù)造孔漏點(diǎn)滲流量情況，大漏點(diǎn)采用直徑φ50mm～φ90mm，小漏點(diǎn)采用直徑φ25mm～φ50mm 無(wú)縫厚壁鋼管，管長(zhǎng)1.5m，一端帶螺紋，以便于后期安設(shè)變徑管節(jié)實(shí)施注漿，預(yù)埋化學(xué)注漿管示意圖如圖2 所示。

圖2 注漿管埋設(shè)示示意圖

當(dāng)漏點(diǎn)水流過(guò)大導(dǎo)致預(yù)埋注漿管難以實(shí)施時(shí)，須準(zhǔn)備單層純壓氣囊式栓塞應(yīng)急處理備選方案，迫使水流匯聚至栓塞芯管流出，栓塞周邊的小漏點(diǎn)使用快硬水泥進(jìn)行封閉，氣囊塞樣式示意圖如圖3 所示。對(duì)于較大漏點(diǎn)難以埋設(shè)預(yù)埋管時(shí)，采用模袋法埋設(shè)預(yù)埋管，注漿模袋示意圖如圖4 所示。

圖3 氣囊塞示意圖

圖4 注漿模袋示意圖

3.1.3閉縫

預(yù)埋完畢注漿管之后須閉縫，對(duì)仍有局部細(xì)流或可能被注漿擊穿的薄弱部位須進(jìn)行二次封閉，同封閉預(yù)埋管周邊散流方法一致。

3.1.4鎖縫錨桿及網(wǎng)片施工

順節(jié)理刻槽環(huán)帶裂隙走向，向外側(cè)50cm 距離布置鎖縫錨桿，錨桿排距1.0m，間距1m×1m，錨桿布置數(shù)量依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理走向確定，錨桿孔造孔過(guò)程中可能出現(xiàn)涌水情況，須使用快硬錨固劑進(jìn)行錨桿安設(shè)，節(jié)理密集帶共布設(shè)66 根錨桿，與鋼筋網(wǎng)片牢靠焊接，錨桿布置示意圖如圖5所示。

圖5 鎖縫錨桿布置示意圖

3.1.5封閉混凝土施工

在不侵占二次襯砌截面的情況下，Ⅰ區(qū)邊頂刻槽采用電鎬鑿除加噴射混凝土方法實(shí)施，最后一次噴射完畢之后用不銹鋼平板搓板在噴混凝土表面提漿抹平，使噴錨料盡量平順光滑，以起到止?jié){效果。

3.2 注漿工藝

3.2.1注漿準(zhǔn)備

搭設(shè)四個(gè)施工平臺(tái)存儲(chǔ)化灌材料、水泥漿液拌制、注漿機(jī)具擺設(shè)及注漿管頭安裝。應(yīng)在作業(yè)面附近搭設(shè)專門的存儲(chǔ)平臺(tái)，防雨布覆蓋，化學(xué)注漿材料防止長(zhǎng)時(shí)間裸露于空氣而凝結(jié)失效。

3.2.2注漿參數(shù)

注漿壓力2～3MPa，純水泥漿液水灰比2：1、1:1、0.5:1（質(zhì)量比），雙液（體積比）1:1，結(jié)束注漿屏漿時(shí)間10min。當(dāng)注漿材料連續(xù)灌注達(dá)3t/m 時(shí)，采取間歇注漿，讓注入到節(jié)理裂中的漿液適當(dāng)回頭沉淀填充，避免浪費(fèi)材料，間歇時(shí)間1 小時(shí)。

4 注漿技術(shù)應(yīng)用及效果

4.1 Ⅱ區(qū)注漿

依據(jù)監(jiān)測(cè)的涌水?dāng)?shù)據(jù)安裝孔口壓力表，測(cè)試涌水壓力及流量，確定注漿壓力。根據(jù)測(cè)得的涌水壓力及涌水量的大小，確定采用單液純水泥漿液、快速膨脹單液還是雙液漿。雙液注漿采用兩臺(tái)機(jī)具同時(shí)灌注兩種不同的漿液材料，在孔內(nèi)匯合，兩種材料在裂隙內(nèi)匯合延伸滲流快速凝固。注漿時(shí)預(yù)埋管栓塞部位徐值班人員值班，與高壓泥漿泵操作手配合，啟動(dòng)泥漿泵，同時(shí)開啟管頭閘閥，時(shí)刻關(guān)注注漿壓力及進(jìn)漿量，壓水灌漿測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)采集壓力、流量、密度等數(shù)據(jù)，每5min 記錄一次讀數(shù)，Ⅱ區(qū)未滲水的孔段，采用較稀漿液開灌，注漿壓力不變。

4.2 Ⅰ區(qū)注漿

Ⅱ區(qū)注漿實(shí)施結(jié)束之后，開始Ⅰ區(qū)注漿，主要實(shí)施方法同Ⅱ區(qū)，待止?jié){墻混凝土達(dá)到80%強(qiáng)度之后即可進(jìn)行。注漿開始，無(wú)壓力無(wú)回漿時(shí)，不得隨意終止注漿，易導(dǎo)致注漿事故。開注漿時(shí)根據(jù)涌水壓力及涌水量，注漿壓力較涌水壓力大0.3～0.5MPa 進(jìn)行灌注，保障漿液順利推進(jìn)，有效控制漿液擴(kuò)散半徑，大吸漿率孔段進(jìn)漿量控制在30～70L/min。相鄰或者較低部位管頭出現(xiàn)冒漿，且漿液返濃時(shí)，關(guān)閉冒漿管頭閘閥進(jìn)行屏漿，待施灌管頭達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，冒漿管頭視為達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)束注漿。

4.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

壓力逐步上升直至設(shè)計(jì)最大壓力，回漿流量逐漸增大，吸漿率逐漸減少，吸漿率小于等于5L/min，壓力達(dá)到2～3MPa 時(shí)，閉漿10min 即可結(jié)束注漿。

5 結(jié)論

通過(guò)開展化學(xué)注漿在引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞施工過(guò)程中的應(yīng)用研究，給出了化學(xué)注漿技術(shù)在輸水隧洞施工過(guò)程中進(jìn)行涌水堵漏處理的主要方法。首先，對(duì)節(jié)理密集帶2m 寬初支進(jìn)行鑿除，準(zhǔn)確揭示密集帶，并將節(jié)理密集帶2m 寬范圍劃分為I 區(qū)，其余范圍劃分為Ⅱ區(qū)。其次，給出了先完成Ⅱ區(qū)后I 區(qū)以及I、Ⅱ區(qū)拱頂、邊墻、底板的注漿順序。最后，對(duì)化學(xué)注漿堵漏涌水工程病害問題完成后的效果做了科學(xué)的評(píng)估，結(jié)果已達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

通過(guò)化學(xué)注漿在引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞開挖掌子面及邊墻涌水問題處理中的成功應(yīng)用，說(shuō)明該技術(shù)可以做到用于指導(dǎo)化學(xué)注漿在輸水隧洞施工過(guò)程中涌水堵漏處理，為今后類似輸水隧洞工程中的涌水堵漏處理提供借鑒。