软岩隧道突水涌泥段动态化注浆施工探讨

王平安

(中铁二十局集团 第三工程有限公司，重庆 401121)

0 引言

新建兰新铁路甘青段大梁隧道地质构造复杂，开挖后隧道进、出口及斜井工区先后进入板岩地层，岩体破碎至极破碎，挤压挠曲特征明显，岩质软弱，成岩性差，围岩大变形明显。期间大梁斜井辅助正洞出口方向软岩地层连续发生多次大规模突水、涌泥，造成施工机具、衬砌台车等被淹没等险性事件。在该段采用了大管棚+帷幕注浆堵水加固技术，由于富水地层软岩具有泥化特征，为了加强对帷幕注浆效果的可控性，实现“封堵地下水、固结软弱地层”的核心目标，施工中采用综合超前地质预报手段，综合分析前方水体分布、围岩地质等参数，在全面掌握可靠地质参数的前提下，开展动水动态化注浆施工，不断优化注浆方案，通过调整注浆材料和浆液配比、注浆量和注浆压力等施工参数，做到了现场动态注浆施工，实现科学、高效、可控帷幕注浆。

1 工程概况

新建兰新铁路双线甘青段大梁隧道(DK328 +820 ～DK335 +370)全长6 550 m，位于青海省门源县，地处大梁中高山区，平均海拔3 600 ～4 200 m，轨面最高海拔3 607．40 m，是全线最高点，洞身地表起伏较大，最大埋深780 m。为双线大断面Ⅰ级风险隧道，V 级围岩，开挖断面为152 m2。

隧道穿越奥陶系中统砂岩、灰岩、板岩，地质构造复杂，新构造运动强烈，褶皱、断裂发育;洞身穿越1条区域断裂构造F5 以及一处向斜构造。施工中隧道进、出口及斜井工区先后进入灰黑色板岩地层，薄层状，节理极发育，挠曲特征明显，岩质软弱，岩体极破碎，成岩性差，大变形明显。经科研单位测试，大梁隧道斜井工区为极高地应力，出口工区为高地应力。

2 突水涌泥

2．1 突水涌泥情况

大梁隧道斜井辅助正洞出口方向自从2013 年3 月30 日23:50 首次在DK332 +266 右侧拱腰突发涌水以来，分别于4 月23 日、5 月22 日、5 月23 日、7 月31 日、8 月1 日发生较大规模涌水突水、突泥现象，累计达17 次。最大涌水量约为4 万m3/d，正常涌水量约为13 000 m3/d，瞬时突石量达2 万m3/6 min，先后造成数台挖掘机、装载机和1 台衬砌台车及部分机具、仪器被冲毁，见图1。

2．2 突水机理分析

突水涌泥点位于向斜、背斜交叉段，地层处于强风化灰岩、薄层状板岩交替互层带，节理裂隙发育，围岩具有明显遇水极易软化、泥化之特征，且与地表具有汇水条件的、大范围的雪山相连通，一旦隧道开挖形成临空面，在高压水作用下，软化岩体顺层崩溃冲出，是隧道内形成突水、突泥(石)等泥石流型突发灾害的物质条件。

图1 大梁隧道斜井出口方向3．30 ～8．1 日期间数次突水、突石

据现场勘察，该地区海拔高，隧道埋深约400 m，山顶常年积雪，在断层带地表水大量渗入地下，水位抬高，水压增大，一旦超过隧道围岩的承受能力，就会造成岩体崩溃，是造成该灾害的直接诱发因素。

2．3 突水涌泥处理方案

突水涌泥后，斜井辅助正洞出口方向掌子面施工中断。经多次专家考察现场实际情况，按照“排水释压、注浆加固、管棚支护”的原则，首先高位引水，之后上中台阶帷幕注浆封堵，管棚支护的方案进行突水段处理。具体施工方案为:左侧迂回平导及平导(含平导内侧位泄水支洞)超前+右侧高位泄水洞+正洞塌体帷幕注浆管棚支护通过。

3 动水动态化施工工艺

(1)根据超前地质预报和超前钻探探明的隧道前方的围岩地质情况和动水情况，当探孔出水量大于2 m3/d 且水压大于0．2 MPa 时，需进行管棚支护、帷幕注浆，反之则直接开挖。

(2)根据以往的注浆经验，设计预注浆方案，在预注浆设计基础上，根据具体情况调整注浆孔布置、注浆工艺，并选择注浆浆液及注浆配套机具。

(3)根据超前探孔，掌握掌子面前方30 m 动水分布情况，根据出水量分出弱水区和富水区，划分量值为10 mm3/d。

(4)对弱水区和富水区分别进行布孔，并加密弱水区布孔;优化注浆材料和注浆设备。

(5)根据设计预注浆方案及注浆原则，进行弱水区和富水区动态控制注浆。

(6)注浆效果检查，分别采用P-Q-t 曲线分析法、钻孔出水量法、注浆量法和检查孔分析法，相互验证分析结论。检查孔数量为超前注浆孔的5%，重点检查异常区域，检查孔无涌泥，不塌孔，涌水量不大于2 L/min·m。

(7)进行开挖施工。动水动态化注浆施工工艺流程如图2 所示。

4 动水动态化施工技术

4．1 超前地质预报

(1)TSP 超前预报。常规预报方法，在此不再累述。迂回平导掌子面里程为PDK332 +338，预报里程范围PDK332 +338 ～+438预报结论:综合评定此段岩体极破碎，沿破碎带见软弱泥化夹层，较软岩～极软岩，整体性、稳定性差，节理裂隙大量密集发育，极易坍塌，弱富水～富水。

(2)红外探水。本次探测范围PDK332 +338 ～+368，结论:此段存在弱富水，主要形态为裂隙水和隐伏水。

(3)超前地质钻孔。采用日本矿岩RPD-150C 型全液压多功能钻机实施，在迂回平导掌子面均匀的选择外圈4 个孔作为超前地质探孔，其中1#、2#、3#、4#纵向孔深12 ～40 m，终孔在径向为开挖轮廓线外3 ～5 m。钻孔布置见图3，各孔探测情况见表1。

图2 动水动态注浆流程框图

图3 大梁斜井迂回平导PDK332 +338 超前钻孔平面布置示意图(单位:mm)

通过掌子面5 个超前地质钻探，探测前方地质情为:1 ～14 m段为灰黑色板岩，岩体整体性差，属软岩，含水量较小，钻进正常;14 ～17 m 段地层受水冲击，形成大的裂隙，岩体十分破碎，含泥量增大，水量随孔深增加而不断增大，钻进速度快，内有大量细小颗粒物，水呈乳白色，单孔水量在200 m3/h;17 ～22 m 时工作面右侧和上部，卡钻、裹钻、塌孔现象较为严重，钻进困难，进度缓慢;22 ～25 m 属较软岩，夹有不规则板岩，有少量出水，吸浆量较小。经现场实测，终孔水压为0．35 ～0．38 MPa。

综上，通过上述物探预报收到粗略分析出水体分布，经过超前钻探较为清晰的了解掌子面前方的水体分布、水量、水压和围岩裂隙情况等。同时，钻孔注浆反馈的地质信息是注浆过程中通过钻孔岩体硬度、涌水情况、流出的岩石细末、注浆吸浆情况等综合分析掌子面前方地质水文情况，是对原地质信息的不断更新和完善补充。

表1 大梁斜井迂回平导PDK338 超前钻孔记录表

4．2 建立动态施工模型

根据超前地质预报，分析加固区域横断面内涌水量分布。即出水量的的区域主要分布在加固工作面右侧和下部，而工作面左部孔出水量相对于右侧和下部出水量相对较小，为本段注浆的弱水区。建立动水动态注浆模型，并在钻孔注浆过程中根据现场资料不断加以完善，见图4。

图4 动水动态注浆模型图

4．3 分阶段注浆优化及动态控制

4．3．1 前阶段注浆

根据施工情况及超前地质探孔揭示地质情况，注浆以封堵地下水、固结软弱地层为核心目的，并通过超前大管棚形成立体预支护刚性体系，提高周边围岩及工作面稳定性，确保安全。

拱部180°范围内沿开挖轮廓线布置超前大管棚。在掌子面注浆堵水结束后开始施作大管棚。采用无管棚工作间施工工法，纵向长25 m，开挖轮廓线向内30 cm 环向布置，开孔环向间距40 cm，外插角7° ～8°，共布设21 根管棚，管棚孔兼作上断面补充注浆孔。管棚及上台阶帷幕注浆孔位布置图5。

大管棚采用外径Φ89 mm，壁厚5 mm 热轧无缝钢管加工，每节长9 m，沿管壁布设4 排Φ6 mm 对称溢浆孔，梅花形布设，孔间距50 cm，每根管棚末端2．5 m 不布设溢浆孔，前端加工成椎形尖端并封闭。采用Φ76 mm、壁厚4 mm 热轧无缝钢管套入Φ89 mm 管棚，焊接连接顶入孔内。管棚安设完成后进行全孔一次性注浆，注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆为辅，浆液配合比见表2，根据地质情况，加入一定比例的外加剂，以调整注浆材料的各项性能。注浆顺序:先右边孔后左边、先上边孔后边墙孔，间隔跳孔的顺序施工。

表2 浆液配比参数表

4．3．2 动态优化注浆

图5 拱部180°管棚布置图

通过超前探孔及前期注浆孔情况看，地层泥质含量较大，局部含碎石，含泥量达30%以上。表现为软塑状，钻进塌孔、包钻现象极为严重，施工前期钻注很难平行作业，施工进度缓慢，且注浆过程中跑浆、串浆现象严重。后续注浆过程中，动态优化了注浆方案，以提高注浆浆液束约性为目的，优化注浆工艺，缩短浆液初凝时间，建立动水动态注浆模型，最大限度减少浆液损失，保证注浆的有效性。具体做法是:

(1)动水分区注浆。后续循环开孔注浆扔以加固围岩封堵裂隙达到堵水效果为目的，根据物探、超前钻孔的数据将动水分为弱水区和富水区，对弱水区进行一般性注浆，可以少开孔;富水区进行重点性注浆。本循环设25 m 的长序孔19 个以辐射状成环加固隧道围岩，其中10 个孔作为富水区重点注浆孔。为了保证注浆效果，在钻孔注浆过程中，必须根据钻孔注浆反馈的地质水文情况，对原有设计初步方案不断进行调整，实现动态化注浆。

(2)不同时段采用不同注浆材料。开始先采用普通水泥-水玻璃双液浆，充分利用其快速凝胶特性，限制浆液扩散距离，对初始地层进行填充，与软弱地层形成骨架，有效的保证后期钻孔的成孔率，固结骨架形成稳定层后再采用硫铝酸盐水泥单液浆。

(3)调整注浆方式。后续循环开始在右侧孔注浆过程中，出现泄水洞串浆、跑浆现象，现场加强注浆过程控制，一旦出现有串浆现象，立即调整浆液配比，采用间歇式注浆以缩短浆液初凝时间，降低浆液的扩散半径，保证注浆有效性。

(4)定量控制。地层松散，相对吸浆量较大，注浆过程中压力长时间不上升时，调整浆液凝胶时间或间歇注浆方式使压力达到设计终压结束该孔注浆。

(5)定压控制。注浆过程中注浆压力达到设计终压(3 ～4 MPa)并稳定10 min 后，结束该孔注浆。

5 动水动态注浆效果评定分析

5．1 钻孔出水量及注浆量随时间变化效应分析

从前后期动态注浆优化施工后效果对比看出，施钻过程各孔最大出水量存在较大的差异，前期出水量相对较大，出水量最大为200 m3/h。通过注浆施工，主要的出水裂隙通道被有效封堵，出水量明显减小，有70%孔涌水量在20 m3/h 以下，尤其是在采取分区、调整注浆孔、注浆材料、定量和定压控制等动态注浆施工后，在原富水区预留检查孔出水量均在2 m3/h 以下，动水水头水压由初始值0．35 ～0．38 MPa 降低至0．1 MPa，堵水效果明显。

5．2 从各孔注浆量分析

该段落注浆量和出水量无明显的对应关系，说明地层极不均匀，注浆主要以加固改良地层为主;注浆施工过程中，14 ～17 m 地层吸浆量明显增大，在右侧施工过程中，主要是定压控制结束标准，随着注浆施工进行，地层吸浆量逐渐减小，特别是在左侧孔的施工过程中，吸浆量明显较小。这说明通过前期终孔的注浆施工工作面前方17 m 的松散地层已经得到很好的加固。

5．3 P-Q-t 曲线分析

根据本循环钻孔注浆施工过程，注浆量和注浆压力随注浆时间变化情况绘制P-Q-t 曲线，主要表现为2 种形式，如图6 所示。

图6 注浆P-Q-t 曲线

图6(a)为外圈孔20 m 后注浆过程表现出来的P-Q-t 曲线。受涌水扰动，地层孔隙较大或地层相对软弱，注浆过程中，浆液沿松散通道流动，扩散距离相对较远，长时间注浆，注浆压力仍未上升，注浆过程中以定量控制结束标准，注浆量达到设计的延米注浆量后，采用调整浆液浓度，间歇式注浆，注浆压力逐渐上升，注浆流量随注浆压力上升迅速减小，达到设计结束标准，结束该孔注浆。

图6(b)是后期管棚孔大多数注浆时的表现，随着注浆的进行，注浆压力升高，注浆速度减慢，当达到设计注浆终压3．0 ～4．0 MPa 时，地层基本表现为不吸浆，进浆速度急剧降低，注浆压力迅速上升，瞬间达到注浆设计终压，结束该孔注浆。

5．4 检查孔法

注浆结束后，根据该循环所有注浆钻孔出水及地层吸浆分布情况，对薄弱区域进行效果检查，检查孔按总注浆孔的5%布置，共计布设3 个，用右侧剩余管棚孔代替检查孔，纵向孔深为25 m，径向终孔在开挖轮廓线外2 m 内的区域。

(1)从设计的2 个检查孔出水情况分析，检查孔内出水量均小于0．5 L/min·m，均达到设计检查效果标准要求。

(2)后续施工的管棚孔和检查孔钻设过程中钻速快，无卡钻现象。

6 结论

软岩富水地层隧道，由于地质及水文条件复杂多变，且软岩遇水条件下常具有极易软甚至泥化的特征，为达到注浆效果、注浆周期可控，在前阶段采取上台阶整体帷幕注浆，以消除方案设计注浆空间的盲区来保证注浆效果;在后阶段注浆过程中，为加快注浆速度，通过建立动水动态注浆模型，对富水区和弱水区布孔进行方案优化，对富水区重点注浆，对弱水区一般简化注浆，动态调整了注浆材料和浆液配比、注浆量和注浆压力等施工参数，不断优化注浆方案，动态化注浆施工，最后对注浆空间进行效果评定、分析，验证优化方案的科学性，实现了科学、高效、快速、可控的帷幕注浆目的。

［1］中铁第一勘察设计院．大梁隧道斜井工区出口方向突涌水处理预设计图．

［2］铁建设［2010］241 号 高速铁路隧道工程施工技术指南［S］．

［3］高东波．岩溶富水隧道可控注浆施工技术研究［J］．现代隧道技术，2012(6):0172-04．

［4］袁晏仁．动水动态信息化注浆施工技术研究［J］．现代隧道技术，2012(6):0176-04．

［5］TB10753—210 高速铁路隧道工程施工质量验收标准［S］．