太行山隧道富水宽张裂隙注浆堵水技术研究

张民庆，张　亮，何志军，彭　峰，张晓华

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京　100844；2.北京中铁瑞威

基础工程有限公司，北京　100055；3.中铁十八局集团有限公司，天津　300222)

太行山隧道富水宽张裂隙注浆堵水技术研究

张民庆1，张亮2，何志军1，彭峰2，张晓华3

(1.中国铁路总公司工程管理中心，北京100844；2.北京中铁瑞威

基础工程有限公司，北京100055；3.中铁十八局集团有限公司，天津300222)

摘要：太行山隧道施工中遇到富水宽张裂隙带，左线长度218 m、右线长度200 m，超前探孔单孔最大涌水量230 m3/h，静水压力0.8 MPa，围岩为Ⅲ级石英砂岩。施工中先后采取全断面帷幕注浆、带水作业、周边注浆等方法。工程实践表明：(1)3种方法均可以满足开挖要求，施工进度分别为25、20、39 m/月，周边注浆处理该类地层更有优势；(2)带水作业必须满足超前探孔单孔出水量小于40 m3/h、总涌水量小于300 m3/h、破碎裂隙段长度小于3 m的要求，否则，施工安全和进度无法保证；(3)周边注浆与全断面帷幕注浆相比，注浆孔数量减少59%，注浆时间缩短56%，进度提高56%；(4)全断面帷幕注浆采用2 L/min/m作为检查孔出水量标准是合适的，并可适度放宽，周边注浆可采用5 L/min/m的标准。

关键词：铁路隧道；富水宽张裂隙带；注浆；带水作业；施工

注浆技术是地下工程施工中广泛采用的一项重要辅助工法，它在处理地下水和加固地层方面具有独特优势，对保证施工安全起到了重要作用[1，2]。国内外铁路富水地层注浆后开挖进度一般在15～25 m/月(表1)，由于进度不快，因此，当施工中遇到富水地层时，对是否采取注浆方案，决策困难[3]。

表1　国内外铁路富水地层注浆处理统计

以在建的山西中南部铁路通道太行山隧道富水宽张裂隙带为研究对象，分别进行了全断面帷幕注浆、周边注浆、带水作业等辅助工法的工程性试验，取得了有益的结论，希望能对今后类似工程提供借鉴。

1工程概况

太行山隧道为山西中南部铁路通道的控制工程，位于河南省林州市境内。隧道为2座单线，左线全长18 125 m，右线全长18 108 m，最大埋深920 m，设置3座斜井。

太行山隧道穿越太行山中山区，主要通过太古界片麻岩，震旦系石英砂岩，寒武系页岩、泥灰岩、鲕状灰岩，奥陶系灰岩，如图1所示。岩层近水平状，节理裂隙发育。隧道设计正常涌水量为22 700 m3/d，最大涌水量为32 600 m3/d。

图1　太行山隧道工程地质构造

2富水宽张裂隙带

2012年9月4日，太行山隧道1号斜井工区正洞右线施工至DyK585+434处，掌子面拱顶右侧出现高压水(图2)，喷射距离4 m，涌水量为620 m3/h，同时冲出部分卵石，最大直径约20 cm，水质清澈。9月16日，左线施工至DK585+438处，同样遇到高压水。随后进行了放水试验、水压测试，以及施工地质综合判断。

通过放水试验，放水量约150万m3，实测涌水量稳定为3.3万m3/d，动水压为0.25 MPa。经进一步综合地质判断，隧道前方左线218 m(DK585+438～DK585+220)、右线200 m(DyK585+434～DK585+234)为富水宽张裂隙带，围岩以Ⅲ级石英砂岩为主，夹少量页岩。

裂隙带处于宽谷前沿，位于近水平层宽缓背斜及向斜构造中，丰富的地下水通过垂直宽张裂隙导入洞内，地下水补给主要以大气降水及地表水为主。隧道附近约1 km位置为马家岩水库，设计库容3 248万m3，库底高于隧道约60 m，对水位监测有一定的变化。

图2　太行山隧道掌子面突水

3处理方案与实施效果

3.1全断面帷幕注浆

针对富水宽张裂隙，为确保施工安全，对左线138 m(DK585+438～DK585+300)、右线120 m(DyK585+434～DyK585+314)段落采取了全断面帷幕堵水施工[4，5]。

3.1.1注浆设计

注浆设计参数见表2，注浆设计如图3所示。

表2　全断面帷幕注浆设计参数

3.1.2注浆施工

注浆材料采用硫铝酸盐水泥单液浆，当长时间(>8 h)注浆压力不上升时，采用普通水泥-水玻璃双液浆。硫铝酸盐水泥单液浆配比为：水灰比0.8∶1～1∶1；普通水泥-水玻璃双液浆配比为：水灰比0.6∶1～0.8∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶1～1∶0.3，水玻璃浓度30～35Be′。

按发散-约束型原则，采取“由外到内、由上向下、间隔跳孔”的顺序进行注浆。注浆终压6 MPa。

采取前进式分段注浆工艺，钻孔注浆分段原则为：水量在0～10 m3/h时分段长度为10 m，水量在10～30 m3/h时分段长度为5 m，水量在>30 m3/h时立即停钻，进行注浆。

图3　隧道全断面帷幕注浆设计(单位：cm)

3.1.3注浆效果检查评定

注浆结束后，进行钻孔检查，要求检查孔成孔效果好，不坍孔，出水量小于2 L/min/m。

3.1.4开挖支护

开挖时严格按“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的原则，每循环开挖进尺控制在1 m以内，加强光面爆破成形控制，尽量减少对围岩及注浆体的扰动。

3.1.5效果评价

全断面帷幕注浆堵水共完成左线7个循环138 m，右线6个循环120 m。注浆后开挖时，宽张裂隙被浆液有效填充，注浆堵水效果良好，仅局部出现渗滴水，实现了富水宽张裂隙带的安全施工(图4)。现场施工统计如表3所示。

表3　全断面帷幕注浆堵水施工统计

由统计结果来看，针对富水宽张裂隙地层，采取全断面帷幕注浆施工，平均进尺约为25 m/月。对钻孔注浆与开挖进行时效分配计算，钻孔注浆约占总时间的60%，开挖约占40%。

图4　注浆堵水后开挖

3.2带水作业

鉴于该隧道工期紧张，全断面帷幕注浆施工进度不快，为此，进行了带水作业尝试。

带水作业必须解决在“水量大、水压高”条件下的钻孔装药问题，因此，在掌子面采取泄水降压措施。

3.2.1泄水降压

利用潜孔钻机在掌子面中下部超前施作3～6个泄水孔，长度10～20 m。泄水孔角度呈发散形，从而充分穿越富水宽张裂隙，起到泄水降压目的。若6个泄水孔完成后，泄水效果仍不能满足开挖要求，需增加泄水孔数量。

3.2.2现场实施

在隧道左线DK585+300～DK585+280里程段进行了工程性试验。

(1)首先施作3个泄水孔。当X1孔钻孔深度为12 m时，出水量达到210 m3/h，无法钻进；X2孔钻孔深度为13 m时，出水量达到210 m3/h，无法钻进；X3孔钻孔深度为17 m时，出水量为110 m3/h，停止钻进。经现场试验，无法进行带水装药，因此，继续进行泄水降压。

(2)再次施作4个泄水孔。X4孔钻孔深度为13 m时，出水量达到160 m3/h，无法钻进；X5孔钻孔深度为17 m时，出水量为50 m3/h，停止钻进；X6孔钻孔深度为14 m时，出水量110 m3/h，停止钻进；X7孔钻孔深度为20 m，出水量为35 m3/h，停止钻进。当7个泄水孔全部施作完成后，X3、X5、X7孔出水量降低至35 m3/h，X1、X2、X4、X6孔出水量降低至110 m3/h。经现场试验，已具备带水装药条件。

(3)爆破开挖。对掌子面分左、右两部分进行爆破。首先对水量较小的右半部分进行爆破，起到先行泄水目的。当左半部分出水量降低至适宜开挖作业后，再同步开挖。

3.2.3效果评价

带水作业试验段长度20 m，历时1个月，折合进尺为20 m/月，未达到理想效果。同时，带水作业过程中，还出现了局部小型坍塌，具有一定的安全风险。因此，带水作业必须满足以下条件：

(1)超前钻孔(孔径φ90 mm)单孔出水量应小于40 m3/h，总涌水量不宜大于300 m3/h，否则无法满足带水装药要求，同时带水作业工效不高；

(2)隧道前方开挖地段岩体完整，裂隙段长度不宜大于3 m，否则开挖时易发生局部坍塌，影响安全和进度。

3.3周边注浆

为了加快施工进度，在确保施工安全的基础上，对左线60 m(DK585+280～DK585+220)、右线80 m(DyK585+314～DyK585+234)段落采取了周边注浆堵水施工。

3.3.1注浆设计

注浆设计参数见表4，注浆设计如图5所示。

表4　周边注浆设计参数

图5　周边注浆设计(单位：cm)

3.3.2注浆施工

注浆材料、注浆工艺与全断面帷幕注浆相同。

3.3.3注浆效果检查评定

注浆结束后，进行钻孔检查，要求检查孔成孔效果好，不坍孔，出水量小于10 L/min/m。若达不到要求，应对出水量超过标准的部位进行补孔注浆，直至符合标准。

3.3.4效果评价

周边注浆堵水共完成左线3个循环60 m，右线4个循环80 m的施工。

(1)检查孔出水量

测试周边注浆检查孔出水量，测试结果如表5所示。

由表5可以看出，通过周边注浆，可以达到检查孔出水量10 L/min/m的标准要求。同时，多数循环在基本不增加注浆孔的基础上，检查孔出水量也达到了5 L/min/m，因此，采取周边注浆方案时，可以通过局部加密，提高检查孔出水量标准，从而提高注浆堵水效果。

表5　周边注浆检查孔出水量　L/min/m

(2)工效评价

注浆后开挖时，与全断面帷幕注浆相比，注浆堵水效果有所下降，拱部存在淋水，局部有股状水，但不影响正常施工，需要在开挖完成后进行径向注浆堵水。现场施工统计如表6所示。

表6　周边注浆堵水施工统计

由统计结果看：针对富水宽张裂隙地层，采取周边注浆，平均进尺约为39 m/月。对钻孔注浆与开挖进行时效分配计算，钻孔注浆约占总时间的40%，开挖约占60%。

43种技术方案的比选

对全断面帷幕注浆、周边注浆、带水作业3种技术方案进行比选，注浆按每25 m一个循环计算，对比结果如表7所示。

表7　3种技术方案比选

5结论与体会

通过太行山隧道富水宽张裂隙带工程性试验研究，可以得出如下结论。

(1)针对Ⅲ级围岩富水宽张裂隙带，全断面帷幕注浆、周边注浆、带水作业均可以满足开挖要求，施工进度分别为25、39、20 m/月，因此，周边注浆处理该类地层更有优势。

(2)带水作业的前提条件是超前探孔单孔出水量应小于40 m3/h、总涌水量应小于300 m3/h、破碎裂隙段长度小于3 m，否则，施工安全和进度无法保证。

(3)周边注浆与全断面帷幕注浆相比，注浆孔数量减少59%，注浆时间缩短56%，进度提高56%。

(4)全断面帷幕注浆采用2 L/min/m作为检查孔出水量标准是合适的，周边注浆可采用5 L/min/m的标准。

参考文献：

[1]张民庆，彭峰.地下工程注浆技术[M].北京:地质出版社，2008.

[2]张民庆，黄鸿健.齐岳山隧道高压裂隙水注浆堵水技术[J].铁道工程学报，2010(1):68-72/103.

[3]张民庆，孙国庆.隧道突泥突水灾害处治技术[J].现代隧道技术，2011(6):117-123.

[4]赵建宇.中天山隧道高压富水段涌水量探测与连通试验研究[J].铁道标准设计，2013(5):86-89.

[5]朵生君.中天山隧道大埋深高水压节理密集带涌水处理[J].铁道标准设计，2013(6):107-110.

Research on Grouting and Blocking Water Technology in Water Rich Broad Patulous Cranny of Taihangshan Tunnel

ZHANG Min-qing1， ZHANG Liang2， HE Zhi-jun1， PENG Feng2， ZHANG Xiao-hua3

(1.Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844, China;

2.Zhongtie Railway Soil Engineering Co.，Ltd.， Beijing 100055;

3.China Railway Eighteen Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222)

Abstract：The construction of Taihangshan tunnel is encountered in water rich and wide tension fissure zone with left line length 218 m and right line length 200 m. The maximum gushing water is predicted to be 230 m3/h and the static water pressure 0.8 MPa. The surrounding rock is grade quartz sandstone. It is constructed with full face curtain grouting in presence of water and with peripheral grouting method. Engineering practices show that: (1)the three methods can meet the requirements for excavation with construction progress 25 m/month， 20 m/month and 39m/month respectively， the peripheral grouting treatment of the formation is very advantageous; (2)construction with presence of water must satisfy the requirements for advanced hole drilling single hole water less than 40 m3/h， the total water amount less than 300 m3/h and crack length less than 3 m， otherwise， the construction safety and schedule cannot be guaranteed; (3)compared with surrounding grouting and full face curtain grouting， grouting hole is reduced by 59%， grouting time cut by 56%， schedule increased by 56%; (4)the entire cross-section curtain grouting by using 2 L/min/m as the inspection hole water volume standard is appropriate， and may be extended and 5L/min/m standard may be applied for peripheral grouting.

Key words：Railway tunnel; Water rich and wide tension fissure zone; Grouting; Work in presence of water; Construction

中图分类号：U45

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.024

文章编号：1004-2954(2015)06-0108-05

作者简介：张民庆(1970—)，男，提高工资待遇高级工程师，E-mail:zskzmq888@163.com。

收稿日期：2014-08-01； 修回日期：2014-08-12