公路隧道帷幕注浆堵水技术研究

张良周

摘要：为了有效解决富水区隧道开挖出现特大突泥涌水这一问题，文章以某条高速公路山心隧道为依托工程，采用有限元和水力学方法，结合超前地质预报情况，提出了适用于富水区地层特大突泥涌水隧道的全断面帷幕注浆加固方法，制定了帷幕注浆方案，并采用瞬变电磁数据和物探方法对注浆效果进行评价，结果表明注浆稳固效果明显，可有效保证隧道开挖掘进施工。

关键词：公路隧道；帷幕注浆；堵水技术；研究

引言

在富水断层带修建隧道是国内外隧道工程界极具挑战性的技术难题。较早之前这样的地区被喻为“隧道工程的禁区”。但这几年，穿越高水压富水断层带修建的铁路、公路隧道越来越多，如渝怀铁路圆梁山隧道、宜万线多条隧道、关角隧道等。富水断层岩溶地段的修建技术及理论还不成熟，岩溶的处理技术有待发展，如堵水处理措施中注浆材料、注浆方式、注浆参数仍需进一步试验和研究。红岩湾隧道是达陕高速公路上一条特长瓦斯隧道、岩溶富水隧道，穿越大量可溶岩，并且通过褶皱和断层构造，岩层倾角大，岩体裂隙发育，大气降水丰富，隧道涌突水可能性大。比单纯的高压富水隧道来说施工难度更大，因此质量、安全、进度等在可控的条件下，对注浆止水施工技术的研究是非常重要的。

1、帷幕注浆堵水技术概述

1.1帷幕注浆堵水技术

帷幕注浆堵水技术是一种注浆施工技术，在实际应用中，通过液压或气压，依据工程设计标准，将浆液按照一定浓度通过注浆孔并压送至规定的岩土层中，对岩土体中的裂隙或孔隙起到了填补作用，以改善岩土体力学性能，保证工程建设质量。根据注浆功能的不同，可分为防渗注浆和加固注浆，其中前者的主要作用是增强工程的基础抗渗能力，是通过在具有合理孔距的钻孔中注人浆液，使得多个孔隙中的浆液互相搭接，从而形成一种类似帷幕结构的混凝土防渗墙，起到更好的防渗作用。

1.2帷幕注浆处理塌方原理

帷幕注浆是提前给隧道开挖通过地段范围内钻取一定数量的注浆孔，再利用高压给孔内注入浆液，浆液一般为水泥或者水泥与水玻璃的混合物。浆液注入后，可以将一定区域内存在于围岩裂缝中的水通过挤压排出去，让围岩缝隙充满混合浆料，重新和岩体固结成一个整体，形成止水帷幕，从而增加洞口的稳定性。

2、注浆工艺和方案

除了浆液本身的特性以外，注浆施工工艺也对注浆效果产生重要的影响，特别是注浆施工现场浆液注入方式和注浆方式等因素。对于不同的地质特征则要选择特定的注浆浆液；同样的，每种浆液也要有相应的灌注方式。注浆设计时要充分考虑各个因素，尽可能地优化注浆工艺，以期达到最佳的注浆效果。例如，在裂隙发育较宽且浅时，浆液的注入方式则可采用充填注浆；而对于裂隙紧密却延长较深时当采用渗透或劈裂注浆方式等等。

注浆方案也应当根据工作面所处地质情况而适当选择。例如，在岩体相对较为完整的地段可以采用在局部注浆或者开挖后在裂隙处注浆的方式；而在水压和水量较大或者裂隙密集、发育明显的地段应当采用在开挖前通过钻孔方式提前注浆的超前预注浆方案。本工程海域段地处海水以下，且岩层裂隙发育明显，一般可用直接测试法和钻孔预测法得到掌子面的涌水量。根據本工程实测值，单孔涌水量较大，将对施工造成一定的影响，需采取超前预注浆措施。

3、注浆材料的选择

3.1普通水泥单液浆

普通水泥单液浆是指不包括附加剂，仅用普通水泥和水调制而成的浆液，简称c浆。综合现场注浆验证情况，普通水泥单液浆具有以下特点：（1）资源丰富，价格低廉；（2）工艺设备简单，操作方便，对工人要求低；（3）浆液结石体强度高，抗压强度大，抗渗性能好；（4）浆液初凝时间长，抗分散性差，在富水区易被地下水稀释和冲走，不易控制；（5）终凝时间长，强度上升缓慢，注浆完成后不能立即开挖；（6）水泥颗粒粒径相对较大，难以注入0.2mm以下的裂隙中。

3.2水泥水玻璃双液浆

水泥一水玻璃双液浆亦称为cs浆液，是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定比例采用双液方式注入，必要时加入附加剂所形成的注浆材料。其避免了单液浆凝固时间长不易控制等缺点，保证了注浆效果，是一种用途广泛效果良好的注浆材料。其具有以下特点：（1）通过不同配比调整凝胶时间，实现控制性注浆；（2）浆液渗透性强，适用地层广；（3）凝结时间短，抗压强度较低，耐久性较差；（4）材料来源丰富，价格便宜且对环境无污染；（5）施工工艺要求高，凝结时间短，操作不当容易造成设备堵塞，对工人要求高。

3.3普通水泥宏字①号水玻璃双液浆

宏宇①号水玻璃是中南大学历时多年研发的一种新型水玻璃，其主要在普通水玻璃中加入多种辅助剂混合而成；其初凝时间极短，形成具有网状包裹的块状不易受流水冲散，在封堵涌水的过程中具有独特的优势和效果。和普通水泥及普通水玻璃双液浆相比，普通水泥一宏宇①号水玻璃双液浆具有以下特点：（1）初凝时间更短，瞬间至十几秒可完成初凝，结石效果好，抗压强度大；（2）浆液渗透性较差，浆液扩散半径小；（3）浆液可瞬间以块状初凝，且高分子材料在其外围形成一层网状包裹，使其不受水流分散；（4）原料供应较少，价格较普通水玻璃高；（5）施工工艺要求高，凝结时间短，操作不当容易造成设备堵塞，对工人要求高。

在注浆施工过程中，浆液类型的选择基本根据地下水赋存情况、岩溶发育状况和涌水量等因素综合确定，当遇到断层破碎带或者岩溶发育区域时多使用单液浆或水泥一水玻璃双液浆，当遇到裂隙发育含大量稀泥或者少量水涌出时使用普通水泥—普通水玻璃单液浆。

4、注浆压力的计算

注浆压力的计算需要综合管理损失压力、浆柱压力以及孔口压力来进行计算。注浆压力的大小受多种因素影响，比如注浆材料、注浆顺序次数、注浆位置、注浆孔深度、以及岩石的渗透性和强度等，根据实验以及相关的研究，施工的注浆压力在静水压力的基础上增加1-2MPa，在初始注浆过程中，注浆初压要比设计压力低，然后根据深度的增加适当进行增加。

5、帷幕注浆的施工方法和施工要点

（1）超前钻探，为了有效探测岩石的具体情况和水量，需要利用钻机从洞内的工作面向隧道前方钻大约30m的探孔，进行注水和探测试验。（2）超前地质预报，对隧道内多次进行监测，确定隧道围岩等级及地质情况。（3）开孔，按照地质调查结果确定的钻孔方案进行开孔注浆，开孔直径要比孔口管直径大，终孔直径可以略小于孔口管直径。（4）注浆管的安装，可以利用钻机逐段进行安装，孔口可以利用锚固剂进行固定。（5）钻孔注浆，安装孔口管，再进行钻孔，注浆前安装好导管以及止浆塞，按照梅花形错开、分区、分段进行注浆，保证注浆效果。

（6）钻孔开工前由技术负责人和测量人员共同采用经纬仪定位。（7）过断层前10m开始取芯至终孔，以准确确定断层为止，每回次进尺不得超过岩芯管长度，确保岩芯采取率，其余孔段不取芯。（8）岩芯要码放在干燥地点，不得乱放。（9）钻进中准确记录出水位置、水量。（10）施工前仔细检查钻场及附近巷道支护情况，加强巷道支护，无危险时方可施工。（11）施工中发现孔内异常，立即停钻，查明原因排除危险后方可施工，突水时不得拔出钻杆。（12）施工现场附近要安设通讯设施，如有危险情况必须立即通知所有受水威胁区域的人员。

结束语

总而言之，隧道岩溶地质垂直渗流带由于施工难度大、安全风险高，一直受到社会各方的关注，采用注浆止水施工技术，对高压富水断层带地質构造突水突泥灾害进行理论研究，并指导于施工，受到良好的效果，同时对今后岩溶隧道施工防突泥突水地质灾害借鉴性极强，社会效益显著。