膜袋法高压分段注浆技术在隧洞突泥治理中的应用

(浙江省隧道工程公司，浙江 杭州　310012)

随着可持续发展观念的深入、环保意识的提高、技术的发展进步，注浆技术在地下工程建设中得到快速的推广和应用，并且逐渐成为突水突泥灾害治理的最主要技术手段之一。本文主要探讨隧道断层突水突泥高压注浆治理技术，将该治理技术体系应用于龙津溪引水工程隧洞F48和F52断层突水突泥的治理，取得了实效性结果。

1　工程突水突泥概况

1.1　工程概况

龙津溪引水隧洞全长为13587m，开挖洞径为底宽3.0m、直径3.9m的扩底圆形断面，隧洞山体雄厚，隧道最大埋深达670m，沿线地质条件复杂，断层发育。地下水丰富，隧洞均位于地下水位以下，共有记录16条大断层，本文主要介绍F52断层和F48断层。F52：NE35°，SE∠78°，宽2～3m，充填碎裂岩，带内岩体极破碎；F48：NW295°，SW∠75°，宽1～2m，充填碎裂岩，带内岩体极破碎，地表形成冲沟。

地质勘探显示F52和F48是两条平行断层，断层之间有200m Ⅳ～Ⅴ类围岩，桩号范围大致为3+000-2+800，隧洞埋深约为200m，隧洞均处于地下水位线以下，地表形成宽度大于100m的冲沟。

1.2　断层带突水涌泥情况

在开挖及支护至桩号2+945时(F48断层附近)，由于地质原因工作面发生较大碎石状塌方，并伴有大量涌水。经初步支护后，在清理塌方体工作平台的过程中，工作面发生泥石流状塌方，泥石流塌方体冲出工作面80余m远，挖装机、梭矿、电瓶机车、注浆机等设备被淹埋，工程停工。由于继续施工的难度非常大，确定将隧洞轴线往右侧进行改线施工。

改线施工在右侧轴线桩号2+946(F48断层附近)施工过程中突发涌水，初始5h异常平均涌水量达675m3/h，整个隧洞被突水淹没，淹没水深约1m，大量施工设备被水浸泡，造成工程停工5个月。后期水量基本稳定在350～400m3/h的涌水量。

为确保下步顺利穿越断层带，保证施工安全，采用TGP地质雷达探测系统对塌方区进行探测，探测结果显示，2+946～2+908段长58m范围为断层区，初步推断为泥质细砂岩与花岗岩侵入体交接带，从已突出泥石流成分看，断层带内充填糜棱岩、断层泥及花岗岩压碎体，2+946及2+908处两组节理在俯视及侧视两个方向均成X形交夹。断层充填物在地下高压力水的作用下极易产生泥石流状塌方。基于地质雷达探测结果，经多方讨论，决定从桩号3+062开始，向隧洞左侧改线施工穿越破碎带。

2　注浆方案的选择和设计

2.1　注浆方案的选择

根据探测结果，前方地质状况基本可以确定存在大量地下水和强风化淤泥带，先后采用管棚、小导管注浆、钢拱架和锚网喷等支护措施，但这些措施均以失败告终，最后经过各方讨论决定采用膜袋法高压分段超前预注浆技术。

膜袋法高压分段超前预注浆技术在隧洞超大涌水地层和大坝堵漏方面应用较多，且有较多成功案例。如水电七局运用膜袋法灌浆技术，在锦屏二级电站隧洞进行堵水灌浆，但该技术还没有形成正规的理论，在膜袋材料、钻孔形式、注浆压力和浆液配比等方面没有相应的规范要求，主要依靠以前的成功经验和现场的实际情况进行综合确定。

2.2　注浆方案的设计

为避免此类现象的再次发生，项目部在改线施工后，预计将到达断层带前，采用地质雷达与超前钻孔探测相结合的方法，来探明前方断层带的宽度及地下水情况。

根据现场实际情况，项目部在已探明的断层带前6m即停止挖洞，采用提前预留的6m洞段作为安全岩塞段和超前注浆止浆墙，提前进行超前注浆。

注浆工艺的选择对注浆效果起到决定性作用。膜袋法高压分段注浆一般按“先近后远、先下后上、先外后内”的顺序进行。考虑该工程有涌水、突泥等影响，单孔采用一次打孔、膜袋分段、分段注浆；在工作面的前进方向采用分段注浆，技术要点为“逐段钻孔、注浆交替”。在注浆结束后，如果外层泄压管仍有水渗出，需要时可进行二次高压力注浆加固。

膜袋法超前分段注浆主要有以下两个方面的作用：

a.在隧洞前进方向，通过膜袋分段，逐段加固，压入水泥水玻璃双浆液到断层带中，充填裂隙、挤密断层充填物，达到改良和加固地层的作用。

b.通过对断层充填物的挤密、加固作用，降低地层的空隙率和渗透系数，提高地层强度和整体性，起到堵水的作用。

3　膜袋法高压分段注浆方案的应用

3.1　注浆加固前的准备工作

隧洞一旦发生突涌，围岩整体稳定性会急剧劣化，因此为确保实施注浆加固作业时能安全平稳进行，在注浆加固作业前须采取必要的安全保障措施，包括排水措施、止浆岩墙的施作以及围岩补强加固等。

3.1.1引排卸压

注浆加固时，浆液顺围岩裂隙网络不断的脉动充填直至远处，岩体中原有的孔隙通道被高压浆液占据，一旦高压浆液的压力突破围岩稳定极限，极有可能产生次生崩塌或突涌事故。因此，必须在注浆加固作业的同时进行引流排水，确保注浆时围岩承受较小的注浆压力。而引排措施如果仅布置在围岩浅部，则有可能造成围岩完整性下降，并容易诱发机械潜蚀、渗流破坏，进而造成围岩劣化失稳。因此，为确保安全有效地引排减压，钻孔必须深入围岩内部，在相对完整、稳定的围岩区布置深部钻孔，在水力通道的上游部位或水头较高区域以泄压的方式降低高压浆液对围岩的脉冲压力。

3.1.2补强加固

除通过引排卸压外，为确保止浆岩墙后方围岩的整体稳定，避免高压浆液导致围压劣化，有必要对止浆岩墙后围岩进行补强加固，防止其在高压浆液的扰动下产生崩塌事故。因此，为保证围岩稳定以及作业员工、设备的安全，实施注浆前需对止浆岩墙后方局部范围进行补强加固。

3.2　注浆方案的布置设计

a.全断面钻孔布置分四序进行，分别为A、B、C、D，如图1所示。A序号布置在开挖轮廓上，钻孔外插角45°，单孔深10m；B序孔布置在A序孔内50cm，外插角30°，单孔深12m；C序号布置在B序孔内80cm，外插角15°，单孔深15m；D序孔布置在断面最内部，钻孔角度0°，单孔深15m，如图2所示。

图1　钻孔布置 (单位：cm)

图2　D序孔布置断面

钻孔布置外插角度及深度以达到开挖轮廓线外0.5～1倍洞径注浆范围为佳，小断面通常为3～5m，大断面为5～10m。每循环注浆完成后，开挖过程中需预留已注浆加固段4～6m作为下一循环超前注浆的止浆墙。

b.钻孔及注浆参数。钻孔设备采用YG70型凿岩钻机，配套φ73mm钻杆，φ90mm潜孔锤和配套钻头，采用钻孔与注浆同步进行的施工方法，即钻完一孔后随即装管注浆。A序号环向间距40cm，共43孔；B序号环向间距60cm，共23孔；C序孔环向间距80cm，共10孔；D序孔共4个。每循环注浆完成后，布置3个检查孔，总计83孔。

注浆使用水泥-水玻璃双液浆，水灰比0.5∶1～1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.3。水泥使用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度35°Bé。注浆最大压力15MPa。单孔注浆分2～3个注浆段进行，以“从下至上、由浅到深、分段灌注”的顺序注浆施工。A、B序孔单孔分两个注浆段；C、D序孔单孔分三个注浆段进行注浆。

4　注浆方案施工

4.1　钻孔

钻孔采用YG70型凿岩钻机，根据钻孔情况，若能一次完成钻孔，立即按计划在孔内安装分段灌浆装置等待注浆，每孔段的注浆都需通过孔内的预埋装置进行；若不能一次成孔，则需分次进行(亦可采用跟管钻进工艺)，按照上述方法进行施工，达到最终的效果。注浆孔内预埋装置如图3所示。

图3　注浆孔内预埋装置1、2-1寸注浆管；3、4-4分压浆阻塞注浆管；5-钻孔；6-膜袋阻塞段

4.2　注浆设备、材料及布置方式

普通的注浆设备多用于小导管注浆，压力有限，而为了完成较大范围内的帷幕注浆，必须采用较大的压力，工程应用中特制了高压设备：最大压力可达30MPa的高压泵；为配合双液的混合控制，工程中研发了一种手控液压泵来控制水玻璃的输入；水泥浆的搅拌采用常规高速搅拌机。

一般工程中注浆材料直接选择可注性较好且施工方便的普通水泥浆液，但是其聚凝性较差，容易稀释，不适宜该工程的高压富水环境。根据工程围岩地质条件，综合分析，选择可注性较好，且凝胶时间方便调控，经济性良好，可实现在高压富水断层带内快速驱水并加固围岩的水泥基水玻璃双液浆最为合适。其缺点是长期耐久性较差，只适合短期快速封堵加固使用，后期围岩的支护加固仍需重视。水泥浆液与水玻璃使用在钻孔内预埋的注浆管管口，通过三通混合后注入孔内，水玻璃通过高压在注浆管内形成喷射状与水泥浆液混合。水泥水玻璃管内混合装置如图4所示。

图4　水泥水玻璃管内混合装置

4.3　注浆管注浆支护设计及施工

该工程隧洞断面形状为马蹄形，注浆孔的布置型式宜采用门形。

考虑到隧洞内围岩条件较差，为保证注浆的可靠性，宜适当加大注浆范围，分段注浆为宜。根据工程经验及现场验证，分段注浆间距选择3m，可一次性注浆9-15m。注浆选用钢管，通常采用3～20m长度范围的DN25mm或DN20mm钢管。

为保证浆液能有效压制高压水头并成功驱离地下水，实际灌注压力必须大于理论最大静水压力，并在此基础上增加压力以保证可注性，根据工程地下水参数及现场试验最终选定注浆压力为10～15MPa。

注浆孔直径宜根据注浆管外径，一次分段包扎钢管数量，膜袋膨胀预留空间以及现场条件综合选用，该工程根据实际情况最终选择90mm孔径。为保证浆液的扩散加固范围，注浆孔应沿洞周轮廓向外侧倾斜处理，根据工程经验，破碎地层中高压注浆外插角以5°～10°为宜，岩性差取高值，特别差的地段可适当提高角度。

对于长大范围的断层破碎带，需要分次分段多次注浆通过，为保证每一循环后预留止浆墙的有效厚度满足稳定性要求，前后两次注浆作业时，注浆管需保证至少3m的搭接距离，岩性特别差的地段，可适当加大。该工程根据围岩实际状态选择3～5m搭接长度。为保证注浆的均匀有效，注浆管在环向上需保证不超过最大间距，此最大间距应根据现场预注浆试验后选取，通常最大为0.35～0.4m，地下水特别丰富时排距取小值。

为防止作业时掌子面漏浆，注浆施工前应对掌子面采取喷混凝土方式进行封闭处理。浆液灰水比根据现场经验，选择0.8∶1、1∶1和1∶1.5三个等级，注入时浆液由稀至浓分级施工，以保证驱水及加固的综合效果。

注浆作业开始后，应有专人负责记录各项参数，严格控制注浆压力、注浆量。孔口压力过高则易导致工作面爆裂，因此，在各注浆管已经满足注入量、孔口压力接近限值时需及时终止注浆作业，并以孔口压力为第一控制条件。

注浆完成后需及时封堵孔口以免浆液返流，然后必须检查作业的实际注入效果，不满足基本要求时应进行补注。为保证浆液充分凝固，开挖掘进工序必须在8h后进行。每一循环后止浆岩墙的保留厚度需保证3～5m，加固后若围岩条件好可取小值，否则取高值。

5　膜袋法高压分段注浆需注意问题

5.1　超前探水

超前探水系采用直接钻孔观测的方法对掌子面前方区域地质条件、水文条件进行探查的有效方法，可作为注浆实施前注浆参数确定的重要依据，施工中必须要高度重视，精心实施。

5.2　止浆岩墙

为保证注浆堵水的效果，以及施工的顺利进行，注浆作业时必须有一定厚度的安全密闭的止浆岩墙，以保证注浆时浆液不乱窜，且能抵抗注浆反力以免产生次生塌方或突涌危险。因此，每一注浆循环必须保证有效的搭接间距，开挖时必须保证预留足够的止浆岩墙厚度。

5.3　浆液配合比

理论上水泥基的水玻璃双液浆通过不断的调整其配合比，可以控制不同的胶凝时间，比如20s到3min不等。但实际施工过程中，在断层破碎带高压富水环境里，浆液易被稀释，且破碎带内岩屑、岩粉较多，浆液易与各种矿物质混合而发生反应，从而影响其实际胶凝时间。因此，实践中需要进行预注浆试验，观察其实际效果，并分析原因，及时调配，以期取得符合工程实际情况的配合比参数。

5.4　工艺原则

不同的围岩条件，要求不同的注浆工艺，及不同的注浆原则和参数。根据工程实践表明，膜袋法高压分段注浆的综合目的一是驱水，二是加固。驱水要求施工中能将地下水在横向上由近处往远处、围岩深处不断驱离，纵向上从下部往上部驱离，在高压富水环境下，为防止突涌事故，要求能快速的在洞身外围形成一个有效的安全防护圈。因此，驱水加固要求按照一定的顺序进行作业，通常应按照“先近后远、先下后上，先外后内”的原则操作，注浆压力也相应的循序渐进，逐步升高。

为达到在富水断层破碎带中驱水及加固的目的，考虑到双液浆易短时间内快速凝结而堵塞围岩裂隙，对浆液的充分扩散有不利影响，根据工程实践总结，发现采用交替进行单浆液与双浆液注入效果更佳，单浆液可保证有效扩散范围，双浆液可保证有效封堵加固，二者相得益彰。为保证注浆量及注浆效果，建议先采用单浆液注入，再进行交替注浆。注浆效果的检查应在注浆结束后通过检查孔及时查看。

6　总　结

通过该工程的实践和应用，可以看到膜袋法高压分段注浆技术在处理隧洞地质灾害方面效果显著，特别是在处理塌方和堵水方面，高压分段注浆技术的核心是如何快速有效的加固前方的不良地质灾害体；高压分段注浆技术虽然在工程上已在运用，但相应的规范和标准不是很健全，需要根据工程的实际情况和以往工程经验综合确定；高压灌浆技术压力较高，须做好安全防护和变形监测工作。

郑敬云.厦平华.地下暗挖专项施工中不良地质段的处理预案分析[J].水利建设与管理,2016(8).