隧道穿越富水软硬岩层接触带的创新注浆堵水技术

金煜堃

（中铁十九局集团第五工程有限公司 辽宁大连 116100）

当隧道开挖施工通过极高风险的富水软硬岩层接触带时，一般多采用超前周边帷幕注浆的方法进行堵水。我们在建平隧道掘进施工中发现，使用这种注浆堵水方法效果不佳,掌子面仍然有线状、股状出水，岩层依然松散,施工安全隐患较大。针对上述情况，我们使用先压注“磷酸+水玻璃”注浆液快速堵水，接着再压注“水泥+水玻璃”注浆液加强止水固结体强度的创新注浆堵水方法，顺利地通过了隧道富水软硬岩层接触带的开挖施工。实践证明这种施工方法不但堵水效果好,还加固了被开挖的岩体，施工操作简单快捷，工程造价相对较低，还能保证施工安全。

1 工程概况

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路工程CFSG-3标段的建平隧道全长11340m，主要岩性包括片麻岩、凝灰岩和安山岩，Ⅳ级、Ⅴ级围岩占隧道全长的66%。其中：DK030+060～DK036+300段为片麻岩，强风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎； DK036+300～DK037+800段为凝灰岩，强风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，呈角砾碎石状压碎结构；DK037+800～DK041+400段为安山岩，弱风化，节理裂隙很发育，岩体破碎，呈角砾碎石状，松散结构，易发生围岩失稳塌方和大变形。隧道正洞里程DK36+550～DK35+360段风险评估表中说此段突泥、突水的概率等级为“很可能”，风险等级为“极高风险”。超前地质预报显示此段纵横波速度和动态杨氏模量出现明显波动下降。推断该段围岩岩性明显变差，岩体破碎～极破碎，节理裂隙发育～极发育。推断此段地层应为凝灰岩与片麻岩岩性接触带，地下水极发育。

2 创新的注浆堵水技术工艺原理

富水段软硬岩层接触带的地下水具有聚集性和贯通性，通过掌子面出水点四周的围岩裂隙涌出。“磷酸+水玻璃”液浆具有良好的亲水性，浆液渗透能力强，能与地下水快速反应，固结速度快，能将出水点附近的围岩缝隙瞬间凝结，快速硬化形成不透水的固结体，达到注浆止水效果。但是用压注“磷酸+水玻璃”液浆形成的固结体强度比较低，止水之后必须立即压注“水泥+水玻璃”液浆来提高不透水固结体的强度,起到加固的效果。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

图1 施工工艺流程图

3.2 施工操作要点

3.2.1 施工准备

(1)钻孔、注浆设备

针对岩层接触带处于不同位置采用不同的钻孔设备。当岩层接触带位于拱部附近时，采用小导管挑顶注浆和径向注浆方法，使用YT28气腿式凿岩机钻孔；当岩层接触带位于掌子面中心或边墙附近时，使用TXU-200型钻机成孔，钻杆采用φ42中空钻杆和专用钻头钻孔，利用钻杆进行深孔注浆。

注浆使用ZJS-5型双液注浆泵，注浆压力可达10～15Mpa。两个缸同步运动，行程相同，工作缸端各有一套独立的吸、排浆系统，两种浆液经过混合器混合后进行注浆。施工中我们在其中一个进浆阀组处增加一个三通开关，分别连接磷酸浆液和水泥浆液的两条管道和浆液贮罐，做到不需清洗注浆泵就可以先压注“磷酸+水玻璃”液浆,只须转换一下三通开关就可以接着压注“水泥+水玻璃”液浆。(2)注浆材料[1]、[2]

注浆所用的磷酸、水玻璃、水泥等注浆材料应满足以下技术指标：水泥：普通硅酸盐水泥，强度等级P.O42.5；水玻璃：波美度39～41Be′，模数2.7～3.5；磷酸：密度1.5～1.8g/cm3。。

3.2.2 编制注浆方案

根据隧道设计文件提供的地质资料和超前地质预报（TSP）资料，结合现场加深炮孔探测的地质情况，判断岩层接触带里程，围岩岩性，含水情况，编制注浆方案。

3.2.3 注浆孔布置

(1)出水点位于拱部附近

当出水点位于拱部附近时，采用超前小导管挑顶注浆和径向注浆的方法。超前小导管挑顶注浆能在拱部形成防水固结体。纵向注浆长度为大于2倍开挖进尺，一般为3.0m～3.5m。超前小导管的环向间距为0.3～0.5m，孔径为Φ42～Φ50，用4分无缝钢管制作注浆管。

当出水量较大，掌子面渗漏水较严重时，可用径向注浆的方法加固后方，确保施工安全。径向注浆孔按梅花形布置，孔口环、纵向间距1.0m，孔径Φ42～Φ50,注浆管用4分无缝钢管制作。

（2）出水点位于掌子面中心

当出水点位于掌子面中心时，根据出水量大小采用出水口周边注浆的方法。用TXU-200型钻机成孔，注浆采取横喷射注浆和回抽注浆方式，将出水区域分孔分流，逐个封闭，如图2。

图2 TXU-200型钻机成孔、注浆示意图

采取从出水点下方开始施工分流孔，分流孔成孔注浆后逐层向上施工，如图3。针对岩层出水量大小的不同，可以先在出水点下方0.5m处设置第一排下层分流孔，下层分流孔横向一般布置2～4个，间距0.8～1.6m，上下一般设置2～3排，间距0.8～1.6m。间距可以根据围岩裂隙发育程度和出水量进行相应调整。

图3 下层分流孔示意图

下层分流孔注浆完成后，在出水点左右两侧分别施工中层分流孔。中层分流孔布置在出水点的两侧，第一个孔距出水点0.5m，每侧设置1～3个，中层分流孔的间距0.5～1.0m（间距可以根据围岩裂隙发育程度和出水量进行相应调整），用Φ42中空钻杆钻孔。中层分流孔注浆从远离出水点的孔开始，如图4。

图4 中层分流孔示意图

中层分流孔注浆完成后，在出水点上方设置上层分流孔。上层分流孔一般设置一排1～3个，间距1.0～2.0m，可以根据出水情况相应调整。如图5。

图5 上层分流孔示意图

（3）出水点位于边墙附近

当出水点位于边墙附近时，可以根据出水量大小采取内侧设置所谓的“帷幕”孔，外侧采用超前小导管插边注浆和局部径向注浆的方式进行处理。

“帷幕”注浆孔用TXU-200型钻机成孔、注浆。首先根据出水点位置在隧道边墙内侧施工“帷幕”孔，距出水点1.0～2.0m，上下孔距0.5～0.8m，（间距可以根据围岩裂隙发育程度和出水量进行相应调整），用TXU-200型钻机成孔。如图6。

图6 “帷幕”孔示意图

“帷幕”孔钻孔、注浆完成后进行边墙超前小导管钻孔、注浆，形成对出水点的围堵。对出水点采用单孔高压注浆的方式进行堵水，在出水点四周0.5m处用TXU-200型钻机成孔、注浆。需要时对边墙的初期支护采用径向注浆的方式进行处理。处理方式如3.2.3节（1)所述。

3.2.4 钻孔

（1）YT28气腿式凿岩机成孔

用YT28气腿式凿岩机钻孔过程中，通过对钻进速度的测试和对钻孔岩芯的观察获取隧道掌子面前方岩石的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度及地下水大小等各方面的资料。

（2）TXU-200型钻机成孔

用TXU-200型钻机钻孔时用Φ42中空钻杆慢速钻进，严格控制钻孔深度，密切观察钻孔溢水情况。钻孔时每钻进一段，检查一段，及时纠偏，确保钻孔准确。退出钻杆的过程中进行注浆，严格控制钻杆退出速度，每次退出不宜大于200mm。

3.2.5 注浆

注浆浆液用“磷酸+水玻璃”液浆和“水泥+水玻璃”液浆。

“磷酸+水玻璃”液浆中磷酸用稀释溶液,与水玻璃的体积比为1:1。磷酸稀释溶液为用水稀释的磷酸，比例为17L磷酸兑210L水。

“水泥+水玻璃”液浆中水泥浆与水玻璃溶液体积比为1：0.8～1：1，其中：水泥浆为水泥与水的溶液，质量比为0.8:1～1:1，水玻璃溶液为水稀释水玻璃，体积比为1：3。

注浆参数：（1）注浆终压：小导管注浆0.5～1.5MPa，TXU-200型钻机注浆10～15MPa；

（2）凝固时间：“磷酸+水玻璃”液浆为速凝注浆剂，液浆凝固时间1～2分钟；

（3）钻杆回抽幅度：约150～200mm；

（4）注浆速度：与地层孔隙及地层密实度有关，注浆速度应为每分钟10～20L；

（5）注浆结束标准：注浆量与注浆压力双控。每根导管注入规定浆液、压力达到注浆终压即可结束注浆。如压力长时间不上升，流量不减少，可能是跑浆，可采用间歇注浆的方法注浆。

4 结 语

新建赤峰至京沈高铁喀左站铁路工程建平隧道施工过程中，采用先压注“磷酸+水玻璃”浆液快速堵水，接着压注“水泥+水玻璃”浆液加强不透水固结体强度的注浆堵水方法，止水效果明显，掌子面上杜绝了线状、股状出水的情况，掌子面岩体被注浆浆液固结，消除了塌方的隐患，开挖施工顺利地通过了富水软硬岩层接触带，缩短了工期，取得了良好的社会效益和经济效益。