隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔技术及应用研究

许 毓 才

(山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030000)

隧道穿越松散涌水地层时，极易发生坍塌、突水突泥、掌子面失稳等事故，甚至造成重大的经济损失和人员伤亡[1-2]。超前小导管注浆因施工便捷、对环境影响小、操作灵活等优点，是工程上解决该类问题的有效防控手段，而如何封闭超前小导管与钻孔之间缝隙，是确保注浆质量的关键之一。

目前，国内外的常用封孔方法有水泥浆封孔[3-4]、聚氨酯封孔[5-6]、封孔器封孔[7-8]、囊袋式封孔等[9]。其中，水泥浆封孔能够承受较大压力，但是水泥凝固后会收缩，而且在强压下会发生脆性破裂；聚氨酯发泡反应快，能实现快速封堵，但是在高压下容易变形，对操作要求较高，容易造成封孔效果不理想甚至封孔失败；封孔器由于结构复杂、笨重、成本高，难以推广利用[10-11]；相对于其他封孔方式，囊袋式注浆封孔结构简单，操作方便，能有效封堵煤层裂隙，并且对巷道形成主动支护，在我国煤矿得到了广泛应用[12-14]。但遗憾的是，现有的中心分流式囊袋注浆[15]、分体式囊袋注浆封孔[16]等施工较为复杂、成本相对较高。

为此，本文针对超前小导管施工环境特点，提出一种隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔膜袋，阐明相应的工作原理和给出相应的施工工艺，并通过理论分析建立注浆封孔长度、膜袋注浆压力以及地层注浆压力之间的关系。最后，将上述成果在山西省中部引黄工程水源工程中得到应用。研究成果为超前小导管注浆封孔提供了新思路。

1 压滤式膜袋封孔止浆原理

压滤式膜袋封孔方法主要是利用新型土工合成材料(长丝机织土工布)对水泥颗粒良好的反滤性，在注浆管与钻孔之间形成一层随孔壁形状变化而压实的柔性封孔段，原理示意图如图1所示。

图1 注浆封孔原理示意图

(1) 当浆液以一定压力从胶纸软管中注入密闭的长丝机织土工布中，浆液会不断充填膨胀长丝机织土工布直至达到长丝机织土工布密闭空间的膨胀极限，由于长丝机织土工布密闭空间远大于注浆孔与钻孔之间的空间，故长丝机织土工布密闭空间的膨胀过程会不断挤压周边围岩，最终形成类似“止口塞”的作用，实现注浆封孔。

(2)由于采用的长丝机织土工布为柔软的小孔隙高强材料，该类材料具有良好的反虑性，即允许自由水排出而颗粒无法通过。因此，浆液在不断充填过程中会在注浆压力作用下不断析出多余的自由水，使得浆液不断发生“压滤效应”进而加快浆液凝结时间，也可以不断提高浆液结石体强度，显著提高施工工效和止浆能力。与此同时，由于长丝机织土工布为柔软性材料，形状会随凹凸不规则孔壁变化，真正能够达到密实压合在孔壁的效果，形成有效封堵长度，防止高压灌浆时孔口跑浆，起到止浆的作用。

2 压滤式膜袋封孔止浆工艺

压滤式膜袋封孔注浆结合隧洞内施工场地狭窄、洞内有淤泥积水等特点，在很大程度上简化了程序，主要工艺流程图如图2所示。

图2 超前预注浆工艺流程

2.1 膜袋止浆塞制作

压滤式膜袋封孔止浆塞的主要材料为密度200 g/m2左右的长丝机织土工布、DN20无缝钢管(进浆管)、DN8无缝钢管(膜袋进浆管)、小直径橡胶皮软管以及捆绑铅丝和胶带，具有制作加工简单、可根据现场情况灵活制作、材料成本低廉等特点(见图3)。制作加工工具为手持式缝包机，膜袋径向尺寸根据钻孔孔径而定，一般取钻孔孔径的30%～50%，止浆塞长度根据裸露岩体的裂隙情况、出水点位置等现场实际情况按需设计。

图3 压滤式膜袋封孔止浆塞

2.2 膜袋注浆工艺

采用全液压一体钻机钻孔，钻孔深度保证在隧洞轴线上的投影长度为28.5 m，孔径为Φ108 mm。待钻孔完成后，将制作好的压滤式膜袋封孔止浆塞置入注浆孔内的设计孔深处(见图4)，并采用小排量注浆泵注入水灰比为0.8～0.5的普通纯水泥浆液，当注浆压力达到0.5 MPa时结束注浆，待凝时间15 min。此外，在膜袋止浆塞注浆充填过程中(特别是有较大涌水压力的灌浆孔)为防止止浆塞被冲出或滑落需人工采用简易工具临时固定，待止浆塞内浆液充填饱满后即可拆除。

图4 膜袋注浆施工

2.3 地层注浆工艺

待压滤式膜袋封孔止浆塞完成后进行地层注浆，注浆孔按照分序加密的原则进行，从顶拱—边墙—底板交替施作，并逐渐对掌子面进行注浆封闭，形成封闭的阻水圈。注浆材料一般以注入单液水泥浆为主，遇到大涌水时调整为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力参照帷幕灌浆采用的压力范围2倍～3倍水头进行调整，不小于1 MPa。注浆结束条件应根据地质条件和工程要求确定，一般情况下，当灌浆段在设计压力下，注入率小于1 L/min后，继续灌注30 min，即可结灌浆。需要注意的是，掌子面集中涌水点水量较大时，可在超前预注浆后于集中涌水点附近布置泄压孔，然后先封堵集中涌水点部位，降低涌水流速，使水流由股状泄水转为线状流水，再封泄压孔，最后达到将掌子面涌水封堵的目的。注浆完成后开挖24 m，预留4 m搭接长度，作为下一个循环预注浆的掌子面。

3 压滤式膜袋封孔止浆机制

在注浆过程中，膜袋封孔需要承受来自注浆管注入浆液的挤压作用，当浆液在上述挤压力的作用超过封孔浆体与孔壁之间的咬合力，浆液就会沿着膜袋与钻孔的边壁流出，膜袋封孔时效。因此，需要设计合理的封孔止浆长度、膜袋注浆压力以及地层注浆压力。

对膜袋封孔止浆能力进行分析，作如下假定：

(1)膜袋内的浆体在不同封孔高度上为均质、各向同性且不可压缩的流体。

(2)封孔止浆过程中浆液保持流型不变，除注浆孔附近外，服从同心环状层流运动。

(3)地层注浆压力均匀的作用在钻孔孔壁与灌浆管之间缝隙内膜袋底部。

(4)地层注浆时的浆液在轴向注浆压力的作用下仅产生轴向变形。

根据上述假设(1)—(4)，可建立膜袋封孔止浆模型，如图5所示。

图5 膜袋封孔止浆模型

如图5所示，取dx分析段进行受力分析，若假设注浆压力为P，封孔段浆液单元的应力为σ，膜袋与钻孔孔壁之间的黏滞力为τ1，注浆浆液与注浆管壁之间的黏滞力为τ2。则根据轴向力的平衡可得：

Sdσ=τ1(x)πR2dx+τ2(x)πR1dx

(1)

(2)

根据文献[17]可知，黏滞力与相应的相对位移成正比，则有：

(3)

(4)

式中:K1为膜袋与钻孔边壁的剪移比例系数，MPa；K2为膜袋与注浆管接触面的剪移比例系数，MPa；B=(R2-R1)/2。

将式(3)、式(4)代入式(2)得：

(5)

式中:D1、D2为常数。

对式(5)两边分别求两阶导，可得：

(6)

将式(2)求导代入式(6)得：

(7)

对式(7)求导，可得：

(R2τ1(x)+R1τ2(x))″=

(8)

解微分方程(8)，得出：

(9)

式中:C为积分常数。

当设计的膜袋封孔长度为L时，膜袋与边壁的起裂压力为P0时，压滤式膜袋封孔止浆的控制方程为：

(10)

由上式可知，压滤式膜袋封孔止浆能力与封孔长度、注浆浆液性能、膜袋注浆压力以及钻孔孔壁与注浆管之间缝隙的开度有关。

4 工程应用

山西省中部引黄水源工程是国家172项节水供水重大水利工程之一，地处天桥泉域排泄带，地下水极其丰富，且具有一定的承压性，引水隧洞和泄水洞均在地下水位线以下，岩性以奥陶系灰岩、泥质白云岩及泥灰岩地层为主，隧洞穿越规模较大的断层2条，断距约50 m，Ⅴ类围岩占70%左右，开挖过程中涌水量大(单孔涌水量达到120 L/min～150 L/min)、出水点多、有较大的承压力，泥灰岩遇水后迅速软化成泥，掌子面附近淤泥堆积，严重影响了施工质量。

本次应用以2#引水隧洞Y0+825.4—Y1+454.3桩号段为例，该段岩层呈近水平状，隧洞洞顶和底角各有一层约0.2 m厚泥灰岩，掌子面岩体破碎、裂隙发育、涌水量大且具有承压力，探孔单孔涌水量达到150 L/mim，单断面最大涌水量可达40 m3/s针对该施工特点，为增加围岩稳定性和减小出水量，制定了超前预堵水灌浆方案。灌浆压力采用0.5 MPa～0.7 MPa，循环搭接长度为2 m。超前预注浆面临以下几个难点：灌浆掌子面为没有盖板的裸露破碎基岩，表层因本身岩性较差和开挖放炮裂隙发育；掌子面裂隙涌水量大、出水点多且分散；部分洞段为泥质灰岩，硬度低遇水变软承载力不强等。按有关施工技术规范规程和常规的灌浆施工经验，超前预注浆孔的方向多为垂直于掌子面或小角度倾斜，无法形成有效高度压差，实现自流跑浆，通常采用橡胶浆止塞、止浆阀，或采用棉纱、麻料等材料攥紧灌浆管、设置止浆墙、再或采用新材料实现“以浆止浆”封闭法。以上封闭方式在地下水丰富且地质条件复杂地层中使用因封闭范围小、封闭长度短、承压小、工艺复杂等问题，不能起到很好的效果。

结合2#引水隧洞的施工与地质条件、目前涌水以及根据超前探孔和超前地质预报揭露即将出现更大涌水且有水压的实际情况，并在借鉴其他类似工程经验，提出压浆式膜袋封堵灌浆施工技术，以此解决涌水压力高、流速快且施工难度大的高难堵水灌浆施工难题。

膜袋封孔注浆在10 min内可快速完成，超前预注浆过程中，孔口没有明显漏浆，灌浆时能够达到设计灌浆压力，大大缩短了超前堵水灌浆时间、提高了堵水灌浆质量；改为压浆式膜袋封孔的超前预注浆后，开挖进度由每月开挖支护50 m～60 m大幅度提高到了每月开挖支护140 m左右，施工进度明显加快。开挖后洞身岩层渗水较以前明显减少，降低了地下洞室群的抽排水负荷。

5 结 论

(1) 提出了一种快速、有效的膜袋封孔工艺，该工艺所需材料市场常见易购置，膜袋制作简单，工艺易操作。

(2) 建立了膜袋封孔止浆模型，为膜袋封孔长度和膜袋注浆压力提供理论依据。

(3) 通过现场应用表明，压浆式膜袋封孔很好的解决了隧洞开挖在大涌水地层且地质复杂条件中超前预注浆存在的不起压、孔口跑浆等问题，且具有制作加工简单、操作工序简便、材料成本低廉特点。实践表明压浆式膜袋封孔工艺具有很好技术经济性能，为今后类似的工程提供了有益的经验。