双液注浆技术在狮子山隧洞突水突泥处理中的应用研究

刘 浩

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润 064000)

随着经济社会的发展，基础设施的建设越来越受国家重视。但在工程建设过程中不可避免遇到各种灾变问题，其中突水突泥灾害频繁出现。对于突水突泥的灾害治理已经为学者所重视并取得一定的研究成果[1-2]，但是目前的研究主要集中于浆液本身的凝结和配合比设计，鲜有涉及双液注浆技术的研究[3-4]。本文以滇中引水工程狮子山隧洞为依托工程，对双液注浆的应用效果进行研究，研究结果可为依托工程及类似工程的设计、施工提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

滇中引水工程狮子山隧洞主洞全长21.172km，隧洞净空断面尺寸为9.2m×9.2m。隧洞共设四条施工支洞，其中4号支洞为永久检修支洞。狮子山隧洞3号支洞与主洞交叉桩号为DLII41+515.361。突水突泥部位位于狮子山隧洞3号支洞主洞控制段上游侧，隧洞埋深约453.513m。狮子山隧洞纵断面见图1。

1.2 地质概况

突涌部位位于FⅢ-71断层构造破碎带附近，地层岩性为断层角砾岩、凝灰质角砾岩、断层泥，受构造挤压作用，断层带岩体节理裂隙发育，结构破碎，强度低，挤压变形问题突出，顶拱及边墙易发生塌方失稳破坏，存在线状至股状流水现象，突水突泥风险高，垮塌范围主要集中于隧洞中部及顶部，其影响范围左侧向外向下游方向延伸，右侧向外向上游方向延伸。

2 现场概况

2.1 突水突泥

第1次突水突泥：2020年11月28日，隧洞出渣过程中发生第一次突水突泥事件(见图2)，突水突泥突涌体总量约3000m3，突泥约1200m3，突水约1800m3，突涌长度约54m。因现场决策正确、及时，突水突泥未造成人员伤亡事故。突水突泥发生后，制定了施工超前大管棚通过突涌施工段的施工方案。

图2 现场突水突泥情况

第2次突水突泥：2021年3月6日，在对DLII40+147.6处进行更换拱架过程中发生了第二次突水突泥事件(见图2)，拱顶排水管水量忽大忽小、由清变浑浊，拱顶发生异响，突涌体总量约5200m3，突泥约2800m3，突水约2400m3，突涌长度约124m，造成现场一台湿喷机被困。同时造成已施工完成的超前大管棚折断4根(顺水流右侧)。

2.2 水量变化

突水突泥的发生与地下水的变化密不可分，通过对突涌部位水量、水质、水色的变化情况进行定时观测、统计，得到如下结论：

a.第1次突水突泥前，掌子面为线状裂隙水，单位时间出水量在3～5m3/h左右，水质清澈透亮，无杂质。突水突泥发生前线状渗水水色由清澈转浑浊色，水中含有泥沙悬浮物。

b.第1次突水突泥后，在掌子面拱顶处出现两处股状涌水，股状涌水水量基本稳定在60～70m3/h，水质清澈，无杂物。

c.第2次突水突泥发生前拱顶排水管水量忽大忽小、水质由清变浑浊。

d.第2次突水突泥后股状涌水水量减少，涌水量基本稳定在45m3/h，无明显变化。

2.3 超前地质预报

为进一步探明突水突泥发生的诱因，项目部采用了物探结合钻探的施工方法进行了超前地质预报，预报结果如下：

物探：推测突涌部位为 FⅢ-71断层构造破碎带，地层岩性为断层角砾岩、凝灰质角砾岩夹断层泥，断层带内岩体结构破碎，强度低，顶拱及边墙易发生掉块、塌方失稳破坏，发育线状至股状流水现象，突水突泥风险高，围岩极不稳定，预判围岩类型为Ⅴ类。

钻探：钻探结果显示，DLII40+151.0～DLII140+35.0段围岩岩性为凝灰质火山角砾岩，局部为泥质充填，岩体结构破碎，围岩整体强度低，存在卡钻现象，存在股状涌水及线状水出露，综合判定为Ⅴ类围岩。DLII40+135.0～DLII40+131.0段节理裂隙发育，较破碎，围岩强度较高，钻进速度匀速较慢，综合判定为Ⅴ类围岩。

2.4 综合分析

通过两次突水突泥的规模比较、涌水量变化及超前地质预报分析，发现受断层构造破碎带影响，在地下水的作用下，断层泥、角砾岩填充的排水通道随地下水向已开挖掌子面迁移并且进一步打开，突水突泥是地下水与断层带破碎岩体(或断层泥)相互作用下的共同产物。第二次突水突泥规模较第一次势头更大，仅采用超前大管棚施工不足以通过突涌段落，需要进一步加强超前预支护措施以通过该不良地质洞段。

3 双液注浆技术应用

通过对掌子面前方超前地质预报结果、突涌物及地下水变化等综合分析，突水突泥的产生，与地下水对岩体或断层泥的浸湿、冲刷等破坏作用有关，要保证隧洞开挖支护通过突涌段的安全性、稳定性，必须采用相应的排水措施或堵水措施，以消除或减轻地下水对隧洞施工造成的安全隐患。双液注浆技术能够有效处理地下水涌水量较大(单孔涌水量大于30L/min)、突水突泥等不良地质洞段，因此拟对突涌段应用超前预灌浆双液注浆技术以安全平稳地通过突涌段落。

3.1 超前预灌浆设计

止浆墙施工完成后(止浆墙厚2m,施工里程为DLII40+153.5～DLII40+151.5)，对DLII40+153.5～DLII40+123.5进行超前预灌浆施工，超前预固结灌浆的固结范围为开挖轮廓线外5m范围内，隧底以开挖轮廓线为界进行控制，隧洞轮廓线以内不灌浆。

3.1.1 孔位设计

超前预灌浆灌浆孔浆液扩散范围按100cm设计，共设计六环超前灌浆孔，每环21孔，合计126孔。按环间分序、环内跳孔的原则进行注浆，第一环、第三环、第五环为Ⅰ序环，第二环、第四环、第六环为Ⅱ序环。超前预固结灌浆先施工Ⅰ序环孔，后施工Ⅱ序环，Ⅱ序环作为Ⅰ序环的检查孔，如Ⅰ序环灌浆效果不理想，则利用Ⅱ序环进行补灌。超前预灌浆布孔见图3。

图3 注浆设计

3.1.2 浆液配合比设计

考虑到掌子面局部涌水量较大(集中出水量约45m3/h，Q>30L/min)，若只采用普通水泥单液浆无法完全起到堵水止水的目的，因此，超前预灌浆注浆施工浆液采用普通水泥(掺加rw-HPC注浆专用水泥添加剂)+水玻璃浆液双液浆。rw-HPC注浆专用水泥添加剂添加至普通硅酸盐水泥中能够起到缩短凝结时间、提高浆体结石率、降低浆体的压力泌水率、提高岩体的抗压强度等综合作用。

根据双液注浆生产性试验确定的浆液配合比，最终确定的注浆材料及规格型号、配合比如下：42.5级普通硅酸盐水泥，rw-HPC注浆专用水泥添加剂，水玻璃模数2.4～3.4，波美度35；水泥和rw-HPC注浆专用水泥，添加剂为均为粉状料，单位胶凝材料所含水泥比例为85%，含rw-HPC注浆专用水泥添加剂比例为15%。水泥浆水灰比0.8 ∶1～1 ∶1(质量比)，水泥浆 ∶水玻璃浆=1 ∶0.6～1 ∶1(体积比)(见表1)，施工过程中根据具体情况适当调整配合比。

表1 浆液配比参数

3.1.3 注浆压力控制

注浆的扩散机理包括渗透扩散、劈裂扩散、裂隙填充、挤压填充。结合突涌段地层情况，选用劈裂注浆方式能够较好地起到堵水、固结岩体的效果。

注浆终止压力的控制很大程度上决定注浆能否达到预期效果，如注浆终止压力过小则浆液无法对地层裂隙填充密实，扩散范围无法达到注浆设计时所确定的范围，起不到注浆堵水的效果。扩大注浆终止压力，可以使注浆扩散范围进一步得到保证，提高浆液和围岩结石体的强度和不透水性，但劈裂注浆终止压力过大容易引起地层裂隙增大，因此需要通过生产性试验确定合理的注浆终压，实现注浆扩散范围可控。

通过注浆生产性试验，当注浆终止压力为3～5MPa时能够起到较好的固结堵水效果，同时注浆过程中必须对注浆压力不断进行观察控制并通过注浆记录仪对相关注浆参数进行实时记录。

3.2 注浆结束标准

当灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于1L/min继续灌注30min，即可结束灌浆。无法达到上述标准时，可视具体情况，采用定量法或定压法确定结束标准。

通过生产性注浆试验，在最大注浆压力5MPa条件下，注入率在30～40L/min左右，如继续注浆，虽注入率会下降，但注浆压力会迅速上升至10MPa以上。也就是注入率在当前条件下无法降低至1L/min的停浆标准，如果以1L/min作为注浆结束标准，既不现实又会造成浆液流失、时间浪费等问题。

结合分序跳孔注浆的钻孔注浆流程，采用定量、定压相结合的注浆结束标准进行注浆。对同环内Ⅰ序孔采用注浆终压(3MPa)+注入率(50～60L/min)作为停浆标准，Ⅱ序孔采用定注浆终压(5MPa)+注入率(30～40L/min)作为停浆标准。同时按照多孔少注的原则进行注浆量控制，如果一个孔注浆量很大，其他孔注浆量很少，会造成固结范围内注浆均一性较差。因此采用定量、定压相结合的注浆方式可以使每个注浆孔都发挥其应有的作用，实现预期注浆效果。

3.3 注浆效果检查

按照超前预灌浆设计，钻孔注浆施工时先施工Ⅰ序环孔(第一、三、五环孔，每环21孔，共63孔)，后施工Ⅱ序环孔(第二、四、六环孔，每环21孔，共63孔)。Ⅰ序环孔施工完成后采用压水试验进行了注浆效果检查，压水试验孔为4孔(不小于灌浆孔总数的5%)，每5m一个试段。Ⅰ序环孔施工完成后在注浆达到预期效果的条件下取消了Ⅱ序环孔施工，为加快通过突涌段提供了安全保障、进度保障。现场注浆见图4。

图4 现场注浆情况

4 结 语

狮子山隧洞3号支洞上游侧突泥涌水处理过程中，首次使用了rw-HPC注浆专用水泥添加剂，通过生产性工艺试验合理确定了双液注浆的浆液配比，并利用定量、定压相结合，多孔少注的注浆方式实现了注浆堵水、固结岩体的双重目的，为隧洞安全、平稳、快速地通过突涌段提供了必要保障。同时通过上述施工技术的使用，减少了超前钻孔注浆量，节省了施工工期，提高了经济效益，为类似工程地质条件下的决策、设计、施工提供了借鉴经验。