山岭隧道高压富水段超前注浆堵水实施效果试验研究

周鹏飞

（中铁十六局集团路桥工程有限公司 北京 101500）

0 引言

近年来，随着我国经济的不断快速发展，为迎合发展趋势就需要促进区域经济高质量发展，因此对建设更发达更全面的交通网络有了更高的要求，高速公路、地铁、高速铁路、隧道等的建设需求越来越大。在长隧道施工过程中，由于隧道施工的地理位置不同，施工中会产生大量的水和水压，外部水压主要受地下水水头和地下水处理方式影响，与围岩成拱效应无关［1-2］，但采用全排单一施工方案很难按时完成施工任务，且施工过程风险很大。

目前，在对高压富水隧道施工处理技术上，众多研究技术人员作出了大量的研究贡献，取得了显著的科研成果。房倩等人［3-5］研究了注浆堵水技术在隧道的应用，张健儒［6］为降低围岩的渗透系数使用了超前预注浆堵水的方法，张民庆等人［7］根据出现齐岳山隧道所出现的高压裂隙水问题，提出使用普通水泥单浆和普通水泥-水玻璃双浆注浆堵水方法，且这种方法取得了良好的效果，并在实际工程中得到广泛应用。但目前还没有相对成熟的施工技术和经验，能有效解决水压大于6 MPa 的富水隧道问题。根据2012 年6月21～22 日召开的“中天山隧道斜井工区高压富水段施工方案论证会”，专家对解决高压富水段施工问题，提出了“注浆减排、排水降压”的方法［8］，有效地减少了排水量，降低施工安全风险，解决高压高富水地段施工难度大、施工风险高的问题。

1 注浆材料及工艺控制

注浆施工中主要采用3 种注浆材料，分别是普通水泥单液浆（简称C 浆）、普通水泥-水玻璃双液浆（简称C-s 浆）和硫铝酸盐水泥单液浆（简称AL 浆）。首先采用以C 浆为主，C-s浆为辅的注浆方式进行试验，而C-s浆是在上述2种注浆材料不能达到预期效果时使用。各注浆材料配比情况如表1所示。

表1 浆液配比参数Tab.1 Slurry Ratio Parameter

在注浆施工中，注浆材料的选择与配比可根据现场情况的不同进行调整。首先，使用普通水泥浆作为初始注浆液进行注浆，当出现串浆的现象随之发生在排水孔内时，应使用普通水泥浆-水玻璃双浆液进行封堵。其次，如果能够起到良好的封堵注浆作用，之后注浆就可选用普通水泥浆单浆来代替普通水泥浆-水玻璃双浆，从而减少材料用量。最后，当注浆压力处于3 MPa 至设计终孔压力之间时，使用硫铝酸盐单浆进行注浆，至注浆完成。

施工过程中注浆顺序如下：

⑴先钻设C3、C6、C9、C13、C16、C19 孔作为注浆孔使用，之后当需要对地质情况进一步判断时，这些孔也可作为超前地质探孔使用，并可使用所得的数据对设计方案进行动态优化。

⑵应采用“由外往内、由上往下、间隔跳孔”的原则进行施工。每排注浆孔数为奇数（偶数）的孔先施工，再施工偶数（奇数）孔。局部大水量地区注浆结束后，应进行有针对性的加固灌浆。

2 注浆效果评价与分析

2.1 钻孔涌水量

⑴根据加固注浆施工时不同时间的钻孔最大涌水量的变化，所得数据如图1所示。

图1 钻孔涌水量时间效应Fig.1 Time Effect of Borehole Water Inflow

如图1 所示，各钻孔的最大出水量各不相同。在试验中，前9 个试验注浆孔最大出水量为239 m3/h，平均出水量为176 m3/h。通过注浆，堵塞了较大的宽张裂缝，取得了一定的堵水效果。下两轮钻孔完成后，大部分水裂缝已被堵塞，工作面8 个注浆孔的涌水量明显减少，平均12 m3/h，达到了注浆减排量的预期效果。

⑵注浆堵水率

各施工阶段钻孔所统计的最大涌水量和计算所得的堵水率如表2所示。

由表2 可知，在钻井施工过程的前9 个测试孔，平均进水量为176 m3/h。顶水注浆后，单孔平均最大涌水量在外圈孔施工期间为35 m3/h，堵水率为80%。外圈孔堵水注浆较为明显。当注浆施工由外向内进行时，完成内圈孔施工后，其堵水率为85%。当完成3个圆形注浆孔后，掌子面8 个注浆孔的最大平均入水量为12 m3/h，堵水率为93%，达到预期堵水效果。

表2 注浆堵水率Tab.2 Grouting Water Blocking Rate

⑶P-Q-t曲线

P-Q-t曲线如图2 所示，显示了在循环钻孔注浆施工过程中注浆压力和注浆量随注浆时间的变化。

注浆封堵地层出口宽裂缝时，注浆过程中涌水量大注浆孔的P-Q-t曲线如图2⒜所示，初始压力约为2 MPa，初始压力增长到最终压力期间，压力变化主要分为2～4 MPa 期间缓慢增长、4～7 MPa 期间快速增长、7 MPa 至最终压力期间指数增长3 个阶段。最后指数增长阶段注浆流量逐渐减少，最后达到设计结束标准。

注浆过程中部分含水率较低孔的P-q-t曲线如图2⒝所示，初始压力仍为2 MPa 左右，与涌水量最大孔的P-Q-t曲线所示的变化情况相近。注浆压力增长速度逐渐加快，最后成指数增长趋势，但地层吸浆量较小。随着注浆压力增大至设计注浆压力后，将浆液填满出水裂缝并压实，达到预期堵水效果。

图2 注浆P-Q-t曲线Fig.2 Grouting P-Q-t Curve

2.2 检查孔注浆效果

当完成注浆后，应根据循坏钻孔注浆施工过程中的出水区域分布情况钻设检查孔检查注浆完成的效果情况，也可在注浆薄弱区域来选择钻设位置［9］。而且在检查完成之后，检查孔可作为补充注浆孔来使用。检查孔均为终孔断面钻设，共布设8个，钻设孔深为28 m（含止浆墙），其开孔和终孔位置如图3所示，出口涌水量情况如图4 所示。除了钻设检查孔之外，还要钻设径向终孔，位置应位于开挖轮廓边界5 m以内。

图3 检查孔开、终孔布置Fig.3 Inspection Hole Opening and Final Hole Layout

图4 检查孔出水情况Fig.4 Check the Water out of the Hole

通过注浆后地层渗透系数公式：

式中：kg为注浆后的地层系数（m/d）；Q为稳定流量（m3/d）；l为注浆孔长（m）；S为水位差、水头压力（m）；r为钻孔半径（m）。

当注浆后地层渗透系数达到10-4～10-5cm/s 时才能满足开挖要求；

本循环右线注浆效果检查：检查孔长度为20 m（不含止浆墙）；浆结束后，在左侧泄水孔泄水情况下水头为200 m；钻孔孔径为90 mm。

当取渗透系数为5×10-5cm/s 时，单孔涌水量Q为6.8 m3/h；每延米涌水量为5.65 L/m·min。

从表3 所得到8 个检查孔的终孔水量均小于5.65 L/m·min，满足开挖要求。在钻设检查孔时，钻孔速度快，而且没有卡钻现象，满足标准要求的检验效果。

表3 检查孔各段出水情况Tab.3 Check the Water Output of Each Section of the Hole

2.3 检查孔孔内成像测试

采用孔内成像技术对钻出的检查孔进行检测。检测结果表明，检查孔内壁光滑、成孔良好，没有出现塌孔等现象；但孔壁上出现有明显的注浆痕迹，且孔壁上的细小裂缝及岩石与注浆接触面有出现喷、冒水现象，从而造成孔内涌水的情况。孔内成像检测的截图如图5所示。

图5 检查孔孔内摄像测试情况Fig.5 Check the Camera Test Situation in the Hole

2.4 注浆安全风险与成效

通过注浆试验，得出在处理6.3 MPa 高水压破碎围岩问题采用全断面超前注浆的方法是可行的，并通过加强注浆堵水来降低支护结构的外水压力。通过超前注浆的方法将高压水推至开挖轮廓线之外，并且在一定区域内加固地层，从而能使隧道开挖能在低水量的情况下进行，更直接有效地确保了隧道开挖的安全。

⑴普通水泥单浆液为本次注浆试验所主要使用的注浆材料。在这次实际注浆过程中论证了其可注性的配合比设计，验证了浆液在工程中的可泵性，为下一步的注浆确定了良好合理的注浆参数。

⑵在注浆过程中，应根据当地情况选择注浆段的长度。对于全断面提前堵水注浆，注浆加固长度应控制在为25～30 m，且要采用分段提前注浆。注浆加固的长度根据勘探孔的地质条件确定，地质条件较好时，长度增大，若不好，则长度减小。设计注浆段长度不应超过30 m，防止出现钻孔注浆效果降低、最后一段注浆效果差等情况。

⑶确保注浆墙的质量和厚度。根据本次注浆试验的早期阶段的注浆施工，可以看出止浆墙在注浆工程中起着重要作用，止浆墙是确保钻孔灌浆施工进行和隧道安全的最后一道防线。在6.3 MPa 的高水压下，注浆墙厚度应控制在5～8 m 范围内，材料选用C30混凝土。

⑷钻孔注浆设备应满足抵抗高压水的要求。钻井设备要选择钻井能力先进的钻机，钻机必须要能承受高压水，并配有高压水泵，现场使用2.1 MPa 高压空压机和15.0 MPa 高压水泵，深孔和浅孔交替使用，浅孔凿岩机采用风钻空压机，深孔采用金刚石高压注浆泵供水，因而对凿岩机的要求较高，凿岩机应能同时进行风钻和水钻；注浆设备还应选用高压注浆泵，现场采用15.0 MPa的高压注浆泵。

⑸泄水降压非常重要。在注浆前，应先打开排水泄水孔来确保灌浆施工的安全。当注浆完成后，为保证施工作业能在低压开挖进行，还要在开挖前设置降压孔，设置位置在注浆加固圈外。

⑹降压孔和注浆孔之间的距离应该增加，和单液和双液注浆材料应该相互结合使用。

3 注浆进度分析

根据对试验阶段的钻孔注浆长度和时间的分析，没循环所设计钻孔的99个孔，其正常情况下长度需要约6 450 m（包括反复扫孔长度）。钻机的平均钻孔效率约为8 min/m，一个循坏的钻孔时间约为32 d，注浆每循坏所需时间约为37 d。钻孔效率和进度分析如表4所示。

表4 循环注浆进度分析（30 m，8 m加固圈）Tab.4 Circulating Grouting Schedule Analysis（30 m，8 m Reinforcement Circle）

4 注浆经济性分析

4.1 第一循环注浆试验段施工分析

施工的第一个注浆循坏开始日期为3 月22 日，之后4 月6 日因止浆墙出现裂缝而停止施工，主要原因为止浆墙受高水压的影响所造成。根据项目管理中心在5 月19 日的指示选择在掌子面局部区域进行注浆试验工作。之后在6月22日举行的会议，专家确定了“减压注浆泄水”的施工原则，继续实施循环注浆，直至8 月8 日完成。试验段在6.3 MPa 高水压条件下钻孔注浆为国内首次。因此有必要在不断的试验中探索和总结经验，着同样也造成了在试验过程中施工时间长，投资成本高的问题。

⑴在2012 年3 月16 日，引入了RPD-180C 钻机且配备了专业的团队，进行建设的第一个循坏全断面超前注浆涌水处理试验部分。2012年8月8日完成了第一循坏注浆施工。

⑵根据涌水处理施工方案，在第一次循环注浆施工过程中还增加了止浆墙。第一道止浆墙厚4 m，但由于现场实际水压过大，导致止浆墙开裂，然后施工第二道止浆墙，墙厚为5 m。

4.2 注浆费用分析

结合第一循环试验段施工情况，在正常施工情况下，每循环注浆的开挖工期约50 d，一循环超前注浆按加固30 m（含5 m止浆墙）考虑，开挖17 m；设计钻孔99孔，总计钻孔数量预计6 500 m（含重复扫孔）；预估注浆量为1 200 m3。每延米注浆估算费用与设计院在方案中给定的指标相差较大，经分析主要原因如下：

⑴隧道注浆钻孔定额采用《铁路路基隧道工程预算定额》（铁建设〔2004〕47号）中的相关定额进行编制，其中MK-5 钻机仅适用于低水压及软弱围岩条件下施工。由于中天山隧道水压高达6.3 MPa，且闪长岩石英含量高，强度大，MK-5 钻机根本无法达到施工需要。结合现场施工情况，可采用RPD-180C 多功能钻机进行钻孔。

⑵由于隧道地层水压高达6.3 MPa 且地层为闪长岩，围岩强度较高，耐磨性好，钻孔难度大，效率极低，钻具消耗大。通过试验段钻孔进度及钻具消耗统计，试验段平均每小时钻孔长度约6 m，是正常钻进速度的1/3（正常段围岩段每小时钻孔长度18 m）；钻具消耗也比正常施工段多消耗4 倍（正常情况下每钻进500 m消耗1根钻杆，而试验段每100 m就消耗1根）。

⑶由于水压高达6.3 MPa，注浆只能采用前进式分段注浆，造成实际钻孔长度远大于设计理论钻孔长度，根据第一循环现场实际签认统计，实际钻孔长度达到设计的217%。

⑷ 设计方案注浆量第一循环21 m 注浆工程量为203 m3。但由于水压力高达6.3 MPa，为保证注浆效果，实际采用了较高的注浆压力，致使浆液扩散损失较大，实际注浆量远大于设计量。根据第一循环现场实际签认统计，其注浆量为936 m3，实际注浆量和设计方案中注浆量出入较大。

5 结论与建议

随着地下工程施工的发展，在众多相关技术人员不断努力完善堵水注浆技术下，注浆材料、注浆机械、注浆工艺都有着极大的进步和发展，并广泛应用在很多隧道施工中。然而，由于地底的裂缝错综复杂，在施工中技术人员很难把控注浆浆液在裂缝中的运动轨迹，只能根据注浆浆液凝固后的形状和尺寸来间接判断注浆效果，这使得在注浆工程中需要对注浆工艺有丰富经验的工程技术人员，如此一来注浆技术的完善还需要研究人员及技术人员的不断探索和研究。

⑴在“注浆减排、排水降压”的原则下，采用全断面超前注浆的方法可以有效解决水压大于6.3 MPa 的富水隧道问题。

⑵在注浆时，泄压孔与注浆孔之间的距离不能太过靠近，要有一定的距离。

⑶试验所选用普通水泥单液浆与水泥-水玻璃双浆液注浆材料相结合使用的方法（以单液为主、双液为辅）使试验结果达到预期效果。

⑷工程所采用的满足钻孔、注浆设备的机械费用较其它机械而言费用所需很大，因此在钻孔、注浆过程中，尽可能在满足堵水的同时提高施工效率。