隧洞突涌松散介质注浆加固技术与效果评价

刘俊峰 郝俊锁 邢 飞

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 064000)

滇中引水工程是中国西南地区规模最大、投资最多的水资源配置工程，也是我国在建最大引水工程。隧洞跨越扬子准地台(Ⅰ)之丽江台缘褶皱带(Ⅰ1)和康滇地轴(Ⅰ2，称川滇台背斜)大地构造，具有埋深大、洞线长、构造复杂等特点，伴随有活动断裂、软岩变形、岩爆、有毒有害气体、突水突泥、高外水压与水环境影响等一系列工程地质问题[1-2]。施工期间，大型突泥灾害在该隧洞共发生3次，其中FⅢ-73断层第一次突泥后采取φ108管棚注浆加固效果差，导致二次突涌，而注浆加固围岩是隧洞突泥处理最常用也是首选方案。针对突涌体的工程物理特征，深入研究不同地质条件下注浆加固原理与效果检测评价是降低隧洞突涌处治后洞挖风险和安全保障的需要。

隧道及地下工程针对大型突泥常采用全断面帷幕注浆，其注浆孔布置间距、注浆扩散半径、注浆压力和材料、注浆量、帷幕注浆厚度等施工参数是决定地层注浆加固效果的关键技术指标，而地层的可注性和注浆加固原理是确定工艺参数的前提。在注浆技术原理方面，秦鹏飞等[3]从基于裂隙岩体分形几何和模糊RES-云模型的可灌性分析理论、高聚物和微生物菌液注浆新材料、三维模型可视化和虚实耦合计算机技术等方面对坝基注浆技术进行了阐释述评。耿萍等[4]基于颗粒流离散元方法，研究围岩注浆对富水地层隧道开挖的影响，通过对岩体注浆过程进行细观动态模拟，研究不同注浆压力和注浆孔布设方式下的注浆效果，从而为优化注浆方案提供参考。张庆松等[5]考虑砂层渗透注浆过程中渗滤效应所造成的水泥颗粒滞留空间的不均匀性，针对平面径向流渗透注浆形式建立注浆加固体强度的定量计算公式，揭示注浆加固强度的空间衰减特征。科学合理选定注浆方案是达到理想效果的手段，而注浆效果评价是注浆工程质量检验方法。俞文生等[6]应用注浆参数分析、检查孔分析、钻孔雷达探测技术和数值计算等方法全面评估了断层突水突泥注浆治理效果。陈卫忠等[7-8]以检查孔观察法、检查孔取芯法、涌水量分析法及检查孔P-Q-t曲线法对帷幕注浆效果进行综合评价。王晓蕾等[9]详细阐述了五种注浆效果评价方法，并进行了较为详细的论述与分析，指出注浆效果评价存在的问题，针对存在的问题，提出了未来需要的注浆效果评价方法以及定量性指标。目前，隧道突涌灾害治理采用的帷幕注浆技术已日趋成熟，但针对不同突涌致灾介质堆积体的注浆加固机理、施工工艺研究和工程实践验证案例较少。同时，注浆属于隐蔽工程，注浆效果评价具有重要工程意义，但注浆效果评价尚无统一的标准可以借鉴，单一方法对于注浆效果分析评价可靠性差。

本文依托滇中引水工程狮子山引水隧洞向斜构造凝灰岩夹层、FⅢ-71断层构造破碎带突涌处治中帷幕注浆加固的实践，根据突涌堆积体工程特性结合工程地质构造等，提出了岩石碎屑高压喷射灌浆与泥质介质渗透性注浆加固技术，并对不同致灾介质堆积体注浆加固机理、帷幕注浆加固方案和施工工艺、注浆材料和注浆效果多种综合评价方法进行了深入研究论证。

1 工程概述

滇中引水大理Ⅱ段施工3标位于宾川县境内，输水线路为狮子山隧洞1号施工支洞至4号施工支洞控制段(DLⅡ28+884.761～DLⅡ50+056.698)，长度约为21.172km。隧洞设计流量125m3/s，净断面采用马蹄形。沿线出露古生界至新生界地层，岩性以沉积岩、岩浆岩为主。其中，隧洞穿越D1k、P1可溶岩地层，岩溶发育中等至强烈；D1k主要以碎屑岩为主夹泥灰岩，岩溶发育微弱。隧洞涌突水问题主要发生在穿越大箐村岩溶水系统、大营镇岩溶水系统、断层破碎带含水体以及乌龙坝向斜储水构造。

2 突泥灾害简述

2.1 DLⅡ30+738处突涌情况

DLⅡ29+916～DLⅡ31+570段隧洞穿越乌龙坝向斜核部。该段岩性为弱风化致密状玄武岩。按Ⅲ类围岩掘进至DLⅡ30+735处，掌子面右侧拱肩位置发生崩塌。回填反压后按Ⅴ类三台阶法开挖，DLⅡ30+737～DLⅡ30+738段上台阶钢支撑安装作业时，出现拱部围岩掉块，70min之后DLⅡ30+738处发生突泥涌水，突泥推移范围约125m，测算突水突泥总量约8000m3，突泥量3500m3，突水约4500m3。掌子面约8m被满堵，稳定涌水量80～90m3/h。

2.2 DLⅡ40+147处突涌情况

超前地质预报推测DLⅡ40+125～DLⅡ40+147.7洞段为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、断层泥，受构造挤压作用，断层带岩体节理裂隙发育。开挖掘进至DLⅡ40+147处拱部掉块，观察监视37h后发生突涌，突涌总量约3000m3，突泥约1200m3，突涌体长度约54m。采用@=0.3m、L=22.5m的φ108超前大管棚注浆处治方案，对DLⅡ40+147～DLⅡ40+152.3段损坏的钢架进行拆除及更换，当拆换至DLⅡ40+147.6时，掌子面出现了第二次突泥涌水，突涌体总量约5200m3，突泥约2800m3，突水约2400m3，突涌长度约124m(见图1)。

图1 突泥现场情况

3 突涌体特性分析

DLⅡ30+738处突涌溃口位于玄武岩与凝灰岩层间接触破碎带，突涌体以玄武岩、蚀变凝灰岩岩石碎屑成分为主；DLⅡ40+147处突涌溃口位于FⅢ-71断层，突涌体以断层泥、凝灰质角砾岩等为主。现场取样烘干筛分可知：DLⅡ30+738处突涌体具有碎石土特征，颗粒粒径不大于5mm的占55.3%，大于5mm的占44.7%；DLⅡ40+147处突涌体以泥质为主，颗粒粒径不大于5mm的占83.7%，大于5mm的占16.3%(见表1)。

表1 突涌介质烘干筛分情况

4 岩石碎屑高压喷射灌浆加固技术

4.1 注浆工艺选择

结合现场超前地质预报成果[10]：隧洞突涌段为向斜构造岩层接触破碎带，突涌物来源主要为DLⅡ30+720～DLⅡ30+732段12m的凝灰岩夹层。基于DLⅡ30+738处突涌体为凝灰岩碎屑，塌方体成孔率不高；前进式灌浆、后退式灌浆耗时过长，工效低；纯压式、孔内循环式灌浆工艺固结范围不可控，砂质夹层在高外水压环境易渗透失稳。因此，采用常规的钻孔压浆方式固结效果较差。为提高凝灰岩碎屑体固结效果，实现固结范围可控，选择高压喷射注浆工艺施工。

4.2 高压喷射注浆加固机理

采用水平定向钻机打设水平孔，钻进至设计深度后，拔出钻杆，且同时通过水平钻机、钻杆、喷嘴以大于35MPa的压力将配制好的浆液喷射到周围松散岩体内，借助流体的冲击力切削软弱岩层(凝灰岩)，高压射流就可以破坏地层形成空腔并将土颗粒通过高压喷射浆液进行搅拌形成强度较高的加固体。同时，高压喷射水泥浆液能沿着地层的缝隙渗透扩散，尤其在涌水量较大的地层中，水泥浆液扩散填充缝隙后起到止水的效果。其技术特点如下：ⓐ强度高：因为在高压喷射注浆过程中，软弱岩体或土体与水泥浆充分混合，从而形成一种类似混凝土的固结体，其强度要比一般的水泥浆体高；ⓑ均匀性：在注浆过程中，高压水泥浆喷射流，可以将渣体充分与水泥浆液混合，形成水泥浆液与土体较均匀的混合体；ⓒ可控性：高压喷射注浆浆液扩散区域在渣体或软弱岩体破坏范围内，浆液注入部位和范围可以控制，可通过调节注入参数(切削土体压力、固化材料注入速度与配比、注入量等)获得满足设计要求的固结体。

4.3 超前预固结灌浆设计

DLⅡ30+725～DLⅡ30+755超前预固结灌浆共设计28孔(见图2)。

图2 DLⅡ30+725～DLⅡ30+755超前预固结灌浆纵断面、平面示意图(单位：mm)

上台阶(起拱线以上)共设两环10孔(D环孔：D-1…D-5；E环孔：E-1…E-5)。D环孔于Ⅲ1开挖轮廓线内1m进行布孔，环向孔间距为2m，垂直于掌子面钻孔，外插角度为0°；E环孔于Ⅲ1开挖轮廓线内2m进行布孔，环向孔间距为2m，垂直于掌子面钻孔，外插角度为0°；中台阶共设6排18孔，按照左右两侧各三排孔进行布孔(A环孔：A-1…A-6；B环孔：B-1…B-6；C环孔：C-1…C-6)，由内向外外插角度分别为9°、12°、14°。施工工艺参数：钻杆回撤速度15～25cm/min；钻具旋转速度12～20r/min；旋喷压力35～40MPa；水泥浆液流量50L/min；水泥浆配合比0.5∶1(水灰比)。

5 泥质介质渗透性注浆加固技术

5.1 泥质介质注浆加固机理

突涌泥质介质类似砂土，是由许多相互连通的网状孔隙而形成的导浆系统。相关研究资料表明[4，11]：类砂土介质地层当注浆压力p<2.0MPa时，浆液以注浆孔为中心向外扩散，孔中心浆液聚集对土体形成压密作用；孔外浆液以渗透形式扩散到孔隙，其运动形式是渗透—扩散—胶凝，扩散范围约1.0m，最终将松散的固体颗粒胶结成整体；当2.0MPa≤p<3.0MPa时，砂土内出现劈裂，劈裂缝基本沿应力薄弱面产生，浆液仍以渗透为主；当p到达3.0MPa时，劈裂的范围扩大，土体内部形成了纵横交错的网状浆脉，劈裂灌浆达到最佳效果。注浆压力和扩散半径、浆液黏度、松散岩土的颗粒直径和形状、级配等因素有关。

5.2 帷幕注浆加固方案

TRT6000+钻探综合超前地质预报结果显示：DLⅡ40+139～DLⅡ40+149段为突涌垮塌区，泥质填充。钻孔过程中发现掌子面右侧围岩较硬，裂隙发育，裂隙水量较大，最大出水量11m3/h；掌子面拱部左侧为突涌溃口位置，堆积体松散，钻孔塌孔严重，成孔困难。

根据超前预报成果结合泥质介质注浆加固机理和现场实际情况，DLⅡ40+123.5～DLⅡ40+153.5段采取帷幕注浆加固方案，纵向加固长度30m(含止浆墙)，径向加固范围边顶拱开挖轮廓线外5m，隧底以开挖轮廓线为界(见图3、表2)。

表2 注浆参数

图3 DLⅡ40+153.5处钻孔纵断面、平面布置(单位：m)

该突涌段存在高水压、复杂地质、泥质介质等特殊环境条件，为了解决帷幕注浆泥水体胶结差与复合地层强度低的技术难题，提出分区处治、多工艺复合注浆技术。通过先改善地层，后注浆排水挤密、劈裂扩散形成网状结构胶结骨架，形成具有一定强度和水稳定性的复合地层。

5.3 多工艺复合注浆技术

根据类似地层注浆施工经验，采用前进式分段注浆、钻杆后退式分段注浆和水平袖阀管束分段注浆相结合的注浆施工工艺。通过跳孔前进式分段注浆，逐步推进加固堆积体；回填改善地层后，在拱部左侧及拱顶采用钻杆后退式定点注浆；待地质进一步稳固之后，采用水平袖阀管束分段加压注浆挤密固结地层。具体施工工艺概括如下：ⓐ前进式分段钻孔注浆工艺：由孔口向孔底分段实施注浆，首先安装孔口管，再通过孔口管分段向孔底钻进，分段长度5～8m或在钻孔过程中涌水量大于5m3/h时停钻，然后开始注浆，钻孔一段，注浆一段，逐段推进，直至设计孔深；ⓑ钻杆后退式分段注浆工艺：一次性钻孔到设计孔深，然后通过钻杆注浆，分段后退，分段长度一般为3m，直到注浆从孔底推到孔口加固位置；ⓒ水平袖阀管束分段注浆工艺：袖阀管采用φ25无缝钢管制作，采用钻机一次性钻孔至设计深度，下入1～3根TSS管至薄弱地层，注浆压力达到设计注浆终压，并维持5～10min，以提升浆液分布均匀性。

5.4 注浆材料复合使用

注浆材料以普通水泥-HPC单液浆为主，普通水泥-水玻璃双液浆、普通水泥单液浆为辅。该段注浆量合计513.2m3，其中普通水泥-水玻璃双液浆92.7m3，普通水泥单液浆138.7m3、普通水泥-HPC单浆液281.8m3。浆液配比参数及用途见表3。

表3 浆液配备参数及用途

6 注浆效果检测方法与效果评价

隧道及地下工程帷幕注浆效果的评价方法[12-13]可分为资料分析法、检查孔法、开挖取样法和物探测试法。隧洞突涌处治过程设置止浆墙、泄水管和注浆钢管等对物探影响较大。本文主要对DLⅡ40+147处注浆效果评价进行阐述，选择常规资料分析法、检查孔法、开挖揭示观察等结合孔内成像技术手段形成注浆效果综合评价方法，全面检查评价注浆效果，预防因注浆加固质量缺陷导致的塌方或二次突涌，并为突涌洞段开挖方案确定提供技术支撑(见图4)。

图4 钻孔出水横断面

6.1 资料分析法

6.1.1 出水量分析

根据注浆孔和检查孔钻孔记录，对各个注浆孔按照钻孔先后顺序绘制钻孔出水量横断面图，从图4可知，出水量较大位置主要在右侧，左侧钻孔出水量相对较小。注浆结束后，检查孔出水量应小于2L/(m·min)。

6.1.2 注浆量分析

以施工过程各注浆孔单孔注浆量绘制成注浆量横断面分布图(见图5)，由图可知，左侧注浆量相对右侧偏大。

图5 设计孔注浆量横断面分布

6.1.3 典型注浆p-q-t曲线分析

根据本循环钻孔注浆施工过程，注浆量和注浆压力随注浆时间变化情况绘制p-q-t曲线，主要表现为3种形式(见图6)。

图6 p-q-t曲线

图6(a)为本循环注浆前期注浆施工过程表现出来的p-q-t曲线。注浆孔注浆过程中，钻孔坍方段地层破碎，因此初始注浆时以较小的注浆压力对地层进行填充，初始流量约为69L/min，地层吸浆量较大。随着注浆过程的进行，地层逐渐被填充密实，但因地层还有压缩空间，注浆量达到设计1.5m倍注浆量后，调节浆液凝胶时间，停止注浆。

图6(b)为本循环注浆中期注浆施工过程表现出来的p-q-t曲线。注浆孔注浆过程中，通过前面的注浆施工，地层已得到填充，逐渐变得密实，地层吸浆能力明显减弱，表现为初始压力1.4MPa，当地层被挤压到一定密实度后，压力上升注浆流量下降形成劈裂效果对地层进一步挤密，劈开后压力下降注浆流量上升，地层空隙被填充完成后，注浆流量随注浆压力上升迅速减小，注浆压力达到设计值结束注浆。

图6(c)为本循环注浆后期注浆施工过程表现出来的p-q-t曲线。注浆孔注浆过程中，通过前期注浆孔回填、劈裂挤密注浆，地层较为密实，压缩空间较小，吸浆能力明显减弱，表现为初始压力2.5MPa；继续注浆对地层进一步劈裂挤密，表现为注浆压力短时间内上升、下降、上升，注浆流量下降、上升、下降，最终注浆压力上升至6MPa后趋于稳定，结束注浆。

通过上述注浆p-q-t曲线变化情况可以看出，随着注浆工作的进行，地层由填充密实至反复劈裂挤密，压力上升过程逐渐缩短，地层无继续压缩空间，注浆效果达到要求。

6.2 检查孔法

6.2.1 检查孔布置

检查孔的作用是根据出水孔位、单孔注浆量来判断加固区域的薄弱位置，其布置见图7。现场检查主要内容如下：ⓐ现场实测出水量，检查注浆加固后孔内出水量是否符合标准[2L/(m·min)]；检查方法为：现场使用5L量杯或23L量桶实测出水量，并使用秒表记录时间，以此测出出水量，并与标准值进行比较；ⓑ记录现场排渣渣样数据，根据排渣渣样分析检查孔位置的地质情况；ⓒ通过孔内成像技术观察检查孔内围岩加固情况；ⓓ通过取芯芯样分析地质及加固情况。

图7 检查孔布置示意图

6.2.2 取芯评价

岩芯获得率与岩体完整程度正相关，岩芯获得率指标能反映岩体完整程度，岩芯获得率70%～90%，说明岩体较完整[14]。岩芯获得率按下式计算：

(1)

式中q——岩芯获得率，%；

L0——岩芯长度(统计中计入了可拼凑成柱状的岩芯长度)，m；

L——钻孔取芯的总长度，m。

J3孔钻取的岩芯以断层泥夹杂大量浆液结石体为主，岩芯获得率为78%，突涌堆积体注浆后岩体评价为较完整。

6.2.3 冲击钻孔检查

J1、J2、J3、J4、J5、J6孔采取冲击钻孔，收集渣样(见图8)。渣样中砂、碎石、泥与水泥浆颗粒混杂，加固区渣样较为干燥，满足加固要求。对检查孔施作全过程跟踪观察，发现检查孔完整，无塌孔，未产生突水、涌泥现象。同时，检查孔放置2h后，仍未出现突水、涌砂等不良情况。因此，初步判定注浆效果良好，达到设计效果。

图8 检查孔J3典型渣样

6.2.4 孔内摄像

所有检查孔单孔出水量均满足小于2L/(m·min)要求，从孔内成像观察(见图9)成孔完好，浆液充填痕迹明显，不塌孔，围岩稳定性好，地层得到了有效加固。

图9 检查孔内摄像

6.2.5 检查孔压水试验

对检查孔进行压水试验，单点压水压力取1.0MPa。在稳定压力下每隔3min读取压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于1L/min时，该检查孔压水试验即可结束。计算透水率小于5Lu，则判断注浆效果理想。透水率按下式计算：

(2)

式中μ——试段透水率，Lu；

Q——压入流量，L/min；

p——作用于试段内的全压力，MPa；

L——试段长度，m。

在1.0MPa压力下，每米试验长度每分钟注入水量为1L时，则μ=1Lu。

压水试验结果显示：DLⅡ40+123.5～DLⅡ40+153.5段透水率均小于5Lu。

6.3 开挖揭示观察

开挖揭示观察突涌体注浆达标要求：掌子面被有效劈裂注浆填充加固且基本达到无水状态，分部短进尺开挖围岩自稳性较好[15](见图10)，以注浆孔为中心形成清晰注浆网络，有效地保证了施工安全。

图10 突涌体注浆后开挖揭示情况

6.4 综合效果评价

本次注浆施工严格按照设计注浆方案进行，采用分析法对注浆效果进行分析评定，综合几种评定分析结果，可以得出以下结论：ⓐ注浆量区域分布及单延米注浆量变化符合地层填充挤密规律，注浆孔注浆压力均能达到设计压力，地层得到有效加固，达到了注浆加固的目的，满足开挖施工要求；ⓑ注浆p-q-t曲线规律符合地层加固机理，满足开挖需求；ⓒ由注浆效果综合分析可知，DLⅡ40+123.5～DLⅡ40+153.5段突涌体地层经注浆回填、挤密后，较为稳定，已达到预期的设计注浆加固目的。

7 结 论

通过对滇中引水工程狮子山引水隧洞DLⅡ30+738处向斜构造凝灰岩夹层、DLⅡ40+147处FⅢ-71断层构造破碎带突涌采用帷幕注浆治理，对突涌地段地层实现了注浆加固，形成了稳定的复合承载帷幕体，保证了掌子面施工开挖安全，并得到以下结论：

针对DLⅡ30+738处突涌体为凝灰岩碎屑类似富水卵石土地层的特点，提出选择高压喷射注浆技术治理突涌灾害，DLⅡ30+725～DLⅡ30+755段30m超前预固结灌浆共设计28孔，在隧洞四周用高压喷射浆液进行搅拌形成厚约5.0m强度较高的固结体，治理效果明显；针对DLⅡ40+147处突涌体类砂土介质地层和掌子面左右地层软硬不均的特点，提出了多种工艺与浆液复合使用的帷幕注浆加固技术，采用前进式分段注浆、钻杆后退式分段注浆和水平袖阀管束分段注浆相结合的注浆施工工艺，根据用途不同选择普通水泥单液浆、普通水泥-HPC外加剂单液浆和普通水泥-水玻璃双液浆，先注浆改善地层，后注浆排水挤密、劈裂扩散形成网状结构胶结骨架，形成具有一定强度和水稳定性的复合地层。

注浆质量效果评价采用综合评价方法，选择常规资料分析法、检查孔法、开挖揭示观察等结合孔内成像技术手段全面检查评价注浆效果。注浆效果评价采用定性与定量相结合方法，并通过开挖揭示观察验证，验证结果可靠性高。