隧道及地下工程注浆堵水和加固技术

1 前言

水是隧道工程之首害。由于隧道的开挖，揭开了地下水的通道，水的流出带走了大量的岩石赖于胶结充填的物质，使围岩的整体结构强度降低，支护效用大打折扣；水压力的作用又使围岩应力重分布及其变形进程加剧，发生坍塌的可能性加大，严重影响工程的安全顺利进展。大瑶山隧道班古坳竖井突水淹井，延误工期一年多，直接经济损失几百万元；日本青涵海底隧道涌水淹没平导3000m，淹没正洞1200m，误时一年零四个月，经济损失也非常巨大，有的更为严重的水害迫使工程停止或废弃改道。因此，如何有效地克服地下水的危害，保障隧道工程的安全顺利进展，对于实现隧道工程施工技术、经济效益的提高，具有世界性的重要意义。以前山岭隧道施工的防水原则是“以排为主，以堵为辅，排堵结合”，利用自然坡实行自然排水来克服水害，但是，随着环保问题日益受到重视，为避免地下水位大幅下降，破坏周围环境，影响居民生产、生活。

注浆作为堵水和加固围岩的一项技术，对于克服地下水是非常有效的，它具有效果好，安全性较高，施工技术易于掌握等优点，在目前隧道工程中得到广泛的应用，设备、材料、工艺迅速发展，日臻完善。

在一般情况下，注浆由于相对造价较高，工序较复杂，不是隧道施工的正常工序。但是对于

克服涌水危害，通过复杂困难地质地段，注浆是一种有效的手段，也是作为一项必不可少的技术储备和应急措施。

2 注浆概述

2.1 注浆的发展

注浆用于堵水和改良地层已有几百年的历史。注浆技术的历史大致可分为四个阶段：原始粘土浆液阶段（1802～1857年），初级水泥浆液注浆阶段（1858～1919年），中级化学浆液注浆阶段（1902～1969年），现代注浆阶段（1969年以后）。

早在1802年，法国人查理斯·贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时，用一种木制冲击筒装置，人工垂击方法向地层挤压粘土浆液，被认为是注浆的开始。此后法国在19世纪中叶，应用这种注浆方法对建筑物的地基进行加固，1802年到1857年期间，注浆技术处于萌芽阶段，浆液主要是粘土、火山灰、生石灰等简单材料。

1806年，英国的阿斯普顶研制成功硅酸盐水泥，1845年，美国沃森在一个溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆。英国的基尼普尔在1856～1858年间，用水泥作为注浆材料进行了一系列试验，并获得成功，这是第一次采用水泥材料注浆。1864年，巴洛在伦敦、巴黎地铁利用水泥浆液进行隧道衬砌背后回填注浆，1885年德国人提琴斯首先采用向岩层裂隙注入水泥浆的方法，来防止涌水取得成功，并在欧洲矿山建设中广为应用。

1920年，荷兰人尤斯登发明用水玻璃-氯化钙浆液分开注入地层，利用两种浆液的化学反应加固地层，被认为是化学注浆技术的开始。日本

于1924年在旧丹那铁路隧道中，采用水泥-水玻璃混合浆液注入断层破碎带，取得了良好的效果，以后在隧道工程中广泛应用。注浆经过一百多年的发展，由开始的单液注浆发展到多液注入；浆材由粘土类发展到高效无毒易注的化学类浆；设备由单一的注浆设备发展到勘测、制浆、灌注、记录、检查分析配套专用设备。工艺技术日臻完善，应用领域愈加广泛。

60年代末期，又出现了高压喷射注浆技术，高压喷射注浆技术由单管逐渐发展到二重和三重管，提升过程又有旋、定、摆三种喷射方式。

在我国应用注浆只有几十年的历史，但真正发展是从1955年开始的。材料从水泥浆发展到水泥-水玻璃双液浆、化学浆等。工艺从单液注浆发展到双液注浆再到化学注浆，设备也从泥浆泵等代用设备发展到成套专用注浆设备。但与欧洲和日本等先进国家相比，特别是在高压注浆泵、自动记录设备方面，还存在较大差距。

2.2 注浆的基本原理

由于地壳运动，使地层形成很多摺皱、断层和裂隙，局部地区成为富水区，有的还有暗河、溶洞等，当隧道开挖到这种地层时，就会遇到坍塌和涌水等困难和危险。节理裂隙切割岩层，使其整体结构强度降低，节理裂隙的连通大大增强了岩层的透水性，不仅使其地下水补给范围扩大，而且地表水也下渗，侵蚀风化岩层，降低岩石间的内粘聚力，降低岩层的力学强度。注浆的目的就是在隧道周围一定范围内，堵住地下水流的通道，加固地层，提高围岩的强度，避免地下水流人作业面，保障施工的安全。

注浆的基本原理，就是用一定的压力把一定量的胶凝性材料注入到岩层，使其在岩层裂隙内

流动扩散、充填、固结，成为具有一定强度和低透水性的结石体，截断水流，加固地层，也就是充塞岩层裂隙，截断水流通道，固结破碎岩石，提高其整体结构强度。

注浆技术在近几十年来获得迅猛发展，注浆已不仅是一门施工技术，它已经发展成为土木建筑、岩土、化学、机械、力学、地质学等学科交叉的综合性科学——应用岩土工程科学。

2.3注浆研究的内容和方法

注浆技术要研究对象能不能注浆，注什么材料的浆液合适，采用何种方法注浆，注浆后会达到怎样的效果，即其内容包括：

（1）注浆对象的可注性；

（2）注浆浆液及其特性；

（3）浆液在岩土层内的流变特性及流动规律；

（4）注浆的设备及工艺；

（5）注浆效果的检测方法。

注浆技术的研究方法主要有：

（1）工程地质和水文地质特性；

（2）土工试验和压水试验；

（3）室内模拟试验和现场试验；

（4）化学试验方法确定浆液性能；

（5）理论计算和工程类比；

（6）钻孔检查和物探检测。

2.4 注浆的分类和一般应用条件

根据注浆的目的、作用，注浆可分为堵水注浆和加固注浆。根据作业的顺序，又可分为预注浆和后注浆。

堵水注浆的目的在于截堵地下水不侵入作业面，方便施工。它对浆材的要求是：凝胶时间

短，并在一定范围内能容易准确地控制，但不要求强度很高，适用于硬岩，含水大的地层。

加固注浆的目的主要用于加固围岩，使一定范围的围岩胶结成一个受力环，它对浆材的结石体强度要求较高，但凝胶时间要求不严。它适用于地层软弱破碎，地下水较少的地层。

预注浆又可分为地面预注浆(或称垂直预注浆)和洞内预注浆(或称水平预注浆)。预注浆的安全性较高、工序干扰较少(如是洞内预注浆或称工作面预注浆，则要占一个作业面)，适用于大规模高压力的堵水或加固注浆。

后注浆是指在开挖后进行的注浆。它操作简单，效果明显，适用一般的防渗堵漏及回填注浆。

究竟采用何种注浆，应根据水文地质和工程地质情况、注浆目的和要求等对各种注浆作安全、技术、经济全面比较后确定。

3 注浆材料

3.1 概述

注浆材料的发展具有悠久的历史，早期主要使用水泥作为注浆材料，19世纪后期，发展到以水玻璃类浆材为主的化学浆材。二战后，化学浆材得到飞速发展，最近几十年，有机高分子材料和超细水泥材料得到了飞速发展。注浆材料大体分为无机系和有机系两大类，如表3-1所示，日常使用中，一般分为水泥浆材和化学浆材两大类，见表3-2。

表3-1 注浆材料的分类

水泥类浆是属悬浊液，具有结石体强度高，抗渗性能好，材料来源广，价格低廉，注浆工艺简单，无毒等优点。但是可灌性较差，凝胶时间长，早期强度低，易沉降析水，宜用于裂隙较大，透水性较好地层的加固注浆。

水泥化学类浆具有粒子浆液和溶液浆液的特点，结石体强度较高，抗渗性能较好，料源广、价格低、无毒无公害，适用性强，同时由于超细水泥的研制成功，使该类浆液的可灌性得到提高，进一步拓展了水泥化学类浆的应用范围。

化学类浆液是溶液型浆液，具有粘度低，可注性好，凝胶时间易控制，适用于细小裂隙，低透水性的地层以及粉细砂层的注浆。但是料源不广，价格较高，且绝大部分有毒，易造成环境污染。

各类浆材的适用范围见表3-2。

由于注浆目的和对注浆效果要求的不同，采用的注浆材料也不同，一种理想的注浆材料应满足以下要求。

（1）流动性好，浆液粘度低，易注入细小

裂隙和细砂层中。

（2）浆液凝胶时间可在几秒到几小时范围内随意调节，并能准确控制，浆液一经凝胶，则在瞬间完成。

（3）浆液稳定性好，在常温常压下长期存放不变质，不发生化学和物理变化。

（4）浆液无毒无臭，对环境不污染，对人体无害，非易燃易爆物品。

（5）对管路系统、砼、橡胶制品等无腐蚀性，且易清洗。

（6）固化时无收缩现象，结石体的抗压抗拉、抗折强度较高，结石体与岩石、砼、砂等有较高的胶结强度，且抗渗性能较好，抗冲刷性能好。

（7）耐久性较好。

（8）源广价廉，且易于运输。

（9）配制方便，配比操作容易。

表3-2 各类浆材的适用范围

3.2 浆液的基本性能

3.2.1浆液的密度

3.2.2浆液的浓度

3.2.3浆液的粒度

对悬浊液来说，注浆材料的颗粒大小直接影响浆液的可注性和扩散半径，测定悬浊液中颗粒大小及分布可采用TZC-2型自动记录粒度测定仪，常见水泥颗粒分布曲线见图3-1。

图3-1 几种水泥的颗粒分布曲线

3.2.3浆液的粘度

浆液的粘度是指浆液刚制成的粘度，表3-3是常见浆液的粘度，浆液的粘度主要与浆液的浓度有关，还与浆液的温度有关。大多数浆液的粘度随时间而增加。测定浆液的粘度常用托斯默旋转式粘度计，工程上常采用马氏漏斗测定浆液的粘度，测定一定量的浆液从漏斗流出的时间长短表示浆液的粘度（用秒表示），水泥浆的粘度换算见表3-4。

表3-3 常用浆液的粘度

表3-4 水泥浆粘度换算

3.2.4浆液的PH值

3.2.5凝胶时间和凝结时间

3.2.5浆液的稳定性

3.2.5 固结体的性质

水泥类浆液的凝固后的固结体称为结石体，化学浆液凝胶后形的固体称为凝胶体。

（1）结石（凝胶体）率和吸水率

（2）固结体强度

（3）固结体抗渗性

通过抗渗性试验获得固结体的渗透系数，渗透系数越小，抗渗性越好。

（4）固结体耐久性

3.3 常用浆液的特点和性能

3.3.1普通水泥浆液

普通水泥作为注浆材料具有结石体强度高、抗渗性能较好、材料来源丰富、价格低廉、注浆工艺简单等优点。但由于水泥是颗粒性材料，可灌性差（通常只能注入裂隙宽度大于0.15～0.3毫米的岩层或粗砂以及地下水流速小80～200米/昼夜的条件下），凝胶时间长，浆液早期强度低，强度增长率慢，易沉淀析水等，因而应用有一定的局限性，纯水泥浆的基本性能见表3-5。为了调整水泥浆液的凝胶时间，可在浆液中添加速凝剂，常用的是氯化钙和水玻璃，搀加量：氯化钙为水泥重量的1～5%，水玻璃为水泥重量的3%以下，纯水泥浆添加速凝剂后的性能见表3-6。水泥浆液的水灰比要根据岩层裂隙、地下水、注浆压力和注浆设备能力等来确定，注浆过程中，浆液的水灰比应根据现场注浆情况不断变化，一般开始时水灰比较大，逐渐变小。稀浆通常采用的水灰比为2:1,1.5:1,1:1；稠浆为0.8:1～0.6∶1。

表3-5 普通硅酸盐水泥纯水泥浆的基本性

能

表3-6 速凝剂对水泥浆液性能的影响

3.3.2水泥-水玻璃浆

水泥-水玻璃浆属水泥化学类浆液，简称C-S浆，是目前应用最为广泛的一种浆液。水玻璃俗称泡花碱。其分子式为Na2O·SiO2，一般注浆用水玻璃溶液的模数M＝2.4～2.8。

水玻璃的浓度用“波美度”表示，即“Be′”，实际使用的多为30～45 Be′的水玻璃。

Be′=145-145/d

水泥浆的浓度用水灰比表示，即W/C。是水的重量与水泥重量之比，一般注浆常用水灰比：W／C＝1.5：1～0.6∶1。W/C值愈大，浆愈稀，凝胶时间愈长，结石体强度愈低；反之，浆愈稠，凝胶时间愈短，结石强度愈高，但可注

性愈差。

C-S双液浆配合比，即C:S是水泥浆的体积与水玻璃的体积之比。C:S用多大为好，应依据岩层裂隙大小，渗透性系数大小，钻孔涌水量或吸水量的大小以及预期的注浆范围、扩散半径等因素，根据试验或依照经验来确定。一般用C∶S＝1∶0.4～1∶1，在此范围内，混合浆液的凝胶时间合适，浆液结石体强度较高，特别是早期强度(三天)较高。

凝胶时间是从两种浆液混合时开始到混合浆液停止流动为止的时间，它是注浆的一个重要参数，合适的凝胶时间可使注浆取得满意的效果，在裂隙发育，涌水量大的岩层注浆，宜用较短的凝胶时间：反之，凝胶时间则应延长。在同一次注浆里，先注的浆液凝胶时间应稍长，后注的应稍短。影响凝胶时间的主要因素有水泥浆的水灰比、水玻璃的浓度、两种浆液的体积比、浆液的温度、水温、水泥质量、龄期等。W/C愈小，凝胶时间愈短，反之则长。Be′＝30～50时，Be′愈小，凝胶时间愈短，反之则长。C∶S ＝1：0．3～1∶1时，S愈小，凝胶时间愈短，反之则长。但是S浆的用量最低不能小于C浆的0．3倍，否则，浆液的早期强度低，注浆时易被水冲走。浆液温度愈高，凝胶时间愈短，反之则长。浆液结石体的强度也是浆液的主要性能指标之一，也是关系到注浆质量的一个重要因素，影响结石体强度的主要因素有W/C、Be′、C∶S等。

注浆的目的是堵水和加固围岩，而影响C-S 浆液的凝胶时间和结石体强度的因素很多，在注浆施工时，一定要根据工程的特点和具体情况选择最适宜的配比。为此，注浆前应先进行各项试验并在注浆过程中不断调整。在注浆施工中，凝胶时间的调节主要是通C∶S的值和外加剂掺量

来实现的。

C-S双液注浆用的外加剂，主要用磷酸氢二钠(Na2HP04)起缓凝作用，掺量一般在水泥用量的3％以内。

3.3.3 常用注浆材料性能及适用条件

表3-7 常用注浆材料的性能对比及适用条件

材料名称优点缺点使用范

围

普通水泥单液浆①可渗透注入

0.5mm的裂隙

和及平均粒径

1mm以上的砂

子；

②凝胶时间长，具

有较长的可注期。

注浆时能够得到

较大的注浆量和

注浆加固范围。

③胶结体具有较

高的抗压、抗剪强

度，能有效地提高

地层的承载能力。

④材料来源丰富，

价格较低；

①凝胶时间不易

调节，初凝时间

长，抗分散性能

差，易被地下水

稀释，影响其强

度和堵水性能，

因而不宜在水压

高、流速大的条

件下采用。

②颗粒粒径大，

在致密的粘土和

砂层中及微小裂

隙条件下渗透困

难。

③收缩率较大，

不宜在对堵水要

求很高的条件下

采用。

适用于

节理、裂

隙、溶隙

发育地

层、岩溶

管道及

中粗砂、

砂砾石

地层。要

求水量

小、水压

低、裂隙

宽，砂层

颗粒直

径大等

地质条

件下注

浆。

超细水泥单液浆①可灌性强，渗透

注浆时能注入宽

度大于0.05mm

的裂缝和平均粒

径0.1～0.2mm

的细砂层中；

②，具有早强、高

强的特点，固结体

抗压、抗剪强度较

高，能得到好的注

浆加固效果；

③颗粒粒径小，在

①终凝时间较

长，受地下水稀

释影响，对其凝

胶性能会产生影

响，因而在水压

高、流速大条件

下会有一定的浆

液损失；

②水灰大时，浆

液略有收缩；

③价格较高。

适宜于

各种地

层的注

浆加固，

特别是

致密的

粉细砂

层、粘土

地层等

充填性

溶洞地

层应采

溶洞充填物中，特别是致密砂层和粘土层中中能得到较好的堵水和加固效果。用该种注浆材料。

超细型HSC 浆和TGRM 浆①具有较好的抗

分散性、能有效地

控制注浆区域，适

宜在高水压、大流

速大的条件下注

浆施工；

②具有早强、高

强、高抗渗、流动

度大的特点，对提

高地层的承载能

力效果显著；

③具有微膨胀性，

胶结后，能有效地

封堵住各种出水

通路，注浆后堵水

效果好。

①水灰比大时，

抗分散性能差；

②凝胶时间太短

时，可注性和可

操作性变差；

③价格较高。

适宜于

各种地

层的注

浆加固，

特别是

致密的

粉细砂

层、粘土

地层等

充填性

溶洞地

层应采

用该种

注浆材

料。

普通水泥-水玻璃双液浆

①可渗透注入裂

隙为0.2mm以

上的岩体或平均

粒径为0.5mm

以上的砂层，可注

性较好。

②凝胶时间短且

容易控制，具有早

强的特点，

③浆液配制容易，

使用方便，价格中

等。

①胶结体后期强

度低，受水长期

浸泡容易分解；

②胶结体收缩率

大，对堵水不利；

③胶结体耐久性

差，对长期堵水

和加固围岩不

利。

④具有弱腐蚀

性，对操作人员

健康不利。

适用于

临时堵

水、加固

围岩和

控制注

浆加固

范围以

及止浆

墙渗漏

时的快

速封堵。

4 注浆机理

4.1 概述

注浆是人工或机械的方法将浆液压入地层

中，以驱逐地下水，并在空隙中流动、扩散、凝胶，最后形成固体堵水帷幕的过程。要获得良好的注浆效果，其一应掌握受注地层的地质和水文地质情况，掌握地下水的运动规律；其二要了解浆液特性，并研究浆液在地层中流动扩散的规律。前者是地下水动力学研究的内容，后者是正在形成的注浆理论。

注浆理论是研究浆液在岩土空隙中的运动规律，揭示地质条件、浆材性质和工艺技术之间的相互关系，为注浆设计和现场施工提供科学的理论依据。

在一般情况下，浆液在地层中的运动规律和地下水的运动规律相似，只不过浆液的流变性不同，运动阻力复杂。因此，地下浆体力学与地下水力学同属一个科学范畴，但前者相关因素更多，难度更大，因为许多浆体都属于宾汉流体，且粘度会随注浆时间而增加，当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆液在一定条件下会在空隙中发生颗粒沉淀，从而使浆体的流动规律大大改变。

粘稠浆液由于属于非牛顿体，其扩散规律在不同地层和压力下表现不同，归纳起来可分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆三种注浆理论，如图4-1所示。

图4-1 浆液的三种扩散形式

4.2 渗透注浆

在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩体的孔隙、裂隙，使岩土孔隙、裂隙中存在的气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。

对于粒状浆材（如水泥、膨润土等），仅能注入细砂及以上的土层中不小于0.1mm的孔隙或宽度大于0.1mm的裂隙；对于化学浆材，仅能注入粉土及以上地层（渗透系数kω＝10-4cm/s，粒径为0.01mm）中。

4.3 压密注浆

通过钻孔向土层中压入浓浆（水灰比0.6:1或更小），随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡挤压邻近的土体，使土体被压密，承载力得到提高，并因浆液的挤压作用而产生辐射状的抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。

压密注浆的最大优点是它对于软弱土层能起到压密作用。压密注浆一般用于粉细砂地层中，也可用于有充分排水条件的粘土和饱和粘性土，此外，还可以用来调整不均匀沉降，进行纠偏托换，以及在大开挖或隧道开挖时对邻近土体进行加固，但在加固段埋深小于1～2m时，加固质量很难保证，除非其上原有建筑物能提供约

束。

4.4 劈裂注浆

劈裂注浆是浆液在注浆压力作用下克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张，或形成新的裂缝或孔隙，从而增加地层的可注性和浆液的扩散距离。这种注浆所用的注浆压力相对较高。

由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固邻近土体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面却很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔相差不大。因此，劈裂注浆适合于大体积土体的加固，在断层带的软弱岩层中或软、硬岩层的界面处，效果最为明显。

4.5 注浆压力控制

“注浆压力的控制”在国内外一直存在两种相反观点和争论。一种是“尽可能提高注浆压力”，另一种则是“注浆压力尽可能小”，各有其理由。清华大学周维垣根据现场试验、取样检测试验并根据注浆压力及岩溶结构运动有限元法计算岩溶受力情况，提出了高压注浆能提高岩体结构的整体性、密实性、抗渗性的机制：（1）在不破坏岩石整体性的前提下，高压水泥注浆能够启缝充填水泥浆。

（2）使用高压注浆，可使岩溶压缩，并残存着侧向压力，从而提高了岩溶的强度，并随着深度而增加。

（3）岩溶结构经注浆处理后，出现了较大的改变，与水泥注浆接触区出现许多钙化区，构成支持结构。

（4）电镜扫描的微观结构分析，表明了注