隧道全断面注浆技术

圆梁山隧道全断面注浆技术

摘要：圆梁山隧道是渝怀线上最长的铁路隧道，隧道出口掘进至PDK355+020时遭遇岩溶涌水突泥，导致开挖面被淹，严重影响了正常施工，通过地质钻探等综合预测预报手段并结合涌出物分析，决定采用全断面预注浆技术进行封堵，有效地堵住了地下水，并对围岩进行了加固，恢复了正常施工。

关键词：隧道岩溶涌水突泥全断面注浆

1 概述

圆梁山隧道全长11068m，是新建铁路渝怀线上最长的单线隧道，隧道主要穿越毛坝向斜和桐麻岭背斜，其中毛坝向斜高压富水区总长2200m，向斜翼部最大埋深780m，核部最小埋深550m。该段岩溶和岩溶水异常发育，岩溶、高压富水是地质难题。根据设计资料，毛坝向斜段正常涌水量为55000m3/d，最大涌水量83000m3/d，且洞身处存在4.6MPa的高静水压力。毛坝向斜高压富水区大量排水将会引起地下水位大幅度下降，甚至可能被疏干，直接影响居民的生产、生活用水，也可能引起局部地面的塌陷或开裂。为了减少隧道修建对周围环境的影响。针对圆梁山隧道高压富水区采取了“注浆堵水，限量排放”的施工原则。

2 开挖面超前地质探测及涌出物分析

为确保圆梁山隧道的安全优质、快速顺利施工，有效地采取施工方案，选择合理的注浆方法，在圆梁山隧道施工中采取了多种地质超前预测预报手段，如超前探水孔钻探、红外线、TSP地质雷达超前地质预测预报和地质素描等手段，通过对地质预报信息的综合分析，可以比较准确地判明前方地质情况。

2.1 探测过程

圆梁山隧道出口端平导掘进到毛坝向斜高压富水区后，独头掘进达7133m，并在PDK355+058处开始进行反坡开挖，为了确保施工安全，每30m进行一次超前钻孔，以探明前方地质情况，圆梁山隧道出口端平导开挖至PDK355+019时，于2003年6月27日6点开始在掌子面采用MKD-5S地质钻机进行常规超前探测工作。超前探孔布置如图1所示。

图1 探水孔横断面布置图2 注浆段地质情况示意Fig.1 Layout of water-exploring holes Fig.2 Geologic pro grouting segment 在探水孔施作过程中，探1＃在整个钻进过程中，岩粉为深灰色颗粒，有白色方解石颗粒，有刺激性气体逸出；钻至3m处为破碎岩层，宽度约0.2～0.3m，钻孔内有水涌出，涌水量为20m3/h，充填有黄泥；8～40.6m岩粉为深灰色，较坚硬，局部有破碎灰岩，发生卡钻。探2＃有少量水，钻进过程岩石破碎。探3＃孔深30.20m，当探水孔钻至15 m处有0.3～0.5 m岩溶管道，有岩溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并含少量砾石，6月27日测得钻孔涌水压力为1.4MPa，全孔涌水量实测100 m3/h左右。于2003年6月28日结束探孔。通过探孔情况和地质资料分析掌子面前方3m处有一宽度较小的破碎带，在15m处发育一小型岩溶管道。由于泥砂太多及停电影响，同时洞外大量降雨，导致探3#孔涌水量及水压急剧增大，7月5

日涌水量增大到200m3/h 左右，由于此处反坡开挖，抽水设施由于泥砂和停电的影响导致掌子面大量涌水不能抽出，引起掌子面淹没。后加快抽水，将掌子面水用两路Φ150mm钢管引出，并在掌子面施作了模筑

混凝土封闭掌子面，止浆墙厚2m，又因水大混凝土密封困难改为3m。掌子面稳定后又进行了TSP地质预测预报和红外线超前探水等探测和验证。根据以上地质预测预报成果可判定前方地质条件大致如图2所示。

2.2 涌出物分析

2003年6月29日现场采集涌出物并对涌出物进行筛分试验，测试结果图3、图4示。

图3 涌出物成份比例图4 涌出物筛分曲线

Fig.3 Proportion of gushed-out materials

Fig.4 Sieving curve of gushed-out materials

由图3、图4来看：涌出物中粉砂、中砂占86%，而粗砂和砾石等占13.8%，砾石长约3～10mm，说明涌出物在岩溶管道中经过长期迁移和冲蚀作用下被磨圆和筛选，因而隧道断面内岩溶管道或溶隙最大直径大于10mm，涌出物累计筛余百分率曲线比较平缓，可见原地层充填物在未受到压力水冲出前，其级配相当合理，呈较致密结构。从涌出物86%为中细砂可以看出，在岩溶形成过程中，由于地下水的溶蚀作用，泥砂被搬运填充在灰岩裂隙中，后经不断溶蚀，逐渐形成岩溶管道。一旦超前钻孔或隧道开挖揭穿岩溶管道容易发生涌水突泥。

2.3 涌水量及水压测试

在超前探测和注浆过程中对平导掌子面涌水量进行了测试和水压测试如图5、图6所示。由图5可见：在进行顶水注浆前平导掌子面处涌水量是急剧增大的，然后逐渐趋于稳定，最大涌水量200m3/h；由图6可见：在封堵掌子面后涌水压力不断上升，最后稳定在2.4MPa。

图5 掌子面涌水量变化曲线图6 水压力变化曲线Fig.5 Curve of water spraying on the face Fig.6 Curve of hydraulic pressure

3 注浆设计及施工

3.1 注浆方案的确立

根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对前方出现的岩溶管道水，经过反复研究，制订了“以堵为主”的施工原则，采用了“注浆堵水，封堵岩溶管道，加固破碎地带”的施工方案。根据溶洞区工程及水文地质复杂，选用“深浅孔结合复式全断面注浆”堵水措施。

3.2 顶水注浆和小导管周边注浆

根据二院要求及现场实际，在掌子面施作厚2.5～3m砼止浆墙，两个探水孔的孔口管预埋入止浆墙，然后对其进行顶水注浆。由于砼止浆墙与开挖面周边密封施做的不够严密，导致顶水注浆时周遍跑浆严重，于是决定在止浆墙周边进行小导管注浆。如图7所示。

⑴小导管注浆管长L=3m，采用Φ32mm焊接钢管。注浆管前端加工成圆锥状并封死。花管部分长2m，在花管段上间隔30mm～40mm，按梅花型布设Φ4～6mm的溢浆孔。管尾部分采用两道Φ8mm的圆型钢筋焊箍，其中一道用于缠上60cm左右的麻丝后用于止浆，另一道采用丝扣和注浆管连接。

⑵小导管沿隧道开挖轮廓线布置，略向外倾斜，外插角为50～100。

⑶注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆和HSC浆液，其配比为W:C=0.8:1，C:S=1:1，凝胶时间为30s～3min。超细水泥MC浆，其水灰比为1:1～0.6:1，HSC浆液水灰比为1:1～0.8:1，凝胶时间为30 min～60min。

⑷注浆结束标准采用定压结合定量的原则，注浆终压为2～3MPa，单孔注浆量为0.2～0.4m3。

图7 顶水注浆和小导管注浆布置(单位：mm)

Fig.7 Layout of withstand-water grouting and small pipe-grouting

3.3 超前预注浆加固

全断面超前预注浆是在整个断面上布孔，通过注浆形成截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外5.0m，注浆段长30m，即PDK354+020～9DK355+990。注浆设计如图8、9所示。

⑴注浆孔采用MKD-5S型钻机成孔。开始用大直径钻头钻进2m后安设φ108mm无缝钢管作为孔口管。再改用φ90mm钻头钻至15～30m。孔口管长度150cm，孔口处缠60cm的麻丝。并用HSC浆锚固。

⑵钻孔深度以达到钻入岩层2～3为原则，采用前进式分段钻进和注浆工艺。

⑶在岩溶管道段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带（少量水）注浆是以加固地层为目的。因此在浆液配置及单孔注浆顺序上予以区别对待。

①用引水管将水引出后，封闭掌子面。注浆时关闭阀门，形成静水压力注浆。

②对破碎无水岩层，初始注浆可注入稀浆（1.5:1～1:1）,因稀浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用下对冲开及沟通裂隙能够起到润滑剂的作用,一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。

③对于涌水量较大岩层，凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。

图8 超前预注浆孔位布置(单位:cm)

Fig.8 Cross section of advanced pre-grouting holes

图9 超前预注浆纵断面布置(单位:cm)

Fig.9 Longitudinal section of advanced pre-grouting

3.4 注浆材料

注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥—水玻璃双液浆（CS）。

注浆孔无水时采用普通水泥单液浆，水灰比W:C=0.8:1~1:1；有水孔则采用单液水泥浆、普通水泥—水玻璃双液浆（C—S浆）和超细水泥浆、HSC浆，根据水量大小选择配比和浆液凝胶时间。涌水量小时，水泥C浆：水灰比W:C=1. :1~0.8:1，C:S=1:1～0.8:1, 水玻璃S浆浓度30Be＇。孔内水量较大时，水灰比W:C=0.8:1~0.6:1，C:S=1:0.3～0.6,水玻璃S浆浓度35～40Be＇，当双液注浆压力上升到3MPa 左右时，开始注入超细水泥（MC）或HSC浆，直到达到设计终压7MPa。

3.5 注浆工艺

采用前进式分段注浆工艺，钻一段，注一段。分段长度根据钻孔情况确定，若出现大的涌水或泥砂（Q>10m3/h）则按1～2m分段；若涌水涌泥（砂）较小（Q<10m3/h）或轻微卡钻，则钻孔注浆段长度可适当加大至3～5m。如无涌水涌泥（砂）和卡钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行。以保证注浆质量和减少扫孔作业，增加作业时间和效率。

3.6 注浆参数

注浆参数主要依据设计加固范围和经验选定，本段注浆纵向加固长度30m，主要参数如表1所示

表1 注浆参数表

Table 1 Parameters of grouting

参数名称全断面深孔超前预注浆备注

加固范围掌子面及开挖轮廓线外5m

钻孔深度15m～30m

浆液扩散半径2m

凝胶时间30s~2min30s 普通水泥—水玻璃双液浆

注浆速度10～100L/min

根据钻孔情况确定

注浆分段岩层完整且有水3～5m、

岩层破碎且有水1～2m

3.7 注浆顺序

注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取跳孔原则（Ⅰ序孔采取跳孔，Ⅱ序孔采取间隔跳孔，Ⅲ序孔为余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。

3.8 注浆结束标准

采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到设计注浆量的80%以上，即可结束注浆。

3.9 效果检查与补孔注浆

根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合注浆过程中P-Q-t曲线分析，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。检查孔初步布设参见图9。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔涌水量应小于0.2L/m·min。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求。必要时可取芯检查。

4 注浆效果评定

圆梁山隧道出口平导PDK355+020～PDK354+990岩溶管道裂隙段全断面注浆，自2003年7月6日开始至8月6日结束，历经30天，注浆完成后，岩溶管道水被完全封堵，堵水效果很好，9个检查孔均无水无砂，成孔良好。在随后的开挖中岩壁干燥无水，溶管水得到有效的封堵，破碎带得到了明显的加固。同时浆液扩散较远，距离平导30m的8#通道YK0+058处左侧拱顶的一处裂隙水也得到了有效的封堵，为保证迂回导坑和平导顺利贯通创造了有利的条件，说明此次注浆堵水和加固是非常成功的。