浅析泽雅隧道F12断层超前帷幕注浆施工技术

管红宝 王 超

（中铁十三局集团第五工程有限公司，四川 成都 610500）

1 工程概况

泽雅隧道全长12030m，为单洞双线隧道，是金温线铁路上最长的隧道和重点控制性工程之一。隧道进口里程DK156+358，出口里程DK168+388。除进出口段浅埋外，洞身一般埋深大于100m，局部地段埋深大于400m。泽雅隧道DK165+488～DK165+540段穿越F12断层，设计为Ⅴ级围岩，属于泽雅隧道2#斜井工区施工范围，该断层属北东向断裂，破碎带宽2～20m，局部有岩脉充填。断裂性质早期为压性，晚期为张性。大地电磁探测结果显示，该段视电阻率等值线呈低阻凹陷，推测为断层破碎带，本段岩体破碎，地下水发育，施工中存在坍塌、突水、涌水的可能。

2 超前地质预报

2012年3月15日，开挖施工到165+543，距设计断层结构面3米，掌子面围岩开始破碎，节理发育，拱顶有少量水流出，根据围岩条件分析，即将进入F12断层破碎带，和设计里程基本相符，即刻停止了掌子面开挖施工，按设计要求进行了超前地质预报工作，先后施作了掌子面地质素描、超前水平钻钻探、TSP探测和红外探水。

2.1 超前水平钻

根据设计要求，在DK165+543掌子面上导施作了5个孔，具体为拱部3个孔，边墙2个孔，孔径为110mm，孔深达到27-30米左右。钻孔在施作到12米左右的时候，即到里程DK165+531，拱顶三个孔均出现涌水，经估算，合计涌水量约150m3/h，后经过四天的观察，随着时间的推移水量并无明显减少。同时，在12米至16米范围时，即DK165+531-DK165+527，钻孔过程中出现明显卡钻，有泥浆冒出，推测该地段为断层。

2.2 红外探水

图2 TSP 203原理图

2012年3月23日，运用HW-304红外探测仪对DK165+543掌子面及后方50米范围进行探测，预报掌子面前方30米地质情况，根据红外探测结果及已开挖揭示的围岩地质情况分析如下：

开挖揭示的围岩地质情况：围岩为流纹质晶屑凝灰岩，弱风化，节理裂隙较发育，岩体较破碎，地下水发育，边墙股状出水。

结合红外探测原理分析判定：DK165+543～DK165+513段，岩体较破碎，节理裂隙发育，地下水发育。

2.3 TSP探测

2012年03月23日，中铁隧道勘测设计院工程勘察分院在现场监理见证下，采用瑞士生产的TSP203仪器在165+543里程出进行了TSP探测，探测结果如下：

在探测段DK165+543～DK165+402范围内，掌子面已开挖揭示的围岩为为侏罗系上统灰紫色流纹质玻屑凝灰岩，弱风化，块状构造，岩体整体较破碎，属硬岩，节理裂隙发育，地下水较发育。

DK165+543～DK165+444岩体较破碎，围岩稳定性一般，节理裂隙发育，属硬岩；DK165+444～DK165+402岩体较完整，围岩稳定性较好，节理裂隙较发育。

其中在DK165+520～DK165+506段滴水、渗水，存在线状水发育或股状水；DK165+444～DK165+442、DK165+424～DK165+421段附近存在渗水、滴水现象。

后经过业主单位、设计单位、监理单位和施工单位对现场地质情况进行分析，结合多种地质超前预报报告揭示的前方围岩地下水发育的现状，决定采取超前帷幕注浆的方式进行堵水，防止开挖施工引起涌水、突水等地质灾害。

3 注浆截水帷幕施工

3.1 注浆截水帷幕设计

根据水文地质及施工条件，结合工程类比，确定全断面超前帷幕注浆设计参数，如表1所示。

表1 全断面超前预注浆设计参数

全断面超前预注浆孔位布置如图3、图4所示。

3.2 止浆墙施工

止浆墙采用C20混凝土浇筑，厚度为1m。为保证止浆墙的稳定，在其周边利用2排环向间距1.5m，排距1m，长2m的Φ25mm砂浆锚杆与围岩相连，同时在浇注过程时，在周边预埋1m长的Φ42mm导管，管口紧贴初支面，止浆墙浇注完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初支护间的裂隙进行封堵，形成封闭体系，防止超前注浆时跑浆，影响注浆效果。

3.3 注浆材料

浆液配比是决定注浆效果的一个关键因素，根据注浆时对浆液凝胶时间的要求，施工前，对不同浆液配比进行分组试验。注浆施工时，配比的选择原则是根据涌水量大小和进浆情况而确定：当涌水量大，进浆快时，选用较浓浆和凝胶时间短的配比；反之，当涌水量较小且进浆量较慢时，则选用凝胶时间长一些的配比。当注浆孔涌水量小于30L/min时，选用纯水泥浆；当注浆孔涌水量在30～200L/min范围内，选用凝胶时间为4～6min的浆液；当注浆孔涌水大于200L/min，选用凝胶时间为3～4min的浆液。

3.4 钻孔注浆机械、设备选取及配置

根据隧道内场地狭小，要求所选用的钻机、注浆机等机械在洞内操作方便，功率强大，性能优良，转移便捷，体积小，占用作业空间小。钻机应能水平钻孔30m以上，且成孔快；注浆机应能满足4MPa以上注浆压力，并且操作简单，配合比易控制，配备的主要注浆设备见表2。

3.5 注浆顺序

钻孔按先外圈后内圈的顺序进行。外圈孔先钻 1、3、5…，之后再钻 2、4、6…，之后间隔钻剩余孔，内圈钻孔参照外圈钻孔的顺序。后序孔可检查前序孔的浆效果。逐步加密注浆一方面可根据钻孔的情况，调整注浆参数；另一方面如果钻孔情况证明注浆效果已达到设计要求，即可进行下一圈孔的钻进，减少钻孔的工作量，加快施工进度。

3.6 钻孔注浆施工工艺

3.6.1 牢固密实,保证不漏浆、不串浆的孔口管是决定注浆效果好坏的重要因素。其埋设方法:钻进3米后安放φ108、壁厚5mm、长度3m的孔口管。再将2.8m长一端焊上法兰盘，外露20cm，孔口管前端30cm及60cm处分别用φ6.5钢筋焊成倒锥形，以增加抗拔力，管壁与孔口接触处用麻丝填塞，再向孔口管内注双液浆固结。为防止钻孔过程中突发涌水突泥，孔口管安设完成前端须安设高压闸阀，通过高压闸阀进行钻孔施工。孔口管起着导向作用，钻孔安装时要控制好外插角度。

3.6.2 注浆采用后退式分段注浆，即将气囊式止浆塞放入注浆孔内，通过输气设备，使止浆塞膨胀，和岩体形成止浆系统，满足后退式分段注浆要求。分段长度5～10m，第一注浆段完成后，后退止浆塞至下一注浆段预定位置进行第二段注浆，如此循环，直至该孔注浆完成。

3.6.3 当岩层破碎或涌水量过大，不能一次成孔时，采用分段前进式注浆。在该段注浆完成后，扫孔钻进至下一段，再注浆，如此循环往复，直至达到设计深度。

3.6.4 注浆泵开机前旋转压力调节旋钮将油压调到要求的表刻度上，随注浆阻力的增大，泵压打开泄浆阀减压。

3.6.5 若钻孔过程中，遇到较大突涌水，应立即停止钻孔，进行注浆。

图5 超前帷幕注浆施工工艺流程图

3.7 注浆结束标准

单孔结束标准：注浆压力逐步升高至设计终压；并继续注浆十分钟以上；注浆结束时的进浆量小于5L/min。

全孔结束标准：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；浆液有效注入范围大于设计值；注浆预测涌水量小于3m3/m.d；检查孔涌水量小于0.2L/m.min；检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满。

注浆结束时，应先打开泄浆管阀门，再关闭进浆管阀门并用清水将注浆管路冲洗干净后方可停机。

3.8 异常情况处理

在注浆过程中，不可避免地会出现诸如跑浆、窜浆、单孔受浆量特别大而压力不上升难以达到正常结束等异常情况，即时采取措施加以处理。

3.8.1 作业面跑浆是发生比较多的一种情况，主要原因是止浆岩盘充填不密实或混凝土止浆墙灌注不密实。处理措施先用水泥浆浸泡过的麻丝填塞裂隙，并调整浆液配合比，缩短凝胶时间，若仍跑浆在漏浆处用普通风枪钻浅孔注浆固结。

3.8.2 注浆过程中，注浆压力突然升高，说明裂隙被堵，采用另一台小泵量注浆机压注单液水泥浆或压注清水待浆压恢复正常再注。

3.8.3 水泥浆泵吸不上浆，这种现象经常发生，主要原因是进浆口被堵，或者是泵阀门处钢球被浆液固结，或结块堵塞。处理方法是停泵清理，另一台泵采用间歇注清水的方法。为了减少此类情况出现，可注一段时间浆后注1～2min的清水，在注浆过程中清洗管路。

表2 注浆设备表

3.8.4 当注浆量很大，而泵压又长时间不上升，产生这种现象的原因一般是超扩散或浆液流失。处理措施是调整浆液的浓度，先稀后浓，单、双液交替灌注施工，缩短浆液的凝胶时间，控制注浆量。

3.8.5 对于水量大、水压高的出水点，用进浆量大，注浆压力高的单液注浆机或两台同孔注浆，确保单孔一次到位，尽量避免反复扫孔注浆，减少工序转换，缩短施工时间。

3.8.6 当含泥沙量较大时，利用超细注浆材料并加适量速凝剂的方法解决注浆数量和注浆效果不理想的问题。

3.8.7 对于围岩破碎、裂隙发育、串漏浆现象严重、含水、泥夹层多的地段，采用双孔同时注浆和调整注浆参数的方法，必要时施作整体或局部止浆墙来避免漏浆现象发生和防止高压注浆时围岩坍塌。

3.9 注浆效果检查

3.9.1 分析法

（1）P-Q-t曲线法。施工中，为了更为有效的对注浆过程进行适时监控，采用灌浆自动记录系统对注浆过程中压力和流量进行控制，准确记录单孔单段注浆量和注浆压力，并通过自动绘制P-Q-t曲线对注浆效果进行分析评价。P-Q-t曲线表现形式如图3所示。

注浆过程中，总体趋势均表现为注浆压力随注浆时间呈注浆上升趋势，最终达到设计终压，随着压力升高，速度也呈现明显下降趋势。对于出水量较大的孔，初始压力都在1.7MPa左右，注浆速度一般在30L/min左右，注浆时间一般跟出水量的大小成正比，随着注浆的进行，浆液逐渐对出水裂隙进行封堵，注浆速度随即下降，注浆压力快速上升，经过对已充填裂隙的快速挤压密实过程后，压力达到或超过设计注浆压力，而停止注浆。对于个别水量较小或无水的注浆孔，初始压力都比较小，但注浆压力上升较快，地层吸浆较小。随着浆液的注入和注浆压力的上升并达到设计注浆压力，出水裂隙被浆液充填密实，地层破碎岩体也得到有效加固，地层取得较好的改良效果。

（2）钻孔出水量及注浆量情况分析

注浆施工过程中，根据钻孔过程中的涌水量及注浆过程中的注浆量绘制涌水量时间效应图及对应注浆量时间效应图。

图6 钻孔涌水量时间效应图

图7 钻孔注浆量时间效应图

由图6可以看出，各孔出水量虽然表现出一定的离散性质，但一序孔出水量明显大于二序孔，随着钻孔注浆施工进行，后续孔出水量明显减小，大部分孔表现为无水，说明经过注浆后大的出水裂隙得到有效封堵和固结，注浆效果较为明显。

由图7可以看出，各孔之间注浆量分布离散性较大，二序孔注浆过程中个别孔仍表现出较大的吸浆量，这与地层裂隙发育的不规则性有着重要的关系，该段岩层层状裂隙及节理极其发育，浆液沿层面裂隙扩散范围相对较大，而在垂直岩面方向浆液扩散极其困难，因此浆液扩散各向差异性较大。

通过单孔注浆量和对应孔出水量对比可以看出，单孔注浆量和出水量有较为明显的对应关系，出水量大的孔地层吸浆较大，出水量小的孔吸浆量较小，说明对该段地层注浆主要是以封堵地下出水裂隙为主。个别孔出水量虽然比较小，但注浆量仍然较大，表现出局部地层比较破碎，地层孔隙率较大，这与钻孔注浆施工过程中钻孔揭示地质情况一致。

3.9.2 检查孔法

（1）检查孔观察法：按“全覆盖、有重点、无盲区”的原则，重点对钻孔注浆施工过程中可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，检查孔数量按注浆孔总数的10%控制。检查孔在施钻过程中，无卡钻、涌泥、涌砂现象，成孔性较好，但个别检查孔单孔出水量大于0.2L/min·m的评定标准，不过基本都在2.0L/min·m以内，且在后续对检查孔进行注浆封堵时，地层吸浆量较小，说明经过注浆加固后，地层密实度得到很大提高。

（2）检查孔取芯法。从取芯的情况看，芯样大多成短柱状，可明显看到被浆液充填的裂隙及已经被浆液固结的破碎岩体，浆液充填饱满，加固效果明显。

3.9.3 结论与体会

（1）在隧道施工过程中，对断裂富水段进行全断面超前帷幕注浆是行之有效的，也是有必要的。

（2）超前帷幕注浆施工质量的好坏与注浆施工工艺、注浆参数、注浆材料、机械设备等有很大关系。在注浆施工过程中，只有不断深入研究并解决好各自间相互影响的因素，才能提高帷幕注浆的质量。

a.注浆段长：采用前进式分段注浆时，注浆段长度的选取一定要适当，如注浆段过长，一是在注浆过程中，孔越深，浆液到孔底时，压力损失较大，很难保证孔底的注浆效果；二是在钻孔过程中，一方面对钻机性能要求增高，另一方面还大大的增加了重复扫孔的工作量；如注浆段过段，又涉及到工序频繁转换的问题，不利于施工的开展。根据目前的国内机械设备及施工水平，建议注浆段长在23～30m较为适宜。

b.注浆分段长度：采用前进式分段注浆时，对破碎且局部裂隙较大或水量较大地段，一定要严格控制分段长度，以确保浆液在地层中的均匀扩散，如分段长度过长，则对一些细小缝隙很难达到加固效果，但在某一区域，这种细小缝隙达到一定量时，在高水压的作用下，加固圈很容易被击穿。而对于局部围岩相对完整且水量较小地段，则应适当加大分段长度，以减少重复扫孔的数量，加快施工进度。

c.注浆速度：应根据不同地层的吸浆率合理调整注浆速度，对裂隙较大地段，注浆速度相应放大，裂隙较小地段，如压断层，则注浆速度要相应放缓，以防速度过快，造成压力升高过快的假象。

d.钻进过程中遇涌水或岩层破碎造成卡钻，应停止钻进，进行注浆，扫孔后再行钻进。

e.注浆过程中，若压力突然升高，应停止注浆，检查后，再行注浆；必须建立良好的止浆体系，并加固好后方的周边岩体,确保注浆过程的安全。

f.注浆过程中，注意观察止浆岩盘的变形情况，准备好加固措施。

（3）注浆效果评定应结合工程水文地质及现场施工情况，采取多种方法，综合进行分析。

结合P-Q-t曲线、钻孔出水量及注浆量情况，检查孔芯样及孔内摄像情况综合进行分析，认为在超前小导管预支护的情况下，可以进行开挖，但建议开挖过程中，及时施做超前地质预报，对前方地层及水的分布情况进行探测，避免突发涌水。开挖时应遵循弱爆破、短进尺、早支护、勤量测的原则，开挖完成后应初支要及早封闭成环，并加强施工监测，做好信息化施工。

[1]张民庆，张梅.高压富水断层“外堵内固注浆法”设计新理念与工程实际[J].中国工程科学，2009.

[2]董裕国.注浆加固工法在齐岳山隧道F11断层施工中研究与应用[J].隧道建设，2010.