超细水泥注浆在青岛地铁隧道初期支护渗漏水治理中的试验研究

迟建平

(青岛地铁集团有限公司，山东青岛 266000)

0 引言

在复杂的城市环境中修建地铁极易诱发地表坍塌、构筑物沉降、管线沟破坏、隧道(车站)渗漏水等病害，其中尤以渗漏水病害为甚［1］。已建和在建的地铁都受到过不同程度的水害威胁，并且水害通常与其他灾害呈现出共生关系［2］。城市地铁水害的威胁主要出现在建设期和运营期［3］。

注浆法作为治理突涌水灾害的有效手段在地下工程中得到了越来越广泛的应用［4］。注浆理论方面的研究主要集中在渗透注浆、劈裂注浆、裂隙充填注浆的公式推导及数值模拟方面，并建立了一系列的理论公式，如 Maag公式［5］、刘嘉才平板裂隙浆液扩散方程［6］等;但是对于裂隙异常发育的花岗岩地层注浆所涉及的复杂微裂隙网络注浆方面缺乏研究，没有相应的注浆压力、注浆速率及浆液扩散半径的计算公式，目前还无法指导工程实践。工程实践方面，随着我国隧道、地铁等地下工程进入大规模建设阶段，对于各种类型的水害注浆治理方法取得了一系列宝贵经验，包括断层破碎带涌水治理［7］、岩溶管道水治理［8］、高压孔隙砂岩涌水治理［9］等，在注浆材料选取、注浆工艺选择等方面均取得了一系列宝贵经验。青岛地铁隧道所处的花岗岩地层裂隙较发育，且裂隙的空间分布具有很强的不均一性，目前还未在该类型水害治理方面取得相关经验。综上，目前对于地铁隧道微裂隙型渗漏水的注浆工程缺乏针对性的研究。

为解决青岛地铁隧道由微、中、强风化花岗岩及煌斑岩风化带引起的微孔隙、微裂隙型初期支护渗漏水问题，本文围绕隧道初期支护渗漏水注浆治理材料选用、注浆工艺及注浆参数选取问题，依托青岛地铁二号线YSK44+569～+539区段初期支护渗漏水治理工程，采用理论分析与现场试验相结合的方法，研究初期支护衬砌渗漏水注浆工程中适宜的注浆材料、合理的注浆参数及适用的注浆工艺，有效指导隧道初期支护渗漏水治理工程。

1 工程背景

青岛地铁隧道水害主要以第四系表土层与基岩裂隙水害为主。目前隧道建设过程中，围岩与支护渗漏水现象极为普遍，并且青岛地铁区间隧道很多区段采用全包防水设计，未设置排水系统，这对施工期水害控制提出了更高的要求［10－11］。

1.1 工程地质及水文地质条件

根据已有的岩土工程勘察资料及青岛市建委推广的《青岛市区第四系层序划分》标准地层层序编号和野外钻探资料，对地铁修建有影响的地层自上而下可分为第四系地层与基岩2部分。第四系地层主要由全新统人工填土、全新统冲洪积层、上更新统冲洪积层组成;基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩，部分燕山晚期侵入脉岩(岩性为煌斑岩、细粒花岗岩)呈脉状穿插其间，受构造作用影响，于不同岩性接触带见碎裂岩。燕山晚期花岗岩按风化程度分为强风化带、中风化带和微风化带，该区段地质剖面如图1所示。

青岛地铁二号线YSK44+569～+539区段地下水按赋存方式分为第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水2类。第四系孔隙水水力性质为潜水，主要含水层为粗砂、粗砾砂，属中等－强透水层。基岩裂隙水可分为风化基岩裂隙水和构造裂隙水。风化基岩裂隙水为潜水，主要赋存于强、中风化岩层中，基岩裂隙以风化裂隙为主。构造裂隙水水力性质表现为微承压水，主要赋存于断裂带两侧的构造影响带中，构造裂隙水呈脉状、带状产出，分布不均。拟注浆试验段所处的隧道穿过微风化花岗岩地层，试验段隧道埋深为34.6 m，采用两台阶开挖方式，开挖后围岩变形很小，初期支护采用“喷射混凝土+钢拱架+系统锚杆”的支护方式，初期支护喷射混凝土厚度为50 cm，支护施作后围岩稳定。试验段隧道采用全包防水设计，不设置导流盲管、排水沟等排水系统。

图1 YSK44+569～+539区段地质剖面图Fig.1 Geological profile of YSK44+569～+539 section

1.2 渗漏水类型划分

该区段隧道初期支护完成后，隧道拱部及边墙依旧出现大面积淋雨及股状渗漏水现象，出水点分散且出水位置不固定，集中出水点一般呈股状，其余以散状出水为主。围岩导水通道一般为裂隙开度小于50 um的裂隙，属于微裂隙的范畴。隧道发生微裂隙渗漏水的原因为地下水作为渗漏水水源，花岗岩微裂隙作为渗漏水通道，在隧道开挖揭露花岗岩微裂隙后形成初期支护渗漏水病害［12－13］。

该区段水害可按照表现形式、储水形态和通道特征进行分类，渗漏水类型如图2所示。

1.2.1 按照表现形式分类

1)滴水。衬砌表面滴水，滴水间隔＞2 s，单点水量 ＜0.01 L/min。

2)线状流水。衬砌表面形成明水流动，滴水间隔≤2 s，形成线状流水，水量≥0.01 L/min。

1.2.2 按照储水形态与通道特征分类

1)基岩微裂隙渗漏水。因成岩和构造节理裂隙形成储水空间，加之爆破震动增大了裂隙导水能力，导致水害发生。

2)强风化裂隙密集区渗漏水。强风化花岗岩节理裂隙密集交错发育，在爆破震动松动和地下水渗流作用下，风化形成的泥质阻水充填物被地下水带走形成水害。

3)强风化破碎区渗漏水。花岗岩风化强烈，岩体完整性遭破坏形成了较大的储水空间和导水通道导致水害，渗漏水量一般较大。

图2 渗漏水类型划分Fig.2 Classification of water seepages

2 注浆材料选型试验

2.1 注浆材料初步选型

注浆材料选型需要从浆液可注性、堵水加固效果、材料耐久性、环保性能和经济性等多方面进行考虑。该区段地层为中风化、微风化的花岗岩，涌水类型为微裂隙型渗漏水，作为渗漏水通道的孔隙及裂隙尺寸微小，浆液的可注性成为选择注浆材料的基本条件［14］。

普通水泥浆液由于其颗粒粒径较大，往往无法注入尺寸较小的孔隙或裂隙内部，导致浆液无法形成有效扩散，普通硅酸盐水泥浆液的不可注性在地铁二号线前期注浆工作中得到了验证。经验表明，虽然水泥浆液可以注入0.2 mm以上的裂隙;但是对于围岩内部广泛存在的微小裂隙普通水泥浆液不具有可注性，然而这些微小裂隙恰恰是隧道渗漏水的主要通道，所以普通水泥浆液不适合作为本区段的注浆材料。水泥－水玻璃、水泥黏土浆液等注浆材料后期强度不高，耐久性差，也不适合作为本区段的注浆材料。

化学浆液大部分都是真溶液，可在微裂隙岩体内形成有效扩散，但该类注浆材料存在价格高、耐久性不足等缺点。青岛地铁车站及区间隧道的设计使用期为100年，其对结构耐久性有非常高的要求，因此化学浆液不适合作为本区段的注浆材料。

超细水泥相比普通水泥颗粒更细，超细水泥颗粒中位粒径D50可细至1μm以下，达到次纳米级，最大粒径Dmax不超过18μm，80%以上颗粒尺寸在5μm以下。这种颗粒尺寸的超细水泥制成的浆液具有很好的可注性，可渗入普通水泥颗粒无法渗透的微裂隙岩体中。

超细水泥浆液具有与化学浆液相似的良好渗透性和可注性，但是有更高的强度和耐久性，且非常环保，对周围环境无污染，完全适用于青岛地铁隧道中风化、微风化花岗岩地层的渗漏水治理。

2.2 注浆材料选型现场试验

经过不同种类注浆材料的初步比选，YSK44+569～+563治理区段内注浆材料采用超细水泥浆液，并针对800目、1 000目及1 250目3种超细水泥浆液进行现场试验，通过注浆试验确定不同粒径超细水泥对微、中、强风化花岗岩及煌斑岩风化带的渗漏水治理效果，并确定超细水泥的最佳粒径。所选用的3种型号超细水泥的几何特征及力学指标见表1。

表1 超细水泥颗粒几何特征及力学指标Table 1 Geometrical characteristics and mechanical parameters of micro-cement particles

在区段内选取3个钻孔1－4、1－6、1－8进行3种注浆材料的注浆试验，注浆前3个试验孔周围均有滴水现象，且滴水速率大致相当。设计1－4孔注入800目超细水泥，1－6孔注入1 000目超细水泥，1－8孔注入1 250目超细水泥。3个钻孔的钻孔直径均为42 mm，钻孔深度均为4 m。

由于超细水泥初凝时间较短，实际注浆过程中需要控制注浆搅拌时间，尽量不要超过10 min，以避免出现因水泥水化反应时间过长造成浆液稠度增加难以注入的现象，现场采用二级搅拌桶对超细水泥进行二次搅拌，保证水泥浆液的搅拌效果。试验过程中注浆结束标准采用注浆终压控制方法，3个孔的注浆终压均设定为2 MPa，现场试验水灰质量比采用1∶1，注浆速率等其他注浆参数根据施工情况灵活调整。

1－4试验孔总计注浆时间为61 min，800目超细水泥累计注浆量为1.03 m3;1－6试验孔总计注浆时间为67 min，1 000目超细水泥累计注浆量为1.14 m3;1－8试验孔总计注浆时间为75 min，1 250目超细水泥累计注浆量为1.27 m3。注浆治理完成后，3个试验孔周围的滴水均全部消失。3个试验孔治理后的效果如图3所示。

图3 试验孔注浆治理后的现场效果对比Fig.3 Field effect of grouting through testing holes

2.2.1 注浆效果比较

注浆结束后，3个注浆试验孔的滴水均全部消失，试验孔周围的初期支护壁面也逐渐干燥。相比于1 000目和800目超细水泥，1 250目超细水泥的水泥颗粒细度最小，浆液颗粒通过裂隙的能力最强，注浆阻力最低，相同注浆终压下其达到的浆液扩散半径也最大，但是半径差别不大。从注浆效果来看，高目数的超细水泥比800目超细水泥的注浆效果好，但是差别不大。

注浆过程中，3个试验孔周围均出现了不同程度的淋水现象，但是在注浆完成2～3 h后所有试验孔周围的淋水全部消失。在3个试验孔中，采用800目水泥的钻孔周边单位时间淋水量最大，淋水消失得最慢，淋水面积最小;采用1 250目水泥的钻孔淋水量最小，淋水消失的最快，淋水面积最大。分析注浆过程中注浆孔周围发生淋水的原因为:由于注浆的影响，围岩孔隙及裂隙内部会产生超孔隙水压力;在浆液扩散过程中，由于水泥浆液中的水不会全部参加水泥水化反应，未参加水化反应的水在超孔隙水压力的作用下从初期支护表面缝隙中渗出，形成注浆过程中的淋水现象。目数越大的超细水泥表面积越大，水泥水化反应越快，可用于析水的自由水越少，导致其单位时间淋水量越少且淋水消失越快，所以800目超细水泥的单位时间淋水量最大且淋水持续时间最长。目数越大的超细水泥颗粒越细，浆液通过裂隙的能力越强，最终的浆液扩散半径越大，其发生淋水的面积也会相应增大，所以1 250目超细水泥的淋水面积相比其他2种超细水泥略大。3种注浆材料在注浆过程中的淋水速率、淋水面积和淋水持续时间虽有差别，但是差别不大，可以认为3种注浆材料所引起的淋水程度大致相当。

2.2.2P－Q－t曲线对比

3个注浆试验孔的P－Q－t曲线如图4所示。

对比3个注浆试验孔的P－Q－t曲线可得:

1)3个试验孔的注浆压力均由初始压力逐渐上升，800目超细水泥达到注浆终压2 MPa的时间为55 min，1 000目水泥对应的时间为68 min，1 250目水泥对应的时间为73 min。随着水泥目数由800目增加到1 250目，水泥颗粒粒径变小，注浆阻力变小，因此注浆压力增长到注浆终压的时间逐渐变长，但是总注浆时间差别不大。

2)800目超细水泥的单孔注浆量为1.03 m3，1 000目超细水泥对应的单孔注浆量为1.14 m3，1 250目超细水泥对应的单孔注浆量为1.27 m3。相比于800目超细水泥，1 000目和1 250目超细水泥的单孔注浆量要大，但是差别不大。

3)3个试验孔的注浆速率随时间变化呈现出相似的变化特点。在注浆初期注浆速率快速下降，之后进入稳定期，在注浆后期注浆速率由稳定值快速下降直至注浆压力达到结束标准。

从P－Q－t曲线来看，3种型号超细水泥的注浆时间、单孔吃浆量等参数差别不大，1 250目、1 000目与800目超细水泥相比，P－Q－t变化规律近似一致，不存在本质差别。

图4 试验孔P－Q－t曲线Fig.4 P-Q-t curves of testing holes

在现场试验过程中通过观察初期支护表面的跑浆位置来判定浆液扩散半径的大小，若浆液在某处跑浆，说明注浆浆液至少扩散到该位置，跑浆位置距离注浆孔的距离为注浆扩散半径。3种型号超细水泥注浆性能对比见表2。

表2 3种型号超细水泥注浆性能对比Table 2 Comparison among three types of micro-cements in terms of grouting property

800目超细水泥完全能够满足注浆堵水要求，高目数水泥同800目超细水泥之间没有足够的质变，考虑到高目数超细水泥经济成本较高，青岛地铁二号线YSK44+569～+539区段注浆工程采用800目超细水泥。

3 止浆方式及止浆深度选择

在注浆之前需要在钻孔内设置注浆孔口管，本区段注浆孔口管由φ42 mm无缝钢管制成，注浆孔口管的作用主要有3点:1)为浆液进入围岩裂隙提供入口;2)保护注浆孔周围岩体在注浆压力作用下不被破坏;3)实现裂隙渗漏水的控制性排放。

本区段孔口管止浆方式分为孔口直接止浆和止浆塞止浆2种。

孔口直接止浆是指不应用止浆塞，放置孔口管前在孔口管周围缠绕一定厚度的浸泡过聚氨酯材料的棉絮，之后将孔口管插入钻孔一定深度内，依靠聚氨酯材料凝结固化后的强度使得孔口管与初期支护混凝土紧密粘接，并防止浆液回流。

止浆塞止浆的特点是采用止浆塞。本区段所用的止浆塞由特制橡胶制成，止浆塞两侧与孔口管通过焊接方式连接。止浆塞可保证浆液不会进入初期支护与围岩的裂隙空间，而是直接进入围岩裂隙，实现浆液的有效扩散与渗漏水封堵。在未注浆前止浆塞的橡胶塞直径为40 mm，在注浆开始后，橡胶塞需要3 MPa的压力，橡胶塞最大膨胀直径可达100 mm，橡胶塞被撑开后浆液才可以顺利进入围岩裂隙，止浆塞为单向通道构造，只允许浆液由注浆管进入围岩裂隙而不允许反向流动。

止浆方式和止浆深度由钻孔出水深度及围岩稳定性2方面决定。若钻孔过程中发现出水位置在初期支护与围岩之间的裂隙，且渗漏水通道为初期支护与围岩之间的裂隙，则该钻孔深度不宜太深，在治理区段内该类型的钻孔孔深设为2 m，采用孔口直接止浆，如图5所示。采用孔口直接止浆方式时，浆液进入围岩与初期支护之间的空隙并对其进行充填注浆，注浆压力直接作用在初期支护上，为了保证初期支护的围岩稳定，注浆压力不宜太高，区段实施中控制注浆压力小于2 MPa。

图5 孔口直接止浆方式Fig.5 Grout stopping at orifice

若钻进过程中发现出水位置在围岩内部，渗漏水通道为围岩裂隙，则采用止浆塞止浆，如图6所示。止浆塞需布设在围岩内部一定深度，以保证注浆作用下初期支护及浅层围岩不会因注浆作用而发生破坏。另外，止浆塞需布置在钻孔出水裂隙外侧(靠近隧道一侧)，以保证浆液顺利进入围岩渗漏水裂隙。

图6 止浆塞止浆方式Fig.6 Grout stopping by plugs

在本区段的孔口管施工过程中，止浆塞封闭在首个较大渗漏水点的外侧，原则上止浆塞布置在50～70 cm深度范围内，考虑到注浆压力对围岩稳定性的影响，注浆压力不宜超过3 MPa。若渗漏水裂隙深度较浅，止浆塞布置深度需小于30 cm，此时的注浆压力不宜超过2 MPa。实际施工过程中存在因施工钻孔的圆形不规则而出现少量漏浆的问题，采用棉纱+聚氨酯材料封闭的方法对孔口管进行二次封闭。

4 注浆方案设计及注浆参数选择

4.1 钻孔设计

本区段采用2序次注浆钻孔设计，第1序次钻孔起验证水文地质分析和注浆的作用，第2序次钻孔起检查注浆效果和补充注浆的作用。

第1序次钻孔间距为2.5 m ×2.5 m(环 ×纵)，钻孔深度为4.5 m，由于施工场地的限制，钻孔间距可根据实际情况进行调整。根据第1序次钻孔的布置点位将第2序次钻孔内插布置。

4.2 水灰比选择

相关文献表明，水灰质量比低于0.8∶1时，浆液黏稠度过高，仅适用于某些动水封堵工程，在微孔隙及微裂隙渗漏水中易导致受注介质不可注及可泵性较差的问题;当浆液水灰质量比高于1.3∶1时，浆液水灰比过高，注浆材料含水率较大，在浆液水化反应结束后泌水严重，同时结石体体积倒缩严重，同样不适用于微小裂隙注浆工程。本区段水灰质量比初步采用1∶1，并根据施工情况进行优化调整，具体施工中采用密度控制方法进行水灰比控制。

4.3 注浆参数选择

注浆压力控制采用初始压力和终压双重控制。初始压力是指开始正常注浆后(通常几min)的初始压力值，此时压力可认为是裂隙注浆阻力+水压力，终压需要控制在初始压力的2倍，方可达到注浆效果。由于花岗岩裂隙地层孔隙率低，注浆流量需要采用小泵量控制，过大速率容易起压，本区段注浆终压控制在2～3 MPa。

YSK44+569～+539区段现场注浆治理工程共用时24 d，第1序次钻孔70个，第2序次钻孔84个，总钻探进尺616 m。注浆工程结束后，区段内的面状渗水、侧壁流水及股状淋水均全部消失，滴水点减少至3处，滴水速率超过10 s/滴，区段内的渗漏水得到成功治理。隧道注浆前后对比见图7。

图7 隧道注浆前后对比Fig.7 Grouting effect

5 结论与建议

1)通过现场试验，对注浆材料进行优选，800目、1 000目和1 250目超细水泥所达到的注浆效果差别不大，考虑经济因素最终确定青岛地铁隧道渗漏水治理工程适用注浆材料为800目超细水泥。

2)提出了孔口止浆与止浆塞止浆2种孔口管封闭工艺，并针对微裂隙型渗漏水治理提出了止浆深度及注浆终压选择方法。

3)确定了适用于青岛地铁隧道微裂隙型渗漏水的钻孔布置方法及注浆参数:采用2序次钻孔布置方法，钻孔间距为2.5 m ×2.5 m(环 × 纵)，钻孔深度为4.5 m，浆液最佳水灰质量比为1∶1，注浆终压为2～3 MPa。

4)在微裂隙注浆扩散及封堵理论方面，浆液扩散运移路径和浆液留存固化堵水机制需进行进一步研究，以便更准确地指导工程实践。

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