寒区隧道浅埋富水区深孔注浆堵水加固工艺研究

巫建晖，刘瑞全，王连成

(1.西藏自治区交通运输厅， 拉萨 850000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)



寒区隧道浅埋富水区深孔注浆堵水加固工艺研究

巫建晖1，刘瑞全2，王连成2

(1.西藏自治区交通运输厅， 拉萨 850000； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

目前，对于青藏高原地区海拔4 000 m以上寒区长大公路隧道在浅埋富水区注浆堵水工艺的研究国内还尚未见相关报导。针对珠角拉山隧道出口段强-全风化泥质砂岩地层具有强渗透性、弱胶结性和地下水发育的特点，基于袖阀管深孔注浆堵水技术，采用“先约束后发散”型注浆模式，应用水泥-水玻璃双液浆和硫铝酸盐单液浆2种浆液相互配合、周边约束孔和内部挤密孔分批次、分阶段试验注浆方案，对洞口段底层地下水封堵进行试验研究。试验结果表明：以地层堵水加固为主的分段式袖阀管深孔注浆可有效封堵隧道洞身范围内地层的地下水通道，控制隧道掌子面渗漏水，提高围岩的整体稳定性。

寒区隧道；强-全风化砂岩地层；先约束、后发散；地表深孔注浆；堵水加固

地层注浆堵水就是利用专用配套机具将具有胶凝特性和充填性能的液态材料置入需要隔离地下水的底层，通过注浆材料的凝结硬化作用来充填并固结地层中的地下水通道，以减小注浆范围内底层的渗透系数和渗水量，达到提高地层强度和整体稳定性的目的[1]。 袖阀管深孔注浆技术具有分阶段、可循环、定深度、定剂量等特点，并集中了渗透、劈裂和压密3种不同注浆方式的优势，对于断层破碎地带、富水地层地段及狭窄场地围岩的堵水加固等复杂地质情况具有较好的适应性[2-3]。目前，对于青藏高原高寒地区特殊地层堵水加固而言，碎石土、强风化泥质、砂砾层、大孔隙比、强渗水等地层的袖阀管深孔注浆尚无应用先例。

从现有工程实践看，袖阀管在隧道地层注浆加固中的应用多集中在冒顶塌方、浅层地表处理及单一注浆模式等方面[4-6]。为此，本文针对强透水、强风化泥质砂岩地层，以珠角拉山隧道为工程依托，综合考虑水力梯度及方向，结合单、双浆液不同固结机制，对“先约束后发散”注浆模式对于隧道洞身注浆堵水的效果进行试验研究，并提出对应的注浆控制标准。

1 工程概况

1.1 气象水文

珠角拉山隧道所在的昌都地区宾达乡属藏东高原气候，日照充足，昼夜温差大，冬春寒冷，雨季降雨集中，无霜期短，具长冬无夏、春秋相连的气候特点。类乌齐和昌都地区的气象资料显示，区内年平均气温3～8 ℃，多年平均最低气温-23.7～-16.2 ℃，多年平均极端高温25.4～29.8 ℃。多年平均降水量509.5～643.8 mm，每年7—9 月为雨季，年1 d最大降水量38.8 mm，多年平均蒸发量为1 342.8～1 568.1 mm。每年10 月至次年3月为冻土期，最大积雪深度14 cm，最大冻土深度107 cm。

1.2 工程地质

珠角拉山隧道出口K1335+160～K1334+900 处地表发育一长年流水冲沟，其宽16～18 m，下切3～6 m，区内易发生小型泥石流。该隧道顶部形成薄弱部位，易造成塌陷，从洞口K1330+160～K1335+135 段洞顶围岩主要为碎石土覆盖层和强风化层，孔隙率大，成洞条件差，自稳性差。

1) 地表水。紫曲河从珠角拉山隧道出口横穿，雨季流量约为245 L/s，冬季为涎流冰。

2) 地下水。珠角拉山隧道出口浅埋段存在的地下水类型主要为基岩裂隙水和松散岩类孔隙潜水。松散岩类孔隙潜水主要分布在进出口附近紫曲河流域沟谷地带的冲洪积层中，夏季水位涨幅较大，含水层较薄，分布面较广，补给源近，透水性强，且暴雨补给时水头急剧抬高。隧址区内，基岩裂水为下伏一定深度内的岩溶构造裂隙水和浅表层状岩类风化裂隙水的组合形式，碎石土夹强风化层的地下水渗透系数K=20～30 m/d。

1.3 施工情况

2015年9月21日，珠角拉山隧道出口主洞掌子面施工至K1335+112里程时，地下水从拱部渗流出来，于是立即采取加长钻杆进行了超前探水。

2015年9月23日，采用3.5 m钻杆在拱顶部位打孔时钻孔出现涌水，流量约1 m3/h。上台阶面向大桩号左拱腰部位钻孔3 m后也出现涌水，流量约0.5 m3/h。

为保障隧道施工安全，借鉴以往隧道工程的成功经验，决定对珠角拉山隧道出口浅埋段实施深孔注浆堵水加固措施。

2 深孔注浆方案设计

划定合理的注浆范围，以先周边后中间、先深层后表层的的注浆顺序，逐孔对珠角拉山隧道地表垂直注浆，对其浅埋段地层进行加固止水。注浆合格的基本要求是：掌子面钻探取芯，芯样技术参数达到要求，之后方可开始隧道正常开挖掘进。

2.1 注浆加固范围

加固范围为纵向 K1335 + 160～ K1335+000，共 160 m；横向注浆范围扩至隧道开挖轮廓线外侧 8 m，总宽度28.1 m；竖向注浆范围为隧道拱顶位置开挖轮廓线以上9 m，仰拱开挖轮廓线以下2.5 m，竖向深度约21.1 m。钻孔布置形式采用梅花形，设 134 排 23 列注浆孔，共计3 082 孔，其中周边(外侧3圈)孔310 个，中间孔 2 772 个，纵横向间距为1.2 m×1.2 m。注浆孔布置局部示意见图 1。

图1 注浆孔布置示意

2.2 注浆参数

以浆液胶凝时间和扩散半径为主要控制指标，参照内地类似工程经验，结合珠角拉山隧道施工现场掺配试验情况拟定了注浆参数，见表 1。

表1 注浆参数

注：C为水泥；S为水玻璃。

2.3 注浆材料及配合比

注浆材料主要采用双液浆和单液浆2种浆液，各注浆孔第1段全部采用双液浆，周边3圈约束孔采用双液浆，第2、第3段内部孔采用单液浆。

材料配和比：水泥-水玻璃双液浆水灰比(W∶C) 为0.8∶1～1∶1；普通水泥单液浆水灰比( W∶C) 为0.8∶1 ～1∶1；水泥-水玻璃体积比( C∶S) 为 1∶1；水玻璃浓度为35～40 Be′。

2.4 注浆顺序

注浆顺序原则上采取由外到内，“先约束后发散”型方式[7]，见图 2。图2中，①、②、③分别代表第1、第2和第3注浆段。

图2 注浆模式示意

本次注浆目的主要是以堵水为主，先对注浆范围外轮廓3圈周边孔和所有注浆孔的第1段(最底部)采用双液浆进行封闭，形成一个初步止水带，然后对中间孔的其余分段采用奇数排奇数列跳注，最后完成偶数排偶数列的所有注浆工作，以实现对地下水通道的挤密、封堵[8-10]。结合现场地下水的梯度方向，选择隧道口一侧为非约束侧，由远端逐排逐列实现对地下水的挤排，最终由隧道口一侧排出，以提高开挖段围岩整体稳定性[11]。

2.5 注浆结束标准

2.5.1 分段注浆结束标准

对外3圈注浆孔采用注浆量控制，注浆量达到设计量的150%即可。对其余内部注浆孔采用注浆压力控制，注浆压力达到设计终压值，稳压15 min 以上未出现明显减压[12]。

2.5.2 全孔注浆结束标准

分段注浆各阶段均达到设计注浆结束标准。

2.5.3 全段结束标准

1) 所有设计注浆孔均达到全孔注浆结束标准。

2) 对地下水发育部位和注浆薄弱部位钻设检查孔，检查孔数量不少于总注浆孔数的3%，且需满足单孔出水量不超过 0.1 L/h，以此来确定全段注浆是否达到了结束标准[13]。

3 深孔注浆施工

深孔注浆管施工工序和注浆工艺分别见图3、图4。

图3 施工工序

图4 注浆工艺

3.1 钻孔

钻孔前，先按照设计孔位放线定位并标记，完成钻孔后立即进行套管的定位安装和套壳护壁料的充填，这是保证后期注浆芯管能否按要求下到指定部位的前提。

3.2 注浆管安装

注浆管分a、b两种类型，a型管上面有溢浆孔，安装在需要注浆段落；b型管上面无孔，安装在不需注浆部位。a型管底部还需提前加锥形闷盖，以防在下管过程中渣土进入注浆管，使注浆深度达不到设计要求。b型管在地表需外露20 cm，以便于安装连接阀门[14]。

由于大部分钻孔较深，故在注浆芯管安设过程中需要逐段连接，并保持垂直。套管要缓慢拔出，以防芯管连接部位受到破坏，且套管拔出后应立即充填套壳料进行封孔。

3.3 注套壳料

注浆口以下2.5 m范围内需要先安设孔口套壳，采用水泥砂浆充填封孔。水泥砂浆比例为水泥∶沙∶水=1∶1∶1.5。

3.4 注浆

注浆顺序由下往上，分段后退，直至达到设计结束标准。每个阶段注浆深度为1.5 m，如此往复，以确保每个注浆孔的注浆质量，直到整个设计注浆范围全部完成为止[15-16]。

4 注浆效果检查

4.1 注浆 p-V-t 曲线

单孔注浆完成后，绘制p-V-t曲线，见图6。图6中，p为注浆压强；V为单位时间注浆量；t为时间。从图6可以判断：

图6(a)是外圈约束孔注浆时的参数变化情况，整个过程中注浆压力都保持在1 MPa以内，单位时间的注浆速率维持在50 L/min以上；随着注浆时间的增加，注浆压力有所升高，幅度不大，注浆速率有所减小，幅度不大。

图6(b)是周边约束孔注浆完成后中间孔注浆时的参数变化情况。注浆压力从起始位置就维持在1.51 MPa，在40 min以后，压力上升得很快，很快上升到60 MPa左右。注浆速率起始从68 L/min随着时间的推移逐步减小，在25 min往后近乎呈线性下降，最终趋近于0。

图6 p-V-t注浆曲线

4.2 注浆前后涌水量对比

注浆前，对掌子面超前探水孔涌水量进行了测定，流速为3 m3/h。全段注浆结束后，在之前的富水区域和注浆薄弱区钻探了6个检查孔。经现场观察，检查孔只有少量渗水。掌子面加固前后效果对比见图7。

图7 掌子面加固前后对比

4.3 检查孔检查

4.3.1 洞内超前水平钻探孔

钻探孔位置分布在掌子面拱顶和左右2个拱腰位置，往上倾一定角度，如果有渗水便于观察并及时排出。从现场水平探孔看，3个洞内超前检查孔无水流出。36 h后复检，也未出现渗水、塌孔现象，证明注浆效果良好。

4.3.2 地表检查孔取芯

全阶段注浆结束后，在地表注浆薄弱区域钻设检查孔，并取芯检查，对芯样的技术参数进行统计。现场取芯大部分质量较好，外观较完整，强度也较高。局部芯样见图 8，检查孔芯样技术统计见表2。

图8 芯样

检查编号注浆长度/cm取芯长度/cm优良段长度/cm岩心加固优良率/%11120165096085.7217602450159090.3314502090138095.1417902630162090.5521402800205095.7621302720172080.7

由表2数据可知，检查孔芯样优良率为89.6%，表明在注浆范围内大部分区域的地下水都得到了封堵，底层整体强度也得到了有效改善，为隧道开挖创造了良好条件。

5 结论

本文介绍了在青藏高原高海拔地区进行的试验项目，从注浆区域确定、注浆方案选择、注浆过程实施，到最终注浆效果的对比检查，都是在前人经验基础之上的一个新的尝试和探索。根据p-V-t注浆曲线、洞内超前探孔和地表钻设检查孔对注浆效果的检查，提出以下结论和建议：

1) 高寒地区具有强渗透、弱胶结性和地下水发育的全风化泥质砂岩地层，注浆堵水时，联系现场水力梯度，采用“先约束后发散”注浆模式可有效防止浆液外漏，获得封水、挤水并挤压地层密实的效果。

2) 对于周边约束孔，采用双液浆能有效形成注浆范围的外围约束体。双液浆的胶凝时间宜控制在60 s左右，以保证既不被地下水冲散又能够达到工序衔接要求。

3) 应在注浆过程中及时根据p-V-t曲线进行周边约束体和内部发散挤密体之间的相互关联分析，避免因周边约束体强度不足造成浆液流失，同时也避免因内部挤密孔分布不合理造成堵水失效。

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Deep Hole Grouting Water Plugging Reinforcement Process in Shallow-buried Water-rich Zone for Tunnels in Cold Area

WU Jianhui1, LIU Ruiquan2, WANG Liancheng2

At present, there is no report in China regarding study on grouting and water plugging process for long/large road tunnels in shallow-buried water-rich area in cold area such as Qinghai Tibet Plateau, which has elevation of 4 000 m above sea level. This paper introduces the Zhujiaola Mountain tunnel exit, it has intensively-fully weathered shale sandstone formation and features strong permeability, weak cementation and developed groundwater. Based on sleeve valve tube deep hole grouting and water plugging technology, "Restrain and diffusion" grouting model was adopted, using two grouting fluids of cement-sodium silicate mixed fluid and sulphoaluminate mono fluid, and peripheral constraint hole and internal compaction hole to test grouting solutions in batches and stages, to study the ground water plugging at tunnel exit segment. Tests show that segmental sleeve valve tube deep hole grouting focusing on water plugging and reinforcement may effectively plug groundwater pass within the territory of tunnel body, control tunnel face water seepage and improve overall stability of surrounding rocks.

Cold area tunnel; intensively-fully weathered sandstone formation; restrain and diffusion; surface deep hole grouting; water plugging and reinforcement

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.021

2016-01-18

巫建晖(1970-)，男，四川省成都市人，本科，高工。

1009-6477(2016)05-0091-05

U459.2

A