超前HCH—I高分子注浆技术在饱和弱成砂岩隧道中的应用

舒丽红

摘要：指出了HCH-I高分子浆液注入岩体迅速膨胀呈泡沫状，与水反应并封闭出水点，渗透到细小的裂隙中膨胀，可有效地加固和密封处理区域，能够保持该种地层10 h内基本不渗水，达到固结围岩的目的。在胡麻岭隧道通过现场试验，确定了使用HCH-I高分子浆液超前预注浆的方法，为同等或类似条件下的地下工程研究及施工提供借鉴和参考。

关键词：HCH-I高分子；超前注浆技术；饱和弱成砂岩；隧道；应用

中图分类号：U454

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2016）20-0122-03

1 引言

兰渝线胡麻岭隧道在4#斜井向正洞贯通挑高过程中，遇到了第三系饱和弱成砂岩地层。由于该地层地下水位高，在水压作用下极易形成突水涌砂。另外，饱和弱成砂岩松动圈大，在施工过程中受机械、人员的扰动，使围岩容易液化，阻碍正常施工，并且造成掌子面后方未封闭的初期支护发生突然变形和整体下沉，严重时在底板封闭和二衬施工后还有整体沉降。

在这样的地质条件下，通过调研、理论分析和现场试验及监测等手段，对该种岩层挑高施工技术进行了深入研究后，采用了多种方法，保证了施工时围岩的稳定。而超前HCH-I高分子注浆作为技术手段之一，有效地控制了围岩软弱未固结状态及围岩液化，保证了4#斜顺利进入正洞施工，确保了施工优质、安全、快速、高效地进行。实践证明，采用超前HCH-I高分子注浆技术对于饱和动态含水砂层施工是安全、可靠、可行的。

2 隧道概况

胡麻岭特长隧道是兰渝铁路第I合同段工程，位于甘肃省定西市境内，全长13611 m，设计为客货共线双层集装箱，开通时速200 km/h。双线大断面隧道的开挖断面为135 m2，其原设计地质以砂岩为主。原设计有4座斜井，其中4#斜井在施工中遇到了前所未见的第三系弱胶结饱和粉细砂岩地层，其成分以石英为主，呈黄色、桔黄色，粉细粒结构，泥质弱胶结，局部夹有砾岩薄层，成岩作用极差，属极软岩。

2.1 水文地质

隧道4#斜井向正洞贯通地段地表水较发育，地下水受大气降水及地表水补给影响，水量较大。

该段隧道洞身设计预测正常涌水量为1429 m3/d，最大涌水量为4287 m3/d。

2.2 饱和弱成砂岩不利现象

饱和弱成砂岩的特点是固结不均匀，渗透系数小，降水难度大。该地层开挖后自稳能力极差，掌子面不稳定，易坍塌，经常出现底板冒水、涌砂、涌水，沉降大、初支变形等现象。

当拱腰渗水时，渗水浸泡围岩使其软化，在开挖马口时围岩层层剥离，造成接腿无法实施，拱脚背后脱空，上断面突然沉降变形，无法进行下断面施工；当掌子面渗水时，核心土崩塌，围岩层层剥离，导管上方严重脱空，从而造成大型塌方；当拱脚、基底渗水时，将拱脚、基底浸泡成淤泥。根据记录，开挖下台阶经常出现突然沉降，沉降量最大1205 mm，平均630 mm；开挖底板突然收敛，收敛值最大360 mm，平均170 mm。在通过大范围松散段落时，出现初期支护整体下沉的情况，未封闭成环的段落最大沉降523 mm，平均达到162 mm；更为严重的是底板封闭、二次衬砌实施后还有整体沉降现象，最大78 mm。另外，饱和弱成砂岩在施工过程中经开挖振动、人员的扰动和受水长时间浸润或浸泡后，围岩液化现象明显，增大了施工难度。

3 超前HCH-I高分子注浆技术原理

饱和弱成砂岩含水量大，渗透系数小，常规浆液无法渗透到岩体中。HCH-I高分子水胶固结材料是一种单液型树脂材料，以水为固化剂，具有凝固时间短、注浆速度快等特点。通过超前小导管注入岩体，遇水后立即发生化学反应产生气体，呈泡沫状膨胀，生成弹性胶状固结体封闭出水点，而且能够渗透到细小的裂隙中，加固和密封处理区域，保持该类地层10 h内基本不渗水，达到有效固结围岩的目的。

超前HCH-I高分子小导管注浆示意图如图1所示。

4 超前HCH-I高分子注浆技术施工

4.1 超前小导管施工

4.1.1 小导管制作

采用外径42 mm、壁厚3.5 mm的无缝热轧钢管制作超前小导管。钢管长度4 m。前端加工成10～15 cm长的尖锥状，尾部焊φ6钢筋箍。管壁周围按15 cm间距梅花形钻设φ6 mm～φ8 mm注浆孔。尾端100 cm作为止浆段，不设注浆孔。

4.1.2 小导管安装

小导管的安装采用直接顶入方式，步骤如下。

（1）先用吹风管将砂石吹出成孔，再用YT-28风钻顶入。

（2）小导管尾缠棉纱，使小导管与钻孔固定密贴，并用棉纱将孔口临时堵塞。

（3）为防止注浆过程中工作面漏浆，小导管安设后必须对其周边一定范围的工作面进行喷射混凝土封闭。喷射厚度视地质情况，以5～8 cm为宜。

4.1.3 小导管布置方式

超前注浆小导管根据地质条件不同，布置形式有两种：一种是单层超前注浆小导管，另一种是双层超前注浆小导管。单层小导管采用φ42 mm，钢管长度为4.0 m，纵向搭接长度1.0 m，外插角为2°，环向间距30 cm；双层小导管采用φ42 mm，钢管长度为4.5 m，纵向搭接长度1.5 m，钢管分别采用为10°和40°的外插角交错布置，环向间距40 cm。

4.2 注浆参数

4.2.1 导管参数确定

主要根据地质条件、隧道断面大小及支护结构形式等因素原则设计参数。根据地下工程的特点，主要参数为：小导管长度4 m；直径42 mm；安设角度，单层2°，双层10°和40°；注浆压力4～5 MPa；浆液扩散半径0.15～0.25 m；注浆速度30～100 L/min。

浆液注入量计算公式为：Q=πR2 Lηαβ。其中；

Q为单管注浆量（m3）；

R为浆液扩散半径（m）；

L为注浆管长度（m）；

η为地层空隙率或裂隙度；

α为地层充填系数（堵水时，一般取0.7～0.8；加固地层时，一般取0.6～0.7）；

β为浆液消耗系数，一般取1.1～1.2。

小导管沿隧道周边布设，环向间距、布设范围、单层或双层可根据现场具体情况确定。

4.2.2 注浆材料

超前小导管注浆采用HCH-I高分子注浆材料。

4.2.3 注浆设备

其注浆设备为BQ-20注浆机。

4.3 注浆施工

4.3.1 超前HCH-I高分子注浆施工工艺流程

其工艺流程图，如图2所示。

4.3.2 准备工作

注浆开始前，进行压水或压稀浆试验，检验管路的密封性和地层的吸浆情况，压水试验的压力不小于设计终压，时间不小于5 min。

4.3.3 注浆顺序

周边超前小导管自两侧向拱顶方向，分单双号按顺序注浆注。注浆过程中要根据不同地层及掌子面含水情况，将胶凝时间调整在30～180 s，以防止浆液随地下水流失过远而造成止水效果不佳和浆液的浪费。单孔注浆结束后应迅速用棉纱将孔口封闭，并用水清洗泵和管路，让后移至下一孔进行施工。

4.3.4 注浆

注浆时，要经常观察工作面及管口情况，发现漏浆和串浆，要及时封堵；要经常观测注浆压力和流量的变化，发现异常情况，及时处理。如压力逐渐上升，流量逐渐减小属于正常情况；如压力急剧上升，流量急剧减小，在排除地层因素外，可能是管路堵塞；如压力长时间不上升（小导管注浆5 mim），流量不减，可能出现跑浆或漏浆情况。注浆过程中，要做好注浆记录，每隔5 min详细记录压力、流量、胶凝时间等， 并记录注浆过程中的情况，作为注浆效果分析的基础。

在注浆过程中，通过采用单向阀可以很好地控制浆液外泄，使注浆管壁形成很好的封闭环；通过在周边施做密排小导管（间距10 cm）可以提前给HCH-I型高分子水胶固结材料形成预裂隙，再通过高压注浆（4 MPa）使裂隙进一步发育，增强浆液的扩散，使注浆效果更加明显。

4.3.5 注浆结束标准

单孔注浆结束标准：注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减小，当压力达到注浆终压，注浆量达到设计注浆量的80%以上，可结束该孔注浆；注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，亦可结束该孔注浆。

本循环注浆结束标准：所有注浆孔均达到单孔注浆结束标准，无漏注现象，即可结束本循环注浆。

5 结语

4#斜井向正洞贯通挑高段落在饱和弱成砂岩地层中穿过，经反复论证、试验及总结，采用斜井直接进入正洞横向贯通技术，对掌子面超前预注HCH-I高分子浆液，拱部以下密排小导管，通过部分段落采用双层小导管、水囊双液注浆加固、双层初期支护、钢管桩稳定台阶、基底干拌料换填、全环径向注浆、综合降水措施，最终进入正洞施工。

饱和弱成岩砂岩地层施工经验国内外尚未见报导，该地层隧道的施工与风化砂岩和粉细砂层隧道的施工有一定的类似性。国内较为类似的工程有北京地铁5号线崇文门站-东单站富水地段等。胡麻岭隧道的研究成果为我国饱和弱成砂岩地层隧道安全、快速施工积累了丰富的施工经验，具有很广泛的推广运用前景。

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