大柱山隧道高压富水断层加固技术探索

【摘 要】 长大山岭隧道施工过程中有时候要通过高压富水断层带，全断面超前注浆作为高压富水断层处理的一种重要手段，能够起到有效加固地层、封堵地下水的作用，在施工中普遍使用，但当断层水压很高时，一般的注浆方式很难起到注浆效果，无法满足施工要求。大柱山隧道燕子窝断层就是高压富水断层，在施工过程中不断摸索，得出了一套处理超长高压富水且地层复杂断层的施工方法，有效加固了高压富水断层，实现了高压富水断层超前高压注浆快速施工。

【关键词】 高压富水；断层；高压动水；超高压聚合注浆

【Abstract】 During the construction of Changda Mountain Tunnel， it is sometimes necessary to pass high-pressure， water-rich fault zones， and full-face advance grouting is an important method for the treatment of high-pressure water-rich faults， which can effectively strengthen the stratum and seal off groundwater， during construction. Commonly used， but when the fault water pressure is high， the general grouting method is difficult to play the grouting effect， can not meet the construction requirements. The swallow pillar nest fault of the Dazhushan Tunnel is a high-pressure， water-rich fault. During the construction process， a series of construction methods for treating ultra-long high-pressure， high-water， and complex faults in the strata are obtained. This effectively strengthens the high-pressure， water-rich fault and realizes high pressure. Rapid construction of advanced high-pressure grouting for water-rich faults.

【Key words】 High pressure and water enrichment； fault；High pressure water；Ultrahigh pressure polymerization grouting

1. 引言

近年来，随着社会的发展、交通建设水平的不断提高，特别是地下工程施工技术不断取得突破，使得在复杂地质条件下长大隧道的施工成为可能。隧道在穿高压富水断层时往往因频发突水突泥而严重影响施工，甚至造成很严重的安全事故，如何顺利突破高压富水断层施工对每一个工程技术人员来说都是一个考验。全断面超前注浆是加固地层，封堵水源的一种方法，对保持围岩稳定，增强隧道施工安全有着积极的作用。在地质特殊地段（富水、破碎岩层或自稳性差的地质地段），采用预注浆（帷幕注浆、洞内围岩全断面注浆等）对围岩进行处理，即可形成较大范围的筒状加固区。大柱山隧道燕子窝断层通过常规前进式分段注浆、隧道深层超前预加固咬合桩+管棚施工方案、高压动水分段引排超高压聚合注浆等不同的措施来加固围岩，最后总结出高压动水分段引排超高压聚合注浆能有效加固高压动水断层，加固效果能满足施工要求，最终顺利渡过了该断层。

2. 工程概况

大柱山隧道平导PDK111+860-947段通过燕子窝破碎带，该断层为高压富水正断层，断裂走向N25°W，倾向NE，倾角陡，北端进入澜沧江后与五里哨断层相交。断裂破碎带宽约95m，呈角砾状。断裂附近岩层产状紊乱，牵引褶曲、小断裂极发育。NE盘岩层为（T3d1）玄武岩。SW盘岩层为（T2h）灰岩、白云岩，产状为N50°E/70°SE。断层轴线与线路呈约48°角。隧道斜向穿过该断层，影响带跨度约180m左右，破碎带物质主要为断层泥，呈灰褐色、灰黄色 ，软塑状局部为流塑状，夹杂大小不等的灰岩及少量玄武岩质角砾、碎石及块石。2009年8月5日大柱山隧道平导在施工过程中发生突泥涌水（见附图1），涌出部位： PDK111+857左侧拱部（掌子面里程为+860）；涌出物流速快、流量大，最终稳定时方量约为5300m3，平均涌水量约950m3/h，最大12180 m3/h，根据对附近水源调查，无直接联系。涌出物以断层角砾为主，夹杂断层泥、砂及孤石；涌出物向后方推进40m，采用沙袋进行封堵，方被堵住，造成平导隧道无法施工。

3. 施工方案探讨

大柱山隧道平導发生突泥涌水后，由于涌出物数量大、水压比较高、水量充足、前方掌子面无法封堵等原因无法处理，经四方讨论后确定在平导右侧以迂回导坑方式通过燕子窝断层，原平导作为排水泄压通道。在施工迂回导坑过程中，在施工至YHK0+092处时发生了突泥涌水，突涌后经四方确定在对堆积物进行封闭固结后进行超前大管棚+周边注浆施工。在对堆积物封闭固结后进行超前大管棚+周边注浆后，在施工至YHK0+083处时，迂回导坑再次发生了突泥涌水，涌出物情况与平导类似，导致迂回导坑开挖失败。最后经四方确定以迂回导坑作为排水泄压通道，从原平导通过的总体方案。

3.1 平导突水突泥处理。

大柱山隧道平导发生突水突泥后一直停滞施工4个月（在施工迂回大坑），期间平导水流量稳定，40m突泥涌出段涌出物为松软物质，自身没有强度，在水流作用下呈现流动状态。决定对涌出物进行注浆加固，一次性加固40m，彻底固化涌出物，同时形成对原突泥突水断面的封堵。固结方式采用挤排的的方式进行加固，即对涌出物注浆及排水同时进行，中部注浆，两侧及底部安设排水管进行排水，为防止浆液从排水管排出浪费浆液同时堵塞排水管，在排水管上套一层透水膜，水可以进出，但它物质无法进入，有效的进行了排水，注浆采用1：1水泥浆液，加固后打设检查孔，检查效果，达到效果后进行开挖，开挖到30m位置时因担心前方断面再次发生突泥涌水而停止开挖，改为超前帷幕注浆队隧道周边进行加固，加固后清理剩余10m涌出物，在清理过程中有部分原平导初期支护已经破坏，清理了拆换施工。

3.2 高压富水断层加固施工方案选择。

（1）大柱山平导隧道突泥处理结束后就开始跨燕子窝断层施工。由于该断层为高压富水断层，经相关各方探讨，决定采用隧道深层超前预加固咬合桩+管棚施工方案渡过断层，但在实际施工时发现，由于断层规模大，在注浆加固过程中浆液的可控性差，无法定量、定区域注浆；由于断层高压（3Mpa）富水，且水携带大量泥砂对骨架侵蚀后就可能发生坍塌突涌，所以在注浆过程中必须实施大面积、大区域的高压顶水上行的注浆方法，将断层水封堵在掌子面6～8m以外。目前国内规范规定的注浆压力为水压的2～3倍，而根据我们目前在燕子窝断层注浆施工经验，注浆压力必须达到水压的5～6倍以上才能达到注浆效果，而目前国内的前进式注浆法（自掌子面向孔口向孔底逐段注浆）、后退式注浆法（自孔底向孔口逐段注浆）、全孔一次注浆法均受孔口管密封垫圈承受的压力影响（最大只能承受5Mpa），无法达到15Mpa注浆压力，最后放弃了该方案。

（2）在经历常规前进式分段注浆、隧道深层超前预加固咬合桩+管棚施工方案、高压动水分段引排超高压聚合注浆施工方案的实践和探索，最终选择高压动水分段引排超高压聚合注浆施工方案通过燕子窝断层。

4. 高压动水分段引排超高压聚合注浆

高压动水分段引排超高压聚合注浆原理是根据注浆堵水原理演化而来的， 该注浆工艺压力可以逐步提高，加固范围也可以逐步扩大，由于是一次成孔，解决了前进式分段注浆反复钻孔工效低的问题，也解决了后退式注浆在松软地层浆液绕过止浆塞造成浪费的问题，最终使大珠山隧道平导成功渡过燕子窝高压富水断层。

4.1 注浆原理。

滤排水管路制作及安装（见图2 ）：采用φ48mm钢管制作，第一段采用两端压阻模袋，中间打出浆孔，再采用细纱布包扎出浆孔，防止砂子流入管内产生堵塞。前端安装分隔器，注浆完成后，打通分隔器，进行排水。一次成孔，一次阻塞，分段注浆。

4.2 施工工艺流程（见图3）。

高压动水条件下分段超高压引排聚合注浆施工工艺流程图

4.3 注浆孔布置及注浆范围。

注浆范围与地质情况、开挖断面大小、開挖方法、对周边的影响密切相关，可根据自身工程所处的地质环境、设计图纸和试验效果来确定注浆范围。大柱山隧道循环分段注浆加固注浆管分布如图4所示。根据钻机性能施工进度要求，选用每循环注浆段长15m；为了使浆液扩散到所有岩层裂隙中，注浆孔的布置以浆液扩散不出现盲区为原则。大柱山全断面超前注浆每循环注浆加固长度15m，开挖长度10m，预留搭接长度5m，循环分段注浆加固横断面图如图4所示，纵断面图如图5所示。

4.4 止浆墙施工。

大柱山隧道平导超前注浆开始时取消了砼止浆墙，但是应用控制性水泥注浆必须使用非常高的注浆压力，造成浆液外漏，注浆压力无法保证，为了保证注浆效果，在第一个循环注浆前施做一个止浆岩盘封堵浆液。止浆岩盘厚度2m，采用C20级以上混凝土浇筑而成，周边深入围岩50cm，在止浆墙上预留注浆管孔。第二循环注浆时搭接5m注浆段作为止浆墙，避免重复施工混凝土止浆墙。

4.5 钻孔。

待止浆墙强度达到设计强度的70%、孔口管与止浆墙连接牢固，并检查止浆墙及周边范围无渗漏水时方可进行钻孔。

孔位布设：严格按照技术交底要求进行布孔，将其位置直接定位标识在掌子面上，孔位偏差不得大于5cm，钻孔偏斜率最大允许偏差为0.5%。在进行钻空定位时，孔口按钻孔设计用全站仪按三维坐标进行标准控制，钻孔偏角采用地质罗盘定向，水平角采用在钻孔平台上放设标准点的方式控制，并用全站仪按三维坐标进行抽检，控制精度要满足允许偏差要求。第一个钻孔施工时，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数。密切观察钻屑或溢水出水情况，出现大量溢水出水时，应立即停钻，分析原因后再进行施工。钻孔时，安排专业工程师值班，及时对岩层、岩性以及孔内各种情况进行详细记录。特别是对钻孔穿越破碎带和溶蚀空腔进行详细记录，以便为注浆浆液及方案的确定提供依据。钻到出较大的水，无法继续钻进时，停止钻孔，安装闸阀，进行关水，测量涌水量和水压力，然后进行注浆。

4.6 注浆方式。

大柱山隧道过断层段围岩比较破碎，岩石裂隙水比较丰富，水压比较高，采用一次性成孔，分段前进式注浆，确保注浆效果。在施工时，一次性将注浆孔钻到位，采用SQ膨胀膜分段阻隔注浆。该方案通过“控制浆液能顶水上行的水泥灌浆堵漏工艺”（专利号：ZL02159189），一次成孔，高压动水分段引排超高压聚合注浆，边排水、边注浆保证了浆液最大程度的扩散、挤密以及填充置换。其压力最大可达到20Mpa。纯水泥浆液占浆液的90%，KZY控制液占浆液的10%。能有效将水封堵在开挖轮廓以外。

4.6.1 注浆参数。

4.6.1.1 浆液配置。

配制浆液时采用经鉴定准确的计量工具，按照经试验确定的设计配方配料。配制浆液时严格按照配制顺序将注浆材料逐一加入均匀搅拌，搅拌顺序一般为：水、水泥、外加剂及其他材料，搅拌时注意控制搅拌时间。一般来讲使用普通搅拌机时不小于3min，使用高速搅拌机时不小于3s。搅拌时间大于4h的浆液应该废弃。任何季节注浆浆液的温度应保持在5～40°之间。浆液搅拌成型后应该取样检查其凝结时间是否符合设计要求，以便对浆液进行分析、评价。另外配制的浆液应在规定的时间内用完。

4.6.1.2 注浆材料的选择及配比。

注浆材料的选择与地质条件和涌水量有关，通常有以下几个方面：

（1）采用水泥浆液时，水灰比宜采用0.8：1～2：1。需缩短胶泥时间，可加入食盐或三乙醇胺速凝剂。

（2）采用水泥-水玻璃浆液时，应根据胶凝时间配置。一般水泥浆液的水灰比为1：1；水玻璃浓度为35°Be粒水泥浆与水玻璃的体积比宜为1：0.5。

（3）另外注浆要求的水泥细度为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5%，注浆材料采用重量称量。现场制浆时，要求加料准确并注意注浆顺序，即先往搅拌机中放入规定量的水，然后在加入水泥搅拌均匀后再加入外加剂。

4.6.1.3 注浆压力：注浆压力是注浆的主要参数，它对浆液的扩散范围，岩层裂隙充填的密实程度及注浆效果的好坏起着决定性的作用，所以必须有足够的注浆压力克服静水压力和地层阻力，方能达到注浆目的，一般富水地段取静水压力的2～3倍，大柱山隧道注浆压力达到15～20MPa。

4.6.1.4 浆液的注入量按如下参数进行控制：

指单孔注入量，按假设浆液在地层中均匀扩散公式为：

Q=πR2L nαη

式中：Q——单孔注浆量（m3）；

R——浆液扩散半径（m）取2.5m；

L——注浆孔长（m）取20m；

n——地层的裂隙（%），取4%；

α——浆液在岩石裂隙中的充填系数，视岩石情况取0.3～0.9，现场取0.7；

η——浆液消耗率，取1.1。

4.6.2 注浆。

（1）在每次进行注浆前，均对该钻孔的水压、水量进行测定，以便对浆液类型和终止注浆压力的选定。出水量通常采用桶装法测定，水压采用关闭高压闸阀并在止回阀位置安装一高压水表进行测定，如图7所示。注浆时按照顺序施作：从注浆段两边到中间，间隔跳孔，逐渐加密，以达到挤密加固的目的。开始注浆后，随时控制好注浆压力（测量水压0.5～1.5MPa）。注浆压力表安装在注浆泵靠出浆管上，记录时记录压力摆动的平均值，压力波动范围不大于灌浆压力的20%。在压力突然迅速增加时，应立即停机，以防破管伤人。准确测量吸浆量以此判断是否改水灰比比级，监测浆液性能（比重、含灰量等），适时调整浆液性能，使浆液性能保持在最佳状态。为防止注入浆液过早堵塞浆液渗透通道及过多的浆液向要求帷幕范围以外扩散，通常灌浆浆液浓度遵循由稀到浓的原则逐级改变，在注浆量达到预期数量后注入浓浆对外渗通道予以封堵[8]。但对注浆孔周围有裂隙水渗流部位，浆液采取由浓到稀或先双液后单液的方式进行注浆，使先注入的浆液与地下水一道流动，在流动通道中凝固，堵塞地下水外排通道，然后换注稀浆或单液浆，使浆液沿注浆孔内出水通道压入（浆液转换模式必须精确掌握转换时间，过早会导致对出水通道封堵无效，过迟则会堵塞后续浆液的压入通道）。

（2）单孔注浆结束条件：预注浆各孔段均达到设计终压并稳定10min，且注浆量不小于设计注浆量的80%，进浆速度为开始进浆速度的1/4。注浆过程应派专人进行过程控制，负责填写注浆记录表，记录注浆时间、注浆压力、浆液消耗量等数据，以便注浆结束后进行效果检查（注浆施工 组图见图6）。

4.6.3 注浆后可达到如下效果（注浆效果组图见图7）：

（1）通过劈裂注浆，形成网格骨架，增加了加固区的整体性；

（2）通过高压挤密并排水，提高断层充填物的稳定性、密实性，从而提高加固区的承载能力；

（3）浆液填充错综复杂的水路，将水封闭在加固圈以外并引排后，一则可减小水压，二则可防止水对加固区骨架的侵蚀。

4.6.4 注漿效果检查。

为了了解注浆效果，注浆完成后开挖前孔内摄像验证注浆效果。钻机打设检查孔，因孔内有水采用防水摄像头深入孔内对注浆效果进行检查。

必须在分析资料的基础上进行注浆效果检查，可采取钻孔取芯法对注浆效果进行检查；大柱山隧道断层段注浆后采用全校程控影响检查设备。进行钻孔取芯检查发现渗水量满足限量排放要求[6]（注浆效果验证组图见图8）。

4.7 主要机具设备。

钻孔设备：1、采用改装后的70A钻机，配套73钻杆，90潜孔锤和配套钻头，功率18KW。2、40型液压式钻机，配套73钻杆，90潜孔锤和配套钻头，功率15KW。

注浆设备：1、SNS-130/20注浆泵，功率22KW，转速158/245 r/min，理论流量85/130 L/min，压力20/10MPa，进道口径64mm，排道口径32mm，30及48高压灌浆管；2、水泥浆液髙速搅拌机，容量200L；3、自行研制的手控液压泵；4、化学控制液专用泵。

5.常规注浆工艺与高压动水条件下分段引排超高压聚合注浆工艺对比（见表1）

6.总结

大柱山隧道所经过的燕子窝断层含水量大，水压高，围岩破碎，易发生突泥涌水事故。目前国内类似断层隧道还有很多，类似的注浆方案也很多，究竟那里一种注浆加固方案效果比较好没有准确定论。大柱山隧道平导施工过程中通过常规前进式分段注浆、隧道深层超前预加固咬合桩+管棚施工方案、高压动水分段引排超高压聚合注浆等不同的措施来加固围岩，最终选用高压动水分段引排超高压聚合注浆加固方案顺利通过该断层。但由于地层条件复杂，溶腔溶槽分部毫无规律，往往一个溶腔就需要5～8个钻孔才能完成注浆加固，且注浆完成后这些管就无法重复利用，造成了每循环钻孔数量过大，工程量增大，造成成本偏高，有待于进一步研究。

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[文章编号] 1619-2737（2018）01-15-622

[作者简介] 秦跟虎（1978-），男，籍贯：陕西西安人，学历：大学本科，职称：工程师，2002年毕业于同济大学土木学院交通土建专业， 长期从事隧道施工技术管理工作。