粘度时变浆材在岩溶地区公路隧道堵水中的应用

范明明，倪 涛，袁进科

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

1 工程概况

银百高速城口(陕渝界)至开县段旗杆山隧道斜井位于重庆市城口县境内，区内高山纵横，属于中山构造剥蚀地貌区。隧道区洞身地形陡峭，地表植被发育，主要以灌木丛林为主。并且，遂址区一带有断裂构造，其走向与隧道走向斜交，夹角为71°～82°，断层倾向为15°～26°。隧道全长1 860 m，最大埋深820 m，主要岩层为灰岩、泥质灰岩、砂质灰岩，风化层厚度较大，岩体较为破碎，力学性质差异大。其中，出现涌水问题的掌子面位于XK1+165m，为T1d2、T1d3灰岩，中厚层状构造，岩质较硬，呈镶嵌碎裂结构，岩溶中等发育，以岩溶沟槽为主，为中等透水中等富水岩组，地下水类型为碳酸盐裂隙溶洞水。该掌子面于2019年3月13日出现涌水状况，实测涌水压力0.30～0.36 MPa，涌水量达到260～450 m3/h(6 000～10 000 m3/d)，且涌水压力一直未见减小，在注浆封堵加固前，由三台型号为100WQ100-15-7.5的污水潜水泵持续往洞外排水。

根据地质雷达、TSP、钻探等手段获得的超前地质预报资料，掌子面及其前侧皆以灰岩为主，节理裂隙发育，此外，掌子面的左上方发育有一定规模的溶蚀空腔，局部裂隙充填有黄棕色黏土，掌子面前2～15 m范围内为岩溶集中发育区，裂隙通道连通性较好。

2 涌水原因分析

(1)在断层牵引的作用下，拱部围岩体变得破碎，由中厚层状构造变成薄层状构造，层间夹有黄泥，遇水软化，具有微膨胀性，造成软硬相间，节理裂隙发育，岩体破碎。

(2)遂址区地层以灰岩为主，在具有侵蚀性的流水作用下，灰岩被逐渐侵蚀，形成溶蚀裂隙通道，并具有较好的连通性。

(3)该隧道突涌水地段处于高山底部，埋深近300 m，在地质构造及流水冲刷作用下，山体之间形成多条河流。在外界河流及雨季雨水的补给下，溶蚀裂隙中充满着水体，当掌子面出现钻孔时，源源不断的水汇集钻孔中，从掌子面涌出。

3 注浆堵水加固方案设计

3.1 注浆堵水加固原理

在压力作用下，浆液以一定的方式被泵送到岩层裂隙中，发生凝结、固化，对裂隙产生封堵、加固作用。在本工程中，由于断层破碎带及溶蚀裂隙发育，溶蚀空腔内部分充填黏土，拟采用以充填为主，渗透、劈裂为辅的联合注浆方式进行治理。首先，浆液在压力作用下，克服涌水压力，向钻孔周围扩散，充填裂隙、空腔，并向破碎岩体中渗透，当注浆压力大于夹层泥的强度时，即产生劈裂作用，浆液进入泥层中，实现堵水加固效果。

3.2 浆液设计

施工方原设计使用水泥-水玻璃双液注浆的治理方法，二者体积比1∶0.8，水灰比0.6，凝结时间为2 min，试验孔共注浆80余方，但由于涌水压力高、水量大，注入的浆液未能及时充填裂隙并凝结，造成浆液流失量大，堵水加固效果不理想，大大增加治理成本。

后改用为笔者团队研制的粘度时变型浆液，该浆液是由1#、2#灌浆料、水泥及水按照一定的配合比配制而成，该灌浆料是由蓖齿篙、改性纤维以及硅钙类无机物组成，具有掺量小、效果显著等特征。配制成的浆液具有初始流动性好、凝结时间可控、早期强度高等优点。其中1号助剂起“缓凝”作用，使水泥颗粒的水化作用更充分彻底；2#助剂主要是调节水泥水化的反应速度和反应程度。在实际应用过程中，通过改变不同助剂掺量，调整浆液性能。依据掌子面涌水现状及相关工程经验，确定粘度时变浆液配合比及基本性能如下表1所示。施工所用水泥为32.5#复合硅酸盐水泥。

表1 施工所用浆液配合比

图1 助剂1#对浆材基本性能的影响

不同助剂掺量对浆液性能的影响如图1、2所示。从图中可以看出，当2#助剂的掺量保持不变时(1.8%)，随着助剂1#的增加，浆液的流动性、可泵期以及初终凝时间均有所增加，但并非呈严格的线性关系。而当1#助剂掺量保持不变时(0.6%)，随着助剂2#的增加，浆液的流动性、可泵期以及初终凝时间均有所减小。在实际施工中，需要1#、2#助剂配合使用，以调整浆液的流动性及凝结时间，达到最好的效果。该堵水加固工程中，助剂1号的掺量为0.6%，助剂2#的掺量为2.2%，浆液的可泵期为10 min。

图2 助剂2#对浆材基本性能的影响

3.3 注浆孔孔位布置

依据掌子面实际地层概况，结合涌水现状，采用“周密中疏、梅花型”的布孔原则，初步设计注浆孔35个，孔径90 mm，孔深20 m，设计孔加固范围为掌子面前方20 m，开挖轮廓线外5 m，因此，对于靠近轮廓线的孔，采用外倾角的设计，原则上倾角不大于25°，而对于掌子面中间的孔，孔距1.0～1.5 m。设计注浆堵水分别采用上、下倾角的设计，倾角不大于20°。

3.4 注浆参数设计

一般情况下，对于突涌水的岩溶地层，注浆量很难确定，可根据浆液扩散半径、注浆压力及岩层孔隙率等相关参数进行估算。计算公式如下：

Q=πr2Hna(1+β)

式中：Q—注浆量，m3；r—浆液扩散半径，m，取1.0 m；H—注浆断长度，m，取20 m；n—岩层裂隙率或岩溶率，取15%；a—有效灌注系数，一般为0.6～1.0，取0.8；β—浆液的损耗系数，一般取0.1～0.4，取0.2。

按照上式估算得出单孔注浆量9 m3，总注浆量为315 m3，水泥使用量315 t。

3.5 孔口密封装置

本工程采用自发研制的双管双路孔口密封装置，该装置可有效分离浆、水，减少流水对浆液的冲刷作用，保证其凝结效果，提高堵水加固效果。整个装置结构简单，易于操作，主要有进浆管接头、内浆管、排水管、排水阀门及孔口压力表组成。其中内浆管与钻孔内注浆管相连，通过孔内注浆管将浆液直接送到指定位置；排水管具有一定的锥度，提高与孔壁的贴合度，主要用来排除钻孔内的空气和水体。在实际应用中，可在其表面缠绕一定厚度的土工布并固定，重锤打入钻孔中，实现孔口密封。

3.6 注浆施工工艺

超前注浆根据注浆方式分为一次性注浆和分段式注浆，分段式注浆又可分为前进式注浆和后退式注浆。该工程中钻孔深20 m、孔径90 mm，设计采用一次性灌注，而当钻孔内出现岩溶裂隙发育或溶蚀空腔时，则采用前进式分段钻进、分段注浆的方式进行堵水加固。

施工工艺流程为：钻孔定位→开孔→安装空口密封装置→压水试验→配制浆液→注浆→结束注浆→关闭孔口管，清洗注浆设备。

3.7 结束注浆标准

采用两项技术指标控制注浆结束的标准，一是最终注浆量，当注浆量达到设计值时，即可终止注浆；二是当注浆压力达到最大设计压力时，吃浆量不大于10 L/min，维持10 min即可结束灌浆。一般情况下，综合考虑两项控制指标来决定是否结束注浆。

4 现场注浆堵水加固效果

在水泥-水玻璃浆液无法达到理想治理效果的情况下，改用粘度时变浆液进行注浆封堵，经现场试验，当1#孔注浆完成后，掌子面的涌水情况得到了有效的缓解，仅掌子面右上角止浆墙与围岩的交界部位存在小股线状流水。待设计孔位全部注浆完成后，掌子面已基本无流水，呈干燥状态。共注入该粘度时变浆液280 m3，使用水泥280 t。

根据设计方案，在掌子面的拱顶和左右边墙分别钻孔检查注浆封堵加固效果，共布设检查孔5个，钻进参数见下表2。从检测结果来看，检查孔整体完整、无塌孔现象，拱顶检查孔出现线状滴水，涌水量<10 L/h，注浆堵水加固达到了预期效果，在开挖线外5 m范围内封堵了裂隙通道，形成了一道注浆加固圈，提高了围岩的整体稳定性，大大降低了衬砌所承受的外水压力。

表2 检查孔钻进参数及检查结果

5 结 论

(1)银百高速城口至开县段旗杆山隧道斜井XK1+165 m处掌子面涌水主要是由断层破碎带引起的，加上遂址区岩溶作用强烈并存在一定规模的溶腔，及复杂的补给系统，因此产生较大的涌水压力和涌水量。

(2)粘度时变型浆液具有初始流动性好、凝结时间可控、早期强度等特点。通过旗杆山隧道斜井XK1+165m处掌子面涌水注浆封堵加固工程，表明该浆液对断层破碎带、岩溶作用发育形成的大涌水量、高涌水压力地层具有较好的治理效果，成功解决了普通水泥浆与水泥-水玻璃浆液灌不满、流失量大的难题。