超前注浆在隧道工程不良地质段加固中的应用分析

李军、汤宇、彭学军、凌涛

（1.中铁五局集团有限公司，贵州贵阳550003；2.中铁五局集团第一工程有限责任公司，湖南长沙410117）

0 引言

注浆在工矿企业中应用较为广泛，隧道施工遇到破碎带、导水带等地质不良体时，通过注浆可提高围岩稳定性、承载能力并封堵潜在的导水裂隙，从而为隧道施工安全创造良好条件。然而受到隧道施工现场空间狭小、注浆设备灵活度差等因素影响，注浆现场应用中面临耗时长、作业人员排斥以及注浆效果不明显等问题。因此，在隧道施工遇到不良地质段时选择合理的注浆工艺，对提高隧道施工安全系数、减少注浆耗时以及提高隧道施工效率等均有显著的促进作用。文中以西南地区某隧道施工为工程实例，对超前注浆在不良地质段应用进行分析。

1 隧道施工区域概况

西南地区某隧道设计长度为6590m，为双线隧道，根据前期勘察资料显示，隧道施工沿线IV 及V 级围岩占隧道长度的88.5%，隧道施工区域最大埋深达到590m，不良地质多。

隧道施工通过多条区域地质构造，在地质构造影响范围内岩体内裂隙发育、较为破碎，承载能力及自身稳定性较差。预计隧道施工至3505m 位置时，会遇到段庄断层，该断层有一定导水性同时断层破碎带内破碎，隧道施工至段庄断层破碎带时面临较大的塌方、突水等风险，给隧道施工安全带来影响并增加施工工期。

2 超前注浆工艺优选

现阶段矿井常用的注浆工艺有帷幕注浆、套管注浆等。帷幕注浆需要施工止浆墙，耗时长且工艺繁杂；套管注浆需要先施工套管后下放注浆管，受到钻孔孔壁不规则、封孔质量不佳等因素影响，钻孔注浆时面临注浆压力偏小、容易漏浆、注浆效果差以及注浆耗时长等问题。为了实现隧道高效注浆，需采取一种注浆工艺相对简单、注浆效果较好的注浆技术。膜袋法注浆是通过内侧膜袋注浆管向钻孔内压入注浆浆液，可实现钻孔分段以及全程注浆。从安全、技术、经济以及工期等方面对比现阶段常用注浆工艺[1]，具体比对结果如表1所示。

表1 不同注浆工艺对比结果

从表1 可看出，膜袋注浆具有注浆效率高、工艺简单以及注浆效果明显等优点，为此，文中优选使用膜袋注浆工艺对隧道进行超前注浆。

3 现场膜袋注浆方案

3.1 膜袋注浆设计

膜袋注浆主要工序包括有布孔、钻孔钻进以及孔内注浆设备安装等。钻孔沿着隧道掘进外轮廓线布置，钻孔间距均为500mm，孔深统一为15m，均有3°外插角。为便于后续膜袋注浆设备安装，施工的注浆钻孔孔径均为89mm，钻孔施工完毕并检验合格后即可下放膜袋注浆装置[2]。具体在隧道施工的膜袋注浆钻孔结构如图1所示。

图1 膜袋注浆钻孔结构

膜袋注浆相较于帷幕注浆、套管注浆流程更为简单，主要工艺包括膜袋制作、钻孔钻进、下放注浆管、膜袋注浆、注浆管注浆等。现场使用的膜袋具有较强的抗破断、抗压等优点。

3.2 注浆参数

3.2.1 注浆材料及设备

注浆浆液为水泥单液浆，材料主要为P.O42.5 普通硅酸盐水泥、水按照1∶1 配比制作。采用双筒搅拌机搅拌均匀后，用3SNS 注浆泵连接注浆软管向注浆孔内泵送水泥浆液。

3.2.2 注浆方式

注浆按照钻孔成孔顺序依次进行，注浆时首先往膜袋内注浆，当注浆压力达到0.5MPa 后停止注浆并待膜袋内浆液凝结后，开始向注浆管内注入水泥浆，注浆压力设计为3.5MPa。注浆结束标准以注浆压力为主并辅助注浆流量，当注浆压力达到3.5MPa 后保压5min，期间钻孔注入流量在20～30L/min 以内时则停止注浆；当注浆钻孔有水涌出时，则将注浆压力值设定为水压加1.5MPa，以便实现导水裂隙封堵。在注浆过程中若出现注浆量较大且长时间不升压情况时，可能注浆钻孔揭露大裂隙或者溶洞，此时应暂停注浆同时查明前方地质情况，并可在注浆浆液中添加一定量速凝剂，缩短浆液胶结时间[3]。

4 超前注浆加固效果分析

在隧道施工至3505m 时，采用膜袋注浆法对段庄断层破碎带以及导水裂隙等进行加固及封堵，现场共计布置4 个注浆循环，单个循环注浆深度均为15m，两注浆循环间均有3m 重叠区。注浆后从注浆围岩控制及导水裂隙封堵情况、注浆工期以及注浆成本等方面分析注浆效果[4]。

4.1 围岩控制及导水裂隙封堵情况

待隧道掌子面采用膜袋注浆后，在掌子面施工检查钻孔并使用钻孔窥视仪分析检测钻孔成孔、孔壁裂隙浆液充填情况。检测钻孔施工期间，未出现涌出以及钻孔塌孔等情况，且钻孔窥视发现钻孔孔壁裂隙被注浆浆液充填且孔壁较为完整，具体窥视结果如图2所示，表明注浆后掌子面前方岩体稳定性得以明显提升。

图2 检验钻孔窥视图

隧道开挖至注浆加固区域后，发现断层破碎带内裂隙被注浆浆液胶结，岩体自稳能力较强且堵水效果较好，开挖期间隧道顶板基本不出现淋水情况[5]。

4.2 注浆工期评价

在隧道掌子面单个注浆循环注浆加固长度为15m，若采用传统的注浆工艺则钻孔施工、注浆等耗时一般在7d 左右，而现场采用膜袋注浆法时注浆耗时控制在4d 以内，单个注浆循环缩短3d 注浆工艺；膜袋注浆施工工期较传统的注浆方式缩短约42.9%。

4.3 注浆成本评价

采用膜袋注浆时注浆管为φ42mm、长15m 中空花管，钻孔施工、注浆等需要8 名作业工人，注浆人工费用为200 元/d，注浆泵及钻机使用费分别为100 元/d、400 元/d，由于注浆时间缩短使单个注浆循环节省的人力及设备成本约为：（200×8+100+400）×3=6300 元。同时，膜袋注浆单个注浆循环节省的材料费用约690元。经过综合分析，三个注浆循环即可直接节省注浆成本费用约20970 元。

5 结语

不良地质段岩体破碎、自稳能力较差且往往具有导水性，隧道施工至此区域时面临较大的塌方、突水风险，而注浆是提高围岩强度以及封堵导水裂隙的主要途径。文中在对比分析帷幕注浆、套管注浆、膜袋注浆基础上，优选采用膜袋注浆对隧道掘进面临的不良地质段进行加固。

依据现场情况，设计膜袋注浆方案并工程应用。现场应用后，膜袋注浆较以往的传统注浆工艺在注浆耗时、成本以及注浆效果等方面均表现出显著优势，可为隧道安全快速通过不良地质段创造良好条件。