硬质岩地层隧道注浆堵水材料配比及注浆工艺研究

高生苗

(中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京市 102600)

隧道在富水地层时，为了保证后期的运营安全，一般采取注浆堵水措施。注浆能在周边岩体形成一个加固圈，起到加固隧道周边岩体、封堵裂隙水的作用，能较好地解决隧道突水、突泥的问题。注浆材料应结合地质条件、地下水情况合理选用，注浆材料的性能，直接影响隧道注浆止水的成败[1]。

1 工程概况

1.1 隧道概况

南庄岭隧道位于浙江省台州市仙居县，隧道起讫里程为DK89+573～DK93+656，全长4083m。隧道DK90+213～DK90+305段埋深较浅(见图1)，约6～16m，地表植被茂密，为果园和灌木丛。DK90+290处隧道洞顶为一冲沟，台风或暴雨过后，沟内水量明显增大。

图1 南庄岭隧道渗水段纵断面

1.2 地质概况

(1)工程地质

隧道DK90+213～DK90+305段开挖揭示地质情况为凝灰岩，强风化，岩体极破碎，呈角砾碎石状松散结构，裂隙很发育，泥质充填，风化程度不均，为V级围岩。

(2)水文地质

工点范围内地下水主要为基岩裂隙水，赋存于基岩风化层及裂隙中。由于围岩裂隙很发育，赋水空间联通性好，雨后隧道内渗水量大(见图2)。

图2 隧道内渗漏水情况

1.3 隧道施工现场概况

南庄岭隧道内渗水量随洞外降雨量大小变化明显，在暴雨过后洞内水量明显增大且具承压性。2019年7月3日本地区突降暴雨，局地降雨量达到200mm/d。伴随降雨的持续，洞内水量程逐渐增大的趋势，隧道内最大涌水量2000m3/h。为提高注浆止水效果，需要对地层特点进行分析，并选择一种填充性好、凝结快、耐久性好的注浆材料。

2 硬质岩地层渗漏水特点

硬质岩破碎带的地层，一般裂隙连通性较好，在降雨过后，地表水下渗较快。隧道洞身位于此种地层中时，施工过程中洞内水量会随局地降雨变化而变化，若未采取有效的注浆措施，铁路运营期间极易发生渗漏水病害，对运营安全影响较大。

3 现有常用注浆材料的优缺点分析

通过调研，目前常用的注浆材料有普通水泥浆、水泥-水玻璃双液浆。两种注浆材料的优缺点分析如下：

(1)水泥浆：利用水泥与水按比例拌和，常用比例为1∶1。水泥浆价格较低，凝结后强度高，但凝结时间长，动水状态下，浆液留存率低，注浆效果很难保证[2]。

(2)水泥-水玻璃：利用水泥、水玻璃按一定比例混合，加水搅拌制成的浆液。该注浆材料，凝结时间短，但是施工工艺复杂，控制不好易发生堵塞注浆管。注浆材料的耐久性较差，且单价较高[2]。

表1 注浆材料的指标对比表

4 注浆材料的配合比的研究

4.1 注浆材料指标

南庄岭隧道DK90+213～DK90+305段施工期间正值雨季，台风活动频繁，局地降雨量较大，雨后洞内水量、水压较大。因此用于隧道注浆材料应兼具以下性能：浆液流动性好、水下抗分散性能强、抗压强度高、动水留存率高、凝结时间适宜、耐久性好，同时兼具经济、环保。通过研究分析，主要的控制指标为流动度、动水留存率和凝结时间，各项指标的参数应满足表2指标控制值。

表2 注浆材料的指标控制值

4.2 注浆材料外加剂的选用

注浆材料以水泥为基材，适量添加水下抗分散材料，增加混凝土的粘聚性和填充能力，通过絮凝作用，达到抗分散效果，通过调研选用阴离子聚丙烯酰胺作为抗分散剂。聚丙烯酰胺为水溶性高分子有机化合物[2]，作为絮凝剂具备以下作用机理：

(1)架桥作用

聚丙烯酰胺可以使混凝土拌和物粘度增大，对分散式泥浆体起到稳定作用。

(2)表面活性作用

分子中有亲水和憎水基团，有表面活性，可降低表面张力，有利于粒子分散稳定。

(3)桥键作用

各种粒子的结合，形成稳定桥键，使浆液失去流动性，拌和物粘度显著提高，出现更多凝胶体。

4.3 注浆材料配比试验

外加剂的掺量范围需要通过分组配比实验，通过测定各项性能指标是否能满足硬质岩地层注浆的各项性能要求，制定合适的配比。

(1)水下抗分散性

水下抗分散性的测试可通过观察和PH值测定相结合的方法来判断抗分散剂的效果。

①观察法是将加入抗分散剂的浆液直接倒入水中，观察浆液在水中的凝固效果。分别将未掺抗分散剂和掺入0.4%、0.5%、0.6%的外加剂进行试验。未添加抗分散剂的水泥浆倒入水后迅速分散，掺入抗分散剂的水泥浆有明显的不易溶解，易结成团。

②注浆材料对隧道混凝土材料耐久性有一定影响，需要对注浆材料的PH值进行测定。将300ml浆液倒入1000ml水中，通过对倒入水中的材料静置5mim，测试其PH值不应大于9[3]。通过测试，掺入抗分散剂的材料的PH值基本无变化，PH值为7.1～7.3。

(2)浆液强度测试

将未掺抗分散剂和掺入0.4%、0.5%、0.6%[4]外加剂的水泥浆液(1∶1水泥浆)进行试验，分别进行水、空气中的抗压强度测试，抗压强度值如表3。

表3 抗压强度统计表(单位：MPa)

通过实验发现，试件在水中和空气中的强度比均大于80%[5]。试件的强度随着掺量的增加而逐渐降低，掺量大于0.5%后，强度下降明显，因此，掺抗分散剂的掺量不应大于0.5%。

(3)动水留存率测试

将未掺加抗分散剂和掺加0.4%、0.5%、0.6%外加剂的水泥浆液(1∶1水泥浆)进行试验，在一定水流速条件下的留存率，以此来评价浆液的抗动水冲刷性。本次试验通过自制水槽在室内进行。分别选取水流速为0.5m/s和1.0m/s进行试验。留存率见表4。

表4 动水留存率统计表

试验结果表明，掺加抗分散剂的注浆材料动水留存率明显提高。

(4)注浆材料的配合比的确定

通过试验研究，最终确定注浆材料为1∶1水泥浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，抗分散剂采用阴离子聚丙烯酰胺，掺量为0.5%。

5 注浆工艺参数的选定

为保证注浆质量，在注浆前选取了试验段进行注浆试验，对注浆压力、注浆孔间距等参数进行了现场试验。试验段长度30m，对注浆孔间距1.5m、2.0m、2.5m[6]各施做10m，注浆压力控制在0.5～1.0MPa，注浆范围为开挖轮廓线外5.0m。

注浆完成后，对注浆效果进行打孔检查，检测注浆效果，通过取芯检验注浆扩散情况、裂隙的填充效果以及渗水量大小判断注浆效果。裂隙填充率大于95%，延米渗水量不大于1m3/d。满足上述条件，则认为注浆达到效果，注浆达到效果后方可进行开挖。

通过取芯，注浆孔间距1.5m的岩体浆液饱满，注浆止水效果较好；注浆孔间距2.0m、2.5m的取芯发现部分裂隙内没有浆液填充，效果不理想，且局部仍有渗水，需进行补充注浆。因此，选用注浆间距1.5m，注浆范围为开挖轮廓线外5m(见图3)，注浆压力为0.5～1.0MPa。

图3 径向注浆堵水横断面

6 结论

对硬质岩地层地下水渗漏特点进行分析，通过掺加外加剂改善注浆材料的性能，并通过试验确定了合理掺量。结合现场试验，确定了合理的注浆工艺参数，使得在硬质岩裂隙联通性较好地层中的注浆堵水效果大大提高，降低了铁路后期运营风险，同时也为类似地层的注浆堵水提供一定的参考。