改性脲醛树脂在高黎贡山隧道1号竖井注浆堵水中的应用

贾建波， 姚 晖， 周志辉

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511457； 2. 中国铁路昆明局集团有限公司， 云南 昆明 650011； 3. 中铁隧道集团三处有限公司， 广东 深圳 518000)

0 引言

随着科技的发展，超前注浆加固及堵水技术在隧道施工中得到了普遍应用并迅速提升，有效解决了复杂地质条件下围岩破碎和地下水丰富问题。国内铁路、公路、矿建、水利等行业对超前注浆加固、堵水技术、注浆效果以及安全评估等方面均有较多研究[1-9]。例如厦门翔安海底服务隧道F1风化槽注浆堵水技术[1]、龙洲湾隧道富水地层注浆堵水施工技术及应用[2]、深圳益田浅埋暗挖地铁隧道富水砂层注浆堵水技术[3]、齐岳山隧道富水溶槽注浆堵水技术[4]、太行山隧道富水宽张裂隙注浆堵水技术研究[5]、山东菏泽龙固煤矿大水工作面注浆堵水技术[6]等。但对于铁路竖井施工竖向工作面注浆堵水技术研究较少，尤其是在闭合—微张裂隙且发育高压裂隙水的花岗岩地层[10]中超前注浆技术研究更少。高黎贡山隧道地处我国西南地区的横断山脉末端，地层年代近、地震频繁，受地质构造影响[11]，1号竖井施工揭示花岗岩裂隙竖向发育，闭合—微张，地下水发育且存在随井深增加水压成正比增加的特性，采用传统注浆方式无法保证注浆效果。在高黎贡山隧道1号竖井超前注浆堵水施工过程中，通过多次方案对比和试验，采用了改性脲醛树脂，介绍了其在闭合-微张竖向裂隙、高压富水花岗岩地层超前注浆中的应用及取得的效果。

1 工程概况

高黎贡山隧道是我国铁路重点项目新建大理到瑞丽铁路保山至端丽段的控制性工程，工程位于云南省龙陵县，全长34.538 km。为加快施工进度并满足运营期间运营通风、防灾救援等需要，于D1K205+080附近设置1号竖井，采用主副井型式，主井井径6 m，深762.59 m； 副井井径5 m，深764.74 m。

受大气降水及地表水影响，1号竖井岩层富水性较好，且没有明显的隔水层，出水方向、层位无规律，与井筒外侧存在水力联系，且有相对稳定的补给，水压随井筒深度成正比增加，预测井筒最大涌水量6 200 m3/d，最大静水压力7.6 MPa； 揭示地层岩性为混合花岗岩，岩体致密、块状、坚硬、局部破碎，陡倾状裂隙发育，密闭—微张且充填高岭土，具有分布不规律、上下连通性好的特点，颗粒状注浆材料很难在裂隙中扩散。

主、副井分别施工至198.5、135 m时，钻孔出水量分别达112、26 m3/h，严重影响施工。在主副井处相继开展工作面注浆，但发现普通水泥浆难以注入。

2 注浆材料比选

2.1 普通水泥

1号竖井施工至井深130 m时，超前钻孔及加深炮孔揭示掌子面前方地下水发育，水压2 MPa，存在突水可能。随后启动工作面注浆，注浆材料选用普通水泥，水灰质量比1∶1～2∶1，注浆段高100 m，注浆压力4～8 MPa，注入水泥浆300 m3，注浆后孔内剩余总水量4.6 m3/h，单段开挖后全井筒水量增加最高达17.2 m3/h。因井筒内空间限制及竖井施工工艺影响，井壁漏水大于10 m3/h，对井筒掘砌施工效率影响较大，本段注浆不能满足现场施工需求。经分析主要原因为： 1号竖井所处区域为混合花岗岩，裂隙闭合—微张且充填高岭土，普通水泥比表面积较大，易在裂隙内淤积，导致浆液扩散范围较小，无法形成有效帷幕。

2.2 超细水泥

在井深200～600 m处开始采用超细水泥注浆，水灰质量比1∶1～2∶1，注浆段高60～80 m，注浆压力为2～4倍静水压力。经更换注浆材料后，本段前期浆液注入量、注浆孔剩余水量、开挖后剩余水量得到有效控制。随着井筒加深，静水压力由2 MPa增加至6 MPa，过程中虽将超细水泥由800目过渡到1 250目，但仍存在浆液注入量逐渐减小、剩余水量逐渐增大的情况，至井深600 m时，单段开挖后全井筒水量增加，最高达到18.6 m3/h，且副井在井深627 m处因突水造成淹井(突水量300 m3/h)，已无法满足施工需求。经分析主要原因为：花岗岩风化形成粒径更小的高岭土在裂隙内堆积，颗粒性材料较难有效通过裂隙扩散，无法形成有效帷幕。

2.3 改性脲醛树脂

2.3.1 成分组成

1)改性脲醛树脂(简称A液)： 改性脲醛树脂又称脲甲醛树脂，是一种聚合物注浆材料，是尿素和甲醛在加热以及一定的酸碱度下合成反应为脲醛树脂，其中一羟脲和二羟脲最多。

2)固化剂(简称B液)： 一般为草酸与水溶液，质量分数为5%。

2.3.2 材料特性

1)脲醛树脂(UF)，又称尿素甲醛树脂，是尿素与甲醛在催化剂(碱性或酸性催化剂)作用下缩聚成初期脲醛树脂，然后再在固化剂或助剂作用下形成不溶、不熔的末期热固性树脂。

2)改性脲醛树脂渗透性较好，固化后收缩小，稳定性较好，强度可达5 MPa以上，pH为7.0～9.0，固体体积分数≥45%，游离甲醛体积分数≤0.8%(见表1)，凝结时间可根据现场实际情况通过调整配合比来达到。该材料具有黏度低、可注性好等特点，能注入到岩土层中的细小裂隙或孔隙中并形成良好的扩散充填，浆液初凝和固化时间具有较大的调节幅度，适用于矿井、巷道及隔水带的堵水施工。

表1 脲醛树脂材料性能指标

2.3.3 注浆机制

改性脲醛树脂(A液)与固化剂(B液)按照一定配比充分搅拌混合后(见表2)，通过注浆泵进行超前注浆，浆液充填岩石裂隙、凝固并达到一定强度，最终将竖井工作面总水量控制在允许范围内(满足注浆结束标准)，满足竖井施工注浆堵水要求。

表2 脲醛树脂配比表(体积比2∶1)

2.4 性能对比及应用范围

主、副井分别施工至198.5、135 m时，钻孔出水量分别达112、26 m3/h，严重影响施工，在主副井处相继开展工作面注浆。过程中发现普通水泥浆难以注入，经多次试验、掘砌、再试验、再掘砌，最终确定了将“有疑必探”调整为“有掘必探、先探后掘”、注浆材料为超细水泥浆的处理原则； 但随着竖井深度的增加，超细水泥由最初的800目调整为1 250目，注入量仍逐渐减少，堵水效果变差。经专家会研讨，1号竖井注浆采用以超细水泥为主，辅以改性脲醛树脂补充注浆的注浆原则(不同材料性能见表3)； 随着竖井深度的增加，静水压力逐步增大，超细水泥已无法注入，600 m之后全部采用改性脲醛树脂注浆(不同注浆材料应用范围见表4)[12]。

表3 注浆材料性能对比表

表4 不同注浆材料应用范围统计表

3 注浆方案

3.1 钻孔布置

每循环工作面注浆采用1圈孔布置，圈径为4.6 m，主井26个孔、副井24个孔。单数孔(1序孔)长60 m，双数孔(2序孔)长40 m。为最大限度揭穿裂隙，钻孔轨迹设置15°切向角，孔底落于井筒荒径外3 m。

3.2 注浆启动标准

沿井筒4个方位选取4孔作为探水孔(1#、7#、13#、21#)，若单孔出水量大于2 m3/h，或4个探水孔预测工作面前方出水量超过10 m3/h，则启动工作面注浆工作； 若单孔涌水量小于2 m3/h，或4个探水孔预测工作面前方出水量小于10 m3/h，则再施作4个探水孔(4#、10#、18#、24#)，若单个探水孔出水量大于2 m3/h，或4个探水孔预测工作面前方出水量超过10 m3/h，则启动工作面注浆，若单孔涌水量小于2 m3/h，或4个探水孔预测工作面前方出水量小于10 m3/h，则结束探水，恢复井筒掘砌。竖井超前周边注浆钻孔如图1所示，高压注浆泵如图2所示。

(a) 钻孔立面布置图

(b) 钻孔平面布置图

图2 高压注浆泵

3.3 注浆压力

注浆压力为2～4倍静水压力。

3.4 注浆结束标准

1)注浆压力达到设计终压，注浆流量20～25 L/min，并持续10 min以上。

2)注浆后单孔水量小于1 m3/h，各注浆孔总剩余水量小于5 m3/h。

3.5 注浆设备

根据高黎贡山隧道超深竖井静水压力随井深增加而加大的特点，竖井工作面注浆选用MKQJ-120/40型潜孔钻机，配φ50 mm钻杆，φ90 mm牙轮冲击钻头或三翼钻头，注浆泵采用3TGB型高压注浆泵[13](见表5)。

表5 注浆主要设备

3.6 注浆工艺

3.6.1 注浆方式

竖井工作面注浆采用下行式压入注浆方式。

3.6.2 钻孔施工

在打钻前，在φ108 mm孔口管上安设4″高压球阀及防突水装置，钻进过程中，当钻孔涌水量大于2 m3/h时，暂停钻进，先注浆封水，并记录钻孔及注浆情况，钻孔水量减少至2 m3/h以下时恢复钻进直至终孔，终孔水量不得大于1 m3/h。

3.6.3 压水试验

注浆前对孔口管进行压水试验，用钻机扫孔并超过孔口管0.5 m进行试压，采用2倍静水压力进行耐压抗渗试验，压水10～20 min不漏即为合格，合格后正常钻进，否则注浆加固孔口管直到合格为止。同时可以冲洗岩石裂隙中的充填物，提高浆液结石体与岩石裂隙面的黏结强度及抗渗透能力[14]。

3.6.4 注浆

在注浆过程中，注浆压力分为初期、正常及终压3个阶段变化，当初始质量浓度确定后，根据注浆压力变化情况，及时控制注浆量，调整浆液质量浓度及凝胶时间等，使注浆压力平缓升高，避免出现较大波动，直至达到注浆终压和终量，并稳定10 min以上。

3.6.5 注浆工艺流程

注浆工艺流程见图3。

4 注浆效果对比

采用改性脲醛树脂注浆后，浆液注入量明显增加，注浆孔扫孔后(注浆后复钻)测定孔内剩余水量及开挖揭示水量明显减小，能够满足现场施工要求，且注浆孔扫孔次数明显减少(见表6)。改性脲醛树脂注浆后浆液填充见图4。

图3 注浆工艺流程图

表6 各段落注浆效果对比表

图4 改性脲醛树脂注浆后浆液填充

5结论及建议

在高压富水闭合-微张且充填高岭土花岗岩岩层中，使用改性脲醛树脂作为注浆材料，其浆液注入量、注浆孔剩余水量、井壁漏水量较水泥基材料均有较大优势，能够更好地保证注浆效果，大大降低了竖井施工淹井的风险，确保了竖井施工安全； 同时，使用改性脲醛树脂注浆减少了单孔复钻复注次数，节约了钻孔、注浆时间，工程建设工期可以得到保证。但该材料凝结强度不高，在地下水压力较大的地层中需适当增加注浆压力，使裂隙中有足够厚度的凝结体以抵抗水压，避免开挖时凝结体被地下水击穿。

建议在高压富水尤其是在闭合-微张花岗岩地层竖井施工中采用改性脲醛树脂注浆，以确保注浆堵水效果，缩短工期。在材料选择上，还需进一步调研无醛或低醛的改性脲醛树脂材料，以有效改善现场作业环境。