富水带引水隧洞工程超前固结注浆技术浆液参数确定试验研究

曾哲哨 石宇雷 宗祥智 段朝熙 普学兵

（中铁二局第五工程有限公司，四川 成都 610091）

0 引言

富水隧洞建设过程对水害问题的治理主要分为“排水”和“堵水”，其中“排水”措施包括打泄水孔、设置环向盲管等，而“堵水”措施则以超前注浆为主[1-3]。针对引水隧洞而言，采用大量的泄水孔进行引排会对周边地下水造成影响[4-6]，不符合水利设计理念。因此，引水隧洞中涌水现象防治措施仍以超前注浆为主。

影响注浆效果的因素较多，浆液性能是其中一个重要原因[7-8]。浆液的流动性、析水性和抗压强度等对注浆效果均有不同程度的影响，尤其在富水破碎带地段存在水压力高、裂隙多等特征，如何确保超前注浆封堵效果是工程中的一大难点[9-11]。

对于广泛应用的水泥浆和水玻璃浆液，其注浆效果与浆液配比息息相关。因此，本文以云南省滇中引水工程楚雄段施工4 标大转弯隧洞为依托工程，通过试验揭示水泥浆液水灰比以及水玻璃浓度对浆液的堵水效果的影响，继而提出适宜现场超前注浆方案以及注浆参数，并成功用于大转弯隧洞施工。

1 工程概况

1.1 工程地质及涌水情况

大转弯隧洞穿越的地层岩性主要包括泥岩、粉砂质泥岩、泥灰岩、泥质粉砂岩及砂岩等，其中软岩段累计长度约13.799km，约占隧洞全长56.4%。该段隧洞前期勘测揭露28 条Ⅱ级、Ⅲ级断层，其中断层宽度≥5.0m 的Ⅱ级4 条，断层宽度在0.5～5m 之间的Ⅲ级断层24 条。中段发育1 条规模较大的近东西向断层，与隧洞走向小角度相交。隧洞岩层主要裂隙为层面裂隙，由于褶皱、断层发育，有2个倾向层面及断层带伴生陡倾裂隙发育。总体围岩稳定性较差～差，隧洞围岩稳定问题突出。

2022年2月14日大转弯隧洞1#支洞上游侧开挖至CX55+969.114，掌子面围岩主要由碎裂岩、片状岩组成，沿结构面渗水严重（如图1所示）。

图1 掌子面涌水照片

图2 三维地震波速图

图3 超前探孔涌水照片

1.2 超前地质预报

针对掌子面涌水情况，项目部对掌子面进行了超前地质预报，对前方围岩及富水情况进行探测，以便于后续指导施工。

通过TSP 进行探测显示前方围岩Vp变化幅度较大，围岩中节理、裂隙较发育，围岩为以较破碎为主，围岩中基岩裂隙水较发育，围岩主要以Ⅴ类为主。超前质地探孔揭露大转弯隧洞1#质地上游侧30m内掌子面围岩主要以泥质砂岩为主，超前探孔内有大量水涌出。

2 超前注浆试验方案

试验在里程CX55+969.114 处开展，该处流量4～8L/min，平均7365m³/d。隧洞洞周及掌子面超前注浆孔单循环长度为30m。隧洞洞周及掌子面超前注浆对于涌水量较大、地下水压力高洞段，纯水泥浆液封堵困难时采用水泥与水玻璃浆双液浆。为确保注浆帷幕在该工程地质中的良好堵水效果，开展试验研究水泥浆液水灰比以及水玻璃浓度对涌水量的影响。

2.1 试验材料

试验对水泥浆液和水泥-水玻璃双液浆两种浆液的堵水效果开展研究，其中水泥采用P·O42.5 水泥，其施工性能和力学性能如表1 所示。水泥-水玻璃浆液中水泥浆与水玻璃的体积比为1:0.5，水玻璃采用Ⅱ型水玻璃，其材料物理指标见表2。试验中选取的水灰比和水玻璃浓度如3表所示。

表1 水泥原材料物理指标

表2 Ⅱ型水玻璃指标

2.2 超前注浆试验参数

超前注浆过程可分为3 个阶段进行，参照《灌浆施工技术要求》以及类似工程的实践经验，初步选定第一段注浆压力0.3MPa、0.4MPa 及0.5MPa 3 个数值，第二段注浆压力0.5MPa、0.7MPa 及1MPa 3 个数值，终压均采用2MPa进行试验。

根据超前地质预报，选取预测涌水量相近的6 个循环，并按表3 中设计值配制浆液分别进行超前注浆，并对注浆后隧道涌水量进行测量。

表3 试验参数设计

3 试验结果分析

通过对注浆后隧道涌水量进行测量，得到不同水灰比和不同水玻璃浓度下涌水量的变化规律，从而确定适宜的水灰比和水玻璃浓度。

3.1 水灰比对涌水量的影响

纯水泥浆液不同水灰比对涌水量的影响曲线如图4 所示。从图4 可知，随着水灰比的减小，封堵后的涌水量呈现先降低后上升的趋势。在水灰比为1:0.8 时，此时超前注浆对地下水封堵效果最好，涌水量达到最小，仅为103m3/h。

图4 不同纯水泥浆配比对涌水量影响曲线图

注浆过程中水灰比为1:1 时，浆液为稀浆，由于涌水量较大，注浆过后浆液被稀释，凝结时间较短，部分浆液被水带走，注浆效果不明显；当采用水灰比为1:0.6时，由于浆液浓度过大，所需注浆压力也随之变大，导致在注浆过程中存在部分裂隙未注浆饱满现象，未达到稳定掌子面围岩及在围岩周围形成保护膜的形式，在注浆完成后掌子面涌水量减少，而当开挖过后，前面围岩裂隙存在未注浆饱满现象，掌子面涌水量及围岩稳定未能得到预期效果；当采用水灰比为1:0.8 时，注浆过后掌子面围岩裂隙相比水灰比为1:1、1:0.6时的裂隙注浆情况较为饱满，涌水量也降低很多。

3.2 水玻璃浓度对涌水量的影响

水泥-水玻璃双浆液不同水玻璃浓度对涌水量的影响曲线如图5所示。从图5中可知，随着水玻璃浓度的增加，涌水量呈现先降低后上升的趋势。水玻璃浓度为30°Be'，水泥-水玻璃双浆液封堵效果最佳，此时涌水量仅为52m3/h。

图5 不同水玻璃浆浓度对涌水量影响曲线图

究其原因，当普通硅酸盐水泥单液浆水灰比一定时，掺加水玻璃的波美度、模数及掺量均会影响双液浆的凝胶时间。其凝胶时间随水玻璃波美度的增加而减小，随水玻璃掺量的增加而延长，且对模数较小的双液浆凝胶时间影响显著；水玻璃模数对双液浆凝胶时间的影响曲线呈马鞍形，先减小后增加。

综上分析，确定纯水泥浆最优水灰比为1:0.8，采用水泥-水玻璃双浆液时，水泥与水玻璃体积比为1:0.5，水玻璃最优浓度为35°Be'。

4 超前帷幕注浆施工技术应用要点

4.1 注浆孔布置

隧洞洞周及掌子面超前注浆总共93孔。

上台阶第一次钻18 个孔，孔号为1、3、17、19、22、24、38、40、41、43、57、59、61、64、76、79、87、88；第二次钻17 个孔，孔号为2、4、18、20、21、23、37、39、42、44、58、60、62、63、75、77、78。

中台阶第一次钻13 个孔，孔号为5、16、26、35、45、56、66、73、80、86、90、91、93；第二次钻14 个孔，孔号为6、15、25、36、46、55、65、67、72、74、81、85、89、92。

下台阶第一次钻15 个孔，孔号为7、9、11、13、28、30、32、34、47、49、51、53、69、71、83；第二次钻16 个孔，孔号为8、10、12、14、27、29、31、33、48、50、52、54、68、70、82、84。

第一次注浆与第二次注浆间隔2～3h。隧洞洞周及掌子面超前注浆孔布置如图6所示。

图6 洞周及掌子面超前注浆灌浆孔位布置图

图7 现场孔位布置照片

4.2 注浆施工参数

施工中注浆压力：第一段注浆压力0.3MPa、0.4MPa及0.5MPa 3 个数值，第二段注浆压力0.5MPa、0.7MPa及1MPa 3 个数值，终压均采用2MPa。隧道普通段采用纯水泥浆液，水灰比为1:0.8；隧道涌水量较大段，采用水泥-水玻璃双浆液，水泥与水玻璃体积比为1:0.5，水玻璃浓度为35°Be'。

4.3 注浆施工流程及施工要点

4.3.1 注浆施工流程

结合超前地质预报，对于需要进行超前注浆段，应按照下述步骤进行施工：（1）施作止浆墙；（2）钻孔，并对钻孔质量进行验收；（3）安装止浆阀、调试注浆管路；（4）对原材料进行检验，根据压浆试验确定配比后进行制浆；（5）注浆，并对整体注浆效果进行检查；（6）注浆效果合格则进行封孔，不合格，则调整注浆参数再次注浆。

4.3.2 注浆方式

注浆顺序采用先注外层孔再内层孔，每层孔采用由下至上，跳孔注浆，在遇到有出水孔时，先注无水孔再有水孔。其孔口注浆示意图如图8所示。

图8 孔口管注浆示意图

超前灌浆可采用分段前进式灌浆或全孔一次压入式注浆。当钻孔过程中未遇见泥岩夹层、断层构造带或涌水时采用全孔一次压入式注浆。当钻孔过程中遇到泥岩夹层、断层构造带或涌水时，立即停止钻孔，采取注一段钻一段的分段前进式注浆方式，直至终孔。分段前进式注浆示意如图9 所示。当灌浆段在最大设计压力下，注入率不大于lL/min 后，继续灌注30min，可结束灌浆。在水文地质条件复杂、注入量大、压力低时，持续灌浆的时间应适当延长。

图9 分段前进式注浆示意图

5 结束语

本文依托云南省滇中引水工程楚雄段施工4 标大转弯隧洞，对水泥浆水灰比以及水玻璃浓度开展试验研究，确定了适宜该工程条件的水灰比和水玻璃浓度，主要结论如下：

（1）采取纯水泥浆时，注浆效果随着水灰比的减小呈先增加后降低的趋势。在水灰比为1:0.8 时，超前注浆对地下水封堵效果最好，涌水量达到最小，仅为103m3/h。

（2）当水泥与水玻璃体积比为1:0.5 时，注浆效果随着水玻璃浓度呈先增加后降低的趋势。水玻璃浓度为30°Be'，水泥-水玻璃双浆液封堵效果最佳，此时涌水量为52m3/h。

（3）通过工程实际应用检验，以上浆液配比可有效防治隧洞掌子面涌水现象。