化学注浆技术在佛岭隧道突水治理中的应用

王 鹄，沈宇鹏

(1.中咨工程建设监理公司，北京 100084;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;3.北京交通大学轨道工程北京市重点实验室，北京 100044)

化学注浆[1]是将一定的化学原材料(有机或无机材料)配制为真溶液(单液或多液)，用泵送工具将其压入岩(土)层缝隙内，使其扩散、渗透、固化或胶凝，降低岩(土)层的渗透性，提高其强度，减小其变形。自从1802年法国人Charles Berlghy最早把注浆法用于Dieppe冲刷闸以来，注浆技术经历了200多年的发展历程，已被广泛应用于工程建设的各个领域[2]。上世纪60年代末期，我国首次将注浆技术用于矿井水害的预防和治理[3]，白峰青[4]、唐爱松[5]、李治国[6]等学者使用注浆法并通过归纳总结，发展了注浆技术。1884年印度首先开始使用化学注浆。后来随着化学注浆技术的发展，形成了种类繁多、品种各异的注浆材料，主要分为水泥浆液和化学浆液。水泥浆液由于需要一定时间完成初凝才能达到止水目标，且在水压高的地段由于水泥浆液的流失达不到止水效果，因此在水压高的地段常用化学注浆替代水泥注浆止水。

本文以佛岭隧道止水工程为研究背景，分析了该隧道涌水的原因，结合工程条件提出了采用化学注浆的手段，并提出了合适的注浆材料和注浆参数，达到了止水的目标;最后通过量测的平均收敛值与拱脚下沉量，评价了佛岭隧道的注浆效果。以期为类似工程提供参考。

1 佛岭隧道概况

1.1 地质条件

佛岭隧道跨越两个地貌单元，K12+555—K15+920属于构造剥蚀侵蚀中山区，山势陡峭，多悬崖陡壁，地层产状平缓;K12+920—K21+364为构造剥蚀微侵蚀中山区，基岩裸露。佛岭隧址区地层由新到老依次为第四系全新统冲洪积黄土状土、卵石，第四系中更新统黄土、残坡积碎石，寒武系中统张夏组泥质条带灰岩、下统馒头组和毛庄组泥质页岩、泥质砂岩及石英砂岩，太古界龙华河群翻梁沟组混合花岗片麻岩和辉理组黑云斜长片麻岩。

1.2 隧道条件

隧道按高速公路标准设计:速度80 km/h，公路—Ⅰ级;正常段隧道建筑限界为净宽10.75 m、行车道3.75 m×2 m、限高5 m;紧急停车带隧道建筑限界为净宽13.25 m、行车道3.75 m×2 m、限高5 m。

2 佛岭隧道涌水情况及原因分析

2.1 涌水情况

2012年6月21 日上午7:30左右，佛岭隧道左线掘进至K13+618掌子面时，爆破完成后，在此断面上台阶左下角处出现剧烈涌水现象，次日上午洞内水面高程达到766.99 m，未继续上升，初步估计涌水量约3万m3。2012年6月22日，开始进行积水抽排工作，7月6日积水降至K13+618涌水点处。截止9月18日累计抽水约130万m3。

左线隧道K13+618处上台阶左侧为原涌水区，存水量大，水压偏低。左线隧道K13+612处上台阶右侧底部，在后期探水过程中，出现掉钻现象，有溶隙、空洞和较大裂缝存在，同时出水量相对左侧涌水区较小，水压低。

右线隧道K13+634处上台阶左下侧掌子面前方17 m附近探明有溶隙、空洞和较大裂缝存在，同时出现涌水，水量较大，水量相对左洞涌水区较小，压力低。右线隧道K13+634上台阶右侧掌子面上钻孔时出现浅孔射水，水压约为0.1～0.2 MPa，出水量衡定，无杂质，属清水水系。

2.2 原因分析

1)通过涌水前后临近小河出现间歇断流，地表自然降雨后涌水量增大，涌水后附近正常饮用井水出现了明显的水位下降等特征，可以初步判定此地段涌水属承压式远程平衡涌水，与地表水系、地表溪流有泌透贯通迹象，属低压大储水量水系。

2)隧道左洞涌水水系为联系水系，与右线隧道相互关联。容水方式为岩体裂隙水或连续分布溶腔、溶槽内积水，由多支路水系补给。右洞溢流射水区域围岩为泥质砂岩、石英砂岩，岩石表面弱风化，受放炮扰动后遇水易解体。

3)由隧道左洞突发性涌水位于上台阶与掌子面右边墙夹角处，可判断右洞上台阶掌子面与左边墙存在空洞;左右两隧道中心相距30 m，左右隧道净距不超过16 m。因此，推测右洞仰拱背部明显有富水空洞或贯通性裂隙。

通过对隧道围岩及内部水量、水压和水路基本情况分析，结合地表水调查以及地貌观察，初步判定6月21日出现的涌水属不透水的泥质砂岩与富水的石英砂岩接触带大的裂隙或孔隙涌水。

3 化学注浆

为了杜绝隧道施工过程中出现涌水现象，结合涌水原因，采用化学注浆的方式，快速隔断隧道仰拱与地下水的联系。

3.1 注浆前的调查

①对地层做详细的调查和勘察。②调查岩溶间隙的大小、均质性、长度，岩层间隙的性质，有无障碍物，含水状况如何，以便选择注浆材料。③为了防止发生串浆和跑浆现象，使注浆效果满足要求，要了解地下水的性质与流动方向，包括地下水位、渗透性、水温、流速、间隙水压等指标。④有碱性物质、酸性物质、有机物质等存在于注浆地层中时，会导致注浆材料的性质发生变化，即使浆液注入，也达不到需要的注浆目的。因此，要测定PH值，通过灼烧碱量、蒸发残渣等试验来证实所选材料的适应性。⑤经济核算。

3.2 注浆材料的选择

针对佛岭隧道涌水和地质情况，拟采用以下3种不同的注浆堵水材料:水泥—水玻璃双液浆、丙烯酸树脂注浆材料、高强类聚氨酯。

浆液类型的选择根据岩溶水赋存情况和涌水量大小确定:当遇到断层破碎带或正常裂隙时选用双液浆(水泥—水玻璃);当遇到大的裂隙、空腔涌水时，选取丙烯酸树脂进行体积置换，并选取高强类聚氨酯进行补强。以上3种注浆材料各有所长，在注浆过程中配合使用。

3.3 注浆施工流程

具体注浆施工流程见图1。

图1 注浆施工流程

3.4 注浆参数的选取

考虑实际涌水位置和涌水量，设计隧道注浆参数:在距左线隧道掌子面20 m时，采用直径89 mm的注浆孔，注浆孔长度控制在隧道开挖轮廓线(下导坑及仰拱)以外6 m，横向单排，俯角28°布孔;每序列靠边墙的注浆孔向隧道开挖轮廓线外倾10°成孔。注浆孔采用梅花形布置，孔距为2.0 m×2.0 m(注浆过程中可根据实际测定的浆液扩散半径对孔距进行调整)。对于钻孔过程中有溢水、流水、涌水的注浆孔，采用快速膨胀式注浆材料进行裸孔化学注浆;对于无流动水的注浆孔安设长度不小于3 m的φ89 mm钢管，选用水泥—水玻璃双液浆进行注浆。注浆顺序为依序列跳孔式钻孔注浆。详见图2。

图2 上台阶仰拱横向加固注浆孔布置(单位:m)

4 注浆效果

1)围岩分析试验

为了验证注浆对围岩的改善情况，对注浆区域进行了钻芯取样，进行结石率和抗压强度测试。结果表明:围岩结石率达到了97.4%，28 d平均抗压强度达到了10.3 MPa，均满足规范要求。

2)平均收敛与拱顶下沉

为测定注浆效果，对平均收敛与拱顶下沉进行了量测。结果见图3。

图3 注浆后隧道平均收敛与拱顶下沉情况

由图3可见:隧道断面平均收敛在注浆后稳定较快，大约在15 d就完成总变形量的75%，30 d后基本没有出现收敛变形，收敛值不到7 mm。隧道拱顶下沉与平均收敛表现基本一致，即在前15 d就完成总变形量的75%，30 d后基本没有出现变形。拱顶沉降较小，最终沉降量不大于13 mm。

从开挖过程来看，浆液劈裂效果显著，劈裂厚度为0.4～1.0 mm，并有渗透现象。

5 结论

1)当遇到断层破碎带或正常裂隙时选用水泥—水玻璃双液浆;当遇到大的裂隙、空腔涌水时选取丙烯酸树脂进行体积置换，并采用高强类聚氨酯进行补强。

2)注浆后围岩结石率达到了97.4%，28 d平均抗压强度达到了10.3 MPa，均满足规范要求。隧道断面净空收敛和拱顶下沉在注浆后稳定较快，大约在15 d就完成总变形量的75%，30 d后基本没有出现收敛变形。平均收敛和拱顶沉降量均较小。

本工程实践证明化学注浆能有效抑制岩溶地区隧道突水，为隧道的安全施工提供保障。

[1]马国彦，林秀山，崔志芳，等.灌浆与地下水排水新技术研究[C]//新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集.北京:中国水利水电出版社，2000.

[2]蒋硕忠.我国化学灌浆技术发展与展望[J].长江科学院院报，2003，20(5):25-27.

[3]冯志强，康红普，杨景贺.裂隙岩体注浆技术探讨[J].煤炭科学技术，2005，33(4):63-66.

[4]白峰青，卢兰萍，缑书宝，等.德盛煤矿特大突水治理技术[J].煤炭学报，2007，32(7):741-743.

[5]唐爱松，韩军.不良地质隧洞开挖的止水加固技术[J].岩石力学与工程学报，2002，21(7):1064-1070.

[6]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报，2002(4):61-67.