不同地质条件下隧道注浆施工工法优化及适用性研究

刘京增

（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000）

1 工程概况

歇马隧道地质条件极其复杂，主要的工程不良地质有断层、软弱围岩、溶洞、高压富水、煤窑采空区、有毒有害气体、瓦斯段等。而隧址区“三山两槽”的特殊地质构造，使不良地质在槽谷地段集中发育。槽谷地段长约3000多m，高压富水，岩溶极其发育、地表地下水水力联系十分直接，施工中极易诱发涌水、突泥等地质灾害，并会迅速地反映至地表，造成隧道施工难度及危险性成倍增加[1-3]。

本研究结合歇马隧道复杂地质环境，就不同工程地质环境下注浆工艺流程进行适应性及工法优化研究，以便为类似工程提供借鉴和参考。

2 软弱破碎围岩的扫孔控制注浆

2.1 注浆关键技术及操作要点

软弱破碎围岩扫孔控制注浆施工工法减免了混凝土止浆墙的施工，以解决传统型注浆工艺在软弱破碎围岩段压力上不去、孔口周边围岩裂隙溢浆等现象，保障隧道注浆效果。施工前在孔内预先放置一根略短于注浆孔深度的PVC 管或PE 管，并与孔口进浆管连接，注浆浆液通过PVC 管或PE 管直达注浆孔底部，避免注浆浆液在进入注浆孔的过程中被孔内涌水稀释、冲刷分散，从而改变注浆浆液的化学性能。注浆设计参数见表1。

表1 注浆设计参数

该工法适用于超前帷幕注浆、超前局部预注浆、超前环向加固封堵注浆，特别适用于掌子面围岩裂隙发育、软弱破碎围岩段的注浆加固施工。其关键技术在于对注浆孔位进行专项设计保证设计的科学性及可行性，并对各钻孔情况做好记录，掌握岩层性质、出水位置，为控制性注浆用PVC 导管插入孔内深度以及材料的选择提供依据。注浆前首先通过试验确定注浆浆液的凝结时间和强度，其影响因素主要包括注浆材料本身、浆液的水灰比例以及双液的掺配比例；注浆过程中，根据围岩出水情况及地下水压力大小适时调整注浆压力，通过浆液的挤压、渗透作用快速加固周边围岩，防止周边围岩裂隙溢浆，从而保证注浆质量。

（1）注浆加固方案设计。按照设计文件、地质勘察资料及注浆质量标准等制定合理有效的实施方案。首先通过超前地质预报、孔内成像等技术，对掌子面前方地质情况、地下水压力及分布范围进一步验证；根据探测结果明确注浆加固范围[4]、注浆顺序以及分段注浆长度等相关参数。

（2）隧道注浆顺序应坚持“由外到内、由下到上，间隔开孔、跳孔注浆”的总体原则，可有效防止浆液窜孔，到注浆堵水及加固围岩的目的，见图1（a）。

由外到内的顺序：B 孔→C 孔→D 孔→E 孔。

B 孔第一循环注浆：先注B13 孔，再注B11、B15→B9、B17→B7、B19→B5、B21→B3、B23→B1。

B 孔第二循环注浆：B12、B14→B10、B16→B8、B18→B6、B20→B4、B22→B2、B24。

最外圈注浆孔完成后，参照同样的注浆顺序，由外向内逐圈依次进行C孔→D 孔→E 孔注浆。

A 孔作为补充注浆孔，终孔位置比其他注浆孔后退5～8m 左右，形成一个完整的止浆岩盘，见图1（b）。

图1 超前帷幕注浆孔位布置示意图（单位：cm）

（3）注浆材料准备及配比。注浆材料若为单液浆，常用的材料一般有快硬硫铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，见表2；也可采用以单液浆为主双液浆为辅的注浆方式，解决单液浆凝结时间长、易受冲刷分散的弊端[5]。

表2 注浆常用材料规格

（4）外接法兰盘加工制作。根据孔口管直径选择外接法兰盘型号，在其中心部分焊接出浆口、进浆口，在进浆口末端连接变径套环，之后连接PVC管。

（5）制作：注浆孔口管可根据注浆孔径大小，选择适宜直径的无缝钢管制作，为保证孔口管安装效果以及使用方便，长度一般加工为2～3m。孔口管与法兰盘连接，连接采用焊接的方式，距法兰盘约30cm 处开始缠绕麻丝成仿锤型，缠绕长度100cm 以上，完成后在麻丝表面敷设水泥净浆，见图2。

图2 孔口管加工示意图

2.2 注浆工艺流程

软弱破碎围岩扫孔控制注浆工艺流程：

（1）测量放线、孔位标注：根据注浆实施性施工组织设计所指孔位布置要求，在岩面上测量定位，并做好各孔标记。

（2）钻浅孔：采用多功能地质钻机，根据开孔位置及钻孔参数调整钻机角度且孔位必须符合设计钻孔要求，钻孔直径φ130mm，钻孔深度3.0m。

（3）孔口管安装：退出钻杆，钻机移位，安装孔口管，孔口管采用无缝钢管加工制作，一端焊接与外接法兰盘同型号的快速接头，距快速接头约30cm 处开始缠绕麻丝成仿锤型，缠绕长度100cm 以上；完成后在其麻丝表面使用硫铝酸盐水泥净浆敷设，采用钻机将孔口管顶入钻孔中，孔口管外留长度30cm。

（4）外接法兰盘及注浆管路安装：将PVC 管插入孔内，PVC 管长度应根据钻孔深度确定，其管口末端距钻孔底部距离≤60cm，另一端连接至已加工完成的外接法兰盘的变径套环上，出浆口、进浆口分别连接对应型号阀门。

（5）后退式注浆：混合器上两个进浆口连接单向阀，以防止浆液回流堵塞各进浆管道；单向阀后分别连接水泥浆进浆管、控制液进浆管；各管路及注浆机械准备就绪后开始注浆，两种浆液经混合器沿PVC 管喷出，一部分进入加固岩层，一部分返流至孔口管周边；因本工法取消止浆墙的施作，其孔口管周边存在裂隙，一部分浆液返流的主要目的即为加固封堵该裂隙；当孔口管周边岩层裂隙溢浆后，持续注浆，水泥浆管路进浆量不变，增大控制液进浆管流量，使其缩短浆液凝结时间；当调整后的混合浆液从孔口管周边岩层裂隙溢出后，打开出浆口阀门，降低孔口管周边岩层裂隙溢浆压力，当溢浆现象由大变小直至停止后，将控制液进浆管流量调整回初始状态，继续注浆，当单位时间内进浆量逐渐减小、注浆压力逐渐，则暂停该孔注浆。

（6）分段扫孔：将各进浆管路及外接法兰盘上各部件及阀门移除，钻机就位，按照步骤2 中所述，重新对该孔进行扫孔，孔径φ90mm，扫孔深度8～10m；然后重复步骤4、步骤5 的操作过程，通过重复注浆→钻孔→注浆→钻孔，达到注浆加固封堵的目的。

3 围截式控制注浆

3.1 注浆关键技术及操作要点

隧道开挖后在集中涌水处，如采取直接堵漏法从出水口顶水注浆，虽然涌水被封堵，但水仍会从薄弱处用涌出，造成大面积涌水。围截式注浆是从出水口一定范围成环状逐层向内布孔注浆，层层缩小包围圈，将水逐步赶至出水口，然后对出水口进行高压顶水注浆，将地下水封堵在隧道外部的一种堵水注浆方式。围截注浆的目的是设法把大的涌水变成较小的渗漏水，当涌水被堵在岩层深部时，如果继续排出将通过较长的细小裂隙排出，水压、水量都会大大减小，从而减小隧道衬砌承受压力。因此，围截式控制注浆特别适用于局部径向注浆。

（1）孔位布置。注浆孔间距根据围岩裂隙发育情况不同通常按1.5～2.5m梅花形布置。

①对于初支面点、片状出水，布孔应在出水点周边纵向各延伸3.0～5.0m范围，按照1.5m×1.5m 梅花形布设孔位。

②对于初支表面大面积渗水，应在渗水面纵向各延伸5.0～8.0m 范围按环向间距1.5m，长度按现场实际情况进行布孔。

③根据现场实践，钻孔方向不应沿隧道喷射混凝土面法线径向开孔，该开孔方法只是理论上可行，应根据隧道围岩产状，尽可能垂直岩面开孔，使其穿过更多的岩层交界面或裂隙，应斜向开孔。

（2）钻孔方式。因多功能钻机高度受限，钻孔钻具可采用RPD-180C多功能钻机与风枪配合开孔；RPD-180C 多功能钻机主要对仰拱面以上5m范围开孔，5m 以上至拱顶部分采用风枪开孔。

（3）注浆参数。注浆施工前应通过试验确定浆液的性能及各项指标，包括浆液的配合比、扩散半径、凝结时间等指标，见表3。

表3 注浆设计参数表

止浆可采用充水膨胀式止浆塞，通过注水使止浆塞橡胶筒膨胀，膨胀到一定程度后受注浆孔壁的限制，最终与孔壁挤压密实，实现止浆的作用。为确保现场施工安全，防止在注浆过程中因浆液或地下水的压力作用使其滑脱，止浆塞放入孔内深度必须≥60cm。

3.2 注浆工艺流程

3.2.1 钻孔

开孔坚持“轻、慢”的操作要领，确保开孔位置和角度精准。“轻、慢”则指在开孔钻进时，钻压要轻、转速要慢；在钻进过程中根据地质情况和钻进深度选择合适的钻压和转速，均匀给进。在地质不均或岩层交接处钻进时应减小钻压和转速，减缓给进速度，并做好钻孔记录。根据钻进速度初步判断围岩变化情况，根据孔口出水情况判断富水段落，从而进一步指导注浆参数优化。

注浆施工时应根据注浆孔出水量大小、进浆量的快慢，适时调整浆液的配合比。注浆初期可选择凝结时间较短的配合比，对孔口周边围岩裂隙进行快速封堵，预防大面积漏浆；涌水量较大则优先选用浓度较大、不易离散的注浆材料。钻孔顺序：根据现场施工实际，按照围截注浆原则，坚持以出水点为中点，先远后近，由下而上间隔钻孔的施工顺序。

3.2.2 注浆

注浆程序：隧道注浆按照地质水文分析、注浆施工准备、压水试验、注浆扫孔、检测评价、检测合格后进行下一循环施工的注浆程序。正式注浆前应进行压水试验，检查注浆设备及管路系统是否正常；判定岩体透水性的强弱。

注浆方式：主要有分段扫孔注浆（包括前进式和后退式）、全孔一次性注浆。在钻孔施工中若未出现较大股状涌水或塌孔现象，一次成孔直至设计深度；反之，钻孔中出现股状涌水或塌孔、卡钻，难以成孔等现象，则钻一段注一段后在原位扫孔继续钻进直至设计深度。

注浆速度：当钻孔涌水量＞0.8L/s，注入速度80～120L/min；当涌水量＜0.8L/s，注入速度30～80L/min。

注浆结束标准：进浆量＜20L/min；注浆压力＞4MPa，同时无明显漏浆现象，则单孔注浆结束。

按注浆设计方案完成注浆后，通过钻芯检查其注浆效果。检查孔涌水量＜0.2L/min；检查孔岩芯饱和达到一定强度；同时加固范围大于设计值则可结束本段注浆施工。若不满足要求，则需通过补注浆进一步加固封堵。

4 结束语

在歇马隧道注浆施工中，针对不同的地质及水文情况，研究了多种注浆堵水及加固方式。软弱破碎围岩扫孔控制注浆、围截式控制性注浆、管道型高压涌水控制加固注浆是针对不同地质、出水情况总结形成的注浆工法，解决了传统隧道注浆工艺效率低、效果差的难题。可有效保证隧道富水段施工安全、保证工程质量、加快施工进度、降低工程建设成本。