富水隧道注浆快速堵水技术
张 胜
(中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006)
摘 要：兰武铁路二线乌鞘岭隧道6号斜井工区隧道地质复杂，以三叠系砂岩为主，地下水发育，与地表连通性好，隧道位于地表严重缺水的甘肃武威境内，为保护地表水环境，在隧道设计中采取了“以堵为主，排为辅”的全方位注浆堵水，对以往隧道地下水“以排为主”的设计原则是一种理念的革新，对今后类似隧道的设计和施工具有一定的借鉴价值。
关键词：环境保护 注浆堵水
一、工程水文地质情况、地表环境及用水条件
1．工程地质及水文地质情况
乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路兰州～武威南段增建第二线打柴沟车站与龙沟车站之间。设计为两座单线隧道，长20050米，隧道出口段线路位于半径为1200m的曲线上，除左、右线缓和曲线伸入隧道127.29m及68.84m外，其余地段均位于直线上，线间距为40m；两座隧道线路纵坡相同，主要为11‰的单面下坡，右线隧道较左线隧道高0.56～0.73m。 6号斜井井口位于芨芨沟上游右岸斜坡地带，沟谷较开阔，常年无水，在雨季有少量流水。斜井长2135.38m，平均坡度11.8%；根据乌鞘岭建指任务划分，担负正洞左线平导700m及F4断层的施工任务，最终完成左线平导及扩挖2513m,右线600m施工任务。
斜井口上覆第四系全新统坡、洪积碎石土，稍密、稍湿，Ⅲ级硬土，б0 = 400kPa，Ⅴ级围岩，下伏基岩为三叠系上统的砂岩夹页岩，为洞身穿过的主要地层，砂岩为主，夹页岩及薄层煤，Ⅳ级软石～Ⅴ级的次坚石，б0= 800kPa，Ⅲ级～Ⅴ级围岩。弱富水区，设计水量1520m/d。
正洞平导洞身通过三叠系上统砂岩夹页岩及薄层煤，砂岩为主。岩体受地质构造影响
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较严重，节理很发育～发育，岩体较破碎～较完整，呈层状、块石碎石状～块状结构。Ⅳ级软石～Ⅴ级次坚石，Ⅲ级、Ⅳ级围岩。
该段为基岩裂隙弱富水段，岩体原生层理发育，构造及风化节理裂隙，地下水储存于原生层理、构造及风化节理裂隙中。6号斜井管区隧道埋深约700米，正常涌水量2894.92 m/d，最大涌水量3338.02 m/d，不同岩性接触带及断层带边缘发生过突水。
F4断层，在DK170 + 300～+ 750段穿过隧道，断带宽200～500m，隧道通过长度450m，断带物质为碎裂岩和断层泥砾，岩体破碎，呈碎石角砾状结构，Ⅳ级软石，Ⅴ～Ⅵ级围岩。
断带为中等富水段，岩体节理裂隙发育，并含有丰富的地下水。接受大气降水、高山融雪及上游地下水的补给。正常涌水量1327.36 m/d，最大涌水量达到2654.72 m/d，曾经发生突水，最大突水量达到7800m/d 。
2．地表环境及用水条件
地表风化节理裂隙较发育，地表干严重缺水，仅靠少量大气降水、高山雪融水的补给，生态环境极为脆弱，虽然为草原牧区，但几乎不见绿草和树木，一直有“5cm深就是草原，20cm高就是森林”这一说法，由此可见水资源的严重匮乏。
如果由于本隧道施工造成地表水泄漏，将更严重影响地表牧民的放牧、生活，造成地表植被的干枯，破坏生态平衡。由于地表本来就位于严重缺水地区，一旦发生泄漏水事件，将严重影响社会安定、造成社会不稳定。
因此，采取措施保护周边水环境是本隧道设计施工的关键所在。
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二、地下水设计施工处理原则及主要标准的确定
1、地下水处理原则
为防止地下水由于隧道施工引起资源流失，保护生态环境，本隧道地下水处理原则为：“施工掘进期间堵排结合、限量排放，在经过堵水、抽水后使掌子面的水不影响正洞的掘进；
二次衬砌施作前，以堵为主，减少地下水的流失，保护生态平衡。”地下水处理流程见图1。
超前预报及超前探测 2、地下水处理达到的设计标准 众所周知，在隧道施工中，无论采取何种堵水措施，都不可能做到滴水不漏。由于《铁不满足超前注浆条件 注浆设计 总出水量严重破碎带〈0.4L/min ，路隧道设计规范》没有允许排放量的规定，在我国铁路建设史上，也没有这方面的经验，一般地段 〈0.2L/min，但某一处涌总出水量严重破碎带〉0.4L/min ，根据乌鞘岭隧道的地理位置和特殊环境，建设指挥部和设计院请教了众多隧道专家后确定水〉10L/min 一般地段 〉0.2L/min 浆液了隧道堵水的标准如下：全段注浆结束标准检查孔内涌水量：严重破碎带应小于配超前局部预注浆 超前帷幕注浆 合0.4L/min .m ，一般地段小于0.2 L/min .m ，且某一处涌水量小于10L/min 。注浆后表观要比选钻注浆孔，加工花管 钻注浆孔，加工花管 定达到边墙不淌水，拱部不滴水成线的效果，堵水率要达到60％。 三、堵水设计与施工注 浆 1、堵水设计方案 注浆效果评价 注 浆 设计上注浆采用径向注浆、局部顶水注浆、超前预注浆三种方式。要求施工过程中，未达到注浆效果 达到注浆效果 首先对集中涌水点进行局部顶水注浆；对已开挖地段大面积淋水地段实施径向注浆堵水。对未开挖地段，根据围岩状况、施工中根据超前探水及掌子面的渗水量情况，对于集中涌开 挖 超前二次补注浆 水点实施局部顶水注浆或超前注浆堵水，以减少掌子面的涌水。对开挖后出现大面积渗水、开挖后效果评价 淋水地段，在掌子面施工同时按设计预钻径向注浆孔，待工序能调整开时，立即进行周边径向注浆，以减少掌子面的涌水量，加快施工进度。 达到注浆效果 2、注浆堵水施工 ⑴ 注浆堵水范围 初期支护 注浆堵水范围为隧道周边3～4m范围。 防排水系统 ⑵ 浆液的选择 未达到注浆效果 后注浆 后注浆效果评判 本着安全可靠、经济实用的目标，本隧道的堵水注浆材料采用水泥浆（掺速凝剂）和衬 砌 水泥－水玻璃双液浆。 未达到注浆效果
① 水泥浆
单液水泥浆是以水泥为主，添加一定量的速凝剂，再加水调制而成的浆液，它具有以下特点：
· 凝结时间可根据实际需要进行调节，其变化范围为一分多钟至几个小时； · 浆液结石强度高，不会随时间流失而后期强度显著降低； · 结石体抗渗性能好；
· 采用单液方式注入，工艺及设备简单，操作方便； · 水泥作为注浆材料，来源丰富，价格低廉；
· 浆液配合比可根据需要进行配置，可灌性好；但对中细粉砂层及裂隙细微岩层可注性差；
· 浆液无毒性，对地下水环境无污染；
· 浆液初、终凝时间相对较长，不能准确控制，容易流失，结石率低。
根据以上特点，我们经过多次现场试验，确定水泥浆液主要用于围岩裂隙较大有水时，掺用适量的速凝剂调节凝结时间达到堵水目的。通过多次试验，总结出速凝剂对水泥浆影响性能如下表3－1，水泥浆现场配制表如3－2所示。
表3－1 山西－凯迪牌速凝剂掺量对水泥胶凝时间的影响
速凝剂掺量（％水泥） 0 2 3 4 5 环境温度（与隧道内温度接近） 20℃ 20℃ 20℃ 20℃ 20℃ 胶 凝 时 间 初 凝 —— 3min20s 1min15s 1min18s 1min10s 终 凝 —— 5min40s 3min15s 1min55s 1min45s 水灰比 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
6 0.5 20℃ 1min8s 1min32ss 表3－2 水泥浆（不加附加剂）现场配制表
水灰比 0.5:1 0.6:1 0.75:1 1:1 1.25:1 1.5:1 2:1 水泥（袋） 24 22 19 15 13 11 9 水（L） 600 660 712 750 812 825 900 制成浆量（m3） 1.000 1.026 1.029 1.000 1.029 1.008 1.050 每袋水泥50kg 备 注 经过以上试验和结合现场，当围岩裂隙较大且涌水压力不大时，采用水泥浆水灰比＝0.5:1, 速凝剂掺量（％水泥）=2%，当围岩裂隙较大且涌水压力较大时，采用水泥浆水灰比＝0.5:1, 速凝剂掺量（％水泥）=3～6%，视水压情况现场调整。
② 水泥－水玻璃浆液
水泥－水玻璃双液浆亦称CS浆液(C代表水泥,S代表水玻璃),是以水泥－水玻璃为主剂，两者按照一定比例，必要时掺加一定量的外加剂掺水配制而成的注浆材料。它是一种用途及其广泛，使用效果良好的注浆材料，具有以下特点：
· 浆液可控性好，凝胶时间可准确控制在几秒至几十分钟范围内； · 浆液结石强度高，可达5～20.0Mpa； · 浆液的结石率高，可达100％； · 结石体的渗透系数小，为103cm/s；
· 浆液适宜于0.2mm以上裂隙及1mm以上粒径的砂层使用； · 材料来源丰富，价格便宜，浆液对地下水和环境无污染； · 施工工艺较单液复杂；
· 后期强度低，随着时间流失而后期强度显著降低或丧失； · 可灌性较单液差，施工中易出现堵管、爆管现象；
· 按配合比配制好的浆液在注入水中时会立刻发生变化，难以达到预期的注浆效果，
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结石时间及强度难以保证。
根据以上特点，我们也经过多次现场试验，确定水泥－水玻璃浆液主要用于围岩裂隙较小且水压较大时，掺用适量的外加剂调节凝结时间达到堵水目的。新购水玻璃浓度为35°Be′，设计采用浓度为40°Be′，根据比重D＝114.15/(144.3-°Be′)，分别计算出35°Be′、40°Be′和45°Be′的理论比重，再利用公式V水＝（D原－D配）V原／（D配－D水），分别计算出每桶15L的35°Be′水玻璃稀释成40°Be′和45°Be′浓度水玻璃稀释用水量V水，再通过多次试验，总结出水泥浆浓度对水泥－水玻璃浆液凝胶时间影响如下表3－3，水泥浆与水玻璃体积比对水泥－水玻璃浆液凝胶时间影响如表3－4所示。 表3－3 水泥浆浓度对水泥－水玻璃浆液凝胶时间影响
水灰比 1．5：1 1．25：1 1：1 0．75：1 0．5：1 凝 胶 时 间 35°Be′ 2min0s 1min31s 1min18s 0min58s 0min55s 40°Be′ 2min55s 2min 21s 1min51s 1min38s 1min4s 45°Be′ 3min44s 3min17s 2min30s 2min18s 1min41s 说 明 水泥为祁连山牌普通425号硅酸盐水泥，水泥浆与水玻璃体积比为1 表3－4 水泥浆与水玻璃体积比对水泥－水玻璃浆液凝胶时间影响 C:S 1：0.3 1：0.35 1：0.4 1：0.45 1：0.5 1：0.55 1：0.6 1：0.7 1：0.8 凝 胶 时 间 35°Be′ 0min20.5s 0min21s 0min24.5s 0min27.5s 0min29.2s 0min32s 0min37.5s 0min41.2s 0min56.4s 40°Be′ 0min22s 0min24.5s 0min29.8s 0min31s 0min34s 0min36.9s 0min41.5s 0min48.1s 1min8s 45°Be′ 0min25.5s 0min28.3s 0min31.6s 0min34.5s 0min42.4s 0min45s 0min48.4s 0min56.7s 1min17s
综合以上试验，洞内温度一般在20℃，现场注浆时对裂隙小且水压不大时采用水泥浆水灰比1：1，水玻璃浓度40°Be′浆液，双液浆体积比C：S＝1：0.8，凝胶时间控制在1min8s～1min45s之间，对裂隙小且水压较大时采用水泥浆水灰比0.5：1，水玻璃浓度40°Be′浆液，双液浆体积比C：S＝1：0.5，凝胶时间控制在0min30s～1min2s之间，堵水效果很好。
⑶ 设备选型
根据设计的要求，现场采用单过滤管注浆法，先按设计加工好花管，由于设计注浆终压要求在1.5Mpa并继续注浆10min以上，在花管加工时采用以下加工方法，详见下图2。
2设计长度管头胀楔 图2 花管加工图 单位:mm 根据设计要求，由于是浆液对围岩裂隙或孔隙进行充塞达到堵水目的，裂隙或孔隙逐渐变小，吸浆量将逐渐变低，相应的注浆压力呈递增趋势，根据不同的注浆深度、不同的岩层条件下，要求采用不同的注浆流量和压力，特别是在双液注浆施工中，为了能准确控制浆液的凝固时间，两液的吸浆量应满足一定的比例关系，要求注浆泵在注浆过程中，能随时调节流量、压力，而且供液要均匀稳定，以满足注浆工艺和保证注浆质量的要求，综合以上原因，我们采用的注浆泵为YSB250/120型液力调速注浆泵。
⑷ 现场施工 ① 工前处理
先将工作面初喷砼封闭后，按设计间距布孔，用φ50钻头手持风钻钻孔至设计深度，将管头胀楔轻轻套入花管插入围岩端，在花管内插入长度比花管约短15厘米的木棍，用风钻将管头胀楔和花管顶入至孔底，然后抽出木棍继续顶入花管，使管头胀楔将花管底部胀
开持力。封住注浆口喷射钢筋网片砼厚15～20cm作为止浆墙，使浆液不外流。
② 超前局部注浆堵水
未施工段涌水较大时结合超前预加固措施对拱部进行预注浆堵水和加固地层，以防止发生突水突泥，减少掌子面的抽水压力，保证施工正常进行。超前局部注浆堵水是根据出水点的位置，并在其它位置设检查孔对整个隧道范围内掌子面前方的地下水进行检查的情况下进行局部注浆。
③ 局部顶水注浆
对于开挖后的股状水、集中出水点，在出水稳定期或衰减期采用围截注浆法进行局部顶水注浆堵水。以出水点为中心，在其周围一定范围内布孔，先外圈、后内圈，层层注浆缩小，最后对出水点集中注浆堵水。浆液采用水泥－水玻璃双液浆，胶凝时间1′～2′。
④ 周边径向注浆
对于开挖后围岩较差，节理较发育，洞室周边漏水、渗水点较多，但水压力较小或无水压地段，进行周边系统的径向注浆措施对围岩予以加固并堵水。
⑸ 主要注浆参数 ① 注浆压力
注浆压力是注浆过程中非常重要的参数，它对浆液扩散、裂隙充填效果等影响很大，是注浆效果的控制参数之一。注浆压力与通道、水压力及注浆材料有关，一般情况下注浆压力为实测水压力＋1.0Mpa；注浆终压为2～3倍的实测水压力。该隧道多次实测水压力为0.5M pa，故设计要求注浆终压达到1.5Mpa。
② 注浆结束标准
· 单孔注浆压力上升至终压并持续注浆10min以上； · 单孔注浆结束时进浆量小于20～30L／min；
· 每一循环注浆结束后，至少施作5个检查孔对注浆效果进行检查，要求每个孔内的出水量均小于0.4L／min.m。
· 全段注浆结束后，所有注浆孔均符合单孔注浆结束条件；
· 全段注浆结束后，检查孔内涌水量：严重破碎带应小于0.2L／min.m，且某一处漏水小于10L／min；一般地段应小于0.4L／min.m，且某一处漏水小于10L／min。
· 全段注浆结束后，进行压水试验，在1.0Mpa压力下，进水量小于2L／min.m。 满足上述条件,则可进行下道工序,否则应再次注浆处理,直到达到设计要求。
四、堵水效果评价
对于本隧道来说，堵水目的是为了地表水环境的保护，通过对施工期间的监控资料分析，可得出如下结论：在隧道施工期间，由于地下水的消失，曾在短时间内造成地表水位的下降。但在隧道堵水完成并经过一个雨季后，地表水源均恢复正常。目前洞内总涌水量约为3000m3/d，达到了设计制定的地下水排放标准，保护了地表水环境。
五、结束语
乌鞘岭隧道是我国铁路隧道建设史上第一座对地下水实施全方位堵水成功的隧道，设计和施工均在摸索中不断地进行总结、优化、完善，目前隧道右线堵水段已施工完毕。乌鞘岭隧道的建成使我国铁路山岭深埋富水隧道堵水技术水平迈上了一个新台阶。
通过参与乌鞘岭隧道的建设，笔者有以下几点体会：
⑴ 在环境保护要求日趋严格的今天，应重视隧道建设对环境的影响，并应采取有效措施消除或减少其影响程度。
⑵ 本隧道的实践证明，对于丰富的地下水资源，可以通过注浆进行封堵，有效地保护水资源。
⑶ 注浆材料应以物美价廉的单液水泥浆为主，辅以水泥—水玻璃双液浆配合使用。
浆液结石体强度高、耐久性好，解决了以往注浆结石体后期强度低、容易失效的问题。
⑷ 本隧道在长期实施堵水的条件下，能够保证工期，说明通过精心组织、管理，在富水条件下可以做到有效堵水和快速施工的有机结合。
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