隧道岩溶富水区帷幕注浆堵水技术的研究

李 崇

（广东省南粤交通大丰华高速公路管理处，广东 梅州 514300）

在复杂的水文地质条件下，特别是在岩溶发育的地区，长公路隧道在施工过程中会有突发性涌水事故，该现象不但会影响隧道工程项目的工期，还会对项目所在区域的地下水和生态环境等造成严重破坏，如果未能及时采取措施，就会引起法律方面的纠纷与社会问题[1]。在岩溶水可溶性物质含量较高的情况下，流动水会对隧道结构造成很大侵蚀，从而影响隧道的使用寿命[2]。在地下水流作用下，溶质堆积体崩塌沉降，改变了洞室周围的应力场，对洞室的稳定性有一定影响。另外，在隧道内，损失地下水可能会导致隧道顶面的岩溶塌陷，对周围的环境地质产生影响，也会造成隧道失稳[3]。目前，我国岩溶发育地区建造隧道大多采用“以排为主，排堵结合”的方式。在隧道工程中，当遇到降水或地下水时，通常采用暗沟、涵洞、泄水洞和增设辅助引水沟等方式排出工程中的地下水[4]，并采取加强衬砌等措施解决工程中的多数地下水问题，处理工艺大多以加强围岩为主。

1 隧道岩溶富水区帷幕注浆堵水技术

1.1 注浆堵水材料

为取得较好的堵水效果，根据隧道内岩溶富水区域的特点，选择不同种类的灌浆堵水剂。第一种灌浆堵水剂是以水泥为主原料，加入定量的速凝剂和水溶性配制而成的单液型灌浆堵水剂[5]。根据灌浆对浆液凝胶时间的要求，在隧道中，可以在不同浆液配比条件下进行凝胶试验，从而确定不同配比条件下的凝胶时间，见表1。

表1 不同配比条件下单液水泥浆凝胶时间记录表

表1 中水与水泥的比为质量比。

第二种灌浆材料是以水泥—水玻璃为主体，按一定的配比而成的水泥—水玻璃型灌浆，以双液体的形式进行灌浆。在灌浆过程中，要适当地添加缓凝剂[6]。与注浆堵水施工对浆液凝胶时间的要求相结合，对不同浆液配比下的注浆材料凝胶效果进行试验，并记录不同配比条件下的水泥—水玻璃类浆液凝胶时间，见表2。

表2 不同配比条件下的水泥—水玻璃类浆液凝胶时间记录表

第三种注浆材料是以特制高性能水泥配适量外加剂的TGRM 水泥基特种灌浆材料。该注浆材料的比表面积＞700m2/kg；凝胶时间＞8min；流动度＞240mm；初凝时间＞15min；终凝时间＜45min；抗压强度＞50MPa。结合注浆防水对浆液凝胶时间的要求，对该注浆材料的凝胶进行试验，记录结果见表3。

表3 不同配比条件下的TGRM 水泥基特种灌浆材料液凝胶时间记录表

按照表1～表3 中记录的数据，根据隧道岩溶富水区帷幕实际注浆堵水需要，合理选择注浆材料，并按照合理的凝胶时间选择水和水泥的配比。在具体施工中，3 种注浆材料各有所长，可以相互配合使用。

1.2 计算注浆堵水参数

帷幕注浆主要是为降低围岩的渗透性能，并进一步起到加固的作用。根据帷幕设计需求，隧道开挖的轮廓线应控制在6m 外。注浆压力作为注浆的重要参数，直接影响注浆过程中的浆液扩散、裂缝充填和灌浆效果。在施工过程中，既要保证注浆材料不受静水压影响，又要保证泥浆在不受地层阻力的影响，让注浆材料进入围岩，使其在围岩中形成与围岩强度相当的加固圈，同时避免泥浆在围岩中渗出过多，浪费材料和施工时间。注浆压力值取决于岩体裂缝的发育程度、突水压力、浆液的性质和成胶时间。注浆压力为：（2～4）+P0。其中P0为用水压力。

当注浆时，若采用单孔注入的方式，则假设注浆在地层始终均匀扩散，计算单孔的注浆量如公式（1）所示。

式中：Q为单孔的注浆量；R为注浆材料的扩散半径；L为注浆的长度；n为地层中的裂隙比例；α为浆液在岩石裂缝中的填充系数；η为浆液的消耗效率。

1.3 帷幕注浆

确定注浆堵水的各项基本参数后，进行帷幕注浆施工，帷幕注浆的基本流程如图1 所示。

岩盘止浆是否有效，对帷幕注浆的结果有很大影响。在围岩条件下，隧洞应该按照围岩条件设置相应的止浆底板，II 类围岩构造较好，设置厚3m 的止浆底板；IV 类围岩中留出4m 的空隙；V 级的围岩留出5m 的空间，以此保证灌浆的效果，同时可以省去每次灌浆周期浇灌，形成一堵浆墙，从而加快施工进程。当埋设孔口管时，应保证较好的密封性，确保不漏浆。打完钻孔后，用冲孔钻进3m，钻孔露出20～30cm，用麻线堵住管壁和孔口接触面，在双液浆打孔后对其进行封堵。孔口管有导引功能，在钻机安装过程中应注意外插角大小。当钻孔施工时，按照设计标出的灌浆孔位置在工作面上涂上红漆。如果单孔排出的水量小于30L/min，就可以继续；如果单孔涌出的水量大于30L/min，应立即停止钻井，重新注浆。连接注浆管路如图2 所示，在连接的过程中，必须保证注浆管路的密封性。

图2 注浆管路布置图

1.4 施工中的突发涌水处理

针对突发的涌水问题，可以用ϕ38mm 有闸门阀门的管子，并将水口插入水管中进行引流。用麻筋填满出水口和钢管间的空隙，在此基础上砌筑挡浆墙。可以对闭水和井眼进行灌浆。选用长度为4m 的ϕ38mm 带闸阀孔口管，分别在1.1m 和1.2m 处用焊条焊接钢筋与钢管，在1.5m 的位置上焊接规格为ϕ6mm 的盘条钢筋。在孔口管的末端，用十字卡连接2 根钢管，有利于插管推进时加力。在孔口管末端处提前安装闸阀。制作孔口管如图3 所示。

安装上述结构可以起到导水效果，解决突发涌水问题。

2 帷幕注浆堵水效果分析

2.1 隧道工程概况

该工程项目是粤东地区高速公路控制工程项目之一，该项目隧道全长超过6km，隧道的进口位置与地区收费站距离超过5km。

在对该项目进行现场勘查的过程中发现，项目的进口368m、出口293m 均位于隧道曲线上，洞身位于隧道的直线段上，从进口位置开始测量，160m 内为上坡路段，超过160m 的路段为下坡路段。经过现场勘查，该项目的中间位置可能出现集中性突水现象，根据工程项目设计方与施工方的综合商议与决策，决定采用帷幕注浆的方式进行现场堵水施工。但该隧道的岩溶水发育十分不规律，导致隧道整体止水施工难度较大。

在此基础上，勘查隧道施工前，使用布置超前探孔的方式对该隧道所在地的地形和地貌进行分析，发现隧道几乎垂直穿过中梁山区，该区域为一片剥蚀的低矮山地，最大深度为275m，该项目的地形十分陡峭，表面覆盖丰富的植被，可溶岩层形成的凹地是一片平坦广阔的稻田，还有一些侵蚀凹地和水洞等。隧道表面有大量的房屋，根据人口普查统计，该区域常年居住人口约为6 万人，同时，该区域有200 多个企事业单位，还有很多中小型水库、池塘和水井。

2.2 堵水效果观测点布设

掌握该工程项目的基本情况后，按照该文提出的施工技术，在现场进行帷幕注浆堵水施工，完成施工后，采用布置堵水效果观测点的方式，对该技术的应用效果进行评价。

根据现场实际情况，明确监控线路为隧道线路南侧7.82km～北侧6.1km 对应的线路。隧道东西侧沿着轴向2.5km 的位置为灰岩区域，面积约为35km2。经过现场规划，该项目的监测对象包括暗河出口、泉井、地表水库和隧道内敏感出水点等。

在确定观测点所在位置的初始水位后，在对应的观测区域设定标志，并在完成前期准备工作后正式进行观测工作。从隧道施工开始对观测点进行观测，并在竣工后3～5个月内停止观测。在隧道施工过程中，须安排技术人员每天观测一次观测点，如果发现地下水的水位和水流有异常变化，就需要根据具体情况，适当缩短观测的周期，根据具体情况，可在必要时，对观测点进行24h 监控。在隧道工程项目完工后，可以将每天1 次的监测频率，调整到3d监测1 次或5d 监测一次，但在隧道出现渗漏后要注意隧道监测的周期或增加监测频率。

2.3 堵水效果分析

通过观测现场堵水观测点，发现隧道贯通后，流水几乎都集中在出口，根据现场统计，测量隧道测点流量，如图4 所示。

图4 隧道堵水效果观测点的流量测量

3 结语

通过上述研究，得到以下2 个结论：1）从图4 可以看出，在所选的测点中，任意测点的涌水量，均满足＜1.0m3/d·m 的限量排放标准，说明隧道注浆施工比较成功，即应用对应的施工技术后可以达到预期效果。综合上述结果可以说明，该文设计的施工技术可以有效防止地下水流失，并在一定程度上可以保护隧道工程的施工和项目所在地的自然生态环境。2）该文研究的隧道工程项目具有施工工期紧张、岩溶发育显著和所在地的地质条件复杂等特点，在施工中，如果该项目出现涌水方面的问题，不仅会对隧道工程的工期造成影响，还会影响附近居民和企事业单位的生活和日常用水。该研究提出的施工技术可以解决该问题，通过该方式，可以规范隧道工程项目的施工，避免隧道施工涌水造成施工现场安全事故。