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摘 要：本文针对圆梁山隧道高水压、富水、岩溶的特点，结合周围环境条件，深入开展了高水压、富水、岩溶特长隧道注浆堵水技术研究，提出高压、密孔、超细材料、反复检查、渐进注浆的地层综合加固和堵水技术，解决了圆梁山隧道1号、2号、3号溶洞和4号岩溶管道注浆加固的难题。 Regarding to features of high water pressure, water rich, karstic zone in YuanLiangShan Tunnel, in conjunction with surrounding conditions, this paper studies water shut-off by grouting in tunnel located at high water pressure, water rich and karstic ground by proposing a comprehensive consolidation and water shut-off grouting of high pressure, dense pore, super fine material through repeated inspection and progressive injection of the ground, in a result of resolving the hard nut problem of consolidation by tube manchette in Karstic caves No. 1,2,3 0f YuanLiangShan tunnel.

1  引言

国内外在高压、富水区修建深埋长大隧道都不同程度地遇到了涌水、突泥现象，在溶岩地区更加严重，高压涌水、突泥给施工和环境保护都带来了巨大的困难和安全隐患。从国内外的隧道施工现状及发展趋势看，高水压、富水、岩溶地段修建特长隧道的技术还不成熟，地层加固和堵水及岩溶的处理技术有待发展，深入开展高压、富水、岩溶区特长隧道注浆堵水技术研究具有重要的意义。

2  工程概况

深埋特长圆梁山隧道全长为11 068m．是渝怀铁路线上最长的隧道。圆梁山隧道主要穿越毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生、次生断裂，地质构造异常复杂，高压、富水、深埋、充填型岩溶十分发育。该隧道施工难度极大，国内地质及隧道方面的专家认为：“目前在这类具高压岩溶水充填溶洞地区开挖深埋隧道等地下工程，是一个国内外罕见，具有挑战性的技术难题”。工程主要工程地质问题有：高水压岩溶涌（突）水、涌泥、高地应力及煤层瓦斯、断层破碎带、河底浅埋段等，其中高压、富水、岩溶是最为关键的地质问题。隧道最高水压为4.6MPa，最大涌水量为24×104m3/d。在隧道的开挖施工过程中，在毛坝向斜区域，隧道主要揭示了3组高压、富水、深埋、充填型溶洞，引起了多次地质灾害。

3  注浆方案研究

3.1  注浆方案选择依据

针对圆梁山隧道的地质条件，依据设计原则，在高压富水区隧道应采用大范围、高压、密孔、多种材料注浆堵水、加固技术，在不同区段选用不同的注浆方案，提高地层的堵水率，防止涌水、突泥的发生。

3.2  注浆方案选择标准

根据地质条件、设计的堵水要求及防排水等级，通过现场试验，圆梁山隧道主要选用了四种主要注浆方案，如表1所示。

表1    圆梁山隧道注浆方案

4  高压富水岩溶区注浆方案设计

4.1  平导全断面超前预注浆方案(B-3m)

采用MKD-5S地质钻机钻孔，孔径为φ90mm，注浆段长度设计为30m。当围岩地层条件较好时，注浆施工采用水囊式止浆塞进行后退式分段注浆；若地层围岩较差，注浆过程中出现返浆现象严重时，可采用前进式分段注浆工艺进行注浆施工。每一个循环注浆完成后开挖27m，余留3.0m作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。在该注浆设计中，针对注浆盲区，开挖过程中应每开挖2m，采取超前小导管进行补充注浆，进一步改善注浆加固效果，小导管直径为φ42mm，长度为3～5m。如图1、图2、图3所示。

图1  注浆孔纵断面布设图/mm

图2  注浆孔终孔交圈图/mm

图3  注浆孔纵断面布设图/mm

对于平导全断面超前预注浆(B=5m)、正洞全断面超前预注浆(B=5m)和正洞全断面超前预注浆（B=8m）的注浆方案设计类似。

4.2  径向注浆方案

径向注浆采用注浆花管（必要时采用TSS管）进行全孔一次性或分段后退式注浆。注浆管采用φ42mm、δ=3mm焊接钢管加工制作。

(1)平导径向注浆（B=3m）

平导径向注浆是在平导开挖完成后，垂直于开挖轮廓线环向布设φ42mm注浆钻孔，浆液扩散半径为1.0～1.5m。钻孔呈梅花型布置，开孔间距径向为1.0m,排距为1.0～1.5m。根据围岩状况，当围岩条件较好时，可安设孔口管，进行一次性注浆，当围岩较差时，可安设TSS管，进行分段注浆，以改善注浆效果。平导径向注浆（B=3m）注浆设计如图4所示。

(2)正洞径向注浆（B=5m）

正洞径向注浆是在正洞开挖完成后，沿开挖轮廓线径向环向布设（42mm注浆孔。注浆钻孔呈梅花型布置，开孔间距为0.8m，排距为1.2m。正洞径向注浆（B=5m）注浆设计如图5所示。

图4  平导径向注浆（B=3m）横截面布置图/mm

图5  正洞径向注浆（B=5m）横截面布置图/mm

4.3  局部和补充注浆方案

局部注浆和补充注浆方案，主要为对探水孔及附近围岩采取的一种堵水和加固措施，局部注浆还包括隧道开挖完成后局部流水、股水、滴漏水、渗水部位的堵水和加固，注浆加固范围根据实际情况进行动态调整。局部注浆一般采用普通水泥浆和普通水泥一水玻璃双液浆，注浆采取定压注浆，注浆终压=水压+(1～2)MPa。补充注浆是超前注浆或径向注浆完成后，经过效果检查还未达到设计要求，需增加钻孔和注浆孔数量，进一步改善注浆效果和提高围岩和初期支护结构承载能力的一种强化措施，补充注浆厚度一般为初期支护结构背后为40～60cm，注浆压力为0.5～1.5MPa，补充注浆一般采用超细水泥浆和超细水泥-水玻璃双液浆。补充注浆一方面可以充填初期支护背后空隙，挤密围岩，增强堵水效果，另一方面可以提高围岩的初期支护承载能力和稳定性。局部注浆和补充注浆采取全孔一次性注浆方式进行。

4.4  高压、密孔、多种材料、反复强化渐进式注浆技术

能否在圆梁山隧道高压、富水、深埋充填型溶洞注浆加固中形成连续、均匀、高强的注浆加固圈对于增强堵水效果十分重要。理论研究、室内试验、现场研究及应用均表明，在一定的时间和成本内，单靠一种方法是难以实现的，应将超前注浆、径向注浆、局部和补充注浆方案结合起来，实行渐进注浆、层层堵水、分次加固逐步达到设计要求；更重要是在超前注浆过程中应采用高压、密孔、多种材料、反复强化的注浆方式，通过提高注浆压力增加浆脉数量和宽度，通过密排布孔，减小注浆盲区，通过超细注浆材料，增大浆液扩散半径和渗透能力，通过严格检查，反复强化，局部和补充注浆，提高堵水率和岩体强度及稳定性。

4.5  注浆材料的选择和确定

根据室内试验和现场试验结果，综合考虑凝胶时间、可注性、强度、抗分散性、耐久性及可操作性等因素，针对圆梁山隧道高压动水粉细砂层填充型溶洞，宜采用多种注浆材料综合进行注浆施工。

经试验研究，形成了以[普通水泥单液浆]→[超细水泥单浆]→[HSC浆／TGRM浆]→[普通水泥-水玻璃双液浆]→[超细水泥-水玻璃双液浆]为主体流程的浆液选择程序。这样充分利用各注浆材料的优点，达到“既实现扩大范围注浆，又可实现控域注浆；既满足提高堵水率的要求，又达到较好加固砂层的目的”。

圆梁山隧道注浆材料主要为普通单液水泥浆、超细单液水泥浆，超细型HSC浆和TGRM浆，普通水泥一水玻璃双液浆，超细水泥一水玻璃双液浆。注浆材料选择及布孔参数如表2所示。各种浆液配比如表3所示。

表2    注浆材料选择及布孔参数表

表3    浆液配比表

5  注浆参数和注浆工艺

5.1  注浆加固圈厚度的确定

注浆加固范围确定时，主要应考虑将地层承载能力和堵水率提高到何种程度，此外要考虑工程成本和工期要求，其值主要通过计算并结合有关经验确定。

考虑到高压富水隧道施工的难度和危险程度，注浆的加固范围选择如下：

超前预注浆加固范围：

    B=(2～3)D                                              (1)

超前注浆加固圈厚度为：

    B1=(B-D)／2                                           (2)

径向注浆加固圈厚度为：

    B2=(0.5～1.0)D                                       (3)

式中  D-隧道开挖直径／m。

根据注浆加固圈计算公式，结合圆梁山隧道工程及水文地质特点及开挖断面大小（正洞直径为10m左右，平导直径为6m左右），以及开挖施工状况，圆梁山隧道毛坝向斜隧道设计注浆加固圈厚度如表4所示。

表4    圆梁山隧道毛坝向斜注浆加固圈厚度

5.2  高压、富水岩溶管道注浆压力

高压、富水岩溶管道的注浆压力主要要克服水压力、管道阻力及浆液的黏滞力，通过顶水注浆，将水推向远方，结合类似工程的经验，其值为：

    P注=P水+P阻+(1.0～2.0)                                             (4)

式中  P注-注浆压力；

        P水-水压力；

        P阻-管道阻力。

毛坝向斜隧道1号、2号、3号溶洞及4号岩溶管道注浆压力的选择如表5所示。

表5    溶洞水压力及注浆压力

5.3  注浆工艺流程

圆梁山隧道注浆工艺主要包括前进式注浆、后退式注浆、全孔一次注浆等三种方式，止浆方式包含孔口止浆、孔内分段、管内止浆等三种方式，前进式注浆主要采用孔口止浆方式，后退式注浆可采用管壁止浆和孔壁止浆两种方式，注浆管分为孔口管、花管、TSS管等三种类型，止浆塞又分为机械式和水囊、气囊三种类型。孔口止浆前进式分段注浆的孔口管密封胶圈，应具有较高的抗水压能力，橡胶、气囊式或水囊式止浆塞应固定牢固。孔壁止浆的后退式注浆施工工艺，与孔内止浆类似，但开始后退式注浆前，应先对全孔进行一次或多次注浆加固，确保孔壁完整。

分段注浆的注浆段长应根据地质条件确定，在节理、裂隙（或溶隙）发育地层，可取长为3～5m，在高压、富水致密的溶洞充填物中，可取长为1～2m。为了保证钻孔底部的注浆效果，在溶洞充填物中进行注浆钻孔长度不应超过30m。

6  注浆效果检查

6.1  钻孔涌水量测试

钻孔涌水量测试主要是测试一定长度的钻孔在单位时间的涌水量，对比注浆前后钻孔的出水量变化，可以判断注浆效果，钻孔涌水量的测试是比较快的注浆效果检查方法之一。

6.2  钻孔压水试验方法

压水试验是将检查孔钻到一定深度后，对地层进行压水，测试地层的单位吸水量，此外可估算地层的渗透系数。

通过现场测试，注浆前后钻孔涌水量、单位吸水量及渗透系数如表6所示。

表6    注浆前后钻孔检查情况

参考有关文献和设计要求，注浆后当探水孔涌水量小于0.2L／(min)时，当地层注浆后地层的单位吸水量w≤0.01～0.05L／(min)，k≤10-4～10-5cm／s时，可以认为注浆效果较好，满足了开挖要求，达到了堵水的目的。从表6可知，注浆后钻孔涌水量、单位吸水量和渗透系数比注浆前大大减小，说明注浆效果较好。

7  结语

大型高压、富水、深埋、充填型溶洞注浆属于世界性地质难题，通过对高压、富水、充填型溶洞地质条件和注浆机理的分析，研究了超前注浆、径向注浆、局部和补充注浆四种主要注浆方案，提出了高压、密孔、超细材料、反复检查、逐渐强化的渐进注浆的地层综合加固和堵水技术，成功解决了1号、2号、3号溶洞和4号岩溶管道注浆加固的难题，在理论上有创新和突破，在技术上具有独创性和开拓性，实际应用效果良好。

摘自《地下交通工程与工程安全》