(孙国庆)圆梁山隧道粉细砂层溶洞注浆技术研究

圆梁山隧道粉细砂充填性溶洞注浆技术研究

孙国庆

（中铁隧道集团有限公司科研所 471009）

摘要：圆梁山隧道穿越毛坝向斜东西两翼及核部，根据隧道开挖揭示，大型、高压、富水充填性溶洞十分发育，水量大，水压高，突水、突泥、涌砂现象十分严重，施工难度极大，本文以圆梁山隧道2号粉细砂充填性溶洞注浆施工为例，介绍了在高压、富水、粉细砂充填性溶洞注浆施工中，注浆材料、注浆参数以及注浆工艺选择等方面应注意的问题，为今后类似工程的注浆施工提供借鉴。

关键词：溶洞粉细砂层注浆

1. 概述

渝怀线圆梁山隧道全长11,068m，是渝怀线十大控制工程之首，隧道地处渝、鄂、黔三省毗邻地区，为川东褶皱山地与鄂西山地、贵州高原的接触带。主要发育毛坝向斜及伴生断裂，向斜区内发育较多横张断裂，地质地形十分复杂。隧道在开挖施工过程中先后遇到五个填充型溶洞，其中位于DK354+455～+500段的2号溶洞为高压、富水、粉细砂充填性溶洞。施工过程中采用MKD-5S地质钻机进行超前探孔以确定溶洞地质状况时，当钻机钻到4m深时，突发大的涌水、涌砂，瞬时涌水量达860m3/h，高压水将钻机钻杆顶出，喷射射程达30余米，水中含有大量粉细砂，呈铁锈色。对该溶洞进行水压监测，测试水压力值为2.73MPa，平导在同一里程段也遇到该溶洞。

2.方案的确定

该溶洞水量大、水压高、埋深和规模大且充填粉细砂，在国内外还没有成功方案可以借鉴。经过专家对多种技术方案的论证，最后确定采取以注浆为主的堵水加固方案。但由于砂层密实、孔隙率低、水压大等特点注浆难度很大，故在全断面超前预注浆施工过程中应对注浆材料、注浆工艺、注浆参数等进行进一步研究。鉴于该溶洞钻孔注浆工程量很大，经多次论证，采取迂回导坑绕行，实现溶洞的“两端夹击”，确保注浆质量和工程工期。

3.注浆设计研究

根据现场观察试验，在粉细砂体充填性溶洞中，含水砂层沿水平向呈层状分部这多为地层常年沉积作用的结果，因此砂层之间存在着层间裂隙，在注浆过程中，层间裂隙是最容易被浆液以劈裂的形式进入，浆液以层状扩散分布较为明显，而浆液在纵向很难劈裂扩散。因此在注浆设计时应充分考虑浆液的劈裂扩散特点，优化注浆设计，适当减小纵向注浆孔间距，增加水平孔间距，形成矩形布孔形式，使得注浆设计更适合地质特点，另外有利于提高注浆施工速度。2号粉细砂充填性溶洞注浆设计参数如表1所示，全断面注浆设计图如图1所示。

全断面超前预注浆设计参数表表1

经筛分试验该溶洞充填介质表观密度2700Kg/m 3

，细度模数为0.64属粉细砂。由于该溶洞充填物为粉细砂且密实度高，因此必须对注浆材料进行科学的选择，以保证材料的可注性和强度。对于水泥基注浆材料，采用J.C.King 判式进行判定。

15

85

151≥=

G D N

式中：N(通常取N l )——注浆比；D 15—一土的粒径累积曲线的15%的直径；G 85—一注浆材料的粒径累积曲线的85%的直径。

根据J.C.King 判式，通过对普通硅酸盐水泥、超细水泥、TGRM 和HSC 四种材料进行计算分析，普通

水泥：Nl=D

15/G

85

=14.3<15，超细水泥：Nl=D

15

/G

85

=44.78>15，TGRM：N

l

=D

15

/G

85

=85.55>15，HSC：

N l =D

15

/G

85

=86.33>15因此，可以判定普通水泥单液浆很难注入。选用超细水泥、TGRM、HSC可注入该砂层。

注浆过程中发现，在致密的砂层地质条件下，即使采用可注性好的超细水泥、TGRM和HSC浆材仍

不能达到渗透注浆加固的目的，浆液只能以大劈裂、强挤压、密填充的方式进入地层，因而较难形成均匀、连续的固结体构造，开挖后若浆液强度不能足以抵抗高压动水，很容易被水击穿崩溃，造成流水、涌砂。另外由于地层的不均一性，地层的吸浆能力差异较大，对于吸浆量大的地层若采用超细水泥、TGRM和HSC注浆材料，势必增加资金投入，造成资源浪费，因此在注浆过程中应根据具体情况选择适当的注浆材料以保证施工的社会效益和经济效益。通过对普通水泥单液浆、超细水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆、超细水泥-水玻璃双液浆、HSC单液浆、TGRM单液浆等六种注浆材料进行室内试验和现场应用，形成了以普通水泥单液浆、HSC/TGRM单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆、超细水泥-水玻璃双液浆、超细水泥单液浆为主体的复合型注浆材料体系。现场注浆施工中可根据现场地质特点合理地选择注浆材料，提高注浆加固效果，有效地保证高压富水条件下的安全施工。

注浆材料的选择程序如图2所示。

图2 注浆材料的选择程序

4.2注浆配比

注浆材料根据现场情况采用普通水泥-水玻璃双液浆、普通水泥单液浆、超细水泥-水玻璃双液浆、超细水泥单液浆、HSC浆（TGRM浆）。注浆材料配比如表2所示。现场注浆施工中，应根据情况对浆液配比进行适当调整。

浆液配比参数表表2

5 注浆工艺研究

在圆梁山隧道进口高压富水粉细砂层溶洞注浆施工中，由于充填物含水率高，保水性能差，沉积的砂经过轻微的扰动就会泌水，形成流体，钻机退钻后大量粉细砂随水流出，淤塞并封堵钻孔，浆液无法注入

地层，即使浆液注入也只能在孔口附近形成浆团，无法形成网状结构，没有承受较大压力的能力。在砂层中如何成孔成为制约注浆质量的关键因素。在粉细砂层中，最好的注浆方式是后退式分段注浆，使浆液有控制的扩散，在现有机械设备条件下，粉细砂层成孔难度极大，无法实施后退式注浆。现场只能采取前进式分段注浆工艺，而根据地层特点为了保证较好的注浆效果，必须加大对地层扰动即缩短注浆段长，通过反复的扰动地层使得部分砂体随水流出，来提高地层的空隙率，以促进浆液扩散和劈裂，形成较好网状固结体，提高抗水压的能力。

在粉细砂层中浆液主要以劈裂、挤密的方式对地层进行加固。由于粉细砂透水性强，致密的砂体受扰动后，承载能力迅速降低，在高水压作用下，砂层发生流动，并慢慢液化，形成薄弱环节，从而引起大量的流砂，因此在注浆施工过程中应按两序孔进行施工，形成间隔跳孔、跳排的方式，使地层反复加固和改良，减少注浆盲区，改善注浆效果。

6 注浆参数研究

在粉细砂层中注浆施工，注浆参数的合理选择是一个核心的。由于砂层致密、孔隙率小，浆液扩散十分困难，尤其成孔问题很难解决，为了保证注浆质量必须注浆参数进行深入的研究。通过现场多次注浆试验研究，确定了粉细砂层充填性溶洞全断面超前预注浆参数如表2所示。

粉细砂层充填性溶洞注浆参数表2

7 注浆施工

现场钻孔注浆施工采用MKD-5S钻机先开深2m，直径Φ135mm的钻孔，用锚固剂将Φ108mm孔口管固定在钻孔内并安设高压球阀，待约30分钟，孔口管固结后，通过孔口管钻设Φ90mm注浆孔，钻穿止浆墙后2m，即钻到5m深时开始实施注浆作业。采取前进式分段注浆工艺进行钻孔注浆施工。粉细砂层每次注浆分段长度为1～2m，其它地层每次注浆分段长度为2～4m。钻孔过程中遇到较大突涌水、涌砂，则立即停止钻孔进行注浆。钻孔深度按设计要求，终孔原则上应进入底部破碎围岩1～2m。

注浆顺序采取间隔跳孔、跳排原则，实施挤密型注浆。

注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到6～9MPa时，流量小于5L/min，则结束该孔单孔注浆。

钻孔注浆施工自2003年8月13日开始，到2003年11月8日结束，共完成注浆孔123个（检查孔32个。注浆施工以单液浆为主，约占82%。

8 注浆效果检验

注浆结束后，在注浆薄弱区域钻设检查孔，检查孔内无涌砂、涌水现象，采取CRD法开挖，在开挖时可以观察到地层得到了较好的加固，掌子面没有出现大的渗漏水，完全满足开挖施工要求。圆梁山隧道正洞2号充填性溶洞注浆取得了良好的注浆效果。

9 几点体会

（１）注浆加固是粉细砂充填性溶洞施工的一种有效措施，虽然在粉细砂中难以达到渗透注浆的目的，但是通过加密注浆孔数量，扰动地层增加地层的松散程度，浆液通过劈裂、挤密作用可以达到较好的注浆效果。

（２）粉细砂充填型溶洞应采用高压注浆，并尽量采用超细注浆材料，形成高强、早强、均匀型和连