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1、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
2、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0.560.73m。 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，级硬土，0 = 400kPa，级围岩，下伏基岩为三叠系上统的砂岩夹页岩，为洞
3、身穿过的主要地层，砂岩为主，夹页岩及薄层煤，级软石级的次坚石，0= 800kPa，级级围岩。弱富水区，设计水量1520m3/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。级软石级次坚石，级、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 m3/d，最大涌水量3338.02 m3/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
4、隧道，断带宽200500m，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，级软石，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 m3/d，最大涌水量达到2654.72 m3/d，曾经发生突水，最大突水量达到7800m3/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
5、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。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；超前帷幕注浆超前局部预注浆钻注浆孔，加工花管钻注浆孔，加工花管注 浆注 浆注浆效果评价达到注浆效果未达到注浆效果开 挖超前二次补注浆开挖后效果评价达到注浆效
6、果未达到注浆效果初期支护后注浆防排水系统衬 砌后注浆效果评判未达到注浆效果注浆设计超前预报及超前探测不满足超前注浆条件总出水量严重破碎带0.4L/min ，一般地段 0.2L/min总出水量严重破碎带0.4L/min ，一般地段 0.2L/min，但某一处涌水10L/min浆液配合比选定二次衬砌施作前，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。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，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
7、院请教了众多隧道专家后确定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1、堵水设计方案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，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
8、面积渗水、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。2、注浆堵水施工 注浆堵水范围注浆堵水范围为隧道周边34m范围。 浆液的选择本着安全可靠、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）和水泥水玻璃双液浆。 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
9、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31，水泥浆现场配制表如32所示。表31 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）水灰比环境温度（与隧道内温度接近）胶 凝 时 间初 凝终 凝0234560.50.50.50.50.50.52020202020203min2
10、0s1min15s1min18s1min10s1min8s5min40s3min15s1min55s1min45s1min32ss表32 水泥浆（不加附加剂）现场配制表水灰比水泥（袋）水（L）制成浆量（m3）备 注0.5:10.6:10.75:11:11.25:11.5:12:124221915131196006607127508128259001.0001.0261.0291.0001.0291.0081.050每袋水泥50kg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
11、:1, 速凝剂掺量（水泥）=36%，视水压情况现场调整。 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520.0Mpa； 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
12、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，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35Be，设计采用浓度为40Be，根据比重D114.15/(144.3-Be)，分别计算出35Be、40Be和45Be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35Be水玻璃稀释成40Be和45Be浓度水玻璃稀释用水量V水，再通过多次试验，总
13、结出水泥浆浓度对水泥水玻璃浆液凝胶时间影响如下表33，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34所示。 表33 水泥浆浓度对水泥水玻璃浆液凝胶时间影响水灰比凝 胶 时 间说 明35Be40Be45Be15：1125：11：1075：105：12min0s1min31s1min18s0min58s0min55s2min55s2min 21s1min51s1min38s1min4s3min44s3min17s2min30s2min18s1min41s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34 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凝 胶 时
14、间35Be40Be45Be1：0.31：0.351：0.41：0.451：0.51：0.551：0.61：0.71：0.80min20.5s0min21s0min24.5s0min27.5s0min29.2s0min32s0min37.5s0min41.2s0min56.4s0min22s0min24.5s0min29.8s0min31s0min34s0min36.9s0min41.5s0min48.1s1min8s0min25.5s0min28.3s0min31.6s0min34.5s0min42.4s0min45s0min48.4s0min56.7s1min17s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40Be浆液，双液浆体积比C：S1：0.8，凝胶时间控制在1min8s1min45s之间，对裂隙小且水压
