论文部分内容阅读
【摘 要】 在特长大隧道修建过程中不可避免会遇到高压、富水、岩溶等不良地质条件，施工过程中常发生高压涌水、突泥现象，给施工和环境保护都带来了巨大的困难和安全隐患，在高水压、富水区修建长大隧道是一种具有挑战性的世界难题。本文依托铜锣山隧道高水压、富水、岩溶的特点，结合周围环境条件，研究了帷幕注浆堵水的相关理论。从溶液型浆材和悬浊液型浆材两方面探讨了注浆材料的种类，以铜锣山隧道施工的帷幕注浆堵水为基础，概述了国内外常用的注浆设计和注浆施工工艺。
【关键词】 隧道施工；注浆；堵水；工艺
1.引言
本文涉及铜锣山隧道施工，若采取排水方案将造成岩溶地下水水位大幅下降，导致翼部暗河出口水量大幅减小，严重时极可能被袭夺疏干；水位大幅下降，相应地水力梯度会大幅增加，溶蚀加强，长期如此，隧道通过地带居民饮水水源的小岩溶泉水点将被袭夺疏干，地下水和隧道的埋深均较大[1]，地表松散层非常薄，疏干排水极可能会产生大面积岩溶塌陷，危及村民的生命、财产安全；岩溶水水流不断携带溶洞充填物或洼地覆土层、溶蚀漏斗，会产生局部地面开裂，甚至岩溶塌陷；因此，堵水施工也是确保隧道安全开挖的前提。
为保证铜锣山隧道建成后的“绿色工程”，铜锣山隧道对于水的处理采用“以堵为主、限量排放”的原则。
2.注浆材料种类的选择
随着注浆技术在工程建设领域中的逐年扩展，浆材也从早期的粘土、石灰和水泥发展到现在的水泥-水玻璃浆液与各种化学浆液共存的快速发展时期。注浆材料通常指浆液中的主剂，为化学材料和粒状材料；浆液是同主剂、溶剂、固化剂等经混合后所配成的液体，可分为溶液型和悬浊型两大类。
2.1 溶液型浆材
（1）水玻璃类浆液
水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和胶凝剂组成，具有可注性好，凝胶时间短，毒副作用小等优点。水玻璃是化学注浆中最早得到应用的材料[2]。
（2）丙烯酸盐类浆液
丙烯酸盐浆液是由一定浓度的单体、引发剂、缓凝剂、交联剂等组成的水溶液，浆液可注性好，胶凝时间可控制在数秒至数小时之间。
（3）木质素类浆液
木制素类浆液由纸浆废液、促凝剂和胶凝剂等组成。木质素类浆液包括硫木素和铬木素浆液。硫木素浆液低毒、无毒，是可用性高的注浆材料。而铬木素浆液固化剂为重铬酸纳，其毒性大，无法大规模使用。
（4）聚氨酯类浆液
聚氨酯类浆液分水溶性和非水溶性。水溶性浆液具有亲水性，浆液可均匀地分散或融解于水中，胶凝后形成包含大量水的弹性体；非水溶性浆液难以被地下水冲稀，遇水膨胀，粘度低，扩散半径和凝固体积比大，无环境污染，可注性能好。
（5）环氧树脂类浆液
环氧树脂类浆液的优点是粘结力强、强度高、收缩小、化学稳定性好，它的粘结力和内聚力都较混凝土大，所以可用于结构补强。但存在浆液粘稠，可注性低，憎水性强，与潮湿裂缝粘结力差等不足。
2.2 悬浊液型浆材
悬浊液型浆材是指固体颗粒悬浮在水中的注浆材料。主要包括纯水泥浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。
（1）水泥浆液
普通硅酸盐水泥是目前注浆工程中最常用的注浆材料。水泥细度是决定水泥性能的重要因素之一。水泥浆液材料造价低，无毒性，来源广，施工工艺简单方便，结石率能达到99%，结石抗压强度可达22MPa[3]。水泥浆液的缺点是易沉淀析水，稳定性差，不适宜动水条件下注浆。由于本文涉及的铜锣山隧道施工并无特殊要求，因此水泥浆液是施工所用的主要材料。
（2）水泥粘土类浆液
水泥粘土浆液是由水泥与粘土和水按比例混合而成。因粘土具有亲水性好，分散性高的优点，所以浆液沉淀析水性小，水泥粘土浆液的稳定性很高。水泥粘土类浆液的结石率可高达100%，结石抗压强度达13.6MPa。
（3）水泥水玻璃类浆液
水泥水玻璃浆液也叫CS浆液，是用水泥和水玻璃作主剂，按配比混合成双液方式注入，也可加入速凝剂或缓凝剂来调整胶凝时间。其胶凝时间可调整在数秒内，可达到控域注浆的目的，弥补了单一水泥浆的凝结时间长的缺点，目前应用极其广泛。
（4）超细水泥浆液
超细水泥最大粒径10μm，平均粒径仅4μm，。因此它能够渗入到渗透系数为10-3～10-4cm/s的细砂层和岩石的细裂隙中。且抗压强度高，结石耐久性强，浆液可注性好，稳定性高。对于富含水饱和地层而言，采用超细水泥较其它材料优势明显。
3.注浆设计
目前，注浆设计方法均采用注浆参数为定值的“安全系数法”，且大多是依赖工程经验，保守、准确性低，需进一步发展。因注浆介质的不均一性、复杂性及注浆影响因素的不确定性，使很多关于注浆的研究成果仍处于定性阶段或无法精确定量，很难在实践注浆设计中得到运用。所以在注浆设计中往往采用现场注浆试验或半经验公式确定参数[4]。
通常规定，地质条件复杂的区域注浆或较大规模的注浆工程，必须先进行注浆试验确定参数后，再正式注浆。随着注浆应用领域及注浆规模的逐年扩大，以往的单一注浆方式已不能满足工程的需要。因此，如今在注浆设计中大多采用综合注浆法，也就是在一个注浆区采用几种注浆方式和几种不同性质的浆材联合，以满足不同的地质单元与边界注浆目的的需要。
另外确定注浆需达到的质量标准也十分重要，标准高低的选择影响到注浆工程的进度、质量、造价以及建（构）筑物的安全。原始阶段的注浆目的相对单一，现代注浆需同时满足多个目标，所以注浆标准也就变得复杂化和多样化，这无疑会给注浆设计参数的选取增加更大的难度。另外，还必须要考虑到注浆对周边环境的影响，也就是环保控制要求，这个问题也越来越受到关注，甚至成为注浆方案选择或放弃的重要原则，其对注浆方式，注浆材料要求都提出严格的限制。 总之，注浆设计过程是一个多模糊性，多影响因素的复杂动态随机过程，且因设计多采用半经验与经验公式，所以导致实际值与计算值差别很大。
4.注浆施工工艺
4.1 单液注浆和双液注浆
单液注浆，是通过压力传递，使浆液沿地层应力场中弱应力分布区或最小主应力面劈裂、延伸，形成不规则状或脉状的凝结体，具有挤实和压密作用，进而使土体的孔隙减小，压缩模量增大[5]。单液注浆的优点是施工操作简单，速度快，造价低；双液喷射注浆是将带有喷头的注浆管下入到地层，利用压缩空气流保护的高压水射束，对土体进行冲切切割，同时注入浆液，使其成为理想形状的凝结体。采用双液喷射注浆时，注浆的范围及形状可控，施工进度快，成本低。
4.2 “孔口封闭”式、“孔内卡塞”式、综合注浆
“孔口封闭”注浆是在孔口处安装孔口管，由上至下分段钻进，安设孔口封闭器注浆，如此循环钻注直至结束；“孔内卡塞”注浆即下入套管一次性钻孔到底，套管跟至最底段，下入止浆塞至套管底部进行注浆，由下至上分段注浆，最后一段安设孔口管进行灌注。综合注浆是根据现场施工实际情况采用以上两种方式相结合的注浆方式。
5.结语
铜锣山隧道工程采用高水压、富水区帷幕注浆综合技术进行施工，解决了大型高压、富水、深埋、充填型溶洞注浆加固的技术难题，并取得了新的科研成果。推动了隧道及地下工程施工技术的进步，产生了巨大的社会、经济效益。为确保铜锣山隧道顺利实现贯通，除对高压富水的防治外，还应做好隧道前方地层预报工作，准确及时的地质预报对调整开挖方案有重要的指导意义，可有效避免隧道涌砂突泥出现，避免灾害性事故发生。
参考文献
[1] 吴建元.大瑶山隧道帷幕注浆及地表深孔注浆施工技术[J]..铁道建筑技术，2005，（51）
[2] 邹振华.全断面帷幕注浆堵水在大瑶山隧道施工中的应用[J]..现代隧道技术，2003，（01）
[3] 周训高.大瑶山隧道突发性涌水整治技术.铁道标准设计[J].2006，（11）
[4] 齐传生.圆梁山隧道深埋大规模充填性溶洞成因探讨[J].铁道勘察，2004（04）
[5] 王勐.圆梁山毛坝向斜段隧道涌突水灾害及对地下水的影响[J].中国安全科学学报，2004（05）
【关键词】 隧道施工；注浆；堵水；工艺
1.引言
本文涉及铜锣山隧道施工，若采取排水方案将造成岩溶地下水水位大幅下降，导致翼部暗河出口水量大幅减小，严重时极可能被袭夺疏干；水位大幅下降，相应地水力梯度会大幅增加，溶蚀加强，长期如此，隧道通过地带居民饮水水源的小岩溶泉水点将被袭夺疏干，地下水和隧道的埋深均较大[1]，地表松散层非常薄，疏干排水极可能会产生大面积岩溶塌陷，危及村民的生命、财产安全；岩溶水水流不断携带溶洞充填物或洼地覆土层、溶蚀漏斗，会产生局部地面开裂，甚至岩溶塌陷；因此，堵水施工也是确保隧道安全开挖的前提。
为保证铜锣山隧道建成后的“绿色工程”，铜锣山隧道对于水的处理采用“以堵为主、限量排放”的原则。
2.注浆材料种类的选择
随着注浆技术在工程建设领域中的逐年扩展，浆材也从早期的粘土、石灰和水泥发展到现在的水泥-水玻璃浆液与各种化学浆液共存的快速发展时期。注浆材料通常指浆液中的主剂，为化学材料和粒状材料；浆液是同主剂、溶剂、固化剂等经混合后所配成的液体，可分为溶液型和悬浊型两大类。
2.1 溶液型浆材
（1）水玻璃类浆液
水玻璃类浆液是由水玻璃溶液和胶凝剂组成，具有可注性好，凝胶时间短，毒副作用小等优点。水玻璃是化学注浆中最早得到应用的材料[2]。
（2）丙烯酸盐类浆液
丙烯酸盐浆液是由一定浓度的单体、引发剂、缓凝剂、交联剂等组成的水溶液，浆液可注性好，胶凝时间可控制在数秒至数小时之间。
（3）木质素类浆液
木制素类浆液由纸浆废液、促凝剂和胶凝剂等组成。木质素类浆液包括硫木素和铬木素浆液。硫木素浆液低毒、无毒，是可用性高的注浆材料。而铬木素浆液固化剂为重铬酸纳，其毒性大，无法大规模使用。
（4）聚氨酯类浆液
聚氨酯类浆液分水溶性和非水溶性。水溶性浆液具有亲水性，浆液可均匀地分散或融解于水中，胶凝后形成包含大量水的弹性体；非水溶性浆液难以被地下水冲稀，遇水膨胀，粘度低，扩散半径和凝固体积比大，无环境污染，可注性能好。
（5）环氧树脂类浆液
环氧树脂类浆液的优点是粘结力强、强度高、收缩小、化学稳定性好，它的粘结力和内聚力都较混凝土大，所以可用于结构补强。但存在浆液粘稠，可注性低，憎水性强，与潮湿裂缝粘结力差等不足。
2.2 悬浊液型浆材
悬浊液型浆材是指固体颗粒悬浮在水中的注浆材料。主要包括纯水泥浆、水泥粘土浆、水泥水玻璃浆等。
（1）水泥浆液
普通硅酸盐水泥是目前注浆工程中最常用的注浆材料。水泥细度是决定水泥性能的重要因素之一。水泥浆液材料造价低，无毒性，来源广，施工工艺简单方便，结石率能达到99%，结石抗压强度可达22MPa[3]。水泥浆液的缺点是易沉淀析水，稳定性差，不适宜动水条件下注浆。由于本文涉及的铜锣山隧道施工并无特殊要求，因此水泥浆液是施工所用的主要材料。
（2）水泥粘土类浆液
水泥粘土浆液是由水泥与粘土和水按比例混合而成。因粘土具有亲水性好，分散性高的优点，所以浆液沉淀析水性小，水泥粘土浆液的稳定性很高。水泥粘土类浆液的结石率可高达100%，结石抗压强度达13.6MPa。
（3）水泥水玻璃类浆液
水泥水玻璃浆液也叫CS浆液，是用水泥和水玻璃作主剂，按配比混合成双液方式注入，也可加入速凝剂或缓凝剂来调整胶凝时间。其胶凝时间可调整在数秒内，可达到控域注浆的目的，弥补了单一水泥浆的凝结时间长的缺点，目前应用极其广泛。
（4）超细水泥浆液
超细水泥最大粒径10μm，平均粒径仅4μm，。因此它能够渗入到渗透系数为10-3～10-4cm/s的细砂层和岩石的细裂隙中。且抗压强度高，结石耐久性强，浆液可注性好，稳定性高。对于富含水饱和地层而言，采用超细水泥较其它材料优势明显。
3.注浆设计
目前，注浆设计方法均采用注浆参数为定值的“安全系数法”，且大多是依赖工程经验，保守、准确性低，需进一步发展。因注浆介质的不均一性、复杂性及注浆影响因素的不确定性，使很多关于注浆的研究成果仍处于定性阶段或无法精确定量，很难在实践注浆设计中得到运用。所以在注浆设计中往往采用现场注浆试验或半经验公式确定参数[4]。
通常规定，地质条件复杂的区域注浆或较大规模的注浆工程，必须先进行注浆试验确定参数后，再正式注浆。随着注浆应用领域及注浆规模的逐年扩大，以往的单一注浆方式已不能满足工程的需要。因此，如今在注浆设计中大多采用综合注浆法，也就是在一个注浆区采用几种注浆方式和几种不同性质的浆材联合，以满足不同的地质单元与边界注浆目的的需要。
另外确定注浆需达到的质量标准也十分重要，标准高低的选择影响到注浆工程的进度、质量、造价以及建（构）筑物的安全。原始阶段的注浆目的相对单一，现代注浆需同时满足多个目标，所以注浆标准也就变得复杂化和多样化，这无疑会给注浆设计参数的选取增加更大的难度。另外，还必须要考虑到注浆对周边环境的影响，也就是环保控制要求，这个问题也越来越受到关注，甚至成为注浆方案选择或放弃的重要原则，其对注浆方式，注浆材料要求都提出严格的限制。 总之，注浆设计过程是一个多模糊性，多影响因素的复杂动态随机过程，且因设计多采用半经验与经验公式，所以导致实际值与计算值差别很大。
4.注浆施工工艺
4.1 单液注浆和双液注浆
单液注浆，是通过压力传递，使浆液沿地层应力场中弱应力分布区或最小主应力面劈裂、延伸，形成不规则状或脉状的凝结体，具有挤实和压密作用，进而使土体的孔隙减小，压缩模量增大[5]。单液注浆的优点是施工操作简单，速度快，造价低；双液喷射注浆是将带有喷头的注浆管下入到地层，利用压缩空气流保护的高压水射束，对土体进行冲切切割，同时注入浆液，使其成为理想形状的凝结体。采用双液喷射注浆时，注浆的范围及形状可控，施工进度快，成本低。
4.2 “孔口封闭”式、“孔内卡塞”式、综合注浆
“孔口封闭”注浆是在孔口处安装孔口管，由上至下分段钻进，安设孔口封闭器注浆，如此循环钻注直至结束；“孔内卡塞”注浆即下入套管一次性钻孔到底，套管跟至最底段，下入止浆塞至套管底部进行注浆，由下至上分段注浆，最后一段安设孔口管进行灌注。综合注浆是根据现场施工实际情况采用以上两种方式相结合的注浆方式。
5.结语
铜锣山隧道工程采用高水压、富水区帷幕注浆综合技术进行施工，解决了大型高压、富水、深埋、充填型溶洞注浆加固的技术难题，并取得了新的科研成果。推动了隧道及地下工程施工技术的进步，产生了巨大的社会、经济效益。为确保铜锣山隧道顺利实现贯通，除对高压富水的防治外，还应做好隧道前方地层预报工作，准确及时的地质预报对调整开挖方案有重要的指导意义，可有效避免隧道涌砂突泥出现，避免灾害性事故发生。
参考文献
[1] 吴建元.大瑶山隧道帷幕注浆及地表深孔注浆施工技术[J]..铁道建筑技术，2005，（51）
[2] 邹振华.全断面帷幕注浆堵水在大瑶山隧道施工中的应用[J]..现代隧道技术，2003，（01）
[3] 周训高.大瑶山隧道突发性涌水整治技术.铁道标准设计[J].2006，（11）
[4] 齐传生.圆梁山隧道深埋大规模充填性溶洞成因探讨[J].铁道勘察，2004（04）
[5] 王勐.圆梁山毛坝向斜段隧道涌突水灾害及对地下水的影响[J].中国安全科学学报，2004（05）