遲建平

(青島地鐵集團有限公司，山東青島 266000)

0 引言

在復雜的城市環(huán)境中修建地鐵極易誘發(fā)地表坍塌、構筑物沉降、管線溝破壞、隧道(車站)滲漏水等病害，其中尤以滲漏水病害為甚［1］。已建和在建的地鐵都受到過不同程度的水害威脅，并且水害通常與其他災害呈現出共生關系［2］。城市地鐵水害的威脅主要出現在建設期和運營期［3］。

注漿法作為治理突涌水災害的有效手段在地下工程中得到了越來越廣泛的應用［4］。注漿理論方面的研究主要集中在滲透注漿、劈裂注漿、裂隙充填注漿的公式推導及數值模擬方面，并建立了一系列的理論公式，如 Maag公式［5］、劉嘉才平板裂隙漿液擴散方程［6］等;但是對于裂隙異常發(fā)育的花崗巖地層注漿所涉及的復雜微裂隙網絡注漿方面缺乏研究，沒有相應的注漿壓力、注漿速率及漿液擴散半徑的計算公式，目前還無法指導工程實踐。工程實踐方面，隨著我國隧道、地鐵等地下工程進入大規(guī)模建設階段，對于各種類型的水害注漿治理方法取得了一系列寶貴經驗，包括斷層破碎帶涌水治理［7］、巖溶管道水治理［8］、高壓孔隙砂巖涌水治理［9］等，在注漿材料選取、注漿工藝選擇等方面均取得了一系列寶貴經驗。青島地鐵隧道所處的花崗巖地層裂隙較發(fā)育，且裂隙的空間分布具有很強的不均一性，目前還未在該類型水害治理方面取得相關經驗。綜上，目前對于地鐵隧道微裂隙型滲漏水的注漿工程缺乏針對性的研究。

為解決青島地鐵隧道由微、中、強風化花崗巖及煌斑巖風化帶引起的微孔隙、微裂隙型初期支護滲漏水問題，本文圍繞隧道初期支護滲漏水注漿治理材料選用、注漿工藝及注漿參數選取問題，依托青島地鐵二號線YSK44+569～+539區(qū)段初期支護滲漏水治理工程，采用理論分析與現場試驗相結合的方法，研究初期支護襯砌滲漏水注漿工程中適宜的注漿材料、合理的注漿參數及適用的注漿工藝，有效指導隧道初期支護滲漏水治理工程。

1 工程背景

青島地鐵隧道水害主要以第四系表土層與基巖裂隙水害為主。目前隧道建設過程中，圍巖與支護滲漏水現象極為普遍，并且青島地鐵區(qū)間隧道很多區(qū)段采用全包防水設計，未設置排水系統(tǒng)，這對施工期水害控制提出了更高的要求［10－11］。

1.1 工程地質及水文地質條件

根據已有的巖土工程勘察資料及青島市建委推廣的《青島市區(qū)第四系層序劃分》標準地層層序編號和野外鉆探資料，對地鐵修建有影響的地層自上而下可分為第四系地層與基巖2部分。第四系地層主要由全新統(tǒng)人工填土、全新統(tǒng)沖洪積層、上更新統(tǒng)沖洪積層組成;基巖主要為燕山晚期侵入花崗巖，部分燕山晚期侵入脈巖(巖性為煌斑巖、細?；◢弾r)呈脈狀穿插其間，受構造作用影響，于不同巖性接觸帶見碎裂巖。燕山晚期花崗巖按風化程度分為強風化帶、中風化帶和微風化帶，該區(qū)段地質剖面如圖1所示。

青島地鐵二號線YSK44+569～+539區(qū)段地下水按賦存方式分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2類。第四系孔隙水水力性質為潛水，主要含水層為粗砂、粗礫砂，屬中等－強透水層?；鶐r裂隙水可分為風化基巖裂隙水和構造裂隙水。風化基巖裂隙水為潛水，主要賦存于強、中風化巖層中，基巖裂隙以風化裂隙為主。構造裂隙水水力性質表現為微承壓水，主要賦存于斷裂帶兩側的構造影響帶中，構造裂隙水呈脈狀、帶狀產出，分布不均。擬注漿試驗段所處的隧道穿過微風化花崗巖地層，試驗段隧道埋深為34.6 m，采用兩臺階開挖方式，開挖后圍巖變形很小，初期支護采用“噴射混凝土+鋼拱架+系統(tǒng)錨桿”的支護方式，初期支護噴射混凝土厚度為50 cm，支護施作后圍巖穩(wěn)定。試驗段隧道采用全包防水設計，不設置導流盲管、排水溝等排水系統(tǒng)。

圖1 YSK44+569～+539區(qū)段地質剖面圖Fig.1 Geological profile of YSK44+569～+539 section

1.2 滲漏水類型劃分

該區(qū)段隧道初期支護完成后，隧道拱部及邊墻依舊出現大面積淋雨及股狀滲漏水現象，出水點分散且出水位置不固定，集中出水點一般呈股狀，其余以散狀出水為主。圍巖導水通道一般為裂隙開度小于50 um的裂隙，屬于微裂隙的范疇。隧道發(fā)生微裂隙滲漏水的原因為地下水作為滲漏水水源，花崗巖微裂隙作為滲漏水通道，在隧道開挖揭露花崗巖微裂隙后形成初期支護滲漏水病害［12－13］。

該區(qū)段水害可按照表現形式、儲水形態(tài)和通道特征進行分類，滲漏水類型如圖2所示。

1.2.1 按照表現形式分類

1)滴水。襯砌表面滴水，滴水間隔＞2 s，單點水量 ＜0.01 L/min。

2)線狀流水。襯砌表面形成明水流動，滴水間隔≤2 s，形成線狀流水，水量≥0.01 L/min。

1.2.2 按照儲水形態(tài)與通道特征分類

1)基巖微裂隙滲漏水。因成巖和構造節(jié)理裂隙形成儲水空間，加之爆破震動增大了裂隙導水能力，導致水害發(fā)生。

2)強風化裂隙密集區(qū)滲漏水。強風化花崗巖節(jié)理裂隙密集交錯發(fā)育，在爆破震動松動和地下水滲流作用下，風化形成的泥質阻水充填物被地下水帶走形成水害。

3)強風化破碎區(qū)滲漏水?；◢弾r風化強烈，巖體完整性遭破壞形成了較大的儲水空間和導水通道導致水害，滲漏水量一般較大。

圖2 滲漏水類型劃分Fig.2 Classification of water seepages

2 注漿材料選型試驗

2.1 注漿材料初步選型

注漿材料選型需要從漿液可注性、堵水加固效果、材料耐久性、環(huán)保性能和經濟性等多方面進行考慮。該區(qū)段地層為中風化、微風化的花崗巖，涌水類型為微裂隙型滲漏水，作為滲漏水通道的孔隙及裂隙尺寸微小，漿液的可注性成為選擇注漿材料的基本條件［14］。

普通水泥漿液由于其顆粒粒徑較大，往往無法注入尺寸較小的孔隙或裂隙內部，導致漿液無法形成有效擴散，普通硅酸鹽水泥漿液的不可注性在地鐵二號線前期注漿工作中得到了驗證。經驗表明，雖然水泥漿液可以注入0.2 mm以上的裂隙;但是對于圍巖內部廣泛存在的微小裂隙普通水泥漿液不具有可注性，然而這些微小裂隙恰恰是隧道滲漏水的主要通道，所以普通水泥漿液不適合作為本區(qū)段的注漿材料。水泥－水玻璃、水泥黏土漿液等注漿材料后期強度不高，耐久性差，也不適合作為本區(qū)段的注漿材料。

化學漿液大部分都是真溶液，可在微裂隙巖體內形成有效擴散，但該類注漿材料存在價格高、耐久性不足等缺點。青島地鐵車站及區(qū)間隧道的設計使用期為100年，其對結構耐久性有非常高的要求，因此化學漿液不適合作為本區(qū)段的注漿材料。

超細水泥相比普通水泥顆粒更細，超細水泥顆粒中位粒徑D50可細至1μm以下，達到次納米級，最大粒徑Dmax不超過18μm，80%以上顆粒尺寸在5μm以下。這種顆粒尺寸的超細水泥制成的漿液具有很好的可注性，可滲入普通水泥顆粒無法滲透的微裂隙巖體中。

超細水泥漿液具有與化學漿液相似的良好滲透性和可注性，但是有更高的強度和耐久性，且非常環(huán)保，對周圍環(huán)境無污染，完全適用于青島地鐵隧道中風化、微風化花崗巖地層的滲漏水治理。

2.2 注漿材料選型現場試驗

經過不同種類注漿材料的初步比選，YSK44+569～+563治理區(qū)段內注漿材料采用超細水泥漿液，并針對800目、1 000目及1 250目3種超細水泥漿液進行現場試驗，通過注漿試驗確定不同粒徑超細水泥對微、中、強風化花崗巖及煌斑巖風化帶的滲漏水治理效果，并確定超細水泥的最佳粒徑。所選用的3種型號超細水泥的幾何特征及力學指標見表1。

表1 超細水泥顆粒幾何特征及力學指標Table 1 Geometrical characteristics and mechanical parameters of micro-cement particles

在區(qū)段內選取3個鉆孔1－4、1－6、1－8進行3種注漿材料的注漿試驗，注漿前3個試驗孔周圍均有滴水現象，且滴水速率大致相當。設計1－4孔注入800目超細水泥，1－6孔注入1 000目超細水泥，1－8孔注入1 250目超細水泥。3個鉆孔的鉆孔直徑均為42 mm，鉆孔深度均為4 m。

由于超細水泥初凝時間較短，實際注漿過程中需要控制注漿攪拌時間，盡量不要超過10 min，以避免出現因水泥水化反應時間過長造成漿液稠度增加難以注入的現象，現場采用二級攪拌桶對超細水泥進行二次攪拌，保證水泥漿液的攪拌效果。試驗過程中注漿結束標準采用注漿終壓控制方法，3個孔的注漿終壓均設定為2 MPa，現場試驗水灰質量比采用1∶1，注漿速率等其他注漿參數根據施工情況靈活調整。

1－4試驗孔總計注漿時間為61 min，800目超細水泥累計注漿量為1.03 m3;1－6試驗孔總計注漿時間為67 min，1 000目超細水泥累計注漿量為1.14 m3;1－8試驗孔總計注漿時間為75 min，1 250目超細水泥累計注漿量為1.27 m3。注漿治理完成后，3個試驗孔周圍的滴水均全部消失。3個試驗孔治理后的效果如圖3所示。

圖3 試驗孔注漿治理后的現場效果對比Fig.3 Field effect of grouting through testing holes

2.2.1 注漿效果比較

注漿結束后，3個注漿試驗孔的滴水均全部消失，試驗孔周圍的初期支護壁面也逐漸干燥。相比于1 000目和800目超細水泥，1 250目超細水泥的水泥顆粒細度最小，漿液顆粒通過裂隙的能力最強，注漿阻力最低，相同注漿終壓下其達到的漿液擴散半徑也最大，但是半徑差別不大。從注漿效果來看，高目數的超細水泥比800目超細水泥的注漿效果好，但是差別不大。

注漿過程中，3個試驗孔周圍均出現了不同程度的淋水現象，但是在注漿完成2～3 h后所有試驗孔周圍的淋水全部消失。在3個試驗孔中，采用800目水泥的鉆孔周邊單位時間淋水量最大，淋水消失得最慢，淋水面積最小;采用1 250目水泥的鉆孔淋水量最小，淋水消失的最快，淋水面積最大。分析注漿過程中注漿孔周圍發(fā)生淋水的原因為:由于注漿的影響，圍巖孔隙及裂隙內部會產生超孔隙水壓力;在漿液擴散過程中，由于水泥漿液中的水不會全部參加水泥水化反應，未參加水化反應的水在超孔隙水壓力的作用下從初期支護表面縫隙中滲出，形成注漿過程中的淋水現象。目數越大的超細水泥表面積越大，水泥水化反應越快，可用于析水的自由水越少，導致其單位時間淋水量越少且淋水消失越快，所以800目超細水泥的單位時間淋水量最大且淋水持續(xù)時間最長。目數越大的超細水泥顆粒越細，漿液通過裂隙的能力越強，最終的漿液擴散半徑越大，其發(fā)生淋水的面積也會相應增大，所以1 250目超細水泥的淋水面積相比其他2種超細水泥略大。3種注漿材料在注漿過程中的淋水速率、淋水面積和淋水持續(xù)時間雖有差別，但是差別不大，可以認為3種注漿材料所引起的淋水程度大致相當。

2.2.2P－Q－t曲線對比

3個注漿試驗孔的P－Q－t曲線如圖4所示。

對比3個注漿試驗孔的P－Q－t曲線可得:

1)3個試驗孔的注漿壓力均由初始壓力逐漸上升，800目超細水泥達到注漿終壓2 MPa的時間為55 min，1 000目水泥對應的時間為68 min，1 250目水泥對應的時間為73 min。隨著水泥目數由800目增加到1 250目，水泥顆粒粒徑變小，注漿阻力變小，因此注漿壓力增長到注漿終壓的時間逐漸變長，但是總注漿時間差別不大。

2)800目超細水泥的單孔注漿量為1.03 m3，1 000目超細水泥對應的單孔注漿量為1.14 m3，1 250目超細水泥對應的單孔注漿量為1.27 m3。相比于800目超細水泥，1 000目和1 250目超細水泥的單孔注漿量要大，但是差別不大。

3)3個試驗孔的注漿速率隨時間變化呈現出相似的變化特點。在注漿初期注漿速率快速下降，之后進入穩(wěn)定期，在注漿后期注漿速率由穩(wěn)定值快速下降直至注漿壓力達到結束標準。

從P－Q－t曲線來看，3種型號超細水泥的注漿時間、單孔吃漿量等參數差別不大，1 250目、1 000目與800目超細水泥相比，P－Q－t變化規(guī)律近似一致，不存在本質差別。

圖4 試驗孔P－Q－t曲線Fig.4 P-Q-t curves of testing holes

在現場試驗過程中通過觀察初期支護表面的跑漿位置來判定漿液擴散半徑的大小，若漿液在某處跑漿，說明注漿漿液至少擴散到該位置，跑漿位置距離注漿孔的距離為注漿擴散半徑。3種型號超細水泥注漿性能對比見表2。

表2 3種型號超細水泥注漿性能對比Table 2 Comparison among three types of micro-cements in terms of grouting property

800目超細水泥完全能夠滿足注漿堵水要求，高目數水泥同800目超細水泥之間沒有足夠的質變，考慮到高目數超細水泥經濟成本較高，青島地鐵二號線YSK44+569～+539區(qū)段注漿工程采用800目超細水泥。

3 止?jié){方式及止?jié){深度選擇

在注漿之前需要在鉆孔內設置注漿孔口管，本區(qū)段注漿孔口管由φ42 mm無縫鋼管制成，注漿孔口管的作用主要有3點:1)為漿液進入圍巖裂隙提供入口;2)保護注漿孔周圍巖體在注漿壓力作用下不被破壞;3)實現裂隙滲漏水的控制性排放。

本區(qū)段孔口管止?jié){方式分為孔口直接止?jié){和止?jié){塞止?jié){2種。

孔口直接止?jié){是指不應用止?jié){塞，放置孔口管前在孔口管周圍纏繞一定厚度的浸泡過聚氨酯材料的棉絮，之后將孔口管插入鉆孔一定深度內，依靠聚氨酯材料凝結固化后的強度使得孔口管與初期支護混凝土緊密粘接，并防止?jié){液回流。

止?jié){塞止?jié){的特點是采用止?jié){塞。本區(qū)段所用的止?jié){塞由特制橡膠制成，止?jié){塞兩側與孔口管通過焊接方式連接。止?jié){塞可保證漿液不會進入初期支護與圍巖的裂隙空間，而是直接進入圍巖裂隙，實現漿液的有效擴散與滲漏水封堵。在未注漿前止?jié){塞的橡膠塞直徑為40 mm，在注漿開始后，橡膠塞需要3 MPa的壓力，橡膠塞最大膨脹直徑可達100 mm，橡膠塞被撐開后漿液才可以順利進入圍巖裂隙，止?jié){塞為單向通道構造，只允許漿液由注漿管進入圍巖裂隙而不允許反向流動。

止?jié){方式和止?jié){深度由鉆孔出水深度及圍巖穩(wěn)定性2方面決定。若鉆孔過程中發(fā)現出水位置在初期支護與圍巖之間的裂隙，且滲漏水通道為初期支護與圍巖之間的裂隙，則該鉆孔深度不宜太深，在治理區(qū)段內該類型的鉆孔孔深設為2 m，采用孔口直接止?jié){，如圖5所示。采用孔口直接止?jié){方式時，漿液進入圍巖與初期支護之間的空隙并對其進行充填注漿，注漿壓力直接作用在初期支護上，為了保證初期支護的圍巖穩(wěn)定，注漿壓力不宜太高，區(qū)段實施中控制注漿壓力小于2 MPa。

圖5 孔口直接止?jié){方式Fig.5 Grout stopping at orifice

若鉆進過程中發(fā)現出水位置在圍巖內部，滲漏水通道為圍巖裂隙，則采用止?jié){塞止?jié){，如圖6所示。止?jié){塞需布設在圍巖內部一定深度，以保證注漿作用下初期支護及淺層圍巖不會因注漿作用而發(fā)生破壞。另外，止?jié){塞需布置在鉆孔出水裂隙外側(靠近隧道一側)，以保證漿液順利進入圍巖滲漏水裂隙。

圖6 止?jié){塞止?jié){方式Fig.6 Grout stopping by plugs

在本區(qū)段的孔口管施工過程中，止?jié){塞封閉在首個較大滲漏水點的外側，原則上止?jié){塞布置在50～70 cm深度范圍內，考慮到注漿壓力對圍巖穩(wěn)定性的影響，注漿壓力不宜超過3 MPa。若滲漏水裂隙深度較淺，止?jié){塞布置深度需小于30 cm，此時的注漿壓力不宜超過2 MPa。實際施工過程中存在因施工鉆孔的圓形不規(guī)則而出現少量漏漿的問題，采用棉紗+聚氨酯材料封閉的方法對孔口管進行二次封閉。

4 注漿方案設計及注漿參數選擇

4.1 鉆孔設計

本區(qū)段采用2序次注漿鉆孔設計，第1序次鉆孔起驗證水文地質分析和注漿的作用，第2序次鉆孔起檢查注漿效果和補充注漿的作用。

第1序次鉆孔間距為2.5 m ×2.5 m(環(huán) ×縱)，鉆孔深度為4.5 m，由于施工場地的限制，鉆孔間距可根據實際情況進行調整。根據第1序次鉆孔的布置點位將第2序次鉆孔內插布置。

4.2 水灰比選擇

相關文獻表明，水灰質量比低于0.8∶1時，漿液黏稠度過高，僅適用于某些動水封堵工程，在微孔隙及微裂隙滲漏水中易導致受注介質不可注及可泵性較差的問題;當漿液水灰質量比高于1.3∶1時，漿液水灰比過高，注漿材料含水率較大，在漿液水化反應結束后泌水嚴重，同時結石體體積倒縮嚴重，同樣不適用于微小裂隙注漿工程。本區(qū)段水灰質量比初步采用1∶1，并根據施工情況進行優(yōu)化調整，具體施工中采用密度控制方法進行水灰比控制。

4.3 注漿參數選擇

注漿壓力控制采用初始壓力和終壓雙重控制。初始壓力是指開始正常注漿后(通常幾min)的初始壓力值，此時壓力可認為是裂隙注漿阻力+水壓力，終壓需要控制在初始壓力的2倍，方可達到注漿效果。由于花崗巖裂隙地層孔隙率低，注漿流量需要采用小泵量控制，過大速率容易起壓，本區(qū)段注漿終壓控制在2～3 MPa。

YSK44+569～+539區(qū)段現場注漿治理工程共用時24 d，第1序次鉆孔70個，第2序次鉆孔84個，總鉆探進尺616 m。注漿工程結束后，區(qū)段內的面狀滲水、側壁流水及股狀淋水均全部消失，滴水點減少至3處，滴水速率超過10 s/滴，區(qū)段內的滲漏水得到成功治理。隧道注漿前后對比見圖7。

圖7 隧道注漿前后對比Fig.7 Grouting effect

5 結論與建議

1)通過現場試驗，對注漿材料進行優(yōu)選，800目、1 000目和1 250目超細水泥所達到的注漿效果差別不大，考慮經濟因素最終確定青島地鐵隧道滲漏水治理工程適用注漿材料為800目超細水泥。

2)提出了孔口止?jié){與止?jié){塞止?jié){2種孔口管封閉工藝，并針對微裂隙型滲漏水治理提出了止?jié){深度及注漿終壓選擇方法。

3)確定了適用于青島地鐵隧道微裂隙型滲漏水的鉆孔布置方法及注漿參數:采用2序次鉆孔布置方法，鉆孔間距為2.5 m ×2.5 m(環(huán) × 縱)，鉆孔深度為4.5 m，漿液最佳水灰質量比為1∶1，注漿終壓為2～3 MPa。

4)在微裂隙注漿擴散及封堵理論方面，漿液擴散運移路徑和漿液留存固化堵水機制需進行進一步研究，以便更準確地指導工程實踐。

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