隧道工程经常会遇到富水的岩溶、断层破碎带、煤矿采空区、风化带等不良地质环境, 其岩性多呈松散破碎或饱水的软流塑状, 具有高压缩性、高灵敏度、低强度等特点, 被扰动易蠕动, 自稳能力极差, 一旦被揭露易发生突水突泥、塌方等重大地质灾害^{[1, 2, 3]}。国内外多采用超前帷幕注浆技术进行治理, 根据水文地质条件、从治理难度和经济性上分为堵排结合、以堵为主^[4]和全面封堵涌水^{[5, 6, 7, 8, 9, 10]}。根据浆液扩散及加固原理, 注浆类型分为充填注浆、渗透注浆、挤密注浆、劈裂注浆及高压旋喷注浆等^{[11, 12, 13]}。对帷幕注浆后存在的注浆薄弱区的处治, 常规做法是等开挖揭露后实施小导管径向补充注浆；对未揭露的浅部注浆薄弱区则实施超前小导管注浆加固, 施工中多采用TSS管后退式注浆加固法^{[14, 15, 16]}, 袖阀管后退式注浆加固法^{[16, 17]}及埋孔口管前进式注浆加固法等。对深部围岩注浆薄弱区的治理方法, 目前尚无文献报道。

注浆是一个隐蔽型极强工程, 帷幕注浆后难免存在注浆加固不到或注浆加固质量较差的薄弱区, 若处治不当, 在隧道开挖中一旦被揭露或沟通仍会出现较大地质灾害, 造成经济损失和人员伤害^[18]。因此在隧道开挖前消除注浆薄弱区尤为重要。针对隧道深部围岩注浆薄弱区的注浆加固, 本研究提出了定域控制注浆技术。通过对定域注浆器的安全性试验, 取得了定域注浆器的抗破坏和止浆后的密闭抗压性可靠数据；通过对薄弱区的安全注浆终压选择试验, 获得了满足薄弱区注浆加固质量要求的最大安全注浆终压参数；通过注浆材料及其混合浆液的初凝时间试验, 获得了适合定域控制注浆要求的浆液配合比及其安全注浆初凝时间。研究成果成功应用于江西吉莲高速公路永莲隧道F2断层突水突泥灾害治理工程, 取得了良好效果。

定域控制注浆技术是指通过隔离手段实现只对深部薄弱区注浆加固, 并彻底消除注浆压力对浅部围岩的影响。其原理如图 1所示：钻孔揭露注浆薄弱区后, 下入定域注浆器, 定域注浆器主要由膨胀止浆塞和定域注浆管组成。膨胀止浆塞位于已加固好的围岩内, 向膨胀止浆塞内注入速凝浆液使之膨胀与孔壁贴合止浆。止浆合格后, 经定域注浆管和溢流孔向薄弱区均匀压入浆液, 达到治理薄弱区的目的。

图 1(Figure 1)

图 1 定域控制注浆技术原理示意图 Fig.1 Schematic diagram of Orientation grouting technology

(1) 用定域注浆管代替钻孔输送浆液, 可以在相同距离内显著缩短浆液进入薄弱区的时间, 无需再专门调配延长浆液初凝时间, 提高了灌注的安全性, 也解决了因延长浆液初凝时间带来的浆液凝结强度变差的难题。

(2) 定域注浆管和膨胀止浆塞在钻孔内隔离了浆液与已加固好的围岩之间的直接接触, 起到了隔压作用, 消除了深部较高注浆压力对浅部已加固围岩的不利影响；膨胀止浆塞位于已加固好的围岩内, 可以阻止浆液进入非薄弱区, 实现了只对薄弱区的注浆加固。

(3) 定域注浆管上溢流孔的均匀分布, 保证了浆液在注浆段内的均匀扩散, 提高了对薄弱围岩的加固效果。

定域控制注浆技术安全实施的关键是做到对注浆过程的精准控制, 其主要内容包括：(1) 对薄弱区的深度、发育范围及其性质的精准探查；(2) 定域注浆器自身安全及其止浆效果的控制；(3) 薄弱区内注浆终压的选择；(4) 注浆材料选择及对其浆液初凝时间的控制。

为确保定域控制注浆技术的安全应用, 必须对其主要技术内容进行试验, 取得安全可靠的应用数据。

定域注浆器的安全性试验主要包括膨胀止浆塞的破坏性试验, 止浆塞密闭性及抗压试验和溢流孔的过浆面积选择试验等。

膨胀止浆塞的破坏性试验目的是取得止浆塞遭到破坏时的最高充填注浆压力, 为膨胀止浆塞在围岩内的安全止浆提供依据。

试验装置如图 2所示。因薄弱区围岩松软破碎, 其内钻孔孔径会大于理论孔径, 故试验中孔径选用理论孔径的1.5倍系数, 用Φ168×7 mm钢管模拟注浆钻孔。使用ZBQS-12/10双液注浆泵通过Φ42×3.5 mm镀锌管向膨胀止浆塞内注入C-GT浆液, 观察膨胀止浆塞破坏时的充填压力。试验共做了3次, 试验数据如图 3所示。

图 2(Fig. 2)

图 2 膨胀止浆塞破坏性试验及其密闭性耐压试验装置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of destruction test of the expansive stopper and confined pressure test after grouting

图 3(Fig. 3)

图 3 膨胀止浆塞破坏性试验充填压力变化 Fig. 3 Filling pressure change of destruction test

试验表明膨胀止浆塞遭破坏时的最低充填压力为1.7 MPa。因此工程应用中膨胀止浆塞的充填注浆压力不超过1.5 MPa应该是安全的。图 3中开始升压的时刻应为膨胀止浆塞被充填饱满且与孔壁贴合的时刻。

止浆塞密闭性及抗压试验目的是取得膨胀止浆塞止浆失败时的最高注浆压力。试验装置如图 2所示。膨胀止浆塞内充填注浆压力达到1.2 MPa且浆液凝固后, 通过阀门2和短管向Φ168 mm钢管空间内压清水, 观察压力表 2在止浆塞泄露或位移时的压力。3次注水试验均在超过12 MPa且稳压20 min后停止, 止浆塞没有出现泄露和外移现象。

溢流孔的过浆面积由其孔径及数量决定。溢流孔的过浆数量和布置方式决定着浆液能否在注浆段内均匀扩散, 能否对薄弱围岩均匀加固。试验装置如图 4所示。注浆管仍使用Φ42 mm镀锌管, 溢流孔按常规梅花型布置, 均匀分布在5 m长镀锌管上, 使用密度相近的泥浆代替浆液。提前试验获得了无压状态下Φ42 mm注浆管内的最大浆液流量为40 L/min。故试验选用40 L/min注浆速率, 保持无压状态向注浆管内注入泥浆, 观测出浆的溢流孔数量。在溢流孔开孔直径为4.5 mm和6 mm条件下分别试验了5组数据, 结果见表 1。

图 4(Fig. 4)

图 4 溢流孔过浆面积选择试验装置图 Fig. 4 Schematic diagram of selection for overflow holes area

表1(Table 1)

表1 不同孔径下出浆的溢流孔数量统计表 Table 1 Statistical table of the number of overflow hole of the slurry with different pore sizes 溢流孔直径/mm 溢流孔数量/个 出浆的溢流孔数量/个 平均数量/个 第1组 第2组 第3组 第4组 第5组 40 40 40 40 40 40 40 50 50 50 50 50 50 50 4.5 60 60 60 60 60 60 60 70 63 64 62 67 65 64 80 65 70 60 75 76 69 20 20 20 20 20 20 20 30 30 30 30 30 30 30 6.0 40 40 40 40 40 40 40 50 45 44 42 47 50 46 60 47 45 44 50 52 48

表1 不同孔径下出浆的溢流孔数量统计表 Table 1 Statistical table of the number of overflow hole of the slurry with different pore sizes

依据试验结果, 由溢流孔直径与定域注浆管过浆内径总结得出公式：

式中：m为注浆段溢流孔的数量, 个；d₁为定域注浆管过浆内径, mm；d₂为溢流孔直径, mm；k为过浆系数(1.0～1.2)。

注浆理论研究表明, 在淤泥质和软流塑黏土地层内浆液主要以劈裂方式进入地层, 基本没有渗透的可能^{[19, 20, 21]}, 单液水泥浆液在此类围岩内只能实现充填和劈裂注浆, 难以达到挤密效果；控制性速凝浆液则可实现充填、劈裂和挤密3种效果, 并可在受注岩体内形成浆脉的网络或骨架结构^{[22, 23]}, 以提高围岩的自稳强度。

薄弱区内的安全注浆终压是指能满足隧道开挖和运营安全的最低注浆加固终压。遵循工程施工安全经济的原则, 注浆终压并非越高越好。注浆压力是提供劈裂和挤密以及浆液扩散的能量^[24], 因此薄弱区内安全注浆终压的选择要参考浆液在其内产生劈裂的临界压强^[25], 必须在现场试验中获得。

现场试验选用长度为6 m的Φ42 mm镀锌管, 镀锌管注浆段均匀布置60个Φ4.5 mm的溢流孔, 向与薄弱区围岩岩性一致的隧道浅部围岩内注入C-GT浆液进行压力试验, 共施工了3个试验钻孔。试验数据如图 5所示。

图 5(Fig. 5)

图 5 薄弱区内注浆压力试验p-t折线图 Fig. 5 Broken line of grouting pressure and time

整个注浆过程包含充填、劈裂和挤密3种方式, 产生了3次劈裂和充填挤密注浆过程。图 5中充填阶段注浆初压近似为浆液在管路中运行的阻力, 实际注浆压力应为注浆泵泵显压力与阻力之差。前两次劈裂压力相近, 应为原始薄弱围岩内的劈裂注浆压力；第3次劈裂压力有所增加, 说明前两次劈裂后经充填挤密注浆, 围岩强度得以提高。薄弱区围岩注浆加固前后的实际临界耐压值应为相应劈裂压力。劈裂后再次升压的节点实际值应为围岩的现实强度。第3次劈裂压力在3.0～3.5 MPa之间, 围岩现实强度也在2.5 MPa以上, 根据类似工程帷幕注浆经验, 此时围岩现实强度应该能满足安全开挖的要求。因此薄弱区实际安全注浆终压选择为2.5～3.0 MPa应该是合适的。

大量注浆实践证明, C-S(水泥-水玻璃)浆液应用局限性表现在管路中易挂壁、初凝强度低, 在动水里抗分散能力差等弊端^[26]；C-GT(水泥-GT)浆液可作为C-S浆液的替代产品, 是由水溶性聚合物分散体和水泥组成的多组分胶凝体系, 具有初终凝时间易于调节、可罐性强、遇水不分散、速凝早强、结石体强度高等优点, 甚至可以实现在较高浓度即呈膏状状态下安全灌注, 由C和GT两种基浆混合而成。其主要性能参数见表 2。

表2(Table 2)

表2 C-GT浆液主要性能参数表 Table 2 Main parameters of slurry C-GT 初凝时间/min 终凝时间/min 抗压强度/MPa 密度/(g·cm-3) 3 h 5 h 3 d 7 d 28 d 0.25~20 2~60 0.2~2.0 0.7~3.0 2.0~5.0 7.0~13.0 10.0~16.0 1.15~1.50

表2 C-GT浆液主要性能参数表 Table 2 Main parameters of slurry C-GT

(1) 基浆密度与配比对C-GT浆液初凝时间的影响

分别选用密度为1.21 g/cm³、1.25 g/cm³的GT浆液和密度为1.5 g/cm³的水泥浆液, 按照水泥浆和GT浆液体积比(Vc∶Vgt)1∶1~5∶1做C-GT浆液的初凝时间试验, 每项试验各做了5次(环境温度为27 ℃), 试验结果见表 3。表 3中各组数据按相同比例分别取平均值, 得出C-GT浆液初凝时间的平均变化趋势, 如图 6所示。

表3(Table 3)

表3 基浆密度与配比对C-GT浆液初凝时间的影响试验 Table 3 Effect of the density of the base mixture on the initial setting time of the C-GT slurry Vc∶Vgt GT浆密度1.25 g·cm-3, C浆密度1.5 g·cm-3混合浆液初凝时间/s GT浆密度1.21 g·cm-3, C浆密度1.5 g·cm-3混合浆液初凝时间/s 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 第1次 第2次 第3次 第4次 第5次 1∶1 127 130 119 127 133 123 113 120 115 130 2∶1 85 84 73 83 85 72 84 89 67 83 3∶1 46 49 43 43 40 43 39 41 30 50 4∶1 31 30 26 30 32 29 27 26 19 23 5∶1 19 21 17 20 21 17 19 17 14 16

表3 基浆密度与配比对C-GT浆液初凝时间的影响试验 Table 3 Effect of the density of the base mixture on the initial setting time of the C-GT slurry

图 6(Fig. 6)

图 6 不同配比下C-GT浆液初凝时间平均变化趋势 Fig. 6 Average change tendency of C-GT slurry initial setting time with different proportions

当Vc∶Vgt不超过3∶1时, 随着比例增加, C-GT浆液的初凝时间由1∶1时的平均120 s左右迅速减少到3∶1时的40 s左右, 减少了80 s。但Vc∶Vgt为3∶1~5∶1, C-GT浆液初凝时间相差只有20 s左右；在同配合比下, C-GT浆液初凝时间随GT浆液密度降低而减少, 但差距较小。

(2) 缓凝剂对C-GT浆液初凝时间的影响

基浆密度和配合比不变, 在C浆中添加3%的缓凝剂(磷酸氢二钠), 充分搅拌后和GT浆液混合, 每项试验各做了4次, 测得C-GT浆液的初凝时间结果见表 4(环境温度为27 ℃)。 表 4中各组数据按相同比例分别取平均值, 得出C-GT浆液初凝时间在添加缓凝剂后的平均变化趋势, 如图 7所示。在加入适量缓凝剂后, C-GT混合浆液初凝时间有显著增加, 其变化趋势与图 6中相类似。但Vc∶Vgt超过3∶1后, 缓凝剂对混合浆液的初凝时间影响不大。

表4(Table 4)

表4 缓凝剂对C-GT浆液初凝时间的影响 Table 4 Effect of retarder on the initial setting time of C-GT slurry Vc∶Vgt GT浆密度1.25 g·cm-3, C浆密度1.5 g·cm-3混合浆液初凝时间/s GT浆密度1.21 g·cm-3, C浆密度1.5 g·cm-3混合浆液初凝时间/s 第1次 第2次 第3次 第4次 第1次 第2次 第3次 第4次 1∶1 327 336 303 270 231 288 234 270 2∶1 144 120 137 107 65 130 93 107 3∶1 52 71 59 59 22 49 40 53 4∶1 32 34 30 30 15 31 27 35 5∶1 19 19 14 14 9 15 16 19

表4 缓凝剂对C-GT浆液初凝时间的影响 Table 4 Effect of retarder on the initial setting time of C-GT slurry

当Vc∶Vgt不超过3∶1时, 随着比例增加, C-GT浆液的初凝时间由1∶1时的平均120 s左右迅速减少到3∶1时的40 s左右, 减少了80 s。但Vc∶Vgt为3∶1~5∶1, C-GT浆液初凝时间相差只有20 s左右；在同配合比下, C-GT浆液初凝时间随GT浆液密度降低而减少, 但差距较小。

(2) 缓凝剂对C-GT浆液初凝时间的影响

基浆密度和配合比不变, 在C浆中添加3%的缓凝剂(磷酸氢二钠), 充分搅拌后和GT浆液混合, 每项试验各做了4次, 测得C-GT浆液的初凝时间结果见表 4(环境温度为27 ℃)。 表 4中各组数据按相同比例分别取平均值, 得出C-GT浆液初凝时间在添加缓凝剂后的平均变化趋势, 如图 7所示。在加入适量缓凝剂后, C-GT混合浆液初凝时间有显著增加, 其变化趋势与图 6中相类似。但Vc∶Vgt超过3∶1后, 缓凝剂对混合浆液的初凝时间影响不大。

图 7(Fig. 7)

图 7 C-GT浆液初凝时间在添加缓凝剂后的平均变化趋势 Fig. 7 Average change tendency of C-GT slurry initial setting time after adding retarder

江西吉莲高速公路永莲隧道设计为分离式双线隧道, 总长4 980 m。隧道在进口端揭露F2断层时左右洞均发生了严重的突水突泥地质灾害, 致工程被迫停止。F2断层处于泥盆系佘田桥组页岩和砂岩互层区内, 两盘岩层风化严重, 裂隙发育且含承压水；页岩含蒙脱石等矿物, 属弱膨胀性围岩, 遇水崩解, 软化、泥化作用强烈, 呈饱水的软流塑状；对致灾F2断层范围内的隧道围岩采用超前帷幕注浆加固方案, 对进口端左右洞共实施了4个帷幕注浆循环, 帷幕注浆加固圈厚度设计为8 m, 每循环超前治理段距30 m。

永莲隧道进口左右洞超前帷幕注浆后应用定域控制注浆技术对深部围岩薄弱区进行补充注浆加固, 注浆薄弱区表现为孔壁坍塌严重且出现不同程度的涌水。以对进口右洞周边帷幕注浆深部薄弱区的治理为例介绍定域控制注浆技术的应用情况。

经周边帷幕注浆3个序次钻孔和检查孔揭露均发现在进口右洞突泥口左侧上部仍存在注浆薄弱区, 必须重新对其重点注浆加固才能彻底消除其安全隐患。对该薄弱区的治理由21个定域注浆钻孔完成。

依据试验结果现场选用参数如下：揭露薄弱区钻孔孔径Φ110 mm, 选Φ42 mm镀锌管作为定域注浆管, 膨胀止浆塞有效长度为3 m, 内充填C-GT浆液, 其膨胀充填终压控制在1.2～1.5 MPa；溢流孔直径Φ4.5 mm, 共65个呈梅花型均匀分布在长度为5～6 m的注浆管上；薄弱区内注浆终压为2.5～3.0 MPa, 注浆泵表显终压为注浆初压与薄弱区内注浆终压之和, 操作中控制注浆泵表显终压；经理论计算C-GT浆液初凝时间为150～300 s, 故选用P.O 42.5R水泥, C密度控制在1.5 g/cm³左右, GT浆液密度控制在1.20 g/cm³左右, Vc∶Vgt为1∶1～2∶1, 配浆时应按水泥质量的3%加入缓凝剂。

增加了7个钻孔, 利用了14个原帷幕注浆钻孔。21个定域注浆钻孔按照跳孔原则分两序次施工。第1序次钻孔深度进入注浆薄弱区内6 m左右, 在近端周边帷幕注浆加固区内止浆, 对第1序治理区域注浆加固；第2序次钻孔穿过注浆薄弱区进入远端周边帷幕注浆加固区内, 在第1序治理区域已加固围岩内止浆, 对第2序治理区域注浆加固。不同序次定域注浆钻孔深度及其治理范围如图 8所示, 定域注浆钻孔开孔位置如图 9所示, 现场实施如图 10所示。

图 8(Fig. 8)

图 8 不同序次定域注浆钻孔深度及其治理范围剖面投影图 Fig. 8 Projection chart of depth of grouting holes in different sequences and its manage range

图 9(Fig. 9)

图 9 不同序次定域注浆钻孔开孔位置布置图 Fig. 9 Layout of grouting holes in different sequence setting

图 10(Fig. 10)

图 10 定域注浆器及其现场安装 Fig. 10 Orientation grouting device and its installation in field

隧道开挖过程中对定域控制注浆治理区进行重点跟踪监测, 注浆治理后的围岩暴露后干燥无水, 结构密实, 浆脉分布明显, 围岩稳定性良好。注浆加固效果如图 11所示。

图 11(Fig. 11)

图 11 薄弱围岩注浆加固效果图 Fig. 11 Pictures of grouting reinforcement

(1) 定域控制注浆技术以注浆管代替钻孔输送浆液, 减少了浆液在钻孔内的运行时间, 实现了浆液在可控初凝时间内安全进入注浆薄弱区, 消除了浆液在钻孔内提前凝固的堵孔风险；膨胀止浆塞止浆后使浆液全部进入薄弱区并保证了薄弱区的注浆压力需要；溢流孔数量和分布满足了对薄弱区的均匀注浆加固；定域注浆管和止浆塞隔离了浆液与钻孔已加固围岩的接触, 消除了较高注浆压力对浅部已加固围岩的不利影响。

(2) 定域控制注浆技术的现场应用, 必须建立在膨胀止浆塞破坏性试验、止浆塞密闭性及抗压试验、溢流孔的过浆面积选择试验、薄弱围岩安全注浆压力的选择试验以及注浆浆液初凝时间试验等的基础上, 在取得安全可靠数据后方可实施。

(3) 试验中发现, C-GT浆液初凝时间受材料质量及批次、基浆浆液密度及配比、基浆混合程度和环境温度等因素影响较大。上述条件有一项发生变化, 都必须重新进行试验已取得准确的C-GT浆液初凝时间。

(4) 定域控制注浆技术是在对F2断层处永莲隧道注浆帷幕深部薄弱区的注浆治理中研发的, 对类似条件下的隧道围岩帷幕注浆具有参考价值, 但在其他条件下的应用效果还有待研究。