一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法
阅读说明：本技术 一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法 (Safe and rapid water plugging and reinforcing method in strong water-rich soft surrounding rock of operation tunnel ) 是由 张庆松 潘光明 李术才 杨磊 林春金 刘春国 张洪顺 王凤伟 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法,包括如下步骤：通过钻孔注浆,将隧道围岩深部的储导水空间中的水替换,进行充填封堵；然后再向隧道围岩浅部进行帷幕注浆加固。A类钻孔先封堵围岩内储导水构造,通过浆液充填把储导水构造内的地下水替换掉,把水赶到被加固围岩范围之外,把围岩强富水状态转变为饱水状态或贫水状态。B类钻孔对帷幕注浆范围内的处于饱(贫)水状态的松软围岩进行注浆加固,提高其整体强度,整体稳定性,降低其渗透系数。(The invention discloses a safe and rapid water plugging and reinforcing method in strong water-rich soft surrounding rock of an operation tunnel, which comprises the following steps: replacing water in a water storage and guiding space at the deep part of the tunnel surrounding rock by drilling and grouting to fill and plug; and then curtain grouting reinforcement is carried out on the shallow part of the surrounding rock of the tunnel. The class A drilling hole firstly seals the water storage and guide structure in the surrounding rock, underground water in the water storage and guide structure is replaced through slurry filling, water is driven to the outside of the range of the reinforced surrounding rock, and the strong water-rich state of the surrounding rock is converted into a water-saturated state or a water-poor state. The B-type drill hole performs grouting reinforcement on the soft surrounding rock in a full (poor) water state within the curtain grouting range, so that the overall strength and the overall stability of the soft surrounding rock are improved, and the permeability coefficient of the soft surrounding rock is reduced.)
技术领域
本发明涉及隧道堵水加固技术领域，特别涉及一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
近几年随着南方异常气候的影响，地质灾害频繁，经济和生命安全受到极大威胁。有些运营时间较长的隧道出现了病害，主要表现在突水突泥，二衬结构、道路等破坏，严重影响交通安全。经分析造成这类突水突泥地质灾害的主要原因是围岩内发育有较严重的地质构造，比如地下富水岩溶、地下暗河等，地质构造成为地下水储存的空间，并对隧道围岩产生侵袭破坏而突水；当强富水遇到松软围岩后，松软围岩失去其胶结力，稳定性级差，从而严重影响着隧道结构。当松软围岩被水携带溃出后，往往地表出现塌陷坑，对环境形成较大破坏。对这类地质灾害治理的难度主要表现在注浆钻孔揭露地下水时，地下水流速快，压力高，携带大量泥沙冲出，注入的浆液难以留存，难以固结，即使固结了，也会在附近钻孔施工扰动下出现松动，被涌水冲垮的现象。因为被突水突泥破坏了二衬结构，二衬失去了保护能力，钻探注浆扰动会造成隧道二衬开裂掉落，而且破损的二衬结构难以承受注浆压力的影响。按照以往常规帷幕注浆方法难以保证安全及注浆效果。因此对这类较为严重的突水突泥致灾围岩的治理一直是困扰工程技术人员的一大技术难题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法。通过两类钻孔分序次注浆，减少了帷幕注浆的盲目性和重复性，使注浆操作更加安全。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法，包括如下步骤：
通过钻孔注浆，将隧道围岩深部的储导水空间中的水替换，进行充填封堵；然后再向隧道围岩浅部进行帷幕注浆加固。
先通过钻孔注浆充填封堵强富水围岩内深部的储导水构造，把储导水构造内的水替换走，固结后形成一定强度的结石体，起到充填构造空间，封堵涌水的作用，隔绝地下水对隧道围岩浅层被加固范围内的充水强度，使浅层注浆加固范围由强富水变为饱水或贫水状态；而且，固结后的结石体具有一定的强度，通过注浆管对隧道围岩起到一定的拉力。再利用钻孔对隧道浅部围岩进行帷幕注浆加固时，可以防止浅部围岩在注浆扰动下开裂掉落，而且由于对涌水进行了封堵，可以避免在注浆过程中，围岩在钻孔施工的扰动下松动，进而被涌水冲垮。
在一些实施例中，充填封堵步骤中，在二衬表面施工A类钻孔，当A类钻孔揭露围岩深部储导水构造时，进行注浆。
进一步的，A类钻孔施工过程中，遇到的涌水量大于3m3/h时方可注浆。
进一步的，A类钻孔注浆使用的浆液包括单液水泥浆和水泥基双液浆，单液水泥浆的密度为1.5-1.75g/cm3，水泥基双液浆为水泥-水玻璃浆液或水泥-GT浆液。
更进一步的，所述水泥-水玻璃浆液中，水玻璃模数范围为2.4-3.0，波美度为35-42。
更进一步的，当注浆压力高时，单液水泥浆的密度高，注浆压力小时，单液水泥浆的密度低。
进一步的，A类钻孔注浆时，首先注入单液水泥浆。A类钻孔注浆使用的浆液包括单液水泥浆和水泥基双液浆，水泥基双液浆是在灌注单液水泥浆过程中并以水泥浆作为基液添加另一种浆液。故无论是注单液水泥浆还是水泥基双液浆，均需先注入单液水泥浆。
更进一步的，当注入单液水泥浆60min后，注浆压力不升高，且注浆速率不降低时，将单液水泥浆替换为水泥基双液浆，当注浆压力超过设计终压的45-55％，且有升压趋势时，再替换为单液水泥浆，当注浆压力低于设定值时，再替换为水泥基双液浆，如此，反复交替。
A类钻孔注浆以充填深部储导水构造空隙为目的，使用的浆液主要为单液水泥浆，起到充填保强的作用，即利用了单液水泥浆固结后较高的固结强度，充填到储导水构造内后，可以防止储导水构造再次被地下水充水。使用水泥基双液浆的目的是当遇到与治理范围沟通能力较强的外部储导水构造时，单液水泥浆会不断向外扩散而流失，这时可以利用水泥基双液浆的抗分散、速凝和早强特性，注入到储导水构造内后速凝，堆积在构造内，阻挡单液水泥浆向远端的扩散流失。水泥基双液浆起到辅助浆液作用。在围岩深部的储导水构造内注浆采用单液浆和水泥基双液浆交替注浆的方式，既可以保证单液水泥浆对储导水构造空隙的充填，又可以有效防止单液水泥浆的流失。
更进一步的，A类钻孔注浆最终以单液水泥浆作为注浆结束时的浆液。因水泥浆不具有速凝特性，比双液浆更有较强的渗透性和扩散能力。因此对于注浆接近结束时，最终以单液水泥浆作为注浆结束时的浆液，更能发挥浆液对被注围岩的渗透扩散和加固作用。这就是注浆开始和注浆结束时均以注入单液水泥浆的目的所在。
再进一步的，A类钻孔注浆压力达到设计终压时，采用最小泵量间歇式注浆，直至注浆压力在设计终压持续时间超过5min，停止注浆。
进一步的，A类钻孔注浆的设计终压为2.5-4MPa。在二衬结构遭到破坏，耐压强度较低或钻孔深度较浅处，设计终压取低值即2.5MPa；在二衬结构没有遭到破坏其耐压强度较高且钻孔较深处注浆时，设计终压为髙值即4MPa。
进一步的，A类钻孔注浆前，还包括施工注浆套管的步骤。
在一些实施例中，待A类钻孔注浆施工完成后，施工帷幕注浆，在二衬表面施工B类钻孔。
进一步的，B类钻孔的施工深度为10-15m，A类钻孔的施工深度的最大值为B类钻孔施工深度的2倍。把地下水封堵在帷幕注浆加固范围之外，并防止注浆后的外部区域的地下水对帷幕注浆加固区的压力破坏，一般把A类钻孔控制的围岩深度为帷幕注浆加固圈深度的2倍左右。其目的是有效隔离地下水对加固区域围岩的压力破坏。
更进一步的，B类钻孔钻进过程中，揭露水流量为1-3m3/h的涌水或出现塌孔时，钻探深度达到3m时，即可把该3m作为一个注浆段；
如果钻孔揭露涌水量小于1m3/h或钻孔稳定孔壁不坍塌掉块时，每5m作为一个注浆段。
再进一步的，B类钻孔开始注入单液水泥浆，注入浆液体积超过注浆钻孔容积的2倍时，且注浆压力小于设计终压时，替换为水泥基双液浆，直到注浆压力达到设计终压为止。
再进一步的，B类钻孔注浆以水泥基双液浆作为注浆结束时的浆液。
本发明的有益效果为：
(1)本发明创造性的提出了一种运营隧道强富水松软围岩内注浆钻孔的分类方法及施工序次。A类钻孔先封堵围岩内储导水构造，通过浆液充填把储导水构造内的地下水替换掉，把水赶到被加固围岩范围之外，把围岩强富水状态转变为饱水状态或贫水状态。B类钻孔对帷幕注浆范围内的处于饱(贫)水状态的松软围岩进行注浆加固，提高其整体强度，整体稳定性，降低其渗透系数。
(2)两类钻孔起到的作用不同。各有针对性，目的明确。
(3)通过两类钻孔分序次注浆，减少了以前钻孔注浆的盲目性和重复性，注浆更加明确快捷，更加有利于分析注浆资料，注浆操作更加安全，效果更好。
(4)本发明也可以应用在类似水文地质条件下的建隧道的地质灾害治理，区别为在隧道掌子面处修筑止浆墙，止浆墙为内含钢筋的素混凝土，强度标号不低于C30；止浆墙外表面作为注浆钻孔定位及开孔位置，其功能和作用与运营隧道二衬结构所起的作用相同。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1：一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法原理示意图；
图2：A类、B类钻孔控制深度及部位示意图；
图3：A类、B类钻孔孔位布置原理平面投影示意图；
图4：A类钻孔注浆原理示意图；
图5：B类钻孔注浆原理示意图。
其中：1、松软围岩，2、储导水构造，3、A类钻孔，4、B类钻孔，5、二衬，6、储导水构造充填体，7、被注浆加固后的松软围岩。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种运营隧道强富水松软围岩内安全快速堵水加固方法，包括如下步骤：
1、首先根据隧道突水突泥地质灾害治理设计方案，在隧道内圈定需要治理的隧道里程桩号范围。首先在选定的治理范围内二衬5表面标出A类钻孔的孔位，B类钻孔孔位在A类钻孔施工完毕后再标定。
2、先施工A类钻孔。A类钻孔3为探查、揭露并封堵围岩深部储导水构造2的注浆钻孔。A类钻孔均需要穿过二衬结构5，深度超过二衬5，并进入围岩2m，因二衬结构5的厚度为0.4m，故钻孔深度为2.5m。钻孔孔径为Φ150mm，钻孔内下入Φ127mm注浆套管，Φ127mm套管长度b为2.5m。对Φ127mm注浆套管管外与二衬、围岩间隙进行注浆封固，注浆封管选用水泥基双液浆。注浆封闭套管时，钻孔注浆压力达到设计注浆终压的1.5倍时，套管无外移，管外无泄漏时，表明套管封闭合格。NSB隧道灾害治理注浆设计终压为3MPa，套管封固后注水试验破坏压力为4.5MPa。套管封固合格后，使用75mm钻孔孔径在围岩内钻进施工。
3、因为设计的NSB隧道围岩帷幕注浆加固圈厚度h1(即B类钻孔深度)为15m，故A类钻孔设计深度最深不超过30m，即h2为30m，h1为15m。A类钻孔的深度根据其所处位置和揭露围岩内储导水构造2的深度不同而不同。A类钻孔只在揭露储导水构造2后方可注浆。注浆要求必须把揭露的储导水构造2用浆液充填满方可停止注浆，是否充填满的判断标准是否达到设计注浆终压。储导水构造2被浆液充满后形成具有一定强度和隔水能力的储导水构造充填体6，如图4所示。
4、A类钻孔注浆使用的浆液为单液水泥浆和水泥基双液浆两种。单液水泥浆选用了当地生产的P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥。水泥浆密度控制在1.5-1.75g/cm3之间。注浆过程中，开始使用的水泥浆浓度为1.5g/cm3左右，注浆初期注浆压力低于1.0MPa时，使用的水泥浆密度为1.75g/cm3左右(密度上下浮动不超过0.05g/cm3)，当注浆压力高于1.0MPa时，使用的水泥浆密度为1.50g/cm3左右(密度上下浮动不超过0.05g/cm3)。但注浆压力达到设计注浆终压时，要采用最小泵量(NBB260/7注浆泵最小泵量40L/min)间歇式注浆，即注-停-注的方式，直到注浆压力持续保持在3.0MPa左右，且持续时间不短于5分钟时，停止注浆。
(2)A类钻孔注浆开始后超过60分钟注浆压力不升高，仍为不超过0.5MPa的较低注浆压力且注浆速率不降低时，要把注单液水泥浆改为注水泥基双液浆。作为辅助注浆浆液的水泥基双液浆选用了水泥-水玻璃浆液，水玻璃模数为2.8，波美度为38Be。配制双液浆时，使用的单液水泥浆平均密度为1.60g/cm3左右。水泥浆和水玻璃浆液的体积比为2:1，混合浆液初凝时间为45秒左右。注入水泥-水玻璃混合浆后，当注浆压力超过设计终压的50％且有升压趋势时，再改注单液水泥浆。当压力又低于1.0MPa时，改注双液浆。这样反复交替注入单液水泥浆或水泥基双液浆，但最终以注单液水泥浆作为注浆结束时的浆液。
5、A类钻孔全部施工完后，按照图2、图3钻孔定位方式，在A类钻孔孔位间布设B类钻孔孔位，并施工B类钻孔。B类钻孔控制的深度是对隧道浅部围岩帷幕注浆加固的厚度h1。B类钻孔注浆套管规格、长度以及封闭固结要求、封闭质量要求以及进入围岩内的钻孔直径均与A类钻孔相同。B类钻施工采用前进式方式进行，B类钻孔揭露水量在1-3m3/h范围内的涌水或出现塌孔现象时，钻探进尺达到3m即可注浆，把该3m段作为一个注浆段。钻孔揭露涌水量小于1m3/h或钻孔孔壁稳定无坍塌掉块时，每5m作为一个注浆段。
B类钻孔开始注入单液水泥浆，对单液水泥浆的要求同A类注浆开始注浆的要求相同。当单液浆体积超过注浆钻孔容积的2倍时，且注浆压力小于设计终压时，开始注入水泥基双液浆。B类钻孔内注浆选用水泥-水玻璃浆液。选用的水玻璃模数为2.8，波美度为38Be。配制双液浆时，水泥浆选用合格的P.O42.5R水泥，水泥浆密度控制在1.55g/cm3，上下浮动不超过0.05g/cm3。水泥浆和水玻璃浆液的体积比为1:1或2:1，混合浆液初凝时间为90秒或45秒左右。注浆压力达到设计终压3.0MPa且压力持续升高时，停止注浆。得到被注浆加固后的松软围岩7，如图5所示。
6、注浆操作安全技术要求。
(1)无论是A类钻孔还是B类钻孔，均要把设计注浆终压作为主要参考注浆结束标准，把设计终压下的注浆速率(泵量)作为辅助参考注浆结束标准。
(2)为保证注浆安全，AB两类钻孔注浆前，均要利用试验钻孔进行安全注浆试验。选取试验钻孔不造成围岩严重变形的安全注浆压力作为注浆结束设计压力，把此时的注浆速率(泵量)作为辅助设计注浆结束速率，把相应的浆液配制参数作为注浆时选用的参考参数。
(3)凡是注水泥基双液浆时，都要根据钻孔内注浆深度、围岩松散程度，钻孔涌水量，试注浆压力等参数，计算所需水泥基双液浆的初凝时间，然后在现场根据注浆泵泵量选取合适的两种浆液的注入比例，以保证注浆安全和注浆效果。
实施例
NSB隧道位于国家干线高速大广高速江西省武吉段内。为分离式隧道，全长924m(右幅964m)，最大埋深约110米。隧道建筑限界净高10.75m，净宽5.0m，断面为三心圆曲墙式衬砌。运营期间隧道经历长期渗透风化作用，围岩、初支及二衬渐进式损伤严重。
隧道2008年验收成功后分别在2008年、2010年、2012年、2014年与2015年经历过5次重大灾害，二衬开裂涌水、突泥、山顶出现塌坑、仰拱***渗流等灾害相继发生，经过多次治理不能从根本上防止灾害发生。灾害的多次发生对隧道的衬砌、仰拱、排水等隧道结构造成了较大的损害，经过相关稳定性检测发现部分区域的围岩及衬砌结构自稳能力和承载能力差，安全系数较低，隧道在雨季存在非常大的安全隐患；此外由于隧道地质结构较为复杂，浅部为松散的流沙层，深部发育有宽大的岩溶通道，岩溶通道接受地下水和地表水的入渗，水量丰富，在水压的作用下，造成隧道突水突泥现象严重。
2017年10月到2018年3月，分别完成了对NSB隧道致灾因素的探查分析，并制定了突水突泥地质灾害注浆治理方案。2018年9月-2019年6月对隧道突水突泥区域进行了注浆治理。在充分探测和分析隧道围岩水文地质条件、隧道二衬结构遭到破坏程度，施工中的安全性等影响因素的前提下，提出了分序次注浆的动态信息化设计及施工方案，即注浆钻孔分为深部截流封源钻孔和浅部帷幕注浆加固钻孔，利用第一序次钻孔对围岩较深部的岩溶通道进行注浆治理，充填封堵导水空隙，利用第二序次钻孔对帷幕注浆范围的浅部围岩进行帷幕注浆加固，既达到封堵外部来水减少帷幕注浆区域围岩富水性的目的，由起到加固围岩提高围岩整体强度和稳定性的作用。NSB隧道左右洞共有4个集中治理区域，均采用上述方案。
NSB隧道突水突泥地质灾害治理共完成钻探进尺26269.5m，钻孔内下入Φ127mm注浆套管1939m，注入单液水泥浆及双液浆共计10593.16m3。该隧道已经于2019年8月16日顺利通车。经历了一年来江西持续的达到暴雨的检验，治理效果良好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。