(TLEJGF-93-26)
铁道部第五工程局
一、前言
石灰岩岩溶发育地层，溶岩中充填大量流塑粘土，隧道通过这种地层极易发生突泥涌水，危及施工与人身安全。浅埋隧道洞内与地表通过溶洞互相联通，洞内突泥，地表反应敏捷，以致产生陷坑，地下水位急剧下降，井泉干涸，破坏生态平衡，影响工农业生产与当地居民的生活。
衡广复线南岭隧道施工中，针对流塑粘土渗透性弱的特点，采用劈裂注浆技术，成功地使流塑粘土固结成近似Ⅱ类围岩的土体，开创了我国铁路隧道施工先例，这在技术上、经济上都具有重大意义。南岭隧道以劈裂注浆为基础的综合整治技术，获1991年铁道部科技进步一等奖。我局据此总结经验，开发成本工法。
二、工法特点
1.劈裂注浆可以在颗粒细、含水量大的流塑状粘土中进行。
2.劈裂注浆技术是隧道岩溶流塑粘土综合整治的基础，岩溶发育地层隧道开挖采用管棚支护，钢管支撑等，都有赖于注浆成功。
3.采用本工法工期短、效果好、费用省。对浆液材料性能要求不高，悬浊液型的水泥浆或水泥—水玻璃双液浆，就适用于流塑粘土，具有凝结时间可控、固化后强度高、稳定性较好、操作容易、料源广泛、价格较低、对环境一般不产生不利影响等特点。
三、适用范围
本工法适用于地层为岩溶流塑粘土、淤泥质土、粉砂、细砂以及其他渗透性弱的土壤的山岭隧道和地下工程。
四、工艺原理
在流塑粘土中钻孔并压注具有胶凝性质的浆液，只要注浆压力超过被注土体的最小剪切强度，浆液便能呈脉状快速渗入土体并不断劈开土体 ，还将其中的空气、水分排出，使浆脉加密、加厚、加大，增密土体。随后，浆液发生胶凝反应，使流塑粘土胶结、硬化，转变为硬塑，形成具有一定强度和抗渗阻水能力的以浆脉为骨架的固结体，从而提高了围岩的强度、稳定性和抗渗性能，根据实际注浆效果，采用相应的开挖方法，以改善衬砌受力状况，达到防止洞内突泥涌水、地表沉陷和保证施工与人身安全的目的。
五、工艺程序
本工法的工艺流程见图1。
(一)施工前准备
1.调查岩溶形态、连通情况、地下水涌水量、水位、充填物及土质、水质分析。
2.隧道衬砌结构与钻孔注浆设计。
3.准备注浆材料，测定性能。
4.安装钻孔注浆机械并调试。
(二)止浆岩盘或止浆墙
一般较完整的石灰岩预留5m岩层作为止浆岩盘。基岩破碎时则需设置2m厚的混凝土止浆墙，墙身嵌入围岩0.3~0.5m。
(三)钻孔
1.埋孔口管：开孔直径146mm,长2m，用CS(水泥水玻璃)砂浆埋设φ127mm孔口管，管口安装Ф127mm球形闸阀，以封闭钻孔中可能出现的突泥涌水。
2.选用两种钻具：YGZ-100重型风钻，进度可达4~8m/班(但不能取岩芯，宜打仰角孔，改进工艺与钻具后可钻俯角孔并取岩芯)；XU-300-2A钻机，进度为2~4m/班(可取岩芯)。钻头按围岩类别选配。
3.钻孔直径一般为108mm，后半部变为89mm。
4.钻机定位：钻孔方向应符合设计要求。为确保全孔钻进方向准确，首先要保证孔口2m长度的方向准确。因此，定位开孔误差须控制在50mm以内，并需准确控制钻机立轴方向。
5.扫孔钻进时，要观察分析回水与岩芯或弃碴状态，用以判断注浆质量，以便调整注浆参数。
6.钻进顺序：钻孔—→遇岩溶突泥涌水，停钻注浆 停8小时———→洗孔钻进，又遇突泥涌水，停钻注浆 停8小时———→反复钻、注直至终孔。
(四)注水试验
1.成孔后注水数分钟(注水量由小到大)，测定吸水量，清洗裂隙。
2.投放连通试料，加水压注，做连通试验。
(五)注浆方法
1.双液注浆系统(见图2)
2.分段注浆法
根据钻孔的地质条件，可分别采用全孔一次注浆和前进式、后退式分阶段注浆方法。遇岩溶发育有可能突泥涌水时，则采用前进式分阶段钻注，逐步往前推进封堵。
3.同步注浆法 采用一机多孔或多机多孔施行同步注浆，要求高度集中统一指挥，根据各种反馈信息，采取调控措施，提高注浆质量，加快工程进度。
4.钻注原则
(1)先外后内：先从断面外侧，逐步向中间或内侧钻注。
(2)先疏后密：每排孔先间隔式钻注，再补注中间的加密孔，逐步形成帷幕。
(3)外密内疏：毛洞四周布孔较密，隧道断面内布孔少而疏。
(4)反复钻、注：注浆段各注浆孔均应根据进浆情况反复钻、注，保证固结范围达到设计要求。
(5)开孔诱导：注浆时在需要重点加固处设置通气诱导孔，诱导浆液至设计范围，之后适时关闭诱导孔。
5.浆液类型
(1)水泥浆或水泥—水玻璃双液，胶凝时间通过调整体积比，必要时可适当加添加剂调整。
(2)根据注浆设计、注水试验及洗孔情况、泵送能力、注浆过程中进浆情况确定用单液还是用双液。
(3)为消除地下水质与气温、水温的影响，应进行现场配比试验，调整胶凝时间。
6.注浆参数
(1)注塑粘土劈裂注浆有效扩散范围为4~6m,注浆段长度为40m。
(2)注浆孔从隧道毛洞(隧道衬砌外轮廓)呈幅射状布孔，终孔位置隧道毛洞外5m，按1.5m间距布孔。实践中应按岩溶地质、注浆扩散与充填情况调整孔距或增减钻孔数。
(3)岩溶地质复杂，注浆量只能估算。估算的注浆量等于被固结的溶洞泥体积乘以注浆率。影响注浆率的主要因素有孔隙比、压缩指数、注浆压力及注浆方法等。
单孔注浆量不能以设计总注浆量除以孔数的平均值控制，原则上根据进浆情况，以充填好岩溶为度。
(4)注浆压力以不破坏岩层结构，浆液控制在有效范围内为度，采用的经验公式为：
P=(0.02~0.05)HK
式中 P ——注浆压力(MPa)；
H ——孔位至静水位的高度(m)；
K ——洞内突泥涌水修正系数，取K≈2。
隧道埋深及水 头为40~90m时，注浆压力经验值为4~5MPa。
执行注浆压力规定值时，可在规定值的上下限内调控。
7.注浆终结
要求达到规定注浆压力值，并稳压30分钟。若注浆段初始注浆孔或初始注浆面达不到规定压力值，则可能是以下原因引起：
(1)注浆压力比注浆开始时大；
(2)单位时间的灌注量较开始时小；
(3)每孔的洗孔次数与每延米灌注量减少；
(4)钻孔注水试验不进水；
(5)孔口突泥涌水被封堵；
(6)岩芯已由流塑粘土转变为固结体。
(六)开挖与衬砌
1.注浆段注浆终结8h后(最好根据检查孔取出的固结土芯样试验决定)可以开挖。
2.一般采用分部开挖或半断面开挖方法。
3.及时喷锚支护与设钢架支撑。
4.隧道衬砌一次支护采用先拱后墙法。复合衬砌二次模注采用先墙后拱法或连续灌注。
六、机械设备(见表1)
七、劳动组织
三班制一台钻机钻孔作业劳动组织见表2。
钻孔作业劳动组织 表2
三班制双液注浆劳动组织见表3。
注浆作业劳动组织 表3
八、质量控制
本工法执行《铁路隧道施工规范》(TBJ204-86)和《铁路隧道工程质量评定验收标准》(TBJ417-87)以及《铁路隧道新奥法指南》等有关规定。质量控制措施有：
1.检查孔取样检查
(1)流塑粘土固结体抗压强度检测，要求达到0.2MPa或设计值。
(2)判断、评定芯样的浆脉渗透状况及其固结质量。
2.作检查孔注水试验：注浆前后注水量对比。
3.仪器检测：测定渗透状态、固结状态。
4.开挖后直观检测与抗压强度检测。
5.对注浆过程中的异常现象，如跑浆、压力骤增骤降、围岩扰动、变形等及时分析处理。
九、安全生产
本工法除执行地质勘测钻孔有关安全规则和《铁路施工技术安全规则》(TBJ404-87)外，还应注意下列各点：
1.对注浆掌子面进行有效通风，操作人员应戴带活动性炭过滤器防护口罩、防护眼镜、橡胶手套及专用袖套。
2.眼睛、脸部或皮肤接触浆液时，应立即用清水或生理盐水彻底冲洗20分钟，严重者送医院治疗。
3.加强环境保护意识，对废液、冲洗液以及沾染有浆液的弃渣均应妥善处理。
4.对使用的钻注设备，经常进行安全检查，隧道内应设置各种安全防护罩，电器部分应安装漏电保护器。
5.钻孔作业抽换钻杆时，应防止钻杆被高压泥水冲出孔口伤人。
6.钻孔中发生大量突泥涌水时，应集中全力及时注浆封堵。
7.加强统一指挥，在钻注作业中发生异常情况时，要及时处理，确保安全。
十、经济效益和社会效益
南岭隧道DK1935+330~+360、DK1935+445~+470、DK1935+690~+745、三段累计长110m，采用劈裂注浆管棚法整治岩溶突泥涌水，取得良好的效果，竣工后末次验工计价实际费用为740.55万元，平均每m造价6.73万元。
DK1935+690~+745长55m，是全隧道突泥涌水最严重的地段，采用劈裂注浆管棚法竣工后验工计价为493.7万元，与冻结法(方案比选时)的概算报价为1142.4万元相比，降低造价644.7万元，可见采用劈裂注浆管棚法是经济合理的。
南岭隧道管道状岩溶突泥涌水，通过劈裂注浆等综合整治后，顺利地进行了开挖和衬砌，确保南岭隧道施工工期和衡广复线通车的总工期。
十一、工程实例
南岭隧道DK1935+690~+745长55m为全隧道地质复杂之冠。该段管道状大溶洞与隧道呈45o角，为张性断裂带古暗河道，溶洞水平长达85m，高10~16m，宽30m，隧道穿越溶洞在40m，隧道埋深87m。1984年6月17日至11月26日相继发生3次大突泥涌水，共涌出流塑粘土11738m3，淹没隧道177m(见图3)，地表出现大陷坑，面积1583m2，最深陷入15.67m，坍落土体167m3。洞内突泥系粘土，含水量高，颗粒细，呈流塑状态。
岩溶大突泥整治原则是分而治之、层层堵截、综合治理，见图4。
1.地表陷坑采用垂直钻孔，劈裂注浆，钻孔内埋置钢导管，管内安装钢筋笼灌注水泥浆，构成61根钢管棚栏，对溶洞上口已松动的土体注浆固结，使其成为整体形成第一道堵截墙。
2.对隧道管道状岩溶地表垂直钻孔，劈裂注浆，使之形成第二道堵截墙。
3.隧道内洞顶上方溶洞颈口，设置长管棚28根，形成第三道注浆管棚堵截墙。
4.在洞内南北二个钻注工作面，对隧道断面内的岩溶流塑粘土用劈裂注浆固结。
5.在平导一侧，从横向对隧底岩溶流塑粘土亦用劈裂注浆固结。
钻孔注浆工程数量见表4。
管道状岩溶流塑粘土劈裂注浆的主要成果：
1.成功地对大溶洞流塑粘土进行劈裂注浆，使土体力学性能改变，含水率递减，大幅度提高流塑粘土的承载力，从而满足了强度、稳定性、耐久性的要求(见表5)。
2.隧道开挖顺利。流塑粘土经注浆脱水，固结土体自稳性良好，下导贯通后，无任何涌水突泥现象，经喷素混凝土5~10cm厚可不支撑。上部采用磨菇形开挖，钢架支撑，其净空宽度达13.12m,土体仍然稳定，经受了爆破震动，复合衬砌也较顺利。
3.在钻注的实践基础上，从理论上分析研讨了石灰岩岩溶充填流塑粘土劈裂注浆的机理，积累了有益的经验。
执笔：谭毓浚
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