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岩质隧道的围岩压注止水技术
渝（重庆）怀（怀化）铁路的修建，为铁路隧道的设计、施工提出了新的课题，其中一个重要课题，就是在高水压、富水地段，如何在不影响生态环境的条件下，安全、可靠地进行隧道的设计和施工。提出的一个基本措施，就是在岩质围岩中实施围岩的压注止水。
岩质围岩的压注止水，对我们来说，是一个新的课题，这方面的经验可以说是非常缺乏的。为此，本文在介绍国外的一些经验的基础上，对山岭隧道的围岩压注止水技术，提出几点建议，供有关方面参考。
一 青函隧道的围岩压注止水技术
日本在修建青函隧道中，引以自豪的技术成就之一，就是全断面围岩压注止水技术。
1·概要
青函隧道是一座海底隧道，技术上最成问题的是起源于海水的高压涌水的处理，特别是在断层破碎带等软弱地层中，如果不止住高压涌水，任其自然，结果会使流路扩大，出现大出水的危险。青函隧道施工中的几次大出水，完全证实了这一点。
在通常的山岭隧道中，也会遇到大量涌水的情况，但，一般都可采用排水工法，来降低涌水压力，减少涌水量。但是，在海面下最大埋深240m，海底部长度达23km的青函隧道，采用排水工法是不可能的，同时也不能采用自然排水方式，而必须采取强制排水。为此，应尽可能地减少排水量，降低扬水的费用，并要求尽可能地进行完全的止水。在软弱的破碎带等，还要对围岩进行补强。
这样，压注工法就成为海底隧道最为现实的辅助工法。因此，在调查阶段就进行了有关压注的种种试验，从其中获得的设计施工成果，为以后斜井开挖中的围岩压注、为开发和改良适应海底隧道的压注工法打下了良好的基础。其中，在本州侧斜井1220m地点附近，遇到F15断层，有出现高压、大出水的迹象，采用压注工法后安全通过，突破了高压涌水破碎带，这增加了自信，其后，如表1所示，在3次异常涌水事故中，超前导坑、作业坑道、主洞等都安全通过。
表1 异常涌水事故一览表
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工区 |
龟飞 |
吉岗 |
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坑道 |
斜井 |
作业坑 |
作业坑 |
作业坑 |
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出水掌子面里程（水源、埋深） |
1223m（25m、215m） |
16k890m（78m、102m） |
32k746m（58m、134m） |
31k667m（76m、128m） |
|
发生日 |
1970.2.30 |
1974.12.5 |
1974.1.8 |
1976.5.6 |
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涌水量（t/min） |
最大时 |
16 |
6 |
11 |
70 |
|
最终时 |
5.3 |
3.6 |
0.3 |
16.0 |
|
总涌水量（m） |
183468 |
188224 |
12764 |
1845000 |
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积水量（m） |
5300 |
1600 |
9000 |
121000 |
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土砂量（m） |
300 |
1300 |
1100 |
1000 |
|
积水区间（m） |
196 |
130 |
880 |
作业坑：3015
主洞：1493 |
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土砂埋没区间（m） |
15 |
70 |
60 |
74 |
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超前钻孔 |
孔数（个） |
1 |
1 |
0 |
2 |
|
涌水量（L/min） |
1500 |
0 |
- |
1号孔：100
2号孔：3700 |
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钻孔 |
孔数（个） |
- |
5 |
- |
- |
|
涌水量（L/min） |
- |
只有1个孔300 |
- |
- |
|
出水前压注 |
孔数（个）、压注量（m） |
36、300 |
21、210 |
- |
- |
|
涌水量（L/min） |
4200 |
4900 |
- |
4800 |
|
检查孔 |
孔数（个）、涌水量（L/min） |
- |
3、40 |
- |
3、100 |
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出水前的开挖方法 |
全断面法 |
全断面法 |
全断面法 |
全断面法 |
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涌水分析（涌水/海水=%） |
出水前 |
（270、79） |
（113、64） |
（188、92） |
133、93） |
|
出水后 |
- |
（167、72） |
（180、93） |
（78、95） |
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出水时的排水能力t/min（掌子面、坑底） |
1.2、24 |
4、19 |
2、30 |
4、45 |
|
排水开始前的天数（天） |
2 |
0 |
15 |
4 |
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排水完成时的天数（天） |
12 |
8 |
15 |
19 |
|
前进开始前的天数（天） |
37 |
38 |
38 |
75 |
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达到掌子面的天数（天） |
214 |
172 |
362 |
162 |
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复旧对策 |
压注止水 |
迂回导坑 |
压注固结 |
迂回导坑 |
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地质条件 |
安山岩、破碎岩 |
凝灰岩、玄武岩 |
凝灰岩、破碎带 |
破碎的凝灰岩 |
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2·设计
青函隧道压注设计的基本考虑是：先设定图 1所示的因开挖造成的松弛范围，在其外侧进行压注形成止水带。用此止水带来抵抗水压，而支护和衬砌不直接承受强大水压的作用。
在具体的压注设计中，应考虑压注带、压注材料、压注方式、压注量、压注压力等，进行与要求相适应的设计。
（1） 压注带
压注带应在松弛范围的外侧形成，因此应根据围岩的性质，区别对待。图2是采用弹性体模式的硬岩的计算例，图3是采用塑性体模式的断层·软岩的计算例的解析结果。结果表明：增大隧道半径与压注带半径的比值，没有很大的效果，在2种情况中，实用上采用3倍左右就可以了。
在青函隧道的实施中，考虑上述因素，再加上经验的判断，压注带的大小，在普通的地质区间，采用隧道半径的3倍，在断层破碎带采用5~6倍 左右。
预定的压注带的标准设计，在普通地质区间的主洞，如图4所示。压注孔的间隔，在孔底的间隔以3.0m为标准。
（2） 压注材料
1965年1月，在北海道侧的调查斜井327m处，确认有涌水的可能。当时采用普通的水泥浆压注。采用普通水泥浆的理由是：施工性好、价格低廉、固结后的强度大、不仅能够止水，也有补强围岩的效果。但对微细的裂隙，渗透性差、固结时间长。因此，为了提高水泥浆的渗透性，从调查阶段就开始研究，开发出比普通水泥渗透性好的胶质水泥。但在洞内高温多湿的环境下，易出现风化的凝聚物，同时水泥浆在搅拌时其粘度和温度都会上升，施工管理是个难点。
对断层破碎带以提高渗透性和缩短压注时间为目的，采用了以3号水玻璃为主成分的LW浆液进行压注。但在要求3分钟的胶凝时间的场合，其强度显著降低（单轴抗压强度1~2kgf/cm2），在高压涌水的破碎带中采用是不合适的。但此种浆液经过改良后还是可以应用的。因此，从水玻璃和水泥两方面进行研究，开发出胶凝时间在3分钟以上，3天材令的单轴抗压强度在40kgf/cm2以上的压注材料。
其结果是：
·水玻璃中的二氧化硅（SiO2）和氧化钠（Na2O）的 MR比在1.4~3.2范围时，随着MR比的减小和水泥浆中的水/水泥比增大，胶凝时间显著增大。
·水泥的粉末度，其比表面积在4000~6000cm2/gf范围时，随着比表面积的增大，胶凝时间缩短，抗压强度也随之增大。
·MR比小，胶凝时间延长，强度也增大。
·水泥中混合高炉矿碴时，其混合率在重量的30~70%范围内，混合量越大，胶凝时间越长。
这样，开发了使用低MR比的水玻璃，能够延长胶凝时间，抗压强度高的压注材料。
同时，对固结的浆液的耐久性也进行了长期的养护试验。结果证实在海底隧道采用LW浆液是良好的，其中水玻璃采用MR比2.1~2.3是最合适的。采用1.5级压注方式。
压注材料的规格分别示于表2和表3。
表2 水玻璃的规格
|
项目 |
规格 |
|
比重（15、Be）
MR比
二氧化硅（SiO）
氧化钠（NaO）
铁（Fe）
水不融成分 |
52.5~53.5
2.1~2.3
31~33
15~16
0. 02以下
0.2以下 |
表3 高炉胶凝水泥的规格
|
项目 |
高炉胶凝水泥 |
|
比重
高炉矿碴的分量（重量%） |
3000以上
50~60 |
|
粉末度 |
比表面积（cm2/g） |
5600以上 |
|
限界粒子直径
残分（%） |
40μ
15μ |
2以下
30以下 |
|
凝结 |
初凝 |
1小时以后 |
|
终凝 |
5小时以后 |
|
强度 |
抗弯强度（kg/cm2） |
3日
7日
28日 |
30以上
45以上
60以上 |
|
抗压强度（kg/cm2） |
3日
7日
28日 |
140以上
200以上
400以上 |
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最佳的压注材料的配比和特性列于表4。
表4 LW浆液的配比和特性
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硅酸钠 |
水泥浆 |
混合比 |
胶凝时间 |
抗压强度 |
|
MR比 |
水泥种类 |
水、水泥比 |
硅酸钠/水泥浆 |
分-秒 |
kg/cm2 |
|
2.2 |
高炉胶质水泥（高炉矿碴分量50%） |
100 |
1.0 |
1-30 |
77.6 |
|
150 |
1.0 |
2-27 |
21.6 |
|
200 |
1.0 |
3-40 |
13.3 |
（3） 压注方式
在硬岩中钻孔（65mm为标准）采用设置柱塞方式，在软岩中采用套管柱塞方式。同时，把长压注管插入到预定位置，可提高孔底部的压注效果和压注效率的方式也得到应用
（4） 压注量和压注压力
压注量，因设定裂隙和空隙量比较难，因此，计算设计压注量也是很困难的。所以都是先设定最终压注压力，而后根据此压力，确定压注量。
压注压力，因围岩条件变化很大，压注压力如过大，就会破坏围岩，使材料向压注范围以外大量的逸出，因此压注压力要适当。应根据阶段的注水试验预计临界压力，以确保适当的压注量为基准，采用比临界压力稍大的涌水压力的2~3倍为标准，采用70~80kgf/cm2。
压注速度应根据压注效率、止水效果等决定适当的吐出量确定。
青函隧道的压注，为了提高压注效果和施工性，压注压力和压注速度，按围岩条件可根据图6决定，并控制好压注材料（LW浆液）的配比。 | 
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。