隧道帷幕注浆施工工艺

隧道帷幕注浆施工工艺中铁十六局集团有限公司技术中心隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要作业程序结束语隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要程序说明结束语注浆技术是以堵水和加固岩土为目的的，实用性强，

应用范围广，在隧道及地下工程中，注浆技术主要用于软土地层的加固、富水断层破碎带的堵水加固等，由于围岩软弱破碎，稳定性差，加之水的影响，采用一般的方法，施工极其困难，掘进速度慢，施工安全难以保证。在这种不良地质地段施工，采用深孔超前帷幕注浆全封闭固结止水技术，是一种安全可靠的有效方法。帷幕注浆技术是超前预注浆的一种，主要包括注浆工

艺、注浆材料和注浆设备。隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要程序说明结束语工作面和周边围岩均布孔，进行全断面全封闭

深孔注浆固结止水，在隧道开挖断面周边能形成一定厚度的堵水帷幕，对于水源保护要求高、以堵为主的隧道和地下工程尤为合适。注浆孔深度大，注浆段长度20m以上，可减少注浆与开挖工序的频繁倒换和作业循环次数，故能加快

进度。主要用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工

程的富水断层带和软弱围岩施工。隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要程序说明结束语隧道帷幕注浆就是沿开挖轮廓线（含底部）按轴向

辐射状布孔，按一定的间距，钻一些直径70

～160mm的孔（孔深为20～50m），为了防止开挖面涌水，在开挖面中心也布孔。然后注入按一定比例配制而成的浆液，浆液渗透扩散到破碎带的孔隙中并快速凝固，与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体，在隧道周边及

开挖面形成一个堵水帷幕（加固区），切断地下水流通路，并和周围的岩体固结成一体，从而达到固结围岩和止水，保持围岩稳定、增强施工安全的目的。隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要程序说明结束语图1帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔隧道帷幕注浆施工工艺前言工艺特点基本原理施工工艺流程主要程序说明结束语帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔超前地质预报在帷幕注浆施工前，应对不良地质体进行详细的地质调查和超前探测，以便为制定施工方案和确定注浆参数提供依据，因此，钻孔作业前必须把超前地质预报作为一个工序纳入施工过程，防止因地质不准引发各种风险，确保施工安全是非常重要的首道工序。预报内容预测工作面前方注浆段长范围地质构造和岩性、地下水出露位置和水量大小，以及断层围岩变化情况等。1.2预报方法及步骤超前地址预报可以按距离分三种形式分别施作：（1

）在加强掌子面常规地质素描的基础上，首先采用TS

P-2

03地震探测系统进行长距离（掌子面前方100

m左右）的超前探测，确定不良地质范围和软硬岩层边界。（2

）根据TS

P-2

03预报的不良地质层边界前30

m左右采用钻机进行水平超前钻孔和地质雷达（GPR）进行超前探测，进一步验证不良地质段的位置、规模和岩性。水平钻孔在开挖断面的中心线上部和两侧中部各布置一孔，孔深一般超出注浆段5

m左右。钻机配备地质勘测仪，直接记录相关的地质参数。水平钻孔方法主要是采用钻眼排渣取样分析，记录钻速、水质水量变化情况以及开挖后的岩面观测素描，综合判断预报前方水文、地质条件。（3

）采用水平钻孔和地质雷达超前探测后，如对前方的地下水情况仍有疑义时，再用红外线探水仪对地下水储存状况进行进一步的确认。以上的综合超前地质预报示意图，参见图2所示。图2超前地质预报示意图帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔2注浆参数设计注浆加固范围隧道注浆加固范围按隧道埋深、地下水压力和浆液固结体强度来确定，通常拱部为开挖轮廓线外3

～

5

m，边墙为开挖轮廓线外2

～3

m。注浆段长注浆段长一般应按钻孔设备的工作能力确定，保证注浆后有一定的开挖长度（包括止浆岩盘厚度），并满足L=(3

~5

)D式中：L为注浆段长(m)，D为注浆加固范围。止浆墙厚度止浆墙厚度应能满足注浆压力的要求，一般按下式确定：B=(0

.2

~0

.3

)L注浆孔间距注浆孔的布设应满足注浆加固范围的要求，在帷幕注浆设计中，注浆孔应全断面布设，注浆孔间距一般应满足下式：a

＝√3

R式中，a为注浆终孔间距（m），R为浆液扩散半径（m）。浆液扩散半径浆液扩散半径一般由现场根据试验确定，一般取2

～4

m。浆液胶凝时间浆液胶凝时间一般地段为3分钟，富水地段为30

～50

s。注浆终压注浆终压为1

～1.5

MP

a。注浆量一般按注浆范围内围岩体积的5%左右考虑，实注量由钻孔压水试验确定。采用分段式注浆时，注浆量按下式计算：Q=πR2

hna

（1

＋β）式中，Q为注浆量，R为浆液扩散半径，h为注浆段长，n为地层孔隙率，a为地层孔隙填率，β为浆液损失率（一般取10％～30

％）。帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔施工准备施工准备包括设备、人员进场及室内试验等工作，其中室内试验尤为重要，应对选用的注浆材料品种进行以下试验。主要材料介绍注浆材料一般选用普通水泥、超细水泥、超细水泥+水玻璃等。（1）超细水泥①该水泥平均粒径为4，最大粒径为10，比表面积为8000，可灌入渗透系数较小的细砂中。可灌性与化学浆液相近，结石强度大于化学浆液，对地下水及环境无污染，称为绿色注浆材料。②超细水泥浆的主要性能见表1。表中列出了超细水泥的主要技术参数。型号MC-

20MC-

18MC-

15MC-

12MC-

10比表面积(cm2/g)≥8500≥8600≥9000≥9200≥9500平均粒径(μm)≤4.

0≤3.

8≤3.

5≤3.

2≤3.

0最大粒径(μm)≤20≤18≤15≤12≤10凝胶时间(h)初凝≥4终凝≤10强度

(MPa)抗折≥3d≥4.

9≥5.

0≥5.

5≥6.

0≥6.

228d≥7.

1≥7.

2≥8.

0≥8.

5≥9.

0抗压≥3d≥32.

0≥33.

0≥35.

0≥38.

0≥40.

028d≥55.

0≥58.

0≥64.

0≥73.

0≥83.

0表1 MC系列超细水泥主要技术指标③超细水泥的特点结石强度高：由于超细水泥比表面积大，有较高的化学活性，能较快地凝结固化，可获得早期和后期强度。3d结石强度可达25MPa，3个月强度可达62MPa，同期相比，比普通水泥强度高20%左右。凝胶时间短：在30s

～7mi

n之间根据不同配比，也可用添加剂进行调节。可单液压注，也可与水玻璃配合进行双液压注。由于比表面积大，为了使其在水中分散均匀，应采用高速搅拌机拌和。（2

）水泥—水玻璃浆液（简称C-S浆）这是工程中常用的材料，其料源广，价格便宜，结石强度高，结石率大，凝胶时间可

控，无毒污染，是理想的注浆材料。其缺点是结石体稳定性较差，特别在干燥地层条件下易风化崩解，不适用于做永久性堵水加固材料。水泥：选用425号以上的普通硅酸盐水泥，质量应符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥的各项指标》（GB178-85）标准。水玻璃：选用出厂浓度42～45，比重1.42～1.45，模数2.4～2.8的水玻璃原液。浆液配合比：水灰比（W/C）为0.8；水玻璃稀释浓度为25～35；双液体积比（C/S）为1：0.5～0.7。（3）超细水泥——水玻璃双液浆的配制根据预配制浆液的体积，分别计算出所需要的超细水泥浆和水玻璃浆的体积，计算公式如下：MCV

mVm

1SV

1

Vm

1超细水泥——水玻璃双液浆结石体抗压强度缓凝（剂掺量MPa

）W:

MC时间MC:

S1:

11:

0.

81:

0.

71:

0.

51:

0.

31%1:

11d6.

305.

332.

883d7.

055.

813.

252:

11d0.

270.

160.

143d0.

280.

190.

183:

11d0.

190.

120.

093d0.

200.

140.

112.

5%1:

11d0.

500.

300.

190.

113d0.

580.

400.

430.

402:

11d0.

350.

160.

130.

063d0.

350.

250.

200.

060.

023:

11d0.

320.

130.

080.

033d0.

320.

160.

11根据以上数据可得出：①随着超细水泥浆水灰比的增大，结石体抗压强度减小，特别在水灰比为1:1

～2:1时，水灰比对浆液结石体的抗压强度影响很大。当水灰比大于2:1时，结石体抗压强度较小。②随着超细水泥浆和水玻璃体积比的增大，浆液结石体抗压强度减小。（4）改性水玻璃浆液改性水玻璃溶液又称酸性水玻璃溶液，它是由普通碱性水玻璃加硫酸酸化后配制而成。该浆液在酸化过程中产生多聚硅酸，固结后呈胶状体，能阻止Na+溶脱，增加了固结体的耐久性，优于固结体易崩解的碱性水玻璃固化剂的浆液。当地层不是碱性地层时，把水玻璃先制成PH值为2的酸性水玻璃，再配弱碱溶液，双液注入地层。该方法要求施工中使用耐腐蚀的设备。当地层是碱性地层时将水玻璃先制成PH值为4～6的弱酸性水玻璃，单液直接注入地层，浆液在地层中自行固结。该浆液的主要性能指标如下：密度：1.19～1.21g/cm3黏度：2～5cp酸碱度：4

～

6PH，可根据凝胶时间调整。凝胶时间：空气中30

～240mi

n，细沙中

5～30mi

n。单轴抗压强度：0.3～0.5MPa。Be

配制要求：甲液为浓度10

～20的水玻璃；乙液为浓度10%～

20%硫酸加适量缓凝剂3.2主要试验项目材料配合的试验：确定各种试样的配合比方案。凝胶时间试验：通过控制和调节凝胶时间确定注浆半径和注浆效果。结石率试验：确定不同浆液成分的结石效果。（

4

）抗压强度试验：确定材料品种和使用范围。渗透性试验：检验各种浆液的可注性。粘结强度试验：检测被加固体与浆液的粘结程度和加固效果。帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔4布孔在完成现场施工准备后，由测量人员用红漆在掌子面上按注浆设计画出钻孔位置，并标注编号。注浆布孔布置见图所示。1568172341679101115

14

13

12帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔5钻孔5.1钻机钻孔直径一般为φ70

～108

mm，钻机一般采用水平地质钻机、锚杆钻机、钻孔台车或管棚钻机钻孔，这些钻机按其机械动作原理分为旋转式钻机和冲击旋转式钻机。旋转式钻机主要用于钻凿中硬岩以下的岩石，特别是在土质、泥岩、风化砂岩等相对软弱的岩层中。在较硬的岩层中则采用冲击旋转钻机比较合适。主要的钻孔设备有：无锡探矿厂的MD系列锚固钻机。石家庄煤炭机械厂的TK－5型地质钻机。煤炭科学研究院西安分院的MK－2型液压钻机。赤峰钻机厂的土星881、金星9000等钻机。MD－60锚固钻机MK-2液压钻机TK-5地质钻机土星881管棚钻机金星9000管棚钻机5.2钻具钻具的选择应根据地层、钻机型号和注浆方式的等因素综合考虑选定，可供选择的钻具有：螺旋钻具：由套管、螺旋钻杆、钻头组成。一般适用于第四纪地层。潜孔钻具：由套管、钻杆和潜孔冲击器组成。通用钻具：由钻杆和钻头组成，钻杆为常用一般钻杆，钻头一般采用球齿型或柱齿型。偏心扩孔跟管钻具：由先导钻、扩孔钻、套管、钻杆等组成，其钻具与套管可同步跟进，分离退出，适用于难成孔的破碎岩层。5.3止浆墙设置为保证注浆施工顺利安全进行，在掌子面设置30

～50

cm厚模筑混凝土止浆墙，此后各循环利用已注浆未开挖的岩体代替止浆墙，掌子面用喷射混凝土封闭。每孔孔口套管与孔壁之间使用环氧树脂或CS麻丝等充填粘结防止漏浆。5.4埋设孔口管为保证注浆孔的钻进方向，一般在孔口段安设钢管套管，套管长度3

～6m。孔口管位置、方向检查准确无误后，开始钻注浆孔。钻孔孔径一般比套管直径要大10

～15

mm左右。帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔6下注浆管在注浆孔按设计位置、深度完成钻孔后，打入带花孔的袖阀套管，再插入带止浆塞的注浆管。袖阀套管两端应安装橡胶皮套，与孔壁密

贴，防止注浆浆液漏出。套管出浆孔处使用橡胶皮套作为单向阀套在套管上，保证浆液不回流。设置在掌子面的注浆孔，安装袖阀套管时应采用P

VC塑料管，便于隧道掘进。止浆塞是实现分段注浆、合理使用注浆压力和控制浆液分布范围、保证注浆质量的一种有效设备，一般由一组穿在注浆管两端的橡胶胀塞组成，可用机械方法或充气、充水方法使其膨胀。可选用的止浆塞有煤炭部门生产的KWS型止浆塞。在缺乏条件的情况下，也可用橡胶圈代替。镀锌注浆内管镀锌注浆内管套管橡胶皮套套管出浆孔套管橡胶皮套套管橡胶皮套套管出浆孔内管密封圈内管出浆孔内管堵头螺丝PVC套管PVC外管孔壁

帷幕注浆施工工艺流程图注浆参数设计施工准备钻机就位钻孔埋设孔口管结束效果检查注浆下注浆管Y补充注浆注浆泵就位管路连通试水N浆液制备超前地质预报布孔7注浆充水试验安装注浆管、注浆泵就位后，先做充水试验。连接注浆管路，用注浆泵先压水检查管路是否漏水，设备状态是否正常，尔后再做压水试验，以冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充塞的密实性，核实岩石的渗透性。浆液制备以双液注浆为例，将预先准备好的水泥、水玻璃浆液按比例分别放在两个容器内，注入符合比例的水进行搅拌，一直至符合要求。搅拌方式可采用机械或人工拌制。（3

）注浆作业进行帷幕注浆加固时，注浆方法有前进式注浆和后退式注浆两种方式。前进式注浆主要用于围岩破碎严重，成孔困难及地层软弱的地段，后退式主要用于围岩破碎程度相对稍好一些的地段。前进式注浆采用分段注浆，每段长度3-5

m，钻一段注一段，一直钻孔注浆到设计深度；后退式注浆，钻孔至设计孔深后，插入袖阀套管，再插入带止浆塞的注浆管，接上注浆管路，自孔底到孔口进行分段后退式注浆，每段长度控制在2-3

m。前进式及后退式注浆的施工步骤如图所示。浆液止浆塞注浆芯管袖阀套管（3）袖阀套管内插入注浆芯管（两端带止浆塞），进行压入注浆。孔口封塞（2）插入袖阀套管。（1）钻孔至第一段设计深度。第一段长度3～5m袖阀套管前进式注浆施工步骤图前进式注浆施工步骤图（5）插入注浆芯管，开始第二段注浆，注一段钻一段，直至设计孔深。一袖阀套管孔口封塞袖阀套管孔口封塞第一段长度3～5m第二段止浆塞（4）钻孔至第二段设计深度。第一注浆段2～

3

m止浆塞注浆芯管袖阀套管（3）袖阀管内插入注浆芯管（两端带止浆塞），从孔底起分段后退式注浆。孔口封塞袖阀套管（2）插入袖阀套管，退出钻机套管（1）钻孔、套管跟进至孔底钻机套管设计孔深，一般20～30

m最后注浆段2～

3

m止浆塞袖阀套管（4）注浆2～4小时后，注浆管后退，注一段浆芯管退一段，直到最后一段结束。孔口封塞后退式注浆施工步骤图（4

）注浆注意事项①注浆时先开水泥浆液泵，一