隧道及地下工程注浆堵水和加固技术隧道及地下工程注浆堵水和加固技术1 前言水是隧道工程之首害。

由于隧道的开挖，揭开了地下水的通道，水的流出带走了大量的岩石赖于胶结充填的物质，使围岩的整体结构强度降低，支护效用大打折扣；水压力的作用又使围岩应力重分布及其变形进程加剧，发生坍塌的可能性加大，严重影响工程的安全顺利进展。

大瑶山隧道班古坳竖井突水淹井，延误工期一年多，直接经济损失几百万元；日本青涵海底隧道涌水淹没平导3000m，淹没正洞1200m，误时一年零四个月，经济损失也非常巨大，有的更为严重的水害迫使工程停止或废弃改道。

因此，如何有效地克服地下水的危害，保障隧道工程的安全顺利进展，对于实现隧道工程施工技术、经济效益的提高，具有世界性的重要意义。

以前山岭隧道施工的防水原则是“以排为主，以堵为辅，排堵结合”，利用自然坡实行自然排水来克服水害，但是，随着环保问题日益受到重视，为避免地下水位大幅下降，破坏周围环境，影响居民生产、生活。

注浆作为堵水和加固围岩的一项技术，对于克服地下水是非常有效的，它具有效果好，安全性较高，施工技术易于掌握等优点，在目前隧道工程中得到广泛的应用，设备、材料、工艺迅速发展，日臻完善。

在一般情况下，注浆由于相对造价较高，工序较复杂，不是隧道施工的正常工序。

但是对于克服涌水危害，通过复杂困难地质地段，注浆是一种有效的手段，也是作为一项必不可少的技术储备和应急措施。

2 注浆概述2.1 注浆的发展注浆用于堵水和改良地层已有几百年的历史。

注浆技术的历史大致可分为四个阶段：原始粘土浆液阶段（1802～1857年），初级水泥浆液注浆阶段（1858～1919年），中级化学浆液注浆阶段（1902～1969年），现代注浆阶段（1969年以后）。

早在1802年，法国人查理斯·贝里格尼在修理第厄普冲刷闸时，用一种木制冲击筒装置，人工垂击方法向地层挤压粘土浆液，被认为是注浆的开始。

此后法国在19世纪中叶，应用这种注浆方法对建筑物的地基进行加固，1802年到1857年期间，注浆技术处于萌芽阶段，浆液主要是粘土、火山灰、生石灰等简单材料。

1806年，英国的阿斯普顶研制成功硅酸盐水泥，1845年，美国沃森在一个溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆。

英国的基尼普尔在1856～1858年间，用水泥作为注浆材料进行了一系列试验，并获得成功，这是第一次采用水泥材料注浆。

1864年，巴洛在伦敦、巴黎地铁利用水泥浆液进行隧道衬砌背后回填注浆，1885年德国人提琴斯首先采用向岩层裂隙注入水泥浆的方法，来防止涌水取得成功，并在欧洲矿山建设中广为应用。

1920年，荷兰人尤斯登发明用水玻璃-氯化钙浆液分开注入地层，利用两种浆液的化学反应加固地层，被认为是化学注浆技术的开始。

日本于1924年在旧丹那铁路隧道中，采用水泥-水玻璃混合浆液注入断层破碎带，取得了良好的效果，以后在隧道工程中广泛应用。

注浆经过一百多年的发展，由开始的单液注浆发展到多液注入；浆材由粘土类发展到高效无毒易注的化学类浆；设备由单一的注浆设备发展到勘测、制浆、灌注、记录、检查分析配套专用设备。

工艺技术日臻完善，应用领域愈加广泛。

60年代末期，又出现了高压喷射注浆技术，高压喷射注浆技术由单管逐渐发展到二重和三重管，提升过程又有旋、定、摆三种喷射方式。

在我国应用注浆只有几十年的历史，但真正发展是从1955年开始的。

材料从水泥浆发展到水泥-水玻璃双液浆、化学浆等。

工艺从单液注浆发展到双液注浆再到化学注浆，设备也从泥浆泵等代用设备发展到成套专用注浆设备。

但与欧洲和日本等先进国家相比，特别是在高压注浆泵、自动记录设备方面，还存在较大差距。

2.2 注浆的基本原理由于地壳运动，使地层形成很多摺皱、断层和裂隙，局部地区成为富水区，有的还有暗河、溶洞等，当隧道开挖到这种地层时，就会遇到坍塌和涌水等困难和危险。

节理裂隙切割岩层，使其整体结构强度降低，节理裂隙的连通大大增强了岩层的透水性，不仅使其地下水补给范围扩大，而且地表水也下渗，侵蚀风化岩层，降低岩石间的内粘聚力，降低岩层的力学强度。

注浆的目的就是在隧道周围一定范围内，堵住地下水流的通道，加固地层，提高围岩的强度，避免地下水流人作业面，保障施工的安全。

注浆的基本原理，就是用一定的压力把一定量的胶凝性材料注入到岩层，使其在岩层裂隙内流动扩散、充填、固结，成为具有一定强度和低透水性的结石体，截断水流，加固地层，也就是充塞岩层裂隙，截断水流通道，固结破碎岩石，提高其整体结构强度。

注浆技术在近几十年来获得迅猛发展，注浆已不仅是一门施工技术，它已经发展成为土木建筑、岩土、化学、机械、力学、地质学等学科交叉的综合性科学——应用岩土工程科学。

2.3注浆研究的内容和方法注浆技术要研究对象能不能注浆，注什么材料的浆液合适，采用何种方法注浆，注浆后会达到怎样的效果，即其内容包括：（1）注浆对象的可注性；（2）注浆浆液及其特性；（3）浆液在岩土层内的流变特性及流动规律；（4）注浆的设备及工艺；（5）注浆效果的检测方法。

注浆技术的研究方法主要有：（1）工程地质和水文地质特性；（2）土工试验和压水试验；（3）室内模拟试验和现场试验；（4）化学试验方法确定浆液性能；（5）理论计算和工程类比；（6）钻孔检查和物探检测。

2.4 注浆的分类和一般应用条件根据注浆的目的、作用，注浆可分为堵水注浆和加固注浆。

根据作业的顺序，又可分为预注浆和后注浆。

堵水注浆的目的在于截堵地下水不侵入作业面，方便施工。

它对浆材的要求是：凝胶时间短，并在一定范围内能容易准确地控制，但不要求强度很高，适用于硬岩，含水大的地层。

加固注浆的目的主要用于加固围岩，使一定范围的围岩胶结成一个受力环，它对浆材的结石体强度要求较高，但凝胶时间要求不严。

它适用于地层软弱破碎，地下水较少的地层。

预注浆又可分为地面预注浆(或称垂直预注浆)和洞内预注浆(或称水平预注浆)。

预注浆的安全性较高、工序干扰较少(如是洞内预注浆或称工作面预注浆，则要占一个作业面)，适用于大规模高压力的堵水或加固注浆。

后注浆是指在开挖后进行的注浆。

它操作简单，效果明显，适用一般的防渗堵漏及回填注浆。

究竟采用何种注浆，应根据水文地质和工程地质情况、注浆目的和要求等对各种注浆作安全、技术、经济全面比较后确定。

3 注浆材料3.1 概述注浆材料的发展具有悠久的历史，早期主要使用水泥作为注浆材料，19世纪后期，发展到以水玻璃类浆材为主的化学浆材。

二战后，化学浆材得到飞速发展，最近几十年，有机高分子材料和超细水泥材料得到了飞速发展。

注浆材料大体分为无机系和有机系两大类，如表3-1所示，日常使用中，一般分为水泥浆材和化学浆材两大类，见表3-2。

表3-1 注浆材料的分类水泥类浆是属悬浊液，具有结石体强度高，抗渗性能好，材料来源广，价格低廉，注浆工艺简单，无毒等优点。

但是可灌性较差，凝胶时间长，早期强度低，易沉降析水，宜用于裂隙较大，透水性较好地层的加固注浆。

水泥化学类浆具有粒子浆液和溶液浆液的特点，结石体强度较高，抗渗性能较好，料源广、价格低、无毒无公害，适用性强，同时由于超细水泥的研制成功，使该类浆液的可灌性得到提高，进一步拓展了水泥化学类浆的应用范围。

化学类浆液是溶液型浆液，具有粘度低，可注性好，凝胶时间易控制，适用于细小裂隙，低透水性的地层以及粉细砂层的注浆。

但是料源不广，价格较高，且绝大部分有毒，易造成环境污染。

各类浆材的适用范围见表3-2。

由于注浆目的和对注浆效果要求的不同，采用的注浆材料也不同，一种理想的注浆材料应满足以下要求。

（1）流动性好，浆液粘度低，易注入细小裂隙和细砂层中。

（2）浆液凝胶时间可在几秒到几小时范围内随意调节，并能准确控制，浆液一经凝胶，则在瞬间完成。

（3）浆液稳定性好，在常温常压下长期存放不变质，不发生化学和物理变化。

（4）浆液无毒无臭，对环境不污染，对人体无害，非易燃易爆物品。

（5）对管路系统、砼、橡胶制品等无腐蚀性，且易清洗。

（6）固化时无收缩现象，结石体的抗压抗拉、抗折强度较高，结石体与岩石、砼、砂等有较高的胶结强度，且抗渗性能较好，抗冲刷性能好。

（7）耐久性较好。

（8）源广价廉，且易于运输。

（9）配制方便，配比操作容易。

表3-2 各类浆材的适用范围3.2 浆液的基本性能3.2.1浆液的密度3.2.2浆液的浓度3.2.3浆液的粒度对悬浊液来说，注浆材料的颗粒大小直接影响浆液的可注性和扩散半径，测定悬浊液中颗粒大小及分布可采用TZC-2型自动记录粒度测定仪，常见水泥颗粒分布曲线见图3-1。

图3-1 几种水泥的颗粒分布曲线3.2.3浆液的粘度浆液的粘度是指浆液刚制成的粘度，表3-3是常见浆液的粘度，浆液的粘度主要与浆液的浓度有关，还与浆液的温度有关。

大多数浆液的粘度随时间而增加。

测定浆液的粘度常用托斯默旋转式粘度计，工程上常采用马氏漏斗测定浆液的粘度，测定一定量的浆液从漏斗流出的时间长短表示浆液的粘度（用秒表示），水泥浆的粘度换算见表3-4。

表3-3 常用浆液的粘度表3-4 水泥浆粘度换算3.2.4浆液的PH值3.2.5凝胶时间和凝结时间3.2.5浆液的稳定性3.2.5 固结体的性质水泥类浆液的凝固后的固结体称为结石体，化学浆液凝胶后形的固体称为凝胶体。

（1）结石（凝胶体）率和吸水率（2）固结体强度（3）固结体抗渗性通过抗渗性试验获得固结体的渗透系数，渗透系数越小，抗渗性越好。

（4）固结体耐久性3.3 常用浆液的特点和性能3.3.1普通水泥浆液普通水泥作为注浆材料具有结石体强度高、抗渗性能较好、材料来源丰富、价格低廉、注浆工艺简单等优点。

但由于水泥是颗粒性材料，可灌性差（通常只能注入裂隙宽度大于0.15～0.3毫米的岩层或粗砂以及地下水流速小80～200米/昼夜的条件下），凝胶时间长，浆液早期强度低，强度增长率慢，易沉淀析水等，因而应用有一定的局限性，纯水泥浆的基本性能见表3-5。

为了调整水泥浆液的凝胶时间，可在浆液中添加速凝剂，常用的是氯化钙和水玻璃，搀加量：氯化钙为水泥重量的1～5%，水玻璃为水泥重量的3%以下，纯水泥浆添加速凝剂后的性能见表3-6。

水泥浆液的水灰比要根据岩层裂隙、地下水、注浆压力和注浆设备能力等来确定，注浆过程中，浆液的水灰比应根据现场注浆情况不断变化，一般开始时水灰比较大，逐渐变小。

稀浆通常采用的水灰比为2:1,1.5:1,1:1；稠浆为0.8:1～0.6∶1。

表3-5 普通硅酸盐水泥纯水泥浆的基本性能表3-6 速凝剂对水泥浆液性能的影响3.3.2水泥-水玻璃浆水泥-水玻璃浆属水泥化学类浆液，简称C-S浆，是目前应用最为广泛的一种浆液。

水玻璃俗称泡花碱。

其分子式为Na2O·SiO2，一般注浆用水玻璃溶液的模数M＝2.4～2.8。