高水头复杂地质条件下泥化岩层灌浆加固技术研究

0 前言

滇中引水工程作为我国西南地区重大跨流域调水工程，其隧洞施工面临高水头（最大水头超 1000m ）、大涌水及泥化岩层（遇水泥化严重、变形大）等复杂地质条件。传统水泥基灌浆材料在泥化岩层中渗透能力差、遇水固化速度慢，难以满足防渗加固需求。本研究依托香炉山隧洞 5#施工支洞工程，针对复杂地质条件开展化学灌浆材料及工艺研究，旨在探索适用于高水头复杂地质的灌浆加固技术。

1 工程地质背景与技术难题

1.1 工程概况

香炉山隧洞 5#施工支洞位于汝南河断层槽谷左岸，全长 1246m ，平均坡度 24.71°，Ⅴ类围岩开挖断面 8.3m×7.6m （衬砌后净断面 6.5m×6.0m ）。地质条件复杂，主要出露二叠系玄武岩、三叠系砂岩/泥页岩、灰岩及第四系覆盖层，局部含煤层；隧洞深埋段地下水水头普遍超 400m ，地下水埋深最大达 1000m ，具承压性，开挖过程中多次发生大流量涌水突泥及围岩大变形。

1.2 核心技术难点

（1）泥化岩层渗透难题：泥岩占比高，遇水泥化后孔隙率低，常规水泥基浆液难以渗透；

（2）高水头堵水需求：涌水流量大（部分段超 10m³/h ），需快速固化以控制涌水通道；

（3）经济性与效果平衡：单一化学灌浆材料（如环氧树脂）成本高（约为水泥的8～13 倍），需优化材料组合降低成本。

2 化学灌浆材料筛选与试验方案

2.1 材料筛选目标

针对技术难点，筛选材料需满足以下性能：

渗透性：浆液粒径<1 μm ，能渗透泥化岩层微小裂隙固化速度：遇水胶凝时间 5～30min ，固化速度快，能适应快速堵水；

结石强度：早期抗压强度早期抗压强度 （保障开挖安全），能保证开挖施工安全，耐久性及抗侵蚀性优，长期强度能满足围岩稳定，适应长期运行环境；经济性：综合成本较单一化学灌浆材料降低 20% 以上。

2.2 候选材料与试验方案

选取普通硅酸盐水泥、水玻璃、宏禹加固 AB 料、湖南白银新型灌浆材料及中煤 SC1 高渗溶液型灌浆料 5 类材料，通过室内浆液性能测试（密度、凝结时间、结石强度）与现场生产性试验（渗透扩散性、堵水效果、围岩加固效果）验证其适用性。灌后采取了钻孔取芯、孔内摄像、压水试验、声波测试等质量检测手段对灌浆加固效果进行综合分析。其主要特性总结如下：

3 试验方法

3.1 施工方法

灌浆加固采取“分序加密、孔口封闭、孔内循环、自上而下”的灌浆施工方法。 灌浆孔径向深度 10m ，终孔间距 3.0m ，梅花型布孔。

3.2 灌浆分段及灌浆压力

第一段长度 2m ，灌浆压力 1～1.5MPa ；第二段长度 3m ，灌浆压力 3～4MPa ；后续分段长为 5～8m ，灌浆终压为 6MPa_⨀ 。

3.3 施工浆液配合比

（1）普通水泥灌浆：浆液水灰比为 3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.5:1 五个比级，开灌水灰比为 3:1；

（2）水泥和水玻璃混合浆液：水泥浆液水灰比为 2:1、1:1、0.8:1 三个比级，水泥浆与水玻璃体积比为 1:1；

（3）宏禹加固 AB 料浆液：施工浆液 A、B 组分体积比为 1:1；

（4）湖南白银新型材料：BY12-VI 型遇水不分散灌浆料水料比 0.6，BY12-IA 型早凝早强高强灌浆料水料比 0.27；BY12-I 型高性能无收缩灌浆料水料比 0.27；

（5）中煤 SC1 高渗溶液分为 A、B 组分，A 液主要为改性硅酸盐溶液，B 液主要为低分子有机脂和添加剂。施工浆液配比为 A:B:水=105:12:33。

4 关键试验结果

4.1 普通硅酸盐水泥

普通硅酸盐水泥浆液结石体强度高，但在大流量涌水地质下进行灌浆加固，材料使用量大，浆液留存率低，碎粉岩地层可灌性差，不能与碎粉岩、碎泥岩形成胶结体，凝结时间较长。

4.2 水泥+水玻璃双液浆

水泥+水玻璃双液浆固化速度快，堵水效果显著，但扩散性差、结石强度低，与碎粉岩不胶结，仅适用于集中涌水通道封堵，难以实现对泥化岩层的固化；

4.3 宏禹加固 AB 料

宏禹加固 AB 料浆液固化速度较快，遇水不分散，能在母岩主体完整的岩层裂隙中快速凝固堵水，但浆液扩散时间段，渗透能力弱，无法加固泥化岩层；

4.4 湖南白银材料

浆液与块状碎石及颗粒状碎石能形成结石，胶结强度高，但在碎粉岩地层渗透有限，加固效果差；

4.5SC1 高渗溶液型灌浆料

渗透性强、可灌性好，能与碎粉岩/碎泥岩胶结形成整体，堵水效果显著，且经济性优于其他化学材料（成本为环氧树脂的 1/3）。

4.6 复合灌浆方案优化

基于单一材料性能局限性以及经济性，综合考虑，提出“水泥灌浆 +SC1 高渗溶液型灌浆”复合方案：

常规地层加固：采用普通水泥浆液（水灰比 2:1，压力 1MPa ），利用其成本低、渗透碎砾岩（裂隙宽度 >1mm ）的优势；

集中涌水封堵：采用水泥+水玻璃双液浆（体积比 1:1），快速控制涌水通道；

泥化岩层补强：采用 SC1 高渗溶液型灌浆料（A:B:水 :=5:2:3 ），渗透微小裂隙并胶结碎粉岩。

5 现场应用效果与技术创新

5.1 工程应用验证

在香炉山隧洞 5#施工支洞 XLS5K )+500～ XLS5K0+760 段应用复合方案，效果如下：

加固效果：检查孔芯样显示，碎砾岩段水泥浆脉清晰（扩散半径 1.2～1.5m ），泥化岩层段 SC1 浆液结石完整（胶结率 >85% ）；

堵水效率：集中涌水通道封堵率 >90% ，开挖面渗水量由 15m³/h 降至 2m³/h

经济性：化学材料用量较单一化学灌浆减少 40% ，综合成本降低 35‰

5.2 技术创新性

（1）材料协同创新：突破传统单一材料局限，融合水泥基（低成本）与高渗溶液（强渗透）优势，实现“低成本-高渗透-快堵水”协同；

（2）工艺适应性提升：动态调整灌浆顺序（水泥灌浆→双液浆封堵→SC1 补强），适应复杂地质条件下的多场景需求；

（3）环保性突破：SC1 高渗溶液型灌浆料成分主要为改性硅酸盐溶液、低分子有机脂，无毒无害，符合绿色施工理念。

6 结论与建议

6.1 结论

（1）SC1 高渗溶液型灌浆料在泥化岩层中表现出优异的渗透性（扩散半径 1.5～2.0m ）与胶结能力（结石强度 3～4MPa ），是复杂地质加固的核心材料；

（2）“水泥灌浆+SC1 高渗溶液型灌浆”复合方案有效解决了高水头、大涌水及泥化岩层的加固难题，兼具安全性、效率性与经济性；

（3）该方案为滇中引水后续工程及同类复杂地质隧洞提供了可复制的技术模式。参考文献：

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