马丽散在铁路特长隧道径向注浆中的应用研究

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马丽散在铁路特长隧道径向注浆中的应用研究

张旭珍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)

摘　要：为了提高关角隧道径向注浆堵水效果和注浆效率，通过市场调研分析，采用目前国内煤矿中得到广泛应用的新型高分子材料马丽散进行试验，并取得成功。该新型高分子注浆材料能有效封堵基岩裂隙水，注浆工艺简单，固结速度快，浆液损失小，耐久性好，减少钻孔数量，极大地提高了注浆堵水效果和注浆效率，加快了施工进度，在铁路隧道堵水中具有很好的推广应用价值。

关键词：铁路隧道；高分子材料；马丽散；径向注浆；试验

1　概述

大量的山岭隧道工程建设经验表明，施工中的突泥涌水是隧道建设的难点之一。为了降低施工风险、提高施工效率、降低排水费用、改善作业环境，施工中根据涌水形式及涌水量的大小分别采取了帷幕注浆、顶水注浆、径向注浆等堵水措施，注浆材料主要以水泥基类材料为主[1-4]。由于该种材料存在可灌性差，初凝时间长，易被地下水稀释，在水压高、水量大的情况下，浆液损失较大等缺点[5-6]，在径向注浆中的效果不是太理想。为了提高径向注浆的堵水效果和注浆效率，经市场调研，选用了目前在国内煤矿中得到广泛应用的高分子化学注浆堵水材料马丽散在斜井内进行了径向注浆试验，并取得了成功。

2　工程概况

关角隧道长32.69 km，为两座平行的单线隧道，线间距40 m，最大埋深900 m，共设置11座斜井辅助施工，总工期5年。隧道洞身岭脊段通过了长达10 km(单延米)的灰岩富水段，地下水类型以岩溶裂隙水为主，以股状、散状水为主要涌水形式，涌水特点为水量大、衰减缓慢、水压高，关角隧道施工期间的正常涌水量达到了238 954 m3/d。受地下水的影响，关角隧道施工进度缓慢、排水费用增加、施工人员更换频繁，严重地影响到了整个隧道的建设工期。

3　注浆材料的选择

根据现场实际情况，对不同的注浆材料进行了比选，不同注浆材料的优缺点比较详见表1。经综合比较，马丽散化学浆具有流动性好、扩散范围大、遇水膨胀固化、凝固时间快、固化后结石体不收缩、能实现对微小空隙的入渗、堵水效果好等优点，尤其适合于对散状涌水注浆封堵，可达到长期堵水的目的[7]。特别对岩溶裂隙水，采用马丽散浆液进行径向注浆可达到事半功倍的效果。调研中发现，马丽散在国内煤矿堵水中应用较多[8-11]，而在交通隧道特别是铁路隧道中的应用却很少[12-13]，无成熟的经验可借鉴。为了验证其注浆效果，故在3号斜井井身散水比较严重的地段进行了径向注浆试验研究。

表1　注浆材料综合比较

注浆方案优点缺点水泥-水玻璃双液浆1.凝胶时间可控,可以达到控域注浆目的;2.可注性较好,在扰动后的粉细砂层中有一定的可注性;3.早起强度较高,利于注浆后就立即进行开挖施工1.工序复杂,帷幕注浆循环时间长,导致掘进进度慢;2.施工难度大、浆液损失大;3.很难实现对压力水的封堵;4.颗粒粗,渗透范围较小;5.耐久性较差,有二次涌水的风险马丽散化学浆1.材料性能好,遇水固化,膨胀率达3～25倍,能降低堵水难度;2.属于专业注浆材料,材料生产商负责指导堵水,对堵水工程有经验,工序时间相对较短,注浆时间相对较短;3.扩散范围大,堵水效果好,能实现对压力水的封堵;4.耐久性好;5.无需要止浆墙1.材料成本高、专业性强,工程投资大普通水泥单液浆1.凝胶时间长,具有较长的可注期;注浆时能够得到较大的注浆量和注浆加固范围;2.具有极高的抗压、抗剪强度,能得到较好的径向注浆效果;3.单价低1.初凝时间长,易被地下水稀释,影响其凝胶化性能和强度,因而不宜在水压高、水量大的条件下采用;2.颗粒粗,在砂层和微小裂隙条件下注浆困难;3.收缩率较大,不宜在防水等级要求很高的条件下采用

4　马丽散注浆的性能特点

4.1　注浆加固原理及材料性能

马丽散堵水材料是一种低黏度、双组分合成高分子—聚亚胺胶脂材料，两种组分为树脂和催化剂，属高分子化学产品，适用于围岩涌水的封堵和加固。马丽散浆液的特点是密度ρ与水非常相近，而且黏度μ较小，在其发生化学反应之前，流动性较好，是一种非常易于注浆和扩散的材料，材料在进入有水的裂隙及空间后，遇水即发生膨胀，快速地充填孔隙，封堵水流，达到堵水效果，膨胀系数为3～25倍(无水时膨胀系数大于3，有水时膨胀系数大于10)；材料反应时间可以根据不同的地质条件和要求调节，最短时间为十几秒。马丽散参数详见表2。

表2　马丽散参数

组份树脂催化剂20℃时密度/(g/cm3)1.01.220℃时黏度/MPa·s200300混合比例(体积比)1120℃存储期限/月66包装(塑料桶)25kg25kg20℃的反应数据反应开始时间45s反应结束时间1min10s膨胀倍数(不遇水)>3膨胀倍数(遇水)>10抗压强度/MPa>25

马丽散浆液对裂隙水的封堵，取决于其两个特性。一方面取决于其时变留存的性质，另一方面，化学浆液运移的蚁群效应，浆液发生时变反应之前，能够在压力场的调节下，合理的选择最近、最通畅的运移路径，随流场水流运移至裂隙的未封堵区，进而通过浆液的时变留存，实现裂隙的最终封堵。

4.1.1　马丽散浆液的同化运移扩散特点

通过注浆模拟试验，发现马丽散浆液在动水运移作用下，随着扩散的稳定，浆液的运移状态逐渐被流场同化，呈现出与裂隙水流相同的流场状态，其流速、水压等在流场内逐渐均一化，浆液的这个扩散特点，即为同化运移(图1)。同化运移的特性，大大提高了化学浆液的扩散能力，在时变反应前，能够使浆液扩散至过水裂隙或者其他导水通道的任意位置，增加浆液的有效封堵和加固范围。这是水泥基类浆液所不具备的优点。

图1　马丽散浆液在水中的同化运移试验

4.1.2　马丽散浆液的时变封堵特点

马丽散浆液根据其时变反应的不同可以分为两大步，一是体积膨胀反应，体积膨胀可达到原浆液的3～25倍，从而达到有效封堵裂隙动水的效果；二是快速固化反应，浆液膨胀后，迅速反应固化，形成强度稳定的结石体，充填加固裂隙。

4.1.3　马丽散浆液的动水封堵优点

(1)具有良好的可注性，在反应时刻之前，保持流体状态。

(2)结石体强度高，对围岩的加固效果好，并且结石体稳定性好，抗冻融能力强，不受酸、碱环境影响。

(3)扩散能力强，浆液的蚁穴效应运移特征，增加了浆液运移的灵活性，适合封堵更加复杂的导水通道。

(4)反应时间可调，不同的组份或加入不同的添加剂，可调整材料的初始反应时间，能适应更复杂的工况。

(5)固化时间短，基本不影响其他工序施工。

(6)施工工艺简单，用料少，效率高。

(7)封孔设备先进，只须打孔，在专用设备作用下进行封孔作业。

4.2　注浆设计

4.2.1　注浆参数

马丽散浆液在关角隧道中是第一次使用，缺少成熟的经验，故在3号斜井进行了径向注浆试验，试验参数的选取参照了水泥基类浆液，并根据现场实际情况进行了部分调整(表3)。

表3　注浆参数

参数名称参数注浆范围开挖轮廓线外4m化学树脂与催化剂的比例1∶1(体积比)扩散半径2.5m钻孔深度4m钻孔直径Φ30mm,根据现场实际情况调整注浆管Φ25mm(壁厚3.5mm)专用注浆管,长4m孔底间距不大于3.7m孔口间距1.68m×3.7m(环向×纵向)注浆设备专用注浆泵和混合枪注浆终压3MPa

4.2.2　注浆结束标准

注浆后段内涌水量不大于20 m3/m·d，集中出水点单孔涌水量<10>3/h。

4.2.3　注浆工艺

结合关角隧道的水文地质特点，分六大步骤。

(1)寻找富水区和导水裂隙。

(2)确定流场水流速度和注浆孔的连通性。

(3)根据围岩特征和揭露导水裂隙位置，确定浆液最佳反应位置。

(4)以孔深、连通性和围岩条件为钻孔质量评价重点因素，选取关键孔，进行注浆。

(5)利用现场条件进行浆液的配比试验，调配出初始反应时间为to的浆液配比。

(6)注浆时，同时对围岩变形、水量、水压等信息进行实时监测，以掌握注浆效果和确保工程安全。

4.2.4　注浆设备

马丽散采用专用的浆液泵，风压4～7 MPa，双液注浆系统，注浆压力5 MPa。同时还需配置专用的混合枪及注浆管。

4.2.5　注浆效果

本次径向注浆试验是在3号斜井内散状水比较严重的X9+97～X9+99段进行的，注浆前该段水量达到了1 800 m3/d，起初采用水泥-水玻璃双液浆，由于水量大、流速快，初凝时间长，还未凝固就被冲了出来，反复压注均未达到预期的效果。实施了马丽散化学浆液后，该段基本无线状流水，效果比较显著(图2)。

图2　马丽散注浆效果前后对比

5　效益分析

通过现场水泥-水玻璃双液浆和马丽散浆液试验得知，采用水泥-水玻璃双液浆径向注浆每延米需要钻19个孔，而马丽散注浆只需9个孔；水泥-水玻璃双液浆每延米的用量为26 m3，马丽散仅为1 m3；综合注浆单价水泥-水玻璃双液浆为3.5万元/m，马丽散浆液为4.5万元/m。仅从造价方面来看，马丽散要比水泥-水玻璃浆液贵约30%，但马丽散堵水效果好、工艺简单、速度快、工期短、减少了钻孔数量、节约了注浆时间、降低了施工难度和工期风险。综合比较，马丽散注浆的效果还是比较显著的。

6　结语

马丽散在关角隧道注浆堵水的成功应用，证明这种新型高分子注浆材料流动性好、扩散范围大，遇水膨胀固化，凝固时间快，固化后结石体不收缩，能实现对微小空隙的入渗，堵水效果好，而且其专用的注浆设备性能良好，封孔技术先进，注浆工艺简单，不需要止浆墙，浆液损失小，耐久性好，减少钻孔数量，非常适合散状涌水地段的径向注浆，极大提高了注浆堵水效果和注浆效率，加快了隧道施工进度。马丽散注浆材料的应用突破了铁路隧道长期采用水泥基类注浆材料的现状，推动了国内铁路隧道注浆技术的进步，在铁路隧道注浆堵水中具有较好的推广应用价值。

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Study on Application of Marison in Radial Grouting in Railway Tunnel

ZHANG Xu-zhen

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：In order to improve radial grouting plugging effect and grouting efficiency in Guanjiao Tunnel， the polymer Marison， which is currently widely used in coal mine based on market investigation.， is put into test and proved applicable The new polymer grouting material is effective in blocking bedrock fissure water with the characteristics of simple grouting process， fast consolidation， small loss of slurry， good durability and less drilling， which greatly improve water plugging and grouting effect， accelerate construction progress with the potential in railway tunnel water plugging

Key words：polymer materials; Marison; radil grouting ;test; Railway tunnel

收稿日期：2016-02-21；

修回日期：2016-03-16

基金项目：中铁第一勘察设计院集团有限公司科技开发项目(院科08-05)

作者简介：张旭珍(1976—)，男，高级工程师， 2000年毕业于石家庄铁道学院交通土建专业，工学学士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)08-0105-03

中图分类号：U455

文献标识码：A　　DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.022