摘要：通过对广东韶新高速公路某标段隧道初期支护特大围岩涌水的原因进行分析，确定采用KT-CSS控制灌浆工法：低压、慢灌、快速固化、分序分次控制灌浆，利用水泥基类特种灌浆材料复合灌浆，解决了隧道初期支护特大涌水的问题。该涌水治理也对高速公路隧道安全掘进施工、地表水土流失治理和后期隧道二衬安全浇筑起到了十分积极的作用。
关键词：高速公路隧道 初期支护 特大涌水 控制灌浆 材料复合
The Successful Application of KT-CSS Control Grouting Method in The Treatment of Large Water Inrush in The First Branch of The Tunnel
Zeng Youcai
(China Railway 11th Bureau Group Fourth Engineering Co.,Ltd., Wuhan Hubei 100855, China；)
Abstract: Based on the analysis of the cause of water inrush in the initial support of a tunnel in a bid section of Shaoxin Expressway in Guangdong Province, it is determined to adopt kt-css control grouting method: low pressure, slow grouting, rapid solidification, controlled grouting by sequence and time, and composite grouting with cement-based special grouting materials to solve the problem of water inrush in the initial support of the tunnel. The water inrush control also plays a very positive role in the safe tunneling construction of the highway tunnel, the control of surface soil erosion and the safe pouring of the second lining of the tunnel in the later stage.
Key words: highway tunnel; initial support; excessive water gushing; controlled grouting; material composite
1 工程概况
广东韶新高速寒山口隧道设计路线里程K74+549~K78+302、ZK线里程ZK74+475~ZK78+266，右线、左线分别长3753m、3791m，最大埋深约307.74m。两洞间距28.7~51.2m，为左右分修，隧道单洞宽约17m，高约9m。隧道洞身衬砌按照新奥法原理采用复合式衬砌。初期支护采用锚网喷支护，必要时加设钢架，二次衬砌为模筑（钢筋）混凝土衬砌。
2020年3月12日施工时，隧道内初期支护突发涌水、塌方，地表开裂，出现了9个小型塌坑。
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2 特大涌水的危害和整治目的
2.1 特大涌水的危害
隧道右洞围岩涌水情况严重，此涌水处，每天涌水量达8000m3，并且含沙量达到0.2%，且地表已出现严重的开裂和塌陷。如果不及时处理，水土持续流失，将影响隧道主体、周边居民住宅及整个山脉环境的安全。如果处理不当，会出现局部水压过大，影响浇筑二衬，无法保证掘进与二衬的120m的安全步距，不能进行隧道正常掘进，影响工期进度，并且会造成以后二次衬砌局部发生渗漏水隐患。还有可能造成二衬混凝土开裂，影响工程的质量，更影响隧道的后期运营安全。
针对此段渗水量过大情况，利用KT-CSS控制灌浆工法：低压、慢灌、快速固化、分序分次控制灌浆，和水泥基特种灌浆材料的复合使用，采取对围岩进行固结注浆和帷幕注浆、地表注浆等措施，保证隧道结构安全，也可有效的防止水土流失。
2.2 整治目的
1、目前确保右洞的施工安全，保证隧道的正常掘进施工，以及防止雨季来临后洞内再次出现塌方和涌泥涌水等灾害。
2、防止以后因流水造成围岩脱空，导致围岩偏压，对通车后的隧道二衬结构造成开裂，甚至坍塌的可能。
3、防止流水造成围岩脱空，引起围岩塌陷，造成地表地质灾害，影响附近居民的人身及财产安全，以及农业生产和生活安全，引起环境保护方面的灾害。
4、采用耐久性好的注浆材料，无毒无害，确保生态环境安全。
3 整治的基本原则
1、KT-CSS控制灌浆工法要符合确保质量、技术先进、经济合理、安全适用的要求；
2、KT-CSS控制灌浆工法按“疏堵结合、防排截堵、以堵为主，以排为辅、限量排放”的分级分段隧道漏水治理原则，采用围岩固结注浆、围岩帷幕注浆、初支加固处理、防水隔离墙、径向注浆、地表注浆等综合措施进行隧道漏水病害治理。
（1）围岩固结注浆、帷幕止水，分区治理
需要对处理范围进行全环径向注浆，防止涌水段处理后围岩水顺沿断裂带造成其他部位再次涌水，造成围岩偏压等地质灾害。
为防止富水段封堵后，涌水向治理段外侧转移，建立隔离墙。在目前装拱架的渗水段30m，前后暂定各延长20m范围先进行隔离墙灌浆，可以阻止渗水严重段处理后的水向周边扩散。环向上非富水区域也可先行注浆形成隔离墙。
（2）疏堵结合、限量排放
隧道长期涌水会破坏生态环境，导致地下水位下降，施工条件恶化并威胁隧道运营期衬砌安全，甚至会诱发工程地质灾害，目前针对隧道流水多采用“以堵为主，以排为辅、限量排放”的方法进行综合治理，在施工中既能最大程度的保护环境，也能有效防止因封堵造成的水压升高威胁后期二次衬砌稳定性的问题，保障施工和运营期的安全。加强排水为辅的目的是在实现本项目注浆堵水目标的基础上，及时将治理后的少量流水排走，减小防水板与排水管的排水压力，提高防水结构的耐久性。
3、KT-CSS控制灌浆工法采用经过试验、检测和鉴定，并经实践检验质量可靠的新材料，行之有效的新技术、新工艺，也应符合国家现行的有关强制性规范标准规定；
4、KT-CSS控制灌浆工法，考虑到通车后汽车对隧道结构的震动扰动和荷载扰动，所以要充分考虑材料的抗振动扰动性和耐久性，并且材料性能必须高于国家和行业现行标准要求。比较好的围岩固结灌浆用的水泥基无收缩灌浆材料，水泥基早凝早强灌浆料，水中不分散混凝土（符合国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T 50448-2015）、聚合物砂浆（符合国家行业标准《聚合物水泥防水砂浆》JC/T 984-2011）、丙烯酸盐（符合《丙烯酸盐灌浆材料》JC/T 2037-2010）、改性环氧灌浆材料，我们不采用水玻璃和聚氨酯等临时堵漏材料，水玻璃堵水不耐久，并且对环境保护有影响，《隧道工程防水技术规范》CECS 370：2014第77页和《地下工程防水技术规范》GB 50108-2018都明确规定:水泥水玻璃双液注浆材料不得用于永久性工程防渗堵漏；
5、KT-CSS控制灌浆工法必须符合环境保护的要求，并采取相应措施，确保化学灌浆材料的固化体无毒无污染；
6、KT-CSS控制灌浆工法在治理特大涌水的过程中，防水堵漏的同时，将永久防水和补强加固有机地结合到一起。
4 涌水原因分析和治理目标
4.1 原因分析
该段处于地质结构断裂带处，渗水来源以地面降水、地表浅层水、围岩裂隙水为主。含沙量0.2%，涌水含沙量高，易造成地质塌陷，还有出水量增大，围岩会形成偏压。
4.2 治理目标
1、处理段初支结构达到地下防水三级标准，即有少量漏水点，不得有线流和漏泥砂。单个湿渍面积不大于0.3㎡，单个漏水点的漏水量不大于2.5L/d，任意100㎡防水面积上的漏水或湿渍点数不超过7处。
2、初期支护拱墙达到不滴水，地板不涌水和冒水。
5 KT-CSS控制灌浆工法
5.1 基本原理
1、首先确定整治范围：以该涌水点前后15m范围为富水区段（长度30m），富水区段前后各设置宽度20m的防水隔离墙，即整治范围暂定最少70m，根据施工中钻孔注浆情况再决定是否需要延长。如果进浆量大或者出水量大，可以适当向外扩5-10m。
2、使用钢板与拱架焊接做成封浆墙，大小为：涌水点上下2.5-3m，前后至少10m。在封浆墙上安装法兰盘，将分散水变成集中水，将无序水变成有序水。
3、分段注浆，先做隔离墙注浆再做富水段注浆，最后做仰拱注浆。
4、分序注浆，第一序浅层围岩3m深范围内进行固结注浆和帷幕注浆，形成对初期支护3m保护壳，第二序围岩深度6m左右进行固结注浆，进一步加固围岩，形成初期支护第二道保护壳，第三序围岩9m左右进行固结注浆，循序渐进。
5、控制灌浆材料的固化时间和固化强度，提高材料的使用有效率，减少灌浆材料的流失率。
6、灌浆的时候控制压力和灌浆的浓度。低压、慢灌、快速固化、分序、分次间隙性控制灌浆。浆液浓度在水灰比：1:3到1:1、1:0.5之间的浓浆切换。
5.2 具体操作
1、防水隔离墙的设置
1）目的：为防止本段注浆堵水导致水流转移，设置防水隔离墙来防止水流窜水造成其他地段渗漏水。
2）设置方式：隧道拱部及边墙处、隧道底部做防水隔离墙设置于富水区间外20m范围内，采用固结注浆和帷幕注浆法，注浆孔布设参数为孔深3m，孔径50mm，间距2m，每环20-25孔（结合设计尺寸），以隧道中心线为中心，向四周均匀发散，此为第一序注浆。第二序注浆孔布设参数为孔深6m，孔径50mm，间距3m，每环15-20孔（结合设计尺寸）。第三序注浆孔布设参数为孔深9m，孔径50mm，间隔4m。
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图2 隔离墙段注浆锚管布置示意图（每序仅展示一侧）图3 隔离墙段注浆锚管布置示意图-正视图
3）注浆管：注浆采用涨壳式中空注浆锚杆或注浆小导管采用外径φ42mm、壁厚4mm的热轧无缝钢管，管节按设计长度加工，前端5cm做成锥形，尾端10cm处焊接φ8的钢筋加劲箍，管口段0.5m范围内钢管不开孔，其余部分按15cm间距梅花型交错设置注浆孔，孔径为6~8mm。
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2、富水区段注浆
1）隧道漏水治理以“疏堵结合，以堵为主”为原则，采用径向注浆的方式对裂隙水进行治理。同样需要分三序进行注浆，第一序为孔深3m，孔径50mm，间距2m，每环20-25孔。第二序为孔深6m，孔径50mm，间距3m，每环15-20孔，第三序为孔深9m，孔径50mm，间隔4m。
2）其中较为特殊的是，在涌水点上下各3m左右，前后各10m左右的范围内设置封浆墙，考虑到实际情况及便捷性，建议使用厚度8mm的钢板（最小5mm）与钢架进行焊接，内需要肋筋，整个钢板上下各布置一根混凝土横梁，用于限制和封闭钢板，防止漏浆。钢板适量开孔Ф75，便于钻孔安装注浆锚管，再使用环氧砂浆对管和钢板交接处进行密封。在涌水点位置附近安装Ф50的法兰盘6-10个，再装球阀。把分散水变成集中水，把无序水变成有序水。
3）注浆采用中空注浆锚管或花管。
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图7富水区段注浆锚杆布置示意图-正视图 图8富水区段钢板封浆墙上开孔示意图（图中仅为1序孔，2序、3序类推）
3、仰拱区段注浆
1）开挖仰拱到设计位置，观测出水情况，观察围岩情况。如果出水量大，围岩情况较差，先进行围岩注浆，如果出水量不大，围岩情况较好，先浇筑仰拱结构再进行围岩注浆。分序开孔注浆，布孔参数为第一序孔深3m，孔径50mm，间距2m。第二序孔深6m，孔径50mm，间距3m。无第三序开孔注浆。
2）注浆采用中空注浆锚管。
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图9 仰拱区段注浆锚杆布置示意图 图10 分序注浆效果示意图
施工顺序：先进行隔离墙的第一序开孔及注浆（深度3m），第二序开孔及注浆（深度6m），与此同时，涌水处的钢板封浆墙同步安装。隔离墙前两序注浆完成后，在富水段非封浆墙（钢板范围）处进行第一序开孔注浆及第二序开孔注浆，这两序完成后再进行涌水点及钢板封浆墙处的第一序、第二序开孔注浆。最后统一做第三序开孔及注浆（深度9m）。暂定的70m范围内的仰拱注浆放到最后进行，且只做第一序和第二序开孔注浆。
分序注浆的压力为：第一序1.0~1.5Mpa，第二序1.5~2.5Mpa，第三序2.5~4.0MPa。
相邻左洞施工的位置：
由于隧道左右洞均处于地层断裂带处，虽然左洞暂时没有发现涌水及渗漏情况，但为防止右洞处理后，地层水集中到左洞附近，给左洞结构安全造成极大隐患或直接伤害，以及保证今后左洞结构的不出现偏压等不良影响，建议对左洞同样范围内的二衬结构进行围岩注浆，钻孔数量约为右洞的1/3。相关布置参照右洞。
地表注浆：
针对目前地表出现多处坍塌及裂缝，为防止塌陷情况进一步恶化，保证隧道主体结构的长久安全，以及保障周边居民生产生活和山体环境的安全。建议对地表进行浅层固结注浆。地表注浆分两序操作，第一序钻孔深度20-30m，间隔16m，第二序钻孔深度10-15m，间隔16m。地表注浆压力：第一序5-8MPa，第二序2-4MPa。
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图11 地表分序注浆大致范围 图12 地表分序注浆示意图
5.3 KT-CSS控制灌浆工法成功运用案例
1、新疆地铁初期支护渗漏水治理施工
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6 水泥基类特种灌浆材料在KT-CSS控制灌浆工法中的复合使用
根据涌水情况，利用一些材料的优点去弥补一些材料的缺点，从而达到复合后的完美效果，现场根据材料的性能也行进行材料配比和复合。
利用的灌浆材料的基本特性：
1、KT-CSS-18改性环氧树脂结构胶
特点：1、耐水耐潮湿，混合后可以在水中固化，水中粘接，固化时间可以进行调整。市场上民用加固的环氧很难达到；2、能在0℃以上固化，能在潮湿和干燥界面施工；3、无溶剂，固化后不会因溶剂挥发后而收缩，固含量超过95%以上，市场上用丙酮稀释的环氧不能用。固化体系无有机溶剂释放，反应放热平稳，不易爆聚；4、环氧固化后有一定的韧性，延伸率在8%-10%之间，可以抗汽车或列车通行的时候对结构的震动扰动和荷载扰动，市场上环氧固化后是刚性的，无延伸率；5、低粘度，高渗透，可以灌进0.2mm的缝隙，我们的可以达到0.1mm的缝隙，利于堵漏效果。市场上环氧浓度大，只能灌进0.3-0.5mm的缝隙；6、固化后强度达C40-50，无需更高！市场上环氧是强度高达C60以上，与砼标号等级有偏差；7、我们通过实践，总结出来裂缝漏水灌环氧的工法（KT-CSS工法，己获得国家发明专利），可以使漏水裂缝灌浆饱满度达95%以上，加固规范要求只是达85%；8、目前环氧类材料是工程加固类的首选材料，抗压强度高，粘接强度好，不容易水，地下工程无紫外线，不会有造成环氧材料的老化的环境，这样环氧类材料的耐久性就比较好，目前在港珠澳大桥的裂缝修补都采用改性环氧灌浆材料，材料必须性能指标符合《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》JC/T 1041-2007标准的要求。
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3、KT-CSS系列聚合物快速封堵材料
材料性能：1、带水施工、防潮、抗渗，快速堵漏，迎、背水面均可使用；2、无毒、无害、无污染、可用于饮水工程；3、抗渗强度高、粘结能力强、防水；4、与基层结合成整体，不老化、耐水性好。
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4、KT-CSS系列特种水泥基灌浆材料
（1）KT-CSS系列水中不分散灌浆料
材料性能要求：1、高抗分散性。可不排水施工，即使受到水的冲刷作用，也能使在水下浇筑的水下不分散混凝土不分散、不离析、水泥不流失；2、优良的施工性。水下不分散混凝土虽然粘性大，但富于塑性，有良好的流动性，浇筑到指定位置能自流平、自密实；3、适应性强。新拌水下不分散混凝土可用不同的施工方法进行浇筑，并可通过各种外加剂的复配，满足不同施工性能的要求；4、不泌水、不产生浮浆，凝结时间略延长；5、安全环保性好。掺加的絮凝剂经卫生检疫部门检测，对人体无毒无害，可用于饮用水工程，新拌水下不分散混凝土在浇筑施工时，对施工水域无污染；6、此水泥基灌浆材料，与水泥性能基本相同，耐久性与水泥基本一致，高于化学类浆液。
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5、KT-CSS系列早凝早强高强灌浆料
材料性能要求：1、施工工艺简单，单位长度作业时间短；2、施工时所需设备安全、简易，易于运输和装卸，便于当天做好清场工作，以确保地铁或市政交通的次日准时开通；3、浆液渗透性好，与原混凝土基面的黏结强度高；4、浆液固结后需产生一定的强度，最好与原混凝土道床强度相近。5浆液在动荷载作用下固化后不产生收缩；6、水泥基灌浆材料，与水泥性能基本相同，耐久性与水泥基本一致，高于化学类浆液；7、无收缩；8、微膨胀2%—3%膨胀系数；9、自流平；10、自密实；11、强度高，固化后强度达到C30-C50根据施工需要的情况可以调；12、超细，可以灌注到0.8-1.0mm的缝隙和裂隙中去；13、若有水的环境，会采用水中不分散，就是灌浆料配好以后，在水中不在被稀释和溶解，提高有效使用率，没有水的就不用；14、粘接强度高，里面掺了聚合物建筑用胶粉，与围岩粘接效果好；15、灌浆料内还掺进了结构自防水母料和水泥基渗透结晶母料；抗冻胀抗渗等级高；16、根据围岩空隙大小，如果预留空隙小于10厘米，灌浆材料内还需要添加抗开裂的树脂纤维；17、适合快速固化要求的施工，在40-60min开始固化，强度达到C15。120-180min达到C20；18、隔天还需用耐潮湿耐水无溶剂高渗透环氧胶进行补充灌浆，对水泥灌浆料不能灌进的0.5mm的以下会渗水的缝隙进行灌浆；19、材料性能指标必须符合《水泥基灌浆材料》JC/T 986-2018标准的要求，注浆施工要达到国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T 50448-2015。
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6、KT-CSS系列高性能无收缩灌浆料
材料性能：1、低水料比，高流动性，高渗透性，高粘接力，高强度；2、无泌水、无收缩，注浆凝固后结石率≥99%；3、后期强度不回落，耐久性与混凝土同步；4、此水泥基灌浆材料，与水泥性能基本相同，耐久性与水泥基本一致，高于化学类浆液；5、材料性能指标必须符合《水泥基灌浆材料》JC/T 986-2018标准的要求，注浆施工要达到国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T 50448-2015。
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7、KT-CSS系列特种聚合物胶水材料（阳离子丁基丙乳砂浆）（符合《聚合物水泥防水砂浆》JC/T 984-2011标准）
材料性能：1、防水、防渗、抗裂、粘结、抗冻、抗老化性能；2、抗水渗透性比普通砂浆提高3倍以上；3、无毒、无害、无环境污染；4、施工方便；5、适合于潮湿面粘结；6、材料性能必须要符合国家行业标准《聚合物水泥防水砂浆》JC/T 984-2011。
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7 KT-CSS控制灌浆工法的特种注浆混合装置
采用植筋胶枪混合的原理制作出来“枪头混合器”，为了能快速堵住特大涌水，就必须采用两种浆液混合短时间内快速固化，需要5-10s内快速固化。为了实现KT-CSS控制灌浆工法中快速固化的要求，发明制作了带3通进出浆，出浆管内安装上带正螺旋和反螺旋的固定混合叶片，浆液在管内流动的时候得到充分的搅拌，从而反应达到固化，此装置实现了材料的5s固化的需求。成为实现KT-CSS控制灌浆工法的重要工具。
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9 结语
成功在28天内完成了隧道涌水的整治任务，采用KT-CSS控制灌浆工法结合水泥基类特种灌浆材料的复合使用，是对隧道初期支护特大涌水进行处理的关键，固结注浆加固和帷幕注浆治水，加固了初支周边的围岩，堵住了涌水的通道，地表水不再因为隧道漏水而流失加快，地表也不再出现塌坑，实现堵漏和加固的目的，达到了设计要求，高效、快捷地完成了施工病害整治任务的要求，为类似隧道工程初支塌方涌水处理提供了借鉴。
作者简介：
曾有财，1983年6月生，交通工程专业，工程师，中铁十一局集团第四工程有限公司，参加建设的工程有武广客专隧道IV标牛岭、尖峰顶隧道，大连地铁212标机场站、辛寨子站及其区间，武汉地铁天河机场站，汉孝城际铁路天河机场站，宁奉城铁TJFH03标，武汉地铁16号线，长沙地铁6号线。
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