地下工程顶部弱胶结岩体渗透破坏区注浆综合控制方法与流程

本发明涉及一种隧道及地下工程地质灾害治理技术，尤其是一种隧道巷道等地下工程顶部弱胶结岩体渗透破坏区泄水降压-分层注浆综合治理方法。

背景技术：

隧道、水电站、矿山巷道等地下工程的施工，不可避免的穿越断层破碎带、充填型溶洞等不良地质体，诸类不良地质体往往连通富水含水层，成为储水空间及含导水通道，被揭露后往往发生长期涌水。究其原因是开挖扰动导致围岩中产生塑性破坏区和临空面，地下水渗透力造成粘土等细颗粒成分被携带出，导水通道的规模随暴露时间延长而增大，表现为一处或几处集中涌水；与此同时，围岩力学性能逐渐恶化，顶板沉降、侧壁收敛快速增大，严重者造成规模较大的塌方，诱发突水突泥。此外，我国内蒙古、新疆等西部各矿区煤炭资源丰富，这些地区含煤地层成岩作用时间短，主采煤层顶底板岩层胶结差，且顶板岩层中通常分布着厚度达百米的含水层。为防止顶板水害，工作面回采前必须对顶板含水层进行疏水降压。受制于胶结弱、强度低的岩体性质，顶板水疏排过程中不断软化、泥化围岩，并伴随水力劈裂，致使岩体内导水通道逐渐形成并成为顶板水下渗的重要通道类型；通道扩展并网络化可导致大范围的顶板岩层产生位移，部分区域在含隔水层交界处形成离层等储水构造。在岩性、地下水渗透压力、构造等多重因素长期作用下，岩体渗透失稳破坏型地质灾害持续发生，严重威胁地下工程施工及运营安全。

地下工程这种情况的灾害主要通过强化支护和注浆加固两种方法，抑或两种方法同时实施。目前存在如下问题：①支护强度越来越大，成本越来越高，但是围岩自身强度没有提高，致灾源及通道未处治，仍存在塌方、冒顶风险；②注浆可以提高围岩自身强度，降低其渗透性，然而，由于灾变区岩体具有空隙大、渗透强、强度低、胶结弱的特征，难以承受高注浆压力，强行静压注浆可能导致塌方等二次地质灾害。因此，该类地下工程突涌水灾害治理需要在保障顶板岩体稳定前提下进行，即支护补强+合理注浆工艺联合运用才能取得理想的治理效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术治理弱胶结岩体渗透破坏地质灾害中存在的诸如治理效果不理想及易引发次生灾害等问题，提供一种地下工程顶部弱胶结岩体渗透破坏区注浆综合控制方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地下工程顶部弱胶结岩体渗透破坏区注浆综合控制方法，包括以下步骤：

a）.联合运用地质分析与地球物理探查手段，查明治理区水文地质条件，包括：

1）.绘制研究区水文地质剖面图，分析地下工程上覆地层岩性组合特征，确定致灾含水层及主控导水通道类型；

2）.进行顶板地球物理探查工作，圈定覆岩富水区形态和范围，指导灾害治理工作；

b）.渗透失稳破坏段及影响区内支护强化，即采用临时刚性支护与柔性支护相结合的手段对渗透失稳破坏段及相邻10~20m范围内形成支护强化段；

c）.泄水降压-分层注浆治理方案设计，即在顶板岩层富水区施工泄水降压孔，围绕泄水降压孔施作分层注浆加固孔；注浆孔分序施工，并采用前进式分段注浆方式对上覆地层由浅而深逐步加固；最后将泄水降压孔注浆封堵；

d）.对步骤c）的泄水降压钻孔施工与分层注浆工程实施，充分加固围岩中高压富水构造与地下工程之间的弱胶结岩体，注浆钻孔布置及注浆参数按照实际情况动态调整；

e）.泄水降压孔高压大流量动水封堵，包括泄水降压孔采用泄水-注浆和静压注浆两阶段注浆方法进行；泄水孔内通过泄水管将孔内涌水控制性排泄，钢管通过模袋固定并与孔壁构成泄水-注浆阶段的环形扩散空间；待浆液凝固后，封闭泄水管并开启静压注浆阶段；

f）.围岩变形实时监测，保障工程安全实施。

所述步骤a）中1）具体包括研究致灾含水层与地下工程之间的弱胶结隔水层的岩性及厚度空间展布特征，定性分析治理区岩体地下水通道形成过程以及岩体弱化变形的原因，评判离层发生的可能性。

所述步骤a中2）具体包括利用瞬变电磁、地质雷达地球物理探查方法对研究区顶板进行探查，分析顶板富水区位置及形态；通过与水文地质剖面联合解释，圈定离层区或导水构造控制性含水空间即导水通道范围，指导注浆钻孔及泄水孔布孔方式及深度。

所述步骤b中的临时刚性支护根据现场施工条件选择为木垛、混凝土柱或工字钢钢支撑，每榀间距1000~2000mm；所述柔性支护采用厚度为250mm厚的c20喷射混凝土，内置单层钢筋网。

所述步骤c）中，若顶板富水区为离层积水区，则直接针对离层区中部施工泄水降压孔；若围岩劣化主要是由断层类导水构造引起，则泄水降压孔施作于主控含导水构造上游，以截断地下水运移通道，迫使地下水主要沿泄水孔排出。

所述步骤d）中，针对地下工程上覆地层内的顶板岩层富水区施作泄水降压孔，泄水降压孔采用地质钻机施工仰角孔，步骤如下：

首先使用无芯钻头开孔至6m，下入长5m外径无缝钢管作一级孔口管；

所述一级孔口管外侧套有由土工布加工的1#模袋，且模袋位于焊接在一级孔口管上的两个1#限位器之间；

所述1#模袋上、下两端头采用钢丝捆扎方式固定在一级套管外侧，下端头连接1#注浆管；

一级孔口管下入孔后通过1#注浆管向1#模袋内注浆；

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比即水与42.5r普通水泥质量比为1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1，注浆终止压力选择为2.5mpa；

注入的浆液凝固后撑起1#模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体，达到一级孔口管与破碎围岩紧密咬合且固定孔口管的目的；

一级孔口管固定后，使用无芯钻头施工至设计孔深，下入无缝钢管制作的二级孔口管；所述的二级孔口管和一级孔口管之间通过快硬水泥卷固定密封；

二级孔口管长度为10~15m，前端5~10m制作成花管，钻设多组渗水孔，既起到钻孔护壁作用，防止钻孔堵塞，又可以使富水地段中地下水排出。

所述步骤d）中，围绕泄水降压钻孔布设分层注浆加固孔，布设方式根据现场施工条件布置为环形或矩形；所述的注浆加固孔划分为3个序列，其中ⅰ序孔间距为4~6m，ⅱ序孔间距为2~3m，ⅲ序孔间距为1m，施工过程中按照ⅰ~ⅲ的顺序依次对各序孔实施注浆。

注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比即水与42.5r普通水泥质量比为0.8:1~1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为1:1~3:1，注浆终止压力选择为2~3mpa。

所述步骤e）中，泄水降压孔封堵采用泄水-注浆和静压注浆两阶段注浆方法，包括以下步骤：

首先利用无缝钢管加工成泄水管，泄水管两端车丝，通过丝扣彼此连接；

最上端泄水管外侧套有由土工布加工的2#模袋，且2#模袋位于2#限位器之间；

2#模袋上、下两端头采用钢丝捆扎方式固定在泄水管外侧，下端头连接2#注浆管；

泄水管经丝扣连接钻机，通过钻机被送至预定位置，即2#模袋安置到钻孔内主控导水通道位置以下1~2m；

泄水管下入后，利用2#注浆管向2#模袋注浆；

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比即水与42.5r普通水泥质量比为1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1，注浆终止压力选择为2~3mpa；

注入浆液凝固后撑起2#模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体以固定泄水管，并迫使孔内涌水经泄水管流出；

泄水管下端与二级孔口管经1#注浆接头连接；

1#注浆接头通过丝扣连接二级孔口管，其底板加工两个圆孔分别穿过泄水管及2#注浆管，待泄水管安装完毕后三者焊接固定；

泄水管与孔壁之间的环形空间成为第一阶段注浆的浆液扩散通道；

第一阶段注浆为泄水-注浆阶段，通过与1#注浆接头连接的3#注浆管，在泄水管泄水过程中实施，加固泄水孔浅部围岩；

注浆材料采用水泥单液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比即水与42.5r普通水泥质量比0.8:1～1:1，注浆压力3~4mpa。

泄水-注浆阶段结束48小时后，浆液凝胶体能够承受注浆压力；

利用泄水管注浆封堵含导水通道即为静压注浆阶段，经2#注浆接头通过丝扣连接泄水管端部，关闭高压球阀即可封闭涌水；

经4#注浆管实施静压注浆，静压注浆主要是充填泄水管及其揭露的含导水通道，并将高压地下水赋存空间置换为浆液，从而达到封堵通道，堵截水源，加固隔水层的多重目的。

注浆材料选择水泥单液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比即水与42.5r普通水泥质量比0.8:1～1:1，注浆压力4~5mpa。

所述步骤f）中，钻孔施作及注浆工程实施期间，根据围岩情况在渗透失稳破坏型灾变区及影响区布置监测断面，灾变区监测断面间距为3~5m，影响区监测断面为5~10m，以监控工程实施期间顶板沉降及侧帮收敛变形情况；同时绘制监测曲线，指导注浆压力的动态调整。

本发明的有益效果是：本发明解决了现有方法处治顶板岩体因渗透破坏同时引发集中涌水与岩层大变形等地质灾害的治理周期长、效果不理想、易引发二次地质灾害等问题。采取本工法施工后，通过对弱胶结岩体加固和高压大流量涌水封堵分层次、分阶段实施，缩短了地下工程顶部弱胶结围岩渗透失稳型地质灾害的处治工期，保障了围岩加固范围和强度，特别是集中高压大流量集中涌水区围岩得到分层次加固，避免了强制性静压注浆造成的二次地质灾害发生，有效提高了治理质量，创造了良好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的施工工艺流程方框图；

图2是本发明治理方案的剖面示意图；

图3是本发明的泄水降压孔结构示意图；

图4是本发明的泄水降压孔封堵示意图；

图中，1、富水含水层；2、弱胶结岩体（相对隔水层）；3、地下空间；4、离层积水区；5、导水构造；6、泄水降压孔；7、临时刚性支护；8、临时柔性支护；9、分层注浆加固孔；10、一级孔口管；11、1#模袋；12、1#限位器；13、1#注浆管；14、二级孔口管；15、溢流孔；16、快硬水泥卷；17、泄水管；18、2#模袋；19、2#限位器；20、2#注浆管；21、1#注浆接头；22、浆液扩散环形空间；23、3#注浆管；24、2#注浆接头；25、高压球阀；26、4#注浆管；27、监测断面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1-图4所示，地下工程顶部弱胶结岩体渗透破坏区注浆综合控制方法，包括以下步骤：

1、联合运用地质分析与地球物理探查手段，查明治理区水文地质条件

根据隧道或巷道等地下工程附近的地质勘探钻孔资料，绘制治理区大比例尺水文地质剖面图，分析上覆地层的岩性组合特征及地质构造发育情况，确定致灾含水层(体)1层位及地质构造类型。研究致灾含水层(体)1与地下工程3之间的弱胶结岩体（相对隔水层）2的岩性及厚度空间展布特征，定性分析治理区岩体地下水通道形成过程以及岩体弱化变形的原因，评判离层4发生的可能性。

利用瞬变电磁、地质雷达等地球物理探查方法对研究区顶板进行探查，分析顶板富水区位置及形态。通过与水文地质剖面联合解释，圈定离层区4或导水构造5等控制性含水空间（导水通道）范围，指导注浆钻孔及泄水孔布孔方式及深度。

2、渗透失稳破坏段及影响区内支护强化

采用临时刚性支护与柔性支护相结合的手段对渗透失稳破坏段及相邻10~20m范围内形成支护强化段。

所述的临时刚性支护可根据现场施工条件选择为木垛、横截面为500×500mm的混凝土柱或25b工字钢钢支撑，每榀间距1000~2000mm。所述的柔性支护采用厚度为250mm厚的c20喷射混凝土，内置单层长乘以宽400m×400m、φ8mm的钢筋网。

3、泄水降压-分层注浆治理方案设计

根据地质分析及地球物理探查综合结果，在顶板岩层富水区施工泄水降压孔6。所述的泄水降压孔6目的是减少注浆期间顶板覆岩中高压水对岩层的渗透力，防止顶板岩层中形成密封高压的静水环境而导致围岩受压变形破坏。

若顶板富水区为离层积水区4，则直接针对离层区中部施工泄水降压孔；

若围岩劣化主要是由断层等导水构造5引起，则泄水降压孔施作于主控含导水构造上游，以截断地下水运移通道，迫使地下水主要沿泄水孔排出。

围绕泄水降压孔6施作分层注浆加固孔9，注浆孔分序施工，且采用前进式分段注浆方式对上覆地层由浅而深逐步加固。最后将泄水降压孔注浆封堵，完成治理工程。

4、泄水降压钻孔施工与分层注浆工程实施及动态调整

针对地下工程上覆地层内的集中富水区施作泄水降压孔，泄水降压孔6采用地质钻机施工仰角孔，步骤为：

首先使用外径φ168mm无芯钻头开孔至6m，下入长5m外径φ146mm无缝钢管作一级孔口管10。

一级孔口管外侧套有由土工布加工的1#模袋11，且模袋位于焊接在一级孔口管上的两个1#限位器12之间。

1#模袋11上、下两端头采用钢丝捆扎方式固定在一级套管外侧，下端头连接1#注浆管13。

一级孔口管下入孔后通过1#注浆管13向1#模袋11内注浆。

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比（水与42.5r普通水泥质量比）为1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1，注浆终止压力选择为2.5mpa。

注入的浆液凝固后撑起模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体，达到一级孔口管与破碎围岩紧密咬合且固定孔口管的目的。

一级孔口管固定后，使用外径φ137mm无芯钻头施工至设计孔深，下入外径φ108mm无缝钢管制作的二级孔口管14。

二级孔口管长度根据实际情况定，一般为10~15m，前端5~10m制作成花管，钻设多组渗水孔15，既起到钻孔护壁作用，防止钻孔堵塞，又可以使富水地段中地下水排出。

二级孔口管14和一级孔口管之间通过快硬水泥卷16固定密封，该密封方法为公知工法；泄水降压孔施工完成后，灾害区地下水主要通过泄水孔集中排泄，而围岩其他地段渗水量减少。

围绕泄水降压钻孔布设分层注浆加固孔，布设方式根据现场施工条件布置为环形或矩形。

注浆加固孔划分为3个序列，其中ⅰ序孔3间距为4~6m，ⅱ序孔4间距为2~3m，ⅲ序孔5间距为1m，施工过程中按照ⅰ~ⅲ的顺序依次对各序孔实施注浆。

注浆工艺为前进式分段注浆工艺，该方法为公知工法，不再赘述。

注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比（水与42.5r普通水泥质量比）为0.8:1~1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为1:1~3:1，注浆终止压力选择为2~3mpa。上述浆液配比及注浆参数是申请人经过长期工程实践及经验总结所得到的，保证了注浆效果。

泄水降压钻孔数量、位置等可以根据现场条件调整；注浆钻孔布设方式、注浆顺序需根据现场需要动态调整。

5、泄水降压孔高压大流量动水封堵

地下工程顶板破碎岩体被加固后，作为集中涌水点的泄水降压孔需进行及时封堵。泄水降压孔中涌水具有高压大流量特征，长时间涌水将对孔壁岩体造成冲刷，并导致注浆加固区岩体含水量增大，长期作用下注浆效果降低，甚至再次发生渗透失稳破坏型灾害。此外，除非用作放水孔，泄水降压孔的存在将导致工作条件恶化，不利于安全生产，因此必须要进行封堵。

泄水降压孔封堵采用泄水-注浆和静压注浆两阶段注浆方法进行。

首先利用外径φ63.5mm、壁厚8mm的无缝钢管加工成单根长1500mm的泄水管17，泄水管两端车丝，通过丝扣彼此连接。最上端泄水管外侧套有由土工布加工的2#模袋18，且2#模袋位于2#限位器19之间。

2#模袋上、下两端头采用钢丝捆扎方式固定在泄水管外侧，下端头连接2#注浆管20。

泄水管经丝扣连接钻机，通过钻机被送至预定位置，即2#模袋18安置到钻孔内主控导水通道位置以下1~2m。

泄水管下入后，利用2#注浆管20向2#模袋19注浆。

注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比（水与42.5r普通水泥质量比）为1:1；水玻璃浓度在35~42be之间，模数为2.3~3.0，42.5r普通水泥单液浆和水玻璃体积比为2:1，注浆终止压力选择为2~3mpa。

注入浆液凝固后撑起2#模袋，同时挤压周围破碎软弱岩体以固定泄水管，并迫使孔内涌水经泄水管流出。

泄水管17下端与二级孔口管经1#注浆接头21连接。1#注浆接头通过丝扣连接二级孔口管，其底板加工两个圆孔分别穿过泄水管17及2#注浆管20，待泄水管安装完毕后三者焊接固定。

泄水管17与孔壁之间的环形空间22成为第一阶段注浆的浆液扩散通道。

的第一阶段注浆为泄水-注浆阶段，通过与1#注浆接头连接的3#注浆管23，在泄水管泄水条件下实施，加固泄水孔浅部围岩。注浆材料采用水泥单液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比（水与42.5r普通水泥质量比）0.8:1～1:1，注浆压力3~4mpa。

泄水-注浆阶段结束48小时后，浆液凝胶体具有一定强度，围岩强度较高，能够承受注浆压力。

利用泄水管注浆封堵含导水通道即为静压注浆阶段。

经2#注浆接头24通过丝扣连接泄水管端部，关闭高压球阀25即可封闭涌水。经4#注浆管26实施静压注浆，静压注浆主要是充填泄水管及其揭露的含导水通道，并将地下水存在的空间置换为浆液，从而达到封堵通道，堵截水源，加固隔水层的多重目的。注浆材料选择水泥单液浆，注浆参数如下：水泥浆水灰比（水与42.5r普通水泥质量比）0.8:1～1:1，注浆压力4~5mpa。

6、围岩变形实时监测，保障工程安全实施

钻孔施作及注浆工程实施期间，根据围岩情况在渗透失稳破坏型灾变区及影响区布置监测断面，灾变区监测断面间距为3~5m，影响区监测断面为5~10m，以监控工程实施期间顶板沉降及侧帮收敛变形情况。同时绘制监测曲线，指导注浆压力的动态调整。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。