隧道全斷面注漿技術(shù)

1、圓梁山隧道全斷面注漿技術(shù)摘 要：圓梁山隧道是渝懷線上最長(zhǎng)的鐵路隧道，隧道出口掘進(jìn)至PDK355+020時(shí)遭遇巖溶涌水 突泥，導(dǎo)致開(kāi)挖面被淹，嚴(yán)重影響了正常施工，通過(guò)地質(zhì)鉆探等綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段并結(jié)合涌出物分析，決定采用 全斷面預(yù)注漿技術(shù)進(jìn)行封堵，有效地堵住了地下水，并對(duì)圍巖進(jìn)行了加固，恢復(fù)了正常施工。關(guān)鍵詞 ：隧道 巖溶 涌水突泥 全斷面注漿1 概述圓梁山隧道全長(zhǎng) 11068m，是新建鐵路渝懷線上最長(zhǎng)的單線隧道，隧道主要穿越毛壩向斜和桐麻嶺 背斜，其中毛壩向斜高壓富水區(qū)總長(zhǎng)2200m，向斜翼部最大埋深 780m，核部最小埋深 550m。該段巖溶和巖溶水異常發(fā)育，巖溶、高壓富水是地質(zhì)難題。根據(jù)設(shè)計(jì)

2、資料，毛壩向斜段正常涌水 量為 55000m3/d ，最 大涌水量 83000m3/d ，且洞身處存在 4.6MPa 的高靜水壓力。毛壩向斜高壓富水區(qū)大量排水將會(huì)引起地下水位大幅度下降，甚至可能被疏干，直接影響居民的生產(chǎn)、生活用水，也可能引起局部地面的塌陷或開(kāi)裂。 為了減少隧道修建對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。針對(duì)圓梁山隧道高壓富水區(qū)采取了“注漿堵水，限量排放”的施工 原則。2 開(kāi)挖面超前地質(zhì)探測(cè)及涌出物分析 為確保圓梁山隧道的安全優(yōu)質(zhì)、快速順利施工，有效地采取施工方案，選擇合理的注漿方法，在圓 梁山隧道施工中采取了多種地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手 段，如超前探水孔鉆探、紅外線、 TSP地質(zhì)雷達(dá)超前地 質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和

3、地質(zhì)素描等手段，通過(guò)對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)信息的綜合分析，可以比較準(zhǔn)確地判明前方地質(zhì)情況。2.1 探測(cè)過(guò)程圓梁山隧道出口端平導(dǎo)掘進(jìn)到毛壩向斜高壓富水區(qū)后，獨(dú)頭掘進(jìn)達(dá)7133m，并在 PDK355+058處開(kāi)始進(jìn)行反坡開(kāi)挖，為了確保施工安全，每 30m進(jìn)行一次超前鉆孔，以探明前方地質(zhì)情況，圓梁山隧道出口端平導(dǎo)開(kāi)挖至 PDK355+019時(shí)，于 2003年 6月 27日 6點(diǎn)開(kāi)始在掌子面采用MKD-5S地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行常規(guī)超前探測(cè)工作。超前探孔布置如圖 1 所示。圖 1 探水孔橫斷面布置 圖 2 注漿段地質(zhì)情況示意Fig.1 Layout of water-exploring holes Fig.2 Geolog

4、ic pro grouting segment在探水孔施作過(guò)程中，探 1 在整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程中，巖粉為深灰色顆粒，有白色方解石顆粒，有刺激性氣體逸出； 鉆至 3m處為破碎巖層， 寬度約 0.2 0.3m，鉆孔內(nèi)有水涌出， 涌水量為 20m3/h ，充填有黃泥；8 40.6m 巖粉為深灰色，較堅(jiān)硬，局部有破碎灰?guī)r，發(fā)生卡鉆。探2 有少量水，鉆進(jìn)過(guò)程巖石破碎。探 3孔深 30.20m，當(dāng)探水孔鉆至 15 m處有 0.3 0.5 m巖溶管道，有巖溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并 含少量礫石， 6月27日測(cè)得鉆孔涌水壓力為 1.4MPa，全孔涌水量實(shí)測(cè) 100 m3/h 左右。于 2003年6月 28 日結(jié)

5、束探孔。 通過(guò)探孔情況和地質(zhì)資料分析掌子面前方3m處有一寬度較小的破碎帶， 在 15m處發(fā)育一小型巖溶管道。由于泥砂太多及停電影響，同時(shí)洞外大量降雨，導(dǎo)致探3#孔涌水量及水壓急劇增大，7 月 5日涌水量增大到 200m3/h 左右，由于此處反坡開(kāi)挖， 抽水設(shè)施由于泥砂和停電的影響導(dǎo)致掌子面大量涌水不能抽出，引起掌子面淹沒(méi)。后加快抽水，將掌子面水用兩路150mm鋼管引出，并在掌子面施作了模筑混凝土封閉掌子面， 止?jié){墻厚 2m，又因水大混凝土密封困難改為 3m。掌子面穩(wěn)定后又進(jìn)行了 TSP地質(zhì)預(yù)測(cè) 預(yù)報(bào)和紅外線超前探水等探測(cè)和驗(yàn)證。 根據(jù)以上地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)成果可判定前方地質(zhì)條件大致如圖2 所示。2.

6、2 涌出物分析2003 年6月29日現(xiàn)場(chǎng)采集涌出物并對(duì)涌出物進(jìn)行篩分試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果圖 3、圖 4示。200m3/h；由圖6 可見(jiàn)：在封堵掌子面后涌水壓力不斷上升，最后穩(wěn)定在2.4MPa。圖 3 涌出物成份比例圖 4 涌出物篩分曲線Fig.3 Proportion of gushed-out materialsFig.4 Sieving curve of gushed-out materials由圖 3、圖 4 來(lái)看：涌出物中粉砂、中砂占 86%，而粗砂和礫石等占 13.8%，礫石長(zhǎng)約 3 10mm，說(shuō) 明涌出物在巖溶管道中經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期遷移 和沖蝕作用下被磨圓和篩選，因而隧道斷面內(nèi)巖溶管道或溶隙最大

7、 直徑大于 10mm，涌出物累計(jì)篩余百分率曲線比較平緩，可見(jiàn)原地層充填物在未受到壓力水沖出前，其級(jí) 配相當(dāng)合理，呈較致密結(jié)構(gòu)。從涌出物 86%為中細(xì)砂可以看出，在巖溶形成過(guò)程中，由于地下水的溶蝕作 用，泥砂被搬運(yùn)填充在灰?guī)r裂隙中，后經(jīng)不斷溶 蝕，逐漸形成巖溶管道。一旦超前鉆孔或隧道開(kāi)挖揭穿 巖溶管道容易發(fā)生涌水突泥。2.3 涌水量及水壓測(cè)試在超前探測(cè)和注漿過(guò)程中對(duì)平導(dǎo)掌子面涌水量進(jìn)行了測(cè)試和水壓測(cè)試如圖5、圖 6 所示。由圖 5 可見(jiàn)：在進(jìn)行頂水注漿前平導(dǎo)掌子面處涌水量是急劇增大的，然后逐漸趨于穩(wěn)定，最大涌水量圖 5 掌子面涌水量變化曲線 圖 6 水壓力變化曲線Fig.5 Curve of w

8、ater spraying on the face Fig.6 Curve of hydraulic pressure3 注漿設(shè)計(jì)及施工3.1 注漿方案的確立 根據(jù)超前探孔過(guò)程中涌水狀況，從安全性、經(jīng)濟(jì)性考慮，結(jié)合該工程實(shí)際情況，針對(duì)前方出現(xiàn)的巖 溶管道水，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，制訂了“以堵為主”的 施工原則，采用了“注漿堵水，封堵巖溶管道，加固 破碎地帶”的施工方案。根據(jù)溶洞區(qū)工程及水文地質(zhì)復(fù)雜，選用“深淺孔結(jié)合復(fù)式全斷面注漿” 堵水措 施。3.2 頂水注漿和小導(dǎo)管周邊注漿根據(jù)二院要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際， 在掌子面施作厚 2.5 3m砼止?jié){墻，兩個(gè)探水孔的孔口管預(yù)埋入止?jié){墻， 然后對(duì)其進(jìn)行頂水注漿。 由于砼

9、止?jié){墻與開(kāi)挖面周邊密封施做的不夠嚴(yán)密， 導(dǎo)致頂水注漿時(shí)周遍跑漿嚴(yán)重， 于是決定在止?jié){墻周邊進(jìn)行小導(dǎo)管注漿。如圖7 所示。小導(dǎo)管注漿管長(zhǎng) L=3m，采用 32mm焊接鋼管。 注漿管前端加工成圓錐狀并封死。 花管部分長(zhǎng) 2m， 在花管段上間隔 30mm 40mm， 按梅花型布設(shè) 4 6mm的溢漿孔。管尾部分采用兩道 8mm的圓型鋼筋 焊箍，其中一道用于纏上 60cm 左右的麻絲后用于止?jié){，另一道采用絲扣和注漿管連接。小導(dǎo)管沿隧道開(kāi)挖輪廓線布置，略向外傾斜，外插角為50100。注漿材料采用水泥 -水玻璃雙液漿和 HSC漿液，其配比為 W:C=0.8:1 ，C:S=1:1 ，凝膠時(shí)間為 30s 3mi

10、n。超細(xì)水泥 MC漿，其水灰比為 1:1 0.6:1 ，HSC漿液水灰比為 1:1 0.8:1 ，凝膠時(shí)間為 30 min 60min。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用定壓結(jié)合定量的原則，注漿終壓為2 3MPa，單孔注漿量為 0.2 0.4m3。Fig.7 Layout of withstand-water grouting and small pipe-grouting3.3 超前預(yù)注漿加固全斷面超前預(yù)注漿是在整個(gè)斷面上布孔， 通過(guò)注漿形成截水帷幕， 并加固周?chē)鷰r體， 注漿加固范圍 為隧道開(kāi)挖面及開(kāi)挖輪廓線外 5.0m，注漿段長(zhǎng) 30m，即 PDK354+0209DK355+990。注漿設(shè)計(jì)如圖 8、9 所

11、 示。注漿孔采用 MKD-5S型鉆機(jī)成孔。 開(kāi)始用大直徑鉆頭鉆進(jìn) 2m后安設(shè) 108mm無(wú)縫鋼管作為孔口管。 再改用 90mm鉆頭鉆至 15 30m?？卓诠荛L(zhǎng)度 150cm，孔口處纏 60cm的麻絲。并用 HSC漿錨固。鉆孔深度以達(dá)到鉆入巖層 23 為原則，采用前進(jìn)式分段鉆進(jìn)和注漿工藝。 在巖溶管道段注漿是以堵水加固為目的，在巖石破碎帶（少量水）注漿是以加固地層為目的。因 此在漿液配置及單孔注漿順序上予以區(qū)別對(duì)待。用引水管將水引出后，封閉掌子面。注漿時(shí)關(guān)閉閥門(mén)，形成靜水壓力注漿。對(duì)破碎無(wú)水巖層，初始注漿可注入稀漿（ 1.5:1 1:1）, 因稀漿中的水泥顆粒在脈沖壓力的作用 下對(duì)沖開(kāi)及溝通裂隙

12、能夠起到潤(rùn)滑劑的作用 , 一旦裂隙沖開(kāi)后即進(jìn)入正常的雙液漿注漿。對(duì)于涌水量較大巖層， 凝膠時(shí)間可適當(dāng)縮短， 使?jié){液進(jìn)入地層后能較快凝固， 避免漿液隨水流失， 達(dá)到控制注漿的目的。圖 8 超前預(yù)注漿孔位布置 （ 單位 :cm）Fig.8 Cross section of advanced pre-grouting holes3.4 注漿材料注漿材料采用普通水泥單液漿或普通水泥水玻璃雙液漿（CS）。注漿孔無(wú)水時(shí)采用普通水泥單液漿，水灰比 W:C=0.8:11:1 ；有水孔則采用單液水泥漿、普通水泥 水玻璃雙液漿（ C S漿）和超細(xì) 水泥漿、 HSC漿，根據(jù)水量大小選擇配比和漿液凝膠時(shí)間。涌水量小

13、時(shí)，水泥 C漿：水灰比 W:C=1. :10.8:1 ，C:S=1:1 0.8:1,水玻璃 S漿濃度 30Be?？變?nèi)水量較大時(shí)，水灰比 W:C=0.8:10.6:1 ，C:S=1:0.3 0.6, 水玻璃 S 漿濃度 35 40Be，當(dāng)雙 液注漿壓力上升到 3MPa 左右時(shí)，開(kāi)始注入超細(xì)水泥（ MC）或 HSC漿，直到達(dá)到設(shè)計(jì)終壓 7MPa。3.5 注漿工藝 采用前進(jìn)式分段注漿工藝，鉆一段，注一段。分段長(zhǎng)度根據(jù)鉆孔情況確定，若出現(xiàn)大的涌水或泥砂 （Q10m3/h）則按 1 2m分段；若涌水涌泥（砂）較小（ Q10m3/h）或輕微卡鉆，則鉆孔注漿段長(zhǎng)度可適 當(dāng)加大至 35m。如無(wú)涌水涌泥（砂）和

14、卡鉆的情況發(fā)生，則可采用全孔一次性注漿方式進(jìn)行。以保證注 漿質(zhì)量和減少掃孔作業(yè)，增加作業(yè)時(shí)間和效率。3.6 注漿參數(shù)注漿參數(shù)主要依據(jù)設(shè)計(jì)加固范圍和經(jīng)驗(yàn)選定，本段注漿縱向加固長(zhǎng)度30m，主要參數(shù)如表 1 所示表 1 注漿參數(shù)表Table 1 Parameters of grouting參數(shù)名稱全斷面深孔超前預(yù)注漿備注加固范圍掌子面及開(kāi)挖輪廓線外 5m鉆孔深度15m 30m漿液擴(kuò)散半徑2m凝膠時(shí)間30s2min30s普通水泥水玻璃雙液漿注漿速度10 100L/min注漿分段巖層完整且有水 3 5m、巖層破碎且有水 1 2m根據(jù)鉆孔情況確定注漿終壓69MPa單段注漿量1.1 3.32m3/m單段注漿

15、量按 Q=R Ln 計(jì)算 參數(shù)取值 n=0.1 0.3 =0.8 =1.13.7 注漿順序注漿順序原則上先施作短孔，再施作長(zhǎng)孔，最后施作檢查孔。注漿孔順序按由外到內(nèi)，從下往上分 三序孔施工。三序孔的設(shè)計(jì)原則是水平方向上采取 跳孔原則（序孔采取跳孔，序孔采取間隔跳孔， 序孔為余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原則。同時(shí)結(jié)合涌水水源點(diǎn)位置和水流方向，按由有水孔 到無(wú)水 孔的順序施工，檢查孔施工順序待注漿孔注漿結(jié)束后視現(xiàn)場(chǎng)情況而定。3.8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用定量定壓相結(jié)合方式進(jìn)行注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)控制， 當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí)， 而注漿壓力不上升 則調(diào)整漿液配比，縮短凝膠時(shí)間，并采取間歇注漿措施，控制注漿量?；蜃{壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，且注漿 量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的 80%以上，即可結(jié)束注漿。3.9 效果檢查與補(bǔ)孔注漿根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔所揭示的地質(zhì)狀況， 結(jié)合注漿過(guò)程中 P-Q-t 曲線分析， 選擇可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行 鉆孔檢查。檢查孔初步布設(shè)參見(jiàn)圖 9。檢查孔應(yīng)不坍孔、不涌砂，單孔涌水量應(yīng)小于0.2L/m min。若達(dá)不到效果則將檢查孔作為注漿孔進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后再鉆檢查孔進(jìn)行效果檢查，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。必要 時(shí)可取芯檢查。4 注漿效果評(píng)定圓梁山隧道出口