燕子窩斷層總結(jié)

大柱山隧道進(jìn)口平導(dǎo)燕子窩斷層施工總結(jié)截止2011年6月19日，大柱山隧道進(jìn)口平導(dǎo)燕子窩斷層先后分別采用前進(jìn)式分段注漿、水平旋噴樁及一次性成孔分段高壓注漿施工方案加固后已從PDK111+839開(kāi)挖至PDK111+921，完成了82m的注漿加固及開(kāi)挖支護(hù)施工。現(xiàn)將施工過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)及最終方案的選擇總結(jié)如下。一、燕子窩斷層概況及突泥涌水情況1、 設(shè)計(jì)概況：燕子窩斷層及影響帶，原設(shè)計(jì)平導(dǎo)方向長(zhǎng)度80米，圍巖級(jí)別V級(jí)，隧道埋深約450米，突涌水等級(jí)為III級(jí)（中危險(xiǎn)區(qū)）。燕子窩斷層設(shè)計(jì)為正斷層，斷裂破碎帶寬約40m，呈角礫狀。斷裂走向N25°W，傾向NE，傾角陡，橫貫測(cè)區(qū)，北端進(jìn)入瀾滄江后與五里哨斷層相交。斷裂附近巖層產(chǎn)狀紊亂，牽引褶曲，小斷裂極發(fā)育。2、 突泥涌水情況：1）、原平導(dǎo)進(jìn)口PDK111+860突泥涌水2009年8月5日上午，平導(dǎo)施工至PDK110+860時(shí),PDK111+857左側(cè)拱部發(fā)生突泥涌水，最終穩(wěn)定時(shí)涌出物約5300m3（含水流帶走斷層泥砂）；涌出物以斷層角礫為主，夾雜斷層泥、斷層砂及孤石；平均涌水量約950m3/h，最大12180m3/h。突泥涌水后地表水未發(fā)現(xiàn)有明顯的變化。本次突泥后經(jīng)四方確定在平導(dǎo)右側(cè)以迂回導(dǎo)坑方式通過(guò)燕子窩斷層，原平導(dǎo)作為排水泄壓通道。2）、迂回導(dǎo)坑突泥涌水第一次迂回導(dǎo)坑突泥涌水2009年10月19日晚8時(shí)20分掌子面YHK0+092右側(cè)上拱部發(fā)生突泥涌水，穩(wěn)定后涌出物約600m3；涌出物構(gòu)成同原平導(dǎo)；涌水量最大時(shí)為5600m3/h，穩(wěn)定后平導(dǎo)總水量約500~600m3/h，迂回導(dǎo)坑水量約160?300m3/h之間變化。本次突泥后四方確定在對(duì)泥砂堆積物進(jìn)行封閉固結(jié)后進(jìn)行超前大管棚施工。第二次迂回導(dǎo)坑突泥涌水2010年1月2日下午19：10分，迂回導(dǎo)坑YHK0+083處突然發(fā)生突泥涌水，穩(wěn)定后涌出物約1600m3；涌出物構(gòu)成同原平導(dǎo)；涌水量最大時(shí)約7500m3/h，穩(wěn)定后迂回導(dǎo)坑涌水量約300m’/h，原平導(dǎo)水量約180m3/h，迂回導(dǎo)坑及平導(dǎo)總水量約450?500m，/h。迂回導(dǎo)坑發(fā)生了兩次突泥涌水，由于斷層已經(jīng)被嚴(yán)重?cái)_動(dòng)，迂回導(dǎo)坑水量在300~400m3/h，從迂回導(dǎo)坑過(guò)斷層的難度相對(duì)較大，而原平導(dǎo)在放置近5個(gè)月后，水量一直穩(wěn)定在160~180m3/h，斷層物質(zhì)經(jīng)過(guò)沉積后相對(duì)穩(wěn)定，最終采取了以迂回導(dǎo)坑作為排水泄壓通道，從原平導(dǎo)通過(guò)的總體方案。3、燕子窩斷層特點(diǎn)根據(jù)斷層設(shè)計(jì)情況、突泥涌水及目前已施工PDK111+839-+921段落可發(fā)現(xiàn)斷層具有以下特點(diǎn)：、該斷層屬于特長(zhǎng)斷層根據(jù)PDK111+900處施工的超強(qiáng)水平鉆地質(zhì)預(yù)報(bào)，鉆孔鉆至PDK111+937.5處仍有斷層泥砂從孔內(nèi)流出，可確定燕子窩斷層及其影響帶跨度不少于110m；2）、該斷層為高壓富水?dāng)鄬?，且水路?fù)雜。（1） 水量：該斷層設(shè)計(jì)情況為張性正斷層，且位于灰?guī)r巖溶區(qū)域，其性質(zhì)本身就決定其為富水?dāng)鄬?；且從突泥涌水后水量看，突泥涌水時(shí)最大涌水量達(dá)到12180m3/h，三次突泥涌水后至今水量有所衰減，但衰減后整個(gè)平導(dǎo)水量仍穩(wěn)定在400m3/h，其中迂回導(dǎo)坑約150m3/h，平導(dǎo)與迂回導(dǎo)坑交叉口平導(dǎo)水量為150m3/h，平導(dǎo)其它區(qū)域100m3/h；同時(shí)在注漿鉆孔過(guò)程中，單孔（①115）涌水量可達(dá)到36m3/h。（2） 水壓：根據(jù)斷層設(shè)計(jì)情況，隧道埋深450m，屬于深埋隧道；平導(dǎo)揭穿斷層時(shí)水壓較大，且迂回導(dǎo)坑第二次突泥涌水直接原因就是采用全封閉注漿后水壓極大；由于將迂回導(dǎo)坑作為排水泄壓通道，在平導(dǎo)注漿施工過(guò)程中水壓表測(cè)得流出水壓力最小為0.2MPa，最大0.4Mpa，測(cè)得穩(wěn)定后注漿孔內(nèi)靜水壓力為0.5MPa。（3） 水路：根據(jù)開(kāi)挖揭示斷層情況，斷層內(nèi)水路縱橫交錯(cuò)，水路極其復(fù)雜。綜上可知該斷層為高壓富水?dāng)鄬?，且水路?fù)雜。3）、該斷層地層性質(zhì)極其復(fù)雜（1）、斷層交界面：根據(jù)已施工斷層揭示情況，斷層交界面大致和線路走向大致呈51°。根據(jù)鉆孔情況，斷層交界面參差不齊，犬牙交錯(cuò)，并有一個(gè)范圍，該范圍有坑穴，孤石，顆粒狀物夾雜泥砂，情況非常復(fù)雜。斷層充填物：根據(jù)三次突泥及已施工段落揭示斷層情況，斷層核心區(qū)域?yàn)橹写稚埃⒊涮顢鄬幽?；其它區(qū)域以斷層角礫為主，夾雜斷層泥、斷層砂及孤石，且角礫為全風(fēng)化，遇水后手捏即成泥狀；同時(shí)填充物在掌子面前方的分布也毫無(wú)規(guī)律，鉆孔過(guò)程中時(shí)在左側(cè)拱部出現(xiàn)大量泥砂，時(shí)在右側(cè)邊墻出現(xiàn)，變幻莫測(cè)，極其復(fù)雜。斷層充填物自穩(wěn)性：斷層充填物遇水后毫無(wú)穩(wěn)定性可言，不進(jìn)行注漿加固處理馬上就可突涌；在注漿鉆孔過(guò)程中，單孔(0115)流出泥砂量最大達(dá)20余方。綜上所述，燕子窩斷層長(zhǎng)度之長(zhǎng)、水量之大、水壓之高、地層之復(fù)雜在國(guó)內(nèi)外鉆爆法施工隧道中實(shí)屬罕見(jiàn)，施工處理該斷層更無(wú)先例可循，這就導(dǎo)致在施工處理該斷層需經(jīng)歷一段摸索總結(jié)施工過(guò)程。二、燕子窩斷層施工處理過(guò)程在四方最終確定迂回導(dǎo)坑作為泄水降壓通道，從原平導(dǎo)通過(guò)燕子窩斷層的總體方案后，為確保安全快速通過(guò)燕子窩斷層同時(shí)鑒于斷層之復(fù)雜性，我部分別邀請(qǐng)我公司、水利部、煤炭部、武警水電等隧道施工專(zhuān)家前來(lái)指導(dǎo)，并先后與中鐵瑞威、北京首爾、武漢昌輝、江蘇蘇龍、煤科院西安分院、北京旺雷宏等專(zhuān)業(yè)注漿公司進(jìn)行多次斷層方案研討，在經(jīng)歷常規(guī)前進(jìn)式分段注漿、超前大管棚配合水平旋噴樁及注漿、一次性成孔分段高壓注漿三種施工方案的實(shí)踐和探索，最終選擇一次性成孔分段高壓注漿施工方案通過(guò)燕子窩斷層。現(xiàn)將其過(guò)程敘述如下：1、常規(guī)前進(jìn)式分段注漿2010年2月6日開(kāi)始對(duì)PDK111+840-PDK+850段堆積體固結(jié)加固采用常規(guī)前進(jìn)式分段注漿，注漿壓力在1?5Mpa，漿液采用純水泥漿液或水泥水玻璃漿液（水大時(shí)封堵水路）。當(dāng)水量較大成孔困難時(shí)采用前進(jìn)式分段注漿，水量較小時(shí)采用全孔一次性孔口壓入式注漿。但該方法存在以下缺點(diǎn)：1、 注漿壓力小：由于斷層充填物主要為角礫、中粗砂并夾雜孤石和斷層泥，天然級(jí)配非常好，和水形成一種飽和體，常規(guī)注漿壓力（1-5Mpa）很難將漿液滲透至巖層間。2、 進(jìn)度不可控：由于前進(jìn)式注漿需在同一個(gè)孔內(nèi)反復(fù)鉆孔注漿且注漿完成后孔內(nèi)漿液需初凝后方可進(jìn)行下一次鉆孔施工，這直接導(dǎo)致其工效極低，在對(duì)PDK111+840-PDK+850段堆積體注漿施工的25孔共用時(shí)2個(gè)月17天。這僅僅是堆積體，后期時(shí)間更無(wú)法預(yù)計(jì)，進(jìn)度不可控。3、 注漿效果不可控：每個(gè)孔的注漿效果既不可知，也無(wú)法預(yù)計(jì)，也無(wú)法控制。在注漿完成后進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證時(shí)僅PDK111+840-+845段注漿效果較好，只夠止?jié){墻厚度，無(wú)法進(jìn)行下一步開(kāi)挖施工。該施工方案共鉆孔25孔，注漿用水泥299.5噸，鑒于以上缺點(diǎn)，決定自2010年4月27日開(kāi)始采用水平旋噴樁施工方案通過(guò)燕子窩斷層。2、水平旋噴樁+管棚+注漿的施工方案自2010年4月27日開(kāi)始采用水平旋噴樁施工方案通過(guò)燕子窩斷層，共施工了兩個(gè)循環(huán)，其中第一循環(huán)為PDK111+840-+852堆積體共12m,第二循環(huán)為PDK111+852-+864共12m。該工藝是采用水平定向鉆機(jī)先打設(shè)預(yù)導(dǎo)孔，預(yù)導(dǎo)孔打設(shè)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后旋轉(zhuǎn)回撤鉆桿，在回撤鉆桿的同時(shí)，用35MPa的壓力，將配制好的水泥漿液（水灰比1:1）通過(guò)鉆桿噴射到土體中。噴射流以巨大的沖擊力切削土體，強(qiáng)制土體顆粒與水泥漿液攪拌混合，在膠結(jié)硬化后，形成水平圓柱狀水泥土固結(jié)體,即水平旋噴樁。樁體之間相互嚙合，在隧道拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體。水平旋噴方案就是利用該工藝在開(kāi)挖輪廓外圍形成一個(gè)封閉的拱圈，并通過(guò)超前管棚的加強(qiáng)，形成超前護(hù)拱支護(hù)，掌子面正前方通過(guò)水平定噴形成5?8米厚度的止?jié){巖盤(pán)，確保開(kāi)挖時(shí)掌子面不被突破。在施工過(guò)程中不斷總結(jié)形成了水平旋噴樁+管棚+注漿的總體方案，雖然該方案加固效果基本能夠保證但也存在如下缺點(diǎn).八?1） 、孔內(nèi)有水時(shí)成樁效果差?由于其方式是在回撤鉆桿的同時(shí)，用35MPa的壓力，將配制好的水泥漿液（水灰比1:1）通過(guò)鉆桿噴射到土體中，孔口無(wú)法封閉，當(dāng)孔內(nèi)水量大時(shí)，水將水泥漿帶出，無(wú)法成樁；水少時(shí)，成樁效果差。2） 、水泥漿損耗大?同樣也是因?yàn)榭卓跓o(wú)法封閉，孔口返漿量極大且由于含有泥砂無(wú)法重復(fù)利用，導(dǎo)致浪費(fèi)極大。3） 、機(jī)械故障率大?由于是用35Mpa的壓力切割巖體，在遇到孤石且?guī)鳂I(yè)，反作用力作用在鉆桿上，經(jīng)常出現(xiàn)瞬間卡鉆、抱鉆，導(dǎo)致鉆機(jī)損壞嚴(yán)重；同時(shí)當(dāng)遇到斷層泥砂時(shí)，噴射漿液噴孔經(jīng)常性堵塞；且維修清理時(shí)間極長(zhǎng)。4）、施工周期長(zhǎng)：由于以上各種原因直接導(dǎo)致其作用循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，自2010，年4月27日至2010年12月2日僅完成PDK111+840-+864段19米兩個(gè)循環(huán)的注漿加固和PDK111+840-+859的開(kāi)挖施工。該方案兩循環(huán)共鉆孔228個(gè)，共注漿741.95噸，鑒于以上缺點(diǎn)，經(jīng)過(guò)四方及專(zhuān)家的再論證再分析，決定下一步采用一次性成孔分段分段高壓注漿施工方案。3、一次性成孔分段高壓注漿施工方案經(jīng)過(guò)前兩次施工方案的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)斷層處理主要是解決斷層內(nèi)水的問(wèn)題，只有將斷層開(kāi)挖斷面的水封堵在開(kāi)挖輪廓線5-6米以外并引排泄掉水壓，輔助壓注水泥漿液將斷層進(jìn)行固結(jié)，才能確保安全渡過(guò)斷層。此前進(jìn)行的常規(guī)注漿方案和水平高壓旋噴注漿都未能完全解決堵水的問(wèn)題。而該方案通過(guò)“控制漿液能頂水上行的水泥灌漿堵漏工藝”（專(zhuān)利號(hào)：ZL02159189），一次成孔，分段高壓注漿，邊排水、邊注漿保證了漿液的有效擴(kuò)散和固結(jié)擠密。其壓力最大可達(dá)到20Mpa。純水泥漿液占漿液的90%?95%，化學(xué)液占漿液的5%?10%。能有效將水封堵在開(kāi)挖輪廓以外。自2010年12月3日至2011年6月3日采用該方案已完成了PDK111+859-PDK111+921段62米的注漿加固和開(kāi)挖支護(hù)施工。根據(jù)開(kāi)挖揭示的加固巖體情況，發(fā)現(xiàn)該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：1）、技術(shù)創(chuàng)新方面：該注漿方案壓力可以逐步提高，加固范圍也可以逐步擴(kuò)大，由于是一次成孔，解決了前進(jìn)式分段注漿反復(fù)鉆孔工效低的問(wèn)題，也解決了后退式注漿在松軟地層漿液繞過(guò)止?jié){塞造成浪費(fèi)的問(wèn)題。2） 、材料方面：該方案的注漿材料90%?95%采用普通水泥漿液，5%?10%采用化學(xué)漿液，該混合漿液可以在控制下集中向迎水面擴(kuò)散，并具有不被水稀釋的特性。3） 、注漿壓力及效果：在注漿時(shí)按照預(yù)定的孔位有計(jì)劃的進(jìn)行I序孔注漿II序孔排水（I序孔和II序孔各由一系列孔組成，交錯(cuò)布置），同時(shí)由于其封閉注漿壓力最大可達(dá)到20MPa，保證漿液有效進(jìn)入地層，注漿孔注漿時(shí)既起到了注漿固結(jié)的作用，同時(shí)作為排水孔時(shí)也起到了擠密地層的作用。4） 、適應(yīng)性：該方案可適用任何需注漿加固地層。5） 、操作性：因其鉆孔設(shè)備較小，所需操作平臺(tái)簡(jiǎn)單（腳手架即可），目前平導(dǎo)開(kāi)挖半徑3.73的圓形斷面可上下同時(shí)放置四臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)進(jìn)行操作。且在注漿加固和開(kāi)挖轉(zhuǎn)換的時(shí)間只需1天的時(shí)間；同時(shí)因其設(shè)備簡(jiǎn)單，操作維修方便快速。6） 、堵水效果：注漿加固后加固范圍內(nèi)只有少量滲水點(diǎn)。7） 、施工進(jìn)度：該注漿方案每天（24小時(shí)兩班）可完成16-28個(gè)孔（每個(gè)孔長(zhǎng)約10-25m），極復(fù)雜地層每個(gè)循環(huán)需施工約200-260個(gè)孔，注漿加固時(shí)間每循環(huán)10-15天（含開(kāi)挖過(guò)程中空白區(qū)域的補(bǔ)強(qiáng)注漿）。基本上每月在極復(fù)雜地層可保證注漿加固和開(kāi)挖支護(hù)完成10m，其它地層約15-25m。8） 、加固后圍巖穩(wěn)定性：a、可確保開(kāi)挖輪廓線外6m范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定；b、由于其注漿采用鋼管，大量的長(zhǎng)短不一、插入角度不同的鋼管對(duì)掌子面具有群錨的作用，對(duì)穩(wěn)固掌子面有很強(qiáng)的穩(wěn)定作用。無(wú)論是從開(kāi)挖輪廓線外還是掌子面前方均無(wú)法發(fā)生突涌，確保了絕對(duì)的施工安全。9）、該方案注漿施工過(guò)程中對(duì)掌子面進(jìn)行淺表加固形成止?jié){墻，無(wú)需施工砼止?jié){墻。該方案也存在以下缺點(diǎn)：1） 、由于注漿用鋼管無(wú)法重復(fù)使用，導(dǎo)致注漿成本較高。2） 、由于受掌子面注漿孔布孔數(shù)量和注漿孔角度影響，注漿加固存在一定的空白區(qū)域，在開(kāi)挖過(guò)程中需補(bǔ)強(qiáng)注漿（其它方案也存在）?？傊?，在處理燕子窩斷層這種超長(zhǎng)高壓富水且地層復(fù)雜斷層時(shí)，一次性成孔分段高壓注漿施工方案是確保安全快速通過(guò)斷層的有效施工方案。三、燕子窩斷層施工總結(jié)處理燕子窩斷層在經(jīng)歷常規(guī)前進(jìn)式分段注漿、超前大管棚配合水平旋噴樁及注漿、一次性成孔分段高壓注漿三種施工方案的實(shí)踐和探索并最終選擇一次性成孔分段高壓注漿施工方案，我們得出了一套處理超長(zhǎng)高壓富水且地層復(fù)雜斷層的施工原則：1、 早預(yù)報(bào)：通過(guò)綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)手段確定出斷層邊界位置及斷層形態(tài)。2、 泄水降壓：在處理斷層前，采用迂回導(dǎo)坑進(jìn)行排水，達(dá)到泄水降壓的目的。3、注漿堵水：對(duì)開(kāi)挖面外6-8米范圍進(jìn)行注漿堵水，防止地下水進(jìn)入開(kāi)挖面，同時(shí)將堵在外圈的水通過(guò)泄水管引排至已開(kāi)挖段，即“遠(yuǎn)排近灌”。4、 加固巖體：對(duì)開(kāi)挖面外6-8米范圍內(nèi)及掌子面后方進(jìn)行注漿加固，增加圍巖的承載力，確保圍巖的自穩(wěn)性。5、 管棚超前支護(hù)：施工超前大管棚，保證開(kāi)挖過(guò)程中絕對(duì)安全。6、 超前探孔：開(kāi)挖過(guò)程中每循環(huán)對(duì)超前探孔及炮孔進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)薄弱區(qū)域，立即補(bǔ)強(qiáng)注漿。7、 強(qiáng)支護(hù)：對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行加強(qiáng)。8、 短進(jìn)尺：根據(jù)探孔情況動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)