隧道富水斷層帶深孔超前預注漿全封閉固結止水工法

隧道富水斷層帶深孔超前預注漿全封閉固結止水工法（TLEJGF-92-28）一、前言 隧道及地下工程的富水斷層帶,由于圍巖軟弱破碎,穩(wěn)定性差,加之水的影響,采用一般的方法,施工極其困難,作業(yè)不安全,掘進速度慢,工程質(zhì)量難以保證。在這種不良地質(zhì)地段施工,采用深孔超前預注雙液漿全封閉固結止水技術,是一種安全可靠的有效方法。 本工法是在遼寧省本溪一田師府鐵路改線段的八盤嶺單線鐵路隧道穿越250m富水斷層破碎帶科學試驗與施工實踐的基礎上形成的。該斷層破碎帶內(nèi)構造裂隙水、節(jié)理裂隙水和石灰?guī)r溶蝕裂隙水富集,水量豐富,地表水與地下水連通。隧道地表附近還有許多村落和工礦企業(yè),要依靠地表出露的幾眼泉水提供生活和工業(yè)用水,不能因為施工造成水的流失導致搬遷和破壞生態(tài)環(huán)境。為此,建設單位明確提出“要保護水源,不準打漏"。為了達到既保護水源,又加快施工的目的,第十九工程局與鐵道建筑研究設計院組成聯(lián)合攻關組,開發(fā)了深孔超前預注水泥一水玻璃雙液漿全封閉固結止水新技術,順利通過了250m富水斷層帶。本項施工新技術,獲1991年中國鐵道建筑總公司科技進步一等獎。注漿QC小組被評為1992年度國家級優(yōu)秀QC小組。溪田鐵路驗收時,該隧道被評為優(yōu)質(zhì)工程。 二、工法特點 本工法與周邊淺眼預注漿相比,有以下幾個特點: 1.工作面和周邊圍巖均布孔,進行全斷面全封閉深孔注漿固結止水,在隧道開挖斷面周邊能形成一定厚度的堵水帷幕,對于水源保護要求高、以堵為主的隧道和地下工程尤為合適。 2.注漿孔深度大,注漿段長度20m左右,可減少注漿與開挖工序的頻繁倒換和作業(yè)循環(huán)次數(shù),故能加快進度。 3.采用靈活機動、高效的瑞典液壓鉆孔臺車鉆孔、下注漿管,移位、對位方便,鉆孔、下管快,作業(yè)效率高。凡有液壓鉆孔臺車的工點,不必另配其他的鉆孔設備,能發(fā)揮一機多用的效果。 三、基本原理和適用范圍 （一）基本原理 對于地質(zhì)復雜的富水斷層破碎帶,水源保護要求很高。為了防止開挖面涌水,除了沿隧道開挖輪廓線（含底部)按軸向輻射狀布孔外,在開挖面中心,也布孔注漿。注入按一定比例配制而成的水泥一水玻璃雙液漿后,漿液滲透擴散到破碎帶的孔隙中并快速凝固,與周圍破碎巖塊固結成具有一定強度的結石體,在隧道周邊及開挖面形成一個堵水帷幕(加固）,切斷地下水流通路,以此達到固結止水、保持圍巖穩(wěn)定、增強施工安全的目的。 (二)適用范圍 本工法適用于鐵路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水斷層帶和軟弱圍巖施工,也用于隧道及其他地下工程塌方的處理整治。對于要求保護水資源、防止施工時地下水流失,以及嚴格控制地表下沉的工程尤為適用。 四、施工工藝和作業(yè)要點 (一)施工程序 施工程序見圖1。 〈二〉超前地質(zhì)預報對于構造復雜、水量豐富的大斷層帶,必須準確預報工作面前方20-25m范圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況,以便為制定施工方案和確定注漿參數(shù)提供依據(jù),因此,鉆孔作業(yè)前必須把超前地質(zhì)預報作為一個工序納入施工過程。 1.鉆孔方法:利用液壓鉆孔臺車施鉆深孔,一般在拱頂、起拱線和隧道中下部位各鉆一￠76孔,孔深超出注漿段5m左右。 2.預報內(nèi)容:預測工作面前方注漿段長范圍的地質(zhì)構造和巖性、地下水出露位置和水量大小,以及斷層圍巖變化情況等。 3.預報方法:采用鉆眼排碴取樣分析,記錄鉆速、水質(zhì)水量變化情況以及開挖后的巖面觀測素描,綜合判斷預報前方水文、地質(zhì)條件。 (三)鉆孔作業(yè) 1.布孔:臺車就位固定后,由測量工站在臺車臂托籃上,用紅油漆在掌子面上按設計準確畫出鉆孔位置,標注編號。 2.鉆孔 (1)施鉆時臺車大臂必須頂緊在掌子面上,以防止過大顫動而影響施鉆精度。管放水;中層管注漿,上層管放水,這樣逐層抬水把水排擠到拱頂以上規(guī)定的止水固結圈以 外。 注漿順序為由下而上,由里向外。 7.注漿參數(shù)(1)注漿壓力及單孔擴散半徑:注漿壓力一般;但地卡水靜水壓力的2-3倍,考 慮到巖層裂隙阻力,該隧道富水斷層帶初始壓力3MPa,終壓4-5MPa。單孔漿液擴散半徑4m。 (2)注漿速度:鉆孔出水量>50L/min時,注漿速度取80-100L/min。鉆孔出水量 =0-50L/min時,注漿速度取60-80L/min。 〈3〉注漿擴散范圍:注漿有效范圍為開挖輪廓線外4.Om(塌方段為5.Om)。 (4〉注漿量:一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的5%左右考慮,實注量由鉆孔壓水試驗確定。 本隧道單孔注漿量V=11.8m3。 8.注漿中幾個問題的處理 〈1)注漿時如遇竄漿或跑漿,采用間隔一孔或幾孔注漿方式。 (2)注漿中,注漿量和注漿壓力是兩個關鍵參數(shù)。一般規(guī)律是:初始階段壓力較低,注 入量增大;正常階段壓力和注入量呈小的波浪式起伏狀態(tài),但總的比較平穩(wěn);壓密注滿階段注入 量迅速遞減而壓力迅速升高;在注漿中根據(jù)設計注漿量和壓力按照上述規(guī)律進行控制。 (3)對于塌體注漿,由于空隙率大,局部還有空洞,常遇到吃漿量很大而注漿壓力上不去的 情況。對此,以控制注漿量為主,一般達到設計的注漿量后,穩(wěn)壓幾分鐘即可停止注漿。 五、機具設備 （一)本工法所用機具設備(見表2) (二)主要注漿配件1.制作注漿孔口管,管長3m、6m兩種,管尾焊接聯(lián)接套,聯(lián)接套長 56mm,內(nèi)徑90mm,外徑98mm,它的另一頭帶有梯形螺紋絲扣,也可用止?jié){塞做注漿管,止?jié){塞采用 自制橡膠止?jié){塞。 2.羊角式注漿嘴套帽 注漿嘴套帽內(nèi)口徑螺紋能與孔口管尾外螺紋扣套接。帽頭上鉆兩個孔,接成羊角式接頭, 接頭直徑30mm、長85mm,與三通混合器連接。 3.三通混合器三通混合器外形尺寸92mm×92mm×62mm,為逆止閥型,有4個孔,其中2個內(nèi) 徑為28mm的螺紋孔接注漿管的入口,有一內(nèi)徑為30mm螺紋孔為出漿口,一個減壓排漿口。逆止閥 使雙液混合后不能返流,直接流入羊角注漿嘴里。 4.注漿孔口管頂進聯(lián)接套頂進聯(lián)接套尺寸注漿嘴套帽相同,在帽上套焊一個纖尾套,接在 鉆孔臺車的鑿巖機上。 5.注漿管 ￠25高壓膠管長5m和10m,每一臺注漿泵長短各配2根?！?5無縫鋼管管路配長30-50m,水 泥漿和水玻璃漿各一條管路。 鋼管連接用鋼制管節(jié)對接,高壓膠管與鋼管連接配件為快速接頭或縮頭鎖接。 六、質(zhì)量標準與檢查 本工法除應執(zhí)行《鐵道隧道工程質(zhì)量評定驗收標準》(TBJ417一87)和《鐵路隧道施工 規(guī)范》(TBJ204一86)等的有關規(guī)定外,根據(jù)富水破碎斷層帶施工特點,還應符合以下標準: 〈一)注漿質(zhì)量標準 1.一次注漿段長度不大于20m; 2.注漿帷幕厚度不小于4.0m 3.堵水率不低于90%; 4.注漿結石體7天的單軸抗壓強度不小于5MPa。 〈二)質(zhì)量檢查要求 1.注漿量要達到設計的80%,全部注漿孔要符合單孔注漿結束的標準; 2.鉆孔檢查,按設計檢查孔的位置、角度鉆探,注漿固結帷幕>4m,不合格時應補注; 3.取注漿結石體巖芯,取樣試件7天抗壓強度>5MPa; 4.檢查孔每孔出水量在原鉆孔出水量的10%以下; 5.開挖檢查漿液滲透及固結狀況; 6.認真做好注漿施工記錄(注漿量及注漿壓力變化〉,以便綜合分析判斷。 七、勞動組織及安全注意事項 (一〉勞動組織 深孔超前預注漿工序多,要求工序銜接緊湊,因此施工組織安排要合理,使各道工序協(xié)調(diào) 動作。 作業(yè)工序為四大項:鉆孔、運料、配料、注漿。 每班施工作業(yè)人員29人,勞動力組織見表3。 〈二)安全注意事項本工法除應執(zhí)行《鐵路隧道施工技術安全規(guī)則》(TBJ404一 87)有關規(guī)定外,還應采取以下措施: 1.地質(zhì)超前預報和監(jiān)控量測應在施工中貫徹始終。 2.施工排水溝要及時疏排,嚴防積水。 3.針對富水斷層破碎帶深孔注漿固結止水施工的特點和要求,制定安全實施細 則。 4.加強全員安全意識教育,堅持安全第一的思想,不盲目追求進度,以防止塌方。 5.要配備少量聚膠醋材料,作為突水應急堵漏之用。 6.注漿作業(yè)人員應戴口罩、眼鏡和軟手套,以防止水泥粉塵和水玻璃溶液對人體 造成傷害。 7.要有良好的照明條件。 八、經(jīng)濟效益和社會效益 以溪田線八盤嶺隧道F6、F7斷層破碎帶(長度250m〉施工為例進行分析: 深孔注漿一次注漿段長20m,開挖長度16-17m,與8m注漿段長比較,減少2個注漿 循環(huán),施工速度提高一倍,單口月注漿循環(huán)2次,月成洞26.5m,達到國內(nèi)斷層段隧道施工的 先進水平。 直接經(jīng)濟效益達148萬元。固結止水帷幕厚度達4-5m,堵水率達94%-100%,圍巖固 結強度為5.6MPa,施工安全度高,整個斷層段施工無一人傷亡。 改變了施工作業(yè)環(huán)境,減輕了工人勞動強度,工效高,質(zhì)量好,使隧道比原計劃提前 3個月貫通，保證了觀音閣水庫蓄水和舊線拆除能按時進行，受到了建設單位的好評。 九、工程實例 本溪-田師府鐵路改線工程的八盤嶺隧道中,F6、F7兩條大斷層位于隧道縱深腹部,呈南北走向,屬于區(qū)域性斷裂主干斷層,洞身穿越斷層的總長為250m(DK67十250-DK67十500)。由于受東西向主壓應力的作用,F6和F7這兩條壓性逆斷層內(nèi)褶皺和逆沖形跡叢生,巖體擠壓破碎嚴重,多呈碎石狀鑲嵌結構,局部還有閃長玢巖等巖脈侵入。斷層破碎帶內(nèi)構造裂隙水、節(jié)理裂隙水和石灰?guī)r溶蝕裂隙水富集,水量豐富,平均涌水量達1萬m3/d。同時,由于地表水與地下水連通,而且F6、F7在地貌上又為低谷帶,兩側地表水向該段匯集,造成了地下水位高于線路設計標高137m,給施工造成很大困難。更為棘手的是,附近有許多村落和工礦企業(yè),其生活用水和工業(yè)用水均依賴分布于F6、F7低谷一帶的三眼泉水。建設單位明確提出“要保護水源,不準打漏",以免因搬遷造成巨大的賠償損失。 鑒于F6、F7斷層破碎帶長度大、水量多、地質(zhì)差,又位于隧道中部,為了達到既保護水源，又加速進度的目的，址九局和鐵道建筑研究設計院等單位組成專題攻關小組，進行了認真的調(diào)查研究,確定采取全封閉深孔雙液預注漿固結止水和大管棚施工方法。 根據(jù)超前地質(zhì)鉆探后的地質(zhì)情況和出水量確定斷面布孔數(shù)量及鉆孔深度和外插角度。具體做法是:每一注漿段長為20m,每個斷面沿隧道開挖面布設注漿孔19個,其中,在隧道中心軸線水平布孔1個,拱部周邊布孔7個,兩邊墻各3個,底邊5個。注漿質(zhì)量檢查孔4個(拱頂1個,左右拱腳各1個,底板1個)。鉆孔角度,中部1#孔為水平方向,其余18個孔分別為上仰和下俯,各孔的外插角沿隧道的開挖方向呈軸射狀(見圖。。 1992年2月底,出口端施工接近F7斷層,全封閉深孔注漿方案尚未開始實施,由于涌水引起大塌方,塌方段長12m,現(xiàn)塌量近3000m3,塌穴高距隧頂40m,平均涌水量800m3/d左右。為此,采用了止?jié){墻深孔預注雙漿全封閉固結止水輔以大管棚施工方案,塌體止水固結獲得