隧道帷幕注漿施工工藝

隧道帷幕注漿施工工藝中鐵十六局集團(tuán)有限公司技術(shù)中心隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要作業(yè)程序結(jié)束語隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要程序說明結(jié)束語注漿技術(shù)是以堵水和加固巖土為目的的，實(shí)用性強(qiáng)，

應(yīng)用范圍廣，在隧道及地下工程中，注漿技術(shù)主要用于軟土地層的加固、富水?dāng)鄬悠扑閹У亩滤庸痰?，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，掘進(jìn)速度慢，施工安全難以保證。在這種不良地質(zhì)地段施工，采用深孔超前帷幕注漿全封閉固結(jié)止水技術(shù)，是一種安全可靠的有效方法。帷幕注漿技術(shù)是超前預(yù)注漿的一種，主要包括注漿工

藝、注漿材料和注漿設(shè)備。隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要程序說明結(jié)束語工作面和周邊圍巖均布孔，進(jìn)行全斷面全封閉

深孔注漿固結(jié)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(hù)要求高、以堵為主的隧道和地下工程尤為合適。注漿孔深度大，注漿段長度20m以上，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(jìn)度。主要用于鐵路、公路、水工隧道及其他地下工

程的富水?dāng)鄬訋Ш蛙浫鯂鷰r施工。隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要程序說明結(jié)束語隧道帷幕注漿就是沿開挖輪廓線（含底部）按軸向

輻射狀布孔，按一定的間距，鉆一些直徑70

～160mm的孔（孔深為20～50m），為了防止開挖面涌水，在開挖面中心也布孔。然后注入按一定比例配制而成的漿液，漿液滲透擴(kuò)散到破碎帶的孔隙中并快速凝固，與周圍破碎巖塊固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，在隧道周邊及

開挖面形成一個(gè)堵水帷幕（加固區(qū)），切斷地下水流通路，并和周圍的巖體固結(jié)成一體，從而達(dá)到固結(jié)圍巖和止水，保持圍巖穩(wěn)定、增強(qiáng)施工安全的目的。隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要程序說明結(jié)束語圖1帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔隧道帷幕注漿施工工藝前言工藝特點(diǎn)基本原理施工工藝流程主要程序說明結(jié)束語帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在帷幕注漿施工前，應(yīng)對不良地質(zhì)體進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查和超前探測，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(yù)報(bào)作為一個(gè)工序納入施工過程，防止因地質(zhì)不準(zhǔn)引發(fā)各種風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全是非常重要的首道工序。預(yù)報(bào)內(nèi)容預(yù)測工作面前方注漿段長范圍地質(zhì)構(gòu)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。1.2預(yù)報(bào)方法及步驟超前地址預(yù)報(bào)可以按距離分三種形式分別施作：（1

）在加強(qiáng)掌子面常規(guī)地質(zhì)素描的基礎(chǔ)上，首先采用TS

P-2

03地震探測系統(tǒng)進(jìn)行長距離（掌子面前方100

m左右）的超前探測，確定不良地質(zhì)范圍和軟硬巖層邊界。（2

）根據(jù)TS

P-2

03預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)層邊界前30

m左右采用鉆機(jī)進(jìn)行水平超前鉆孔和地質(zhì)雷達(dá)（GPR）進(jìn)行超前探測，進(jìn)一步驗(yàn)證不良地質(zhì)段的位置、規(guī)模和巖性。水平鉆孔在開挖斷面的中心線上部和兩側(cè)中部各布置一孔，孔深一般超出注漿段5

m左右。鉆機(jī)配備地質(zhì)勘測儀，直接記錄相關(guān)的地質(zhì)參數(shù)。水平鉆孔方法主要是采用鉆眼排渣取樣分析，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(yù)報(bào)前方水文、地質(zhì)條件。（3

）采用水平鉆孔和地質(zhì)雷達(dá)超前探測后，如對前方的地下水情況仍有疑義時(shí)，再用紅外線探水儀對地下水儲(chǔ)存狀況進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)。以上的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意圖，參見圖2所示。圖2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)示意圖帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔2注漿參數(shù)設(shè)計(jì)注漿加固范圍隧道注漿加固范圍按隧道埋深、地下水壓力和漿液固結(jié)體強(qiáng)度來確定，通常拱部為開挖輪廓線外3

～

5

m，邊墻為開挖輪廓線外2

～3

m。注漿段長注漿段長一般應(yīng)按鉆孔設(shè)備的工作能力確定，保證注漿后有一定的開挖長度（包括止?jié){巖盤厚度），并滿足L=(3

~5

)D式中：L為注漿段長(m)，D為注漿加固范圍。止?jié){墻厚度止?jié){墻厚度應(yīng)能滿足注漿壓力的要求，一般按下式確定：B=(0

.2

~0

.3

)L注漿孔間距注漿孔的布設(shè)應(yīng)滿足注漿加固范圍的要求，在帷幕注漿設(shè)計(jì)中，注漿孔應(yīng)全斷面布設(shè)，注漿孔間距一般應(yīng)滿足下式：a

＝√3

R式中，a為注漿終孔間距（m），R為漿液擴(kuò)散半徑（m）。漿液擴(kuò)散半徑漿液擴(kuò)散半徑一般由現(xiàn)場根據(jù)試驗(yàn)確定，一般取2

～4

m。漿液膠凝時(shí)間漿液膠凝時(shí)間一般地段為3分鐘，富水地段為30

～50

s。注漿終壓注漿終壓為1

～1.5

MP

a。注漿量一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的5%左右考慮，實(shí)注量由鉆孔壓水試驗(yàn)確定。采用分段式注漿時(shí)，注漿量按下式計(jì)算：Q=πR2

hna

（1

＋β）式中，Q為注漿量，R為漿液擴(kuò)散半徑，h為注漿段長，n為地層孔隙率，a為地層孔隙填率，β為漿液損失率（一般取10％～30

％）。帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔施工準(zhǔn)備施工準(zhǔn)備包括設(shè)備、人員進(jìn)場及室內(nèi)試驗(yàn)等工作，其中室內(nèi)試驗(yàn)尤為重要，應(yīng)對選用的注漿材料品種進(jìn)行以下試驗(yàn)。主要材料介紹注漿材料一般選用普通水泥、超細(xì)水泥、超細(xì)水泥+水玻璃等。（1）超細(xì)水泥①該水泥平均粒徑為4，最大粒徑為10，比表面積為8000，可灌入滲透系數(shù)較小的細(xì)砂中?？晒嘈耘c化學(xué)漿液相近，結(jié)石強(qiáng)度大于化學(xué)漿液，對地下水及環(huán)境無污染，稱為綠色注漿材料。②超細(xì)水泥漿的主要性能見表1。表中列出了超細(xì)水泥的主要技術(shù)參數(shù)。型號MC-

20MC-

18MC-

15MC-

12MC-

10比表面積(cm2/g)≥8500≥8600≥9000≥9200≥9500平均粒徑(μm)≤4.

0≤3.

8≤3.

5≤3.

2≤3.

0最大粒徑(μm)≤20≤18≤15≤12≤10凝膠時(shí)間(h)初凝≥4終凝≤10強(qiáng)度

(MPa)抗折≥3d≥4.

9≥5.

0≥5.

5≥6.

0≥6.

228d≥7.

1≥7.

2≥8.

0≥8.

5≥9.

0抗壓≥3d≥32.

0≥33.

0≥35.

0≥38.

0≥40.

028d≥55.

0≥58.

0≥64.

0≥73.

0≥83.

0表1 MC系列超細(xì)水泥主要技術(shù)指標(biāo)③超細(xì)水泥的特點(diǎn)結(jié)石強(qiáng)度高：由于超細(xì)水泥比表面積大，有較高的化學(xué)活性，能較快地凝結(jié)固化，可獲得早期和后期強(qiáng)度。3d結(jié)石強(qiáng)度可達(dá)25MPa，3個(gè)月強(qiáng)度可達(dá)62MPa，同期相比，比普通水泥強(qiáng)度高20%左右。凝膠時(shí)間短：在30s

～7mi

n之間根據(jù)不同配比，也可用添加劑進(jìn)行調(diào)節(jié)?？蓡我簤鹤?，也可與水玻璃配合進(jìn)行雙液壓注。由于比表面積大，為了使其在水中分散均勻，應(yīng)采用高速攪拌機(jī)拌和。（2

）水泥—水玻璃漿液（簡稱C-S漿）這是工程中常用的材料，其料源廣，價(jià)格便宜，結(jié)石強(qiáng)度高，結(jié)石率大，凝膠時(shí)間可

控，無毒污染，是理想的注漿材料。其缺點(diǎn)是結(jié)石體穩(wěn)定性較差，特別在干燥地層條件下易風(fēng)化崩解，不適用于做永久性堵水加固材料。水泥：選用425號以上的普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量應(yīng)符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)》（GB178-85）標(biāo)準(zhǔn)。水玻璃：選用出廠濃度42～45，比重1.42～1.45，模數(shù)2.4～2.8的水玻璃原液。漿液配合比：水灰比（W/C）為0.8；水玻璃稀釋濃度為25～35；雙液體積比（C/S）為1：0.5～0.7。（3）超細(xì)水泥——水玻璃雙液漿的配制根據(jù)預(yù)配制漿液的體積，分別計(jì)算出所需要的超細(xì)水泥漿和水玻璃漿的體積，計(jì)算公式如下：MCV

mVm

1SV

1

Vm

1超細(xì)水泥——水玻璃雙液漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度緩凝（劑摻量MPa

）W:

MC時(shí)間MC:

S1:

11:

0.

81:

0.

71:

0.

51:

0.

31%1:

11d6.

305.

332.

883d7.

055.

813.

252:

11d0.

270.

160.

143d0.

280.

190.

183:

11d0.

190.

120.

093d0.

200.

140.

112.

5%1:

11d0.

500.

300.

190.

113d0.

580.

400.

430.

402:

11d0.

350.

160.

130.

063d0.

350.

250.

200.

060.

023:

11d0.

320.

130.

080.

033d0.

320.

160.

11根據(jù)以上數(shù)據(jù)可得出：①隨著超細(xì)水泥漿水灰比的增大，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度減小，特別在水灰比為1:1

～2:1時(shí)，水灰比對漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度影響很大。當(dāng)水灰比大于2:1時(shí)，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度較小。②隨著超細(xì)水泥漿和水玻璃體積比的增大，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度減小。（4）改性水玻璃漿液改性水玻璃溶液又稱酸性水玻璃溶液，它是由普通堿性水玻璃加硫酸酸化后配制而成。該漿液在酸化過程中產(chǎn)生多聚硅酸，固結(jié)后呈膠狀體，能阻止Na+溶脫，增加了固結(jié)體的耐久性，優(yōu)于固結(jié)體易崩解的堿性水玻璃固化劑的漿液。當(dāng)?shù)貙硬皇菈A性地層時(shí)，把水玻璃先制成PH值為2的酸性水玻璃，再配弱堿溶液，雙液注入地層。該方法要求施工中使用耐腐蝕的設(shè)備。當(dāng)?shù)貙邮菈A性地層時(shí)將水玻璃先制成PH值為4～6的弱酸性水玻璃，單液直接注入地層，漿液在地層中自行固結(jié)。該漿液的主要性能指標(biāo)如下：密度：1.19～1.21g/cm3黏度：2～5cp酸堿度：4

～

6PH，可根據(jù)凝膠時(shí)間調(diào)整。凝膠時(shí)間：空氣中30

～240mi

n，細(xì)沙中

5～30mi

n。單軸抗壓強(qiáng)度：0.3～0.5MPa。Be

配制要求：甲液為濃度10

～20的水玻璃；乙液為濃度10%～

20%硫酸加適量緩凝劑3.2主要試驗(yàn)項(xiàng)目材料配合的試驗(yàn)：確定各種試樣的配合比方案。凝膠時(shí)間試驗(yàn)：通過控制和調(diào)節(jié)凝膠時(shí)間確定注漿半徑和注漿效果。結(jié)石率試驗(yàn)：確定不同漿液成分的結(jié)石效果。（

4

）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：確定材料品種和使用范圍。滲透性試驗(yàn)：檢驗(yàn)各種漿液的可注性。粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)：檢測被加固體與漿液的粘結(jié)程度和加固效果。帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔4布孔在完成現(xiàn)場施工準(zhǔn)備后，由測量人員用紅漆在掌子面上按注漿設(shè)計(jì)畫出鉆孔位置，并標(biāo)注編號。注漿布孔布置見圖所示。1568172341679101115

14

13

12帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔5鉆孔5.1鉆機(jī)鉆孔直徑一般為φ70

～108

mm，鉆機(jī)一般采用水平地質(zhì)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鉆孔臺(tái)車或管棚鉆機(jī)鉆孔，這些鉆機(jī)按其機(jī)械動(dòng)作原理分為旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)主要用于鉆鑿中硬巖以下的巖石，特別是在土質(zhì)、泥巖、風(fēng)化砂巖等相對軟弱的巖層中。在較硬的巖層中則采用沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)比較合適。主要的鉆孔設(shè)備有：無錫探礦廠的MD系列錨固鉆機(jī)。石家莊煤炭機(jī)械廠的TK－5型地質(zhì)鉆機(jī)。煤炭科學(xué)研究院西安分院的MK－2型液壓鉆機(jī)。赤峰鉆機(jī)廠的土星881、金星9000等鉆機(jī)。MD－60錨固鉆機(jī)MK-2液壓鉆機(jī)TK-5地質(zhì)鉆機(jī)土星881管棚鉆機(jī)金星9000管棚鉆機(jī)5.2鉆具鉆具的選擇應(yīng)根據(jù)地層、鉆機(jī)型號和注漿方式的等因素綜合考慮選定，可供選擇的鉆具有：螺旋鉆具：由套管、螺旋鉆桿、鉆頭組成。一般適用于第四紀(jì)地層。潛孔鉆具：由套管、鉆桿和潛孔沖擊器組成。通用鉆具：由鉆桿和鉆頭組成，鉆桿為常用一般鉆桿，鉆頭一般采用球齒型或柱齒型。偏心擴(kuò)孔跟管鉆具：由先導(dǎo)鉆、擴(kuò)孔鉆、套管、鉆桿等組成，其鉆具與套管可同步跟進(jìn)，分離退出，適用于難成孔的破碎巖層。5.3止?jié){墻設(shè)置為保證注漿施工順利安全進(jìn)行，在掌子面設(shè)置30

～50

cm厚模筑混凝土止?jié){墻，此后各循環(huán)利用已注漿未開挖的巖體代替止?jié){墻，掌子面用噴射混凝土封閉。每孔孔口套管與孔壁之間使用環(huán)氧樹脂或CS麻絲等充填粘結(jié)防止漏漿。5.4埋設(shè)孔口管為保證注漿孔的鉆進(jìn)方向，一般在孔口段安設(shè)鋼管套管，套管長度3

～6m。孔口管位置、方向檢查準(zhǔn)確無誤后，開始鉆注漿孔。鉆孔孔徑一般比套管直徑要大10

～15

mm左右。帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔6下注漿管在注漿孔按設(shè)計(jì)位置、深度完成鉆孔后，打入帶花孔的袖閥套管，再插入帶止?jié){塞的注漿管。袖閥套管兩端應(yīng)安裝橡膠皮套，與孔壁密

貼，防止注漿漿液漏出。套管出漿孔處使用橡膠皮套作為單向閥套在套管上，保證漿液不回流。設(shè)置在掌子面的注漿孔，安裝袖閥套管時(shí)應(yīng)采用P

VC塑料管，便于隧道掘進(jìn)。止?jié){塞是實(shí)現(xiàn)分段注漿、合理使用注漿壓力和控制漿液分布范圍、保證注漿質(zhì)量的一種有效設(shè)備，一般由一組穿在注漿管兩端的橡膠脹塞組成，可用機(jī)械方法或充氣、充水方法使其膨脹?？蛇x用的止?jié){塞有煤炭部門生產(chǎn)的KWS型止?jié){塞。在缺乏條件的情況下，也可用橡膠圈代替。鍍鋅注漿內(nèi)管鍍鋅注漿內(nèi)管套管橡膠皮套套管出漿孔套管橡膠皮套套管橡膠皮套套管出漿孔內(nèi)管密封圈內(nèi)管出漿孔內(nèi)管堵頭螺絲PVC套管PVC外管孔壁

帷幕注漿施工工藝流程圖注漿參數(shù)設(shè)計(jì)施工準(zhǔn)備鉆機(jī)就位鉆孔埋設(shè)孔口管結(jié)束效果檢查注漿下注漿管Y補(bǔ)充注漿注漿泵就位管路連通試水N漿液制備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布孔7注漿充水試驗(yàn)安裝注漿管、注漿泵就位后，先做充水試驗(yàn)。連接注漿管路，用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，爾后再做壓水試驗(yàn)，以沖洗巖石裂隙，擴(kuò)大漿液通路，增加漿液充塞的密實(shí)性，核實(shí)巖石的滲透性。漿液制備以雙液注漿為例，將預(yù)先準(zhǔn)備好的水泥、水玻璃漿液按比例分別放在兩個(gè)容器內(nèi)，注入符合比例的水進(jìn)行攪拌，一直至符合要求。攪拌方式可采用機(jī)械或人工拌制。（3

）注漿作業(yè)進(jìn)行帷幕注漿加固時(shí)，注漿方法有前進(jìn)式注漿和后退式注漿兩種方式。前進(jìn)式注漿主要用于圍巖破碎嚴(yán)重，成孔困難及地層軟弱的地段，后退式主要用于圍巖破碎程度相對稍好一些的地段。前進(jìn)式注漿采用分段注漿，每段長度3-5

m，鉆一段注一段，一直鉆孔注漿到設(shè)計(jì)深度；后退式注漿，鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后，插入袖閥套管，再插入帶止?jié){塞的注漿管，接上注漿管路，自孔底到孔口進(jìn)行分段后退式注漿，每段長度控制在2-3

m。前進(jìn)式及后退式注漿的施工步驟如圖所示。漿液止?jié){塞注漿芯管袖閥套管（3）袖閥套管內(nèi)插入注漿芯管（兩端帶止?jié){塞），進(jìn)行壓入注漿?？卓诜馊?）插入袖閥套管。（1）鉆孔至第一段設(shè)計(jì)深度。第一段長度3～5m袖閥套管前進(jìn)式注漿施工步驟圖前進(jìn)式注漿施工步驟圖（5）插入注漿芯管，開始第二段注漿，注一段鉆一段，直至設(shè)計(jì)孔深。一袖閥套管孔口封塞袖閥套管孔口封塞第一段長度3～5m第二段止?jié){塞（4）鉆孔至第二段設(shè)計(jì)深度。第一注漿段2～

3

m止?jié){塞注漿芯管袖閥套管（3）袖閥管內(nèi)插入注漿芯管（兩端帶止?jié){塞），從孔底起分段后退式注漿。孔口封塞袖閥套管（2）插入袖閥套管，退出鉆機(jī)套管（1）鉆孔、套管跟進(jìn)至孔底鉆機(jī)套管設(shè)計(jì)孔深，一般20～30

m最后注漿段2～

3

m止?jié){塞袖閥套管（4）注漿2～4小時(shí)后，注漿管后退，注一段漿芯管退一段，直到最后一段結(jié)束?？卓诜馊笸耸阶{施工步驟圖（4

）注漿注意事項(xiàng)①注漿時(shí)先開水泥漿液泵，一