圓梁山隧道全斷面注漿技術(shù)略談
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關(guān)鍵字：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)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裂。為了減少隧道修建對(duì)周圍環(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)和地質(zhì)素描等手段，通過對(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)7133米，并在PDK355+058處開始進(jìn)行反坡開挖，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)開挖至PDK355+019時(shí)，于2003年6月27日6點(diǎn)開始在掌子面采用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 Geologic profile of grouting segment
在探水孔施作過程中，探1＃在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，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)過程巖石破碎。探3�？咨�30.20米，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)束探孔。通過探孔情況和地質(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200 m3/h左右，由于此處反坡開挖，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。后加快抽水，將掌子面水用兩路Φ150mm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。
2.2 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。
圖3 涌出物成份比例 圖4 涌出物篩分曲線
Fig.3 Proportion of gushed-out materials Fig.4 Sieving curve of gushed-out materials
由圖3、圖4來看：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，說明涌出物在巖溶管道中經(jīng)過長(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直徑大于10mm，涌出物累計(jì)篩余百分率曲線比較平緩，可見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：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200m3/h；由圖6可見：在封堵掌子面后涌水壓力不斷上升，最后穩(wěn)定在2.4MPa。
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 water spraying on the face Fig.6 Curve of hydraulic pressure
3 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2.5～3m厚砼止?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。由于砼止?jié){墻與開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。
⑴小導(dǎo)管注漿管長(zhǎng)L=3m，采用Φ32mm焊接鋼管。注漿管前端加工成圓錐狀并封死�；ü懿糠珠L(zhǎng)2m，在花管段上間隔30mm～40mm，按梅花型布設(shè)Φ4～6mm的溢漿孔。管尾部分采用兩道Φ8mm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。
⑵小導(dǎo)管沿隧道開挖輪廓線布置，略向外傾斜，外插角為50～100。
⑶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～3min。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。
⑷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。
圖7 頂水注漿和小導(dǎo)管注漿布置(單位：mm)
Fig.7 Layout of withstand-water grouting and small pipe-grouting
3.3 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，通過注漿形成截水帷幕，并加固周圍巖體，注漿加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5.0m，注漿段長(zhǎng)30m，即PDK354+020～9DK355+990。注漿設(shè)計(jì)如圖8、9所示。
⑴注漿孔采用MKD-5S型鉆機(jī)成孔。開始用大直徑鉆頭鉆進(jìn)2m后安設(shè)φ108mm無縫鋼管作為孔口管。再改用φ90mm鉆頭鉆至15～30m。孔口管長(zhǎng)度150cm，孔口處纏60cm的麻絲。并用HSC漿錨固。
⑵鉆孔深度以達(dá)到鉆入巖層2～3為原則，采用前進(jìn)式分段鉆進(jìn)和注漿工藝。
⑶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。
①用引水管將水引出后，封閉掌子面。注漿時(shí)關(guān)閉閥門，形成靜水壓力注漿。
②對(duì)破碎無水巖層，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)沖開及溝通裂隙能夠起到潤(rùn)滑劑的作用,一旦裂隙沖開后即進(jìn)入正常的雙液漿注漿。
③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) 圖9 超前預(yù)注漿縱斷面布置(單位:cm)
Fig.8 Cross section of advanced pre-grouting holes Fig.9 Longitudinal section of advanced pre-grouting
3.4 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）。
注漿孔無水時(shí)采用普通水泥單液漿，水灰比W:C=0.8:1~1:1；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。涌水量小時(shí)，水泥C漿：水灰比W:C=1. :1~0.8:1，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=0.8:1~0.6:1，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（Q>10m3/h）則按1～2m分段；若涌水涌泥（砂）較�。≦<10m3/h）或輕微卡鉆，則鉆孔注漿段長(zhǎng)度可適當(dāng)加大至3～5m。如無涌水涌泥（砂）和卡鉆的情況發(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
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參數(shù)名稱 |
全斷面深孔超前預(yù)注漿 |
備 注 |
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加固范圍 |
掌子面及開挖輪廓線外5m |
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鉆孔深度 |
15m～30m |
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漿液擴(kuò)散半徑 |
2m |
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凝膠時(shí)間 |
30s~2min30s |
普通水泥—水玻璃雙液漿 |
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注漿速度 |
10～100L/min |
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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 |
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注漿終壓 |
6～9MPa |
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單段注漿量 |
1.1～3.32m3/m |
單段注漿量按Q=π·R2·L·n·α·β計(jì)算 參數(shù)取值n=0.1～0.3α=0.8 β=1.1 |
3.7 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（Ⅰ序孔采取跳孔，Ⅱ序孔采取間隔跳孔，Ⅲ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)定圓梁山隧道出口平導(dǎo)PDK355+020～PDK354+990巖溶管道裂隙段全斷面注漿，自2003年7月6日開始至8月6日結(jié)束，歷經(jīng)30天，注漿完成后，巖溶管道水被完全封堵，堵水效果很好，9個(gè)檢查孔均無水無砂，成孔良好。在隨后的開挖中巖壁干燥無水，溶管水得到有效的封堵，破碎帶得到了明顯的加固。同時(shí)漿液擴(kuò)散較遠(yuǎn)，距離平導(dǎo)30m的8#通道YK0+058處左側(cè)拱頂?shù)囊惶幜严端驳玫搅擞行У姆舛�，為保證迂回導(dǎo)坑和平導(dǎo)順利貫通創(chuàng)造了有利的條件，說明此次注漿堵水和加固是非常成功的。
