青島海底隧道帷幕注漿施工技術研究

逄顯民

(青島市公路管理局,山東青島 266520)

1 概況

青島膠州灣隧道位于團島和薛家島之間,主隧道長6 170 m,跨越海域長度3 950 m,線路等級為城市快速路,設計車速為80 km/h,設2條三車道主隧道和1條服務隧道,主隧道中軸線間距55 m。隧道斷面為橢圓形,主隧道開挖斷面高11.2～12.0 m、寬約15.23～16.03 m,隧道縱斷面呈V形,最大縱坡4%,右線路面最低點高程-83.28 m、左線為-83.15 m,海域段主隧道埋深一般為25～35 m,采用礦山法施工。

海底部分主要以火山沉積巖為主,其間穿插有多條輝綠巖侵入巖巖脈,從而形成多條斷層破碎帶,本工程最大的風險來自于海底這些斷層破碎帶和影響帶,而通過斷層破碎帶的主要方法是帷幕注漿,這是關系到海底隧道成敗的靈魂性技術。

自2007年8月開工以來,經過2年多的施工,主要是進入海域施工以來,本項目共通過了30余段的注漿段,其間采用了全斷面帷幕、周邊帷幕、局部帷幕等多種注漿方式,從注漿方式選擇、機械設備配備方面,注漿工藝參數確定、注漿檢查標準等方面均形成了適用于青島海底隧道的特有的注漿模式。

2 隧道海域段地質情況分析

根據已進行的初步地質工作,在膠州灣隧道區域內,隧道進出口存在有海相沖積層,該地層易涌水、坍方。洞身有巖脈不整合接觸帶,特別是有NW向斷裂3條,分別為F3、F4和F5,NE向斷裂3條,分別為F1、F2和F6,主要的大斷裂破碎帶為F3、F2等。

海域段第四系覆蓋層僅在局部發育,厚度小于3 m?；鶐r以含晶屑火山角礫凝灰巖、流紋斑巖和安山質角礫巖為主,其間穿插多條輝綠巖、石英正長巖等巖脈。強風化帶主要發育在輝綠巖及破碎巖頂部,最厚處近10 m。弱風化帶一般小于5 m,輝綠巖脈及破碎帶內可超過15 m；微風化基巖頂面埋深一般小于15 m,局部超過25 m。本隧道段埋深多在25 m左右,頂板微風化巖層厚度大部超過10 m,局部洞頂以上無微風化巖體。破碎帶巖體多為碎裂結構,巖質軟硬不均,局部為松散結構,并夾碎粒和碎粉狀錯碎物,透水性可達中等級；斷裂破碎帶以外的微風化巖體為塊狀構造或塊碎狀鑲嵌結構,透水性弱,巖質堅硬。

海域段的注漿段落主要集中在各個斷層破碎帶及其斷層影響帶內。

3 帷幕注漿種類與適用條件

青島海底隧道所采用的帷幕注漿種類共有3種：全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、局部斷面注漿3種形式,具體采用何種形式,主要依據綜合超前地質預報的結果,由現場地質信息小組人員分析后確定。

3.1 綜合超前地質預報

綜合超前地質預報是選擇注漿方式的主要依據,青島海底隧道采用的綜合超前地質預報的方式主要有如下幾種：

(1)TSP203超前地質預報,海域全程進行,縱向搭接10 m；

(2)超前探孔(主線隧道設3～6個,長度30 m,搭接8 m)；

(3)地質雷達,在需要時采用；

(4)紅外探水；

(5)借鑒先行隧道或者服務洞的地質情況；

(6)勘測階段的地質資料。

3.2 帷幕注漿方案選擇依據

注漿形式主要根據綜合超前地質預報結果來確定,青島海底隧道的注漿主要為巖體裂隙注漿,以劈裂、擠壓注漿為主,滲透注漿為輔。各種注漿形式的適用條件如表1所示。

表1 注漿形式適用條件

4 注漿試驗

4.1 注漿試驗目的

注漿試驗的目的如下：

(1)比較不同注漿方案的適用性；

(2)不同注漿材料、漿液配比在本工程斷層破碎帶的適應性及效果評價；

(3)判斷選定的注漿量、注漿壓力的參數是否合理；

(4)注漿工藝和注漿設備的配套；

(5)確定合理注漿效果的檢測和評價方法。

4.2 注漿試驗程序及內容

注漿試驗程序和內容包括：

(1)制定注漿試驗方案和實施大綱、編制注漿試驗任務書和實施細則；

(2)進行注漿材料、漿液相結合的物理、力學性能試驗；

(3)按擬定的注漿工藝進行鉆孔、沖洗和注漿試驗；

(4)按注漿效果鑒定的標準和方法進行注漿質量檢驗；

(5)對試驗資料進行整理,對成果進行分析并編制試驗報告。

5 機械設備配備

針對海域注漿施工的特點,結合膠州灣海底隧道的實際情況,參照國內外類似工程的工程經驗,配套選擇專用設備,注漿施工的主要設備是鉆孔設備和注漿設備及其配套設備(表2)。

表2 鉆孔注漿設備

鉆孔采用三臂臺車鉆孔,可大大提高鉆孔效率；另外,三參注漿記錄儀的引用,大大改進了長期以來注漿計量的難題,很容易實現注漿過程的動態記錄(主要記錄P、Q、T3個時態曲線),可為下一步的注漿提供詳細的參考數據。

由于受海底滲水、腐蝕性較強等因素的影響,在施工期間要注意加強對鉆灌設備的維護和保養,保證鉆機等設備能夠正常工作。

6 注漿參數確定

注漿參數主要包括：注漿加固范圍、注漿段長、注漿孔布置、注漿壓力、注漿速度、注漿量的確定等。

6.1 基本思路

采用上半斷面布孔進行全斷面帷幕注漿,每循環確定30 m,開挖25 m,留5 m作為止漿巖盤。從工程實踐來看,止漿墻和孔口管的安裝是注漿施工的關鍵環節,其封閉的效果直接決定了注漿效果,也影響注漿速度,是注漿控制的重點。

6.2 注漿加固范圍及擴散半徑

注漿加固體的范圍為隧道輪廓線外5 m,孔底間距不大于3.5 m,開孔處環向間距不小于50 cm,按30 m一個注漿循環計算,其形式如圖1所示。

圖1 注漿加固體范圍(單位：cm)

6.3 注漿段長

注漿每循環按30 m考慮,留5 m止漿墻,開挖25 m。在成孔效果較好地段,每循環按37 m施工,留5 m止漿段。

6.4 注漿孔布置

注漿孔開孔位置全部布置于上半斷面,這樣做一是可以提高注漿效率,二是可以保證安全,較低的操作高度對安全更為有利,注漿孔布置如圖2所示。

圖2 帷幕注漿鉆孔布置示意(單位：mm)

6.5 注漿壓力和速度

注漿最大壓力控制為4 MPa,特殊情況下,可降低,但最小不小于3 MPa。

注漿速度確定為50～110 L/min。

6.6 孔徑選擇與孔口管安裝

注漿孔徑選擇為56～89 mm均可,可根據鉆孔設備情況采用。

6.7 注漿漿材選擇

青島海底隧道所有超前注漿采用超細水泥漿,W∶C=1∶1。

7 注漿工藝

帷幕注漿原則上采用分段注漿方式,但如果成孔條件較好,也可采用全孔一次注漿,帷幕注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 分段預注漿工藝流程

7.1 止漿墻設置

止漿墻采用C35噴射混凝土，噴射厚度30～50 cm,盡量把掌子面周圍封閉嚴密,以防漏漿。

7.2 孔口管

孔口管采用φ108 mm無縫鋼管,長度約為2 000 mm,錨入巖體至少1 500 mm以上,與注漿機連接接口部位用抱箍連結,可實現快速安裝,其結構如圖4所示。

圖4 孔口管結構(單位：mm)

7.3 注漿方式

(1)若成孔情況較好,可采用全孔一次注漿,最大注漿長度為35 m。

(2)對于圍巖較差的情況,可采用前進式注漿,分數段進行,每段長度7 m。

7.4 注漿順序

注漿時按B、C、D順序注漿,同一順序中可間隔注漿,后注漿孔可作為前注孔的檢查孔。

8 注漿結束標準與檢查

8.1 注漿結束控制標準

注漿結束按雙控標準,既控制注漿量,又控制注漿壓力的方式。

(1)注漿量根據注漿擴散半徑和巖層填充率計算,基本每孔每延米按0.3～0.4 m3計算,最大注漿量不超過理論計算的1.5倍；

(2)終壓標準按4 MPa來控制,注漿壓力長時間達不到設計壓力的,經間歇注漿或二次重復注漿仍達不到的,可降低注漿壓力。

8.2 效果檢查

注漿效果檢查首先是單孔或全部注漿孔均滿足注漿結束標準,無漏注現象,然后通過檢查孔法、開挖取樣和物探方法進行綜合評價。

8.2.1 檢查孔法

在隧道輪廓范圍內打檢查孔,檢查孔按注漿孔的6%計算,孔深按本循環開挖長度計算,孔深在25 m以內,完成后及時回填,回填注漿壓力為2 MPa。

對檢查孔進行觀察,察看檢查孔成孔是否完整，是否有涌水、涌砂、涌泥,檢查孔放置一段時間后是否塌孔,是否產生涌水、涌砂、涌泥,以來定性判斷注漿效果。

檢查合格的標準是每0.1 L/m.min,若達不到標準,應及時加孔補注,直至達到設計標準。

8.2.2 物探法

通過開挖前后超前地質預報資料和數據的對比分析、判斷注漿效果。某次注漿前后圍巖力學參數分析比較見表3。

表3 注漿前后圍巖力學參數分析比較

8.2.3 分析法

分析法是通過對注漿施工過程中收集的參數信息進行合理整合,采用分析、對比等方式,對注漿效果進行定性評價。圖5為某次注漿的P-Q-T曲線,從此曲線上可以看出,壓力不斷上升,單位時間內的注漿量逐漸減少,至達到設計壓力時,單位時間內的注漿量達到最小。

圖5 某次注漿的P-Q-T曲線

9 異常情況處理

注漿過程中有注漿中斷、串漿、大量漏失、涌水等,對異常情況的處理措施如下。

9.1 注漿中斷處理

(1)找出注漿中斷的原因,盡快解決,及早恢復注漿。

(2)如果不能立即恢復注漿或灌注濃漿有埋管危險時,應立即沖洗鉆孔,而后再恢復注漿。

(3)若因故不能立即沖洗鉆孔,則應松開止漿塞,上提注漿管,以免造成埋管事故。待具備沖洗條件時,再進行強力沖洗,以恢復注漿條件。

(4)沖洗無效時,應立即掃孔至孔底,并用壓力水沖洗后,重新開始注漿。

(5)當恢復注漿后,注入率明顯減少,并在短時間內停止吸漿時,應采取補救措施。

1.4.2 捕食線蟲真菌的捕器誘導 在體視顯微鏡10～100倍下，利用無菌牙簽以無菌操作技術轉接捕食線蟲真菌單個分生孢子到留有約1 cm×1 cm觀察室的直徑60 mm CMA平板上，密封后置于26.5℃恒溫箱中培養直至菌絲鋪滿觀察室，然后在觀察室中加入制備好的線蟲懸液200條左右，放置于恒溫箱中培養2～4 d，其間需用體視顯微鏡觀察是否產生捕器及捕器類型，并及時記錄結果。

9.2 串漿處理

如串漿孔具備注漿條件,可以同時進行注漿,但應一泵注一孔,否則應將串漿孔用塞塞住,待注漿孔注漿結束后,串漿孔再行掃孔、沖洗,而后繼續鉆進和注漿。

9.3 大量漏失

發生大量漏漿時,采用以下原則進行處理：

(1)采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿的方法進行灌注；

(2)必要時,可采用砂漿或其他充填材料先堵大空隙再采用方法(1)處理；

(3)縮短漿液凝固時間,采用水泥-水玻璃或其他凝速材料,進行灌注。

9.4 涌水處理

在注漿孔有涌水流出的注漿孔段,注漿前應測量記錄涌水壓力、涌水量,然后根據涌水情況選用下列綜合措施處理：

(1)縮短注漿段長度,提高注漿壓力,采用分段前進式注漿方式；

(2)當單孔達到設計要求的注漿結束標準后,采用濃漿液進行屏漿1～24 h后再閉漿,并待凝；

(3)采用速凝型漿液對涌水孔進行注漿；

(4)采用壓力注漿封孔；

(5)對各種突發情況應準備相應的應急方案。

10 注漿進度

經過統計,30 m的注漿循環需要在13 d左右。

11 結語

膠州灣隧道的帷幕注漿，依據青島的實際地質情況，在上半斷面進行全斷面注漿，并成功改用三臂臺車鉆孔，相較以往的類似工程，這是一個重大改進。一方面保證了施工時人員機具的安全，另外一方面又加快了每循環注漿的速度(類似工程的每循環注漿周期為30 d左右，本方法僅需13 d左右)，達到了設計要求的滲漏水標準，為后續施工創造了條件。

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