太中銀鐵路土石分界地層隧道裂隙水注漿施工

朱望瑜

0 引言

土石分界土層隧道的施工,由于其巖體石質(zhì)較差,風化嚴重并且還經(jīng)常夾有泥層或泥砂層,自穩(wěn)能力差。尤其是在土石分界處,地下水一般較為豐富,特別是風化巖與粘性黃土分界處,從現(xiàn)場經(jīng)常可以看到,在不透水層風化巖斜面上有股狀水出現(xiàn),水的存在減少了土石之間的摩擦系數(shù),同時由于局部地下水補給充分,土體吸水飽和,土體軟化,圍巖自身的承載能力大大降低。特別是對于大跨度隧道,極易發(fā)生局部塌方;對于拱頂落在黃土中、拱腳和仰拱位于基巖的大跨度隧道,拱頂部經(jīng)常發(fā)生嚴重塌方,施工極其困難,施工安全受到嚴重威脅。

同時由于土石分界處裂隙水發(fā)育,處理不當,將對圍巖和支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響,危及結(jié)構(gòu)和運營安全。

太中銀鐵路陜西段穿越黃土高原丘陵區(qū),地形起伏,沖溝發(fā)育,不良地質(zhì)廣泛分布,尤其是部分隧道穿越土石分界線,穿越地層包括粉質(zhì)粘土及含水砂層、粉質(zhì)粘土及含水砂層與白堊系全～強風化砂巖交接區(qū)域,同時由于圍巖呈水平層狀,透水性強,開挖過程中往往導致地下水的大量涌出,在太中銀鐵路隧道的施工過程中,水的問題始終是一個困擾施工安全、質(zhì)量和進度的關(guān)鍵性問題,隧道的開挖全過程始終都遇到不同程度的裂隙水問題,給施工造成極大困難,施工安全風險及壓力極大,工程成敗在某種程度上就決定于對水的處理是否成功。

本文結(jié)合太中銀鐵路土石分界土層隧道施工的實踐,對注漿技術(shù)在治理裂隙水問題中的應用進行了分析與總結(jié),以期對類似工程的設(shè)計、施工有一定的借鑒意義。

1 土石分界地層隧道裂隙水的分布形式及特點

土石分界地層中地下水的存在主要以孔隙水基巖裂隙水兩種方式存在。孔隙水在砂性土中相對較豐富,接受大氣降水補給,但由于徑流排泄不暢,水量相對貧乏。裂隙水以碎屑巖裂縫水為主,接受大氣降水、地表水和其他水源的補給,水力梯度大,排泄運移速度快。

太中銀鐵路土石分界地層隧道開挖成洞后,裂隙水主要以“滲水”“線水”“股水”3種方式涌出。“滲水”的水量一般均較小,在初期支護時采用噴射混凝土即可以封閉;“線水”與“股水”采用噴射混凝土的方式一般均無法封閉,是注漿止水的主要對象。

“股水”多數(shù)為基巖裂隙水或巖層接觸帶處的層中水,水頭一般較高,但均較為集中;“線水”分布較為零散,沒有集中的水源,治理的面積較大,堵水過程中存在一定的困難。

2 處理原則

針對以上裂隙水的分布形式及特點,結(jié)合設(shè)計在施工中采取以堵為主,堵排結(jié)合的原則。

在隧道通過集水富水地段(地下水狀態(tài)為Ⅱ,Ⅲ級及以上)時,隧道采用超前注漿、徑向注漿等堵水措施,以確保施工安全、防止地下水大量流失。

堵的基本原則為:先兩頭,后中間,先堵小水,后堵大水;先拱部,后邊墻。采用“搶堵”和“固堵”兩種堵水方法:“搶堵”主要針對“股狀”先期止水,“固堵”主要是對“股狀”水先期止水成果的鞏固及對“線水”“滲水”的封堵。

注漿堵水后,地下水狀態(tài)應達到無水或小于地下水狀態(tài)Ⅰ級時進行隧道襯砌施工。

3 涌水量的預測及注漿方案的選擇

3.1 涌水量的預測

掌子面涌水量和初期支護表面滲漏量測試對于確定注漿方案非常重要,掌子面水量一般采用直接測試和鉆孔預測的方法。

1)超前探孔涌水量控制標準。

第一種方法是,在掌子面上安裝排水管,測出排水管中水的流速V,然后測出排水管中的過水斷面A,即可計算出探孔涌水量:

反坡施工的情況下,單孔涌水量 Q≥2 m3/h(Ⅳ級圍巖以上),Q≥1 m3/h(Ⅴ級圍巖以下),將對施工造成一定的影響,需采取超前預注漿措施。

2)掌子面總的涌水量控制標準。

如整個斷面上出水部位較多,很難用多根排水管進行測試,斷面總的涌水量一般采用水溝測試,即通過測試水溝中水的流速和水溝的過水斷面,即可計算出隧道整個涌水量。

反坡施工的情況下,如果整個斷面的涌水量 Q≥5 m3/h(Ⅳ級圍巖以上),Q≥5 m3/h(Ⅴ級圍巖以上),將對施工造成一定的影響,需采取超前預注漿措施。

3.2 注漿方案的選擇

注漿方案的選擇主要參考依據(jù)有地質(zhì)勘探資料、超前地質(zhì)預報成果、涌水量大小和以往類似工程經(jīng)驗等。一般來說,在節(jié)理裂隙比較發(fā)育且水量或水壓較大地段也應采用超前預注漿方案;在巖體完整、節(jié)理、裂隙不太發(fā)育地層中,局部出水或滲漏水地段采用開挖后徑向注漿及局部注漿方案。

太中銀鐵路土石分界地層中隧道地質(zhì)條件比較復雜,存在砂巖、泥巖互層,節(jié)理層理發(fā)育等不良地質(zhì)問題,施工中根據(jù)不同情況分別采用了超前注漿、徑向注漿等措施。

4 徑向注漿

根據(jù)超前地質(zhì)預測預報方案,當判析前方地層自穩(wěn)性較好,只是存在著裂隙水,而裂隙水的總涌水量基本可以確定,能保證開挖施工安全,并確定在開挖施工完成后沉降較小,能夠?qū)τ克窟M行控制時,可采取開挖后徑向注漿。

徑向注漿堵水一般在完成爆破出渣后進行,先在滲漏水下方距底板約1 m～1.5 m高的邊墻上鉆設(shè)集中導水孔進行導水,導水孔深度比注漿孔深約1 m～2 m,以 10°～20°的夾角上插,并在導水孔周圍鉆設(shè)3個～4個分流孔進行分流降壓,使?jié)B漏水集中排放,達到排水降壓的目的,然后對拱部滲漏水注漿封堵,采取先淺后深的原則,即先加固3 m范圍內(nèi)圍巖形成止?jié){墻,后加固5 m范圍內(nèi)圍巖,先小水后大水的注漿順序進行注漿,并對圍巖及支護變形情況和其余孔內(nèi)水量、水壓進行實時監(jiān)測,以動態(tài)調(diào)整注漿參數(shù),最后對邊墻上的導水孔和分流孔進行注漿封堵,如圖1所示。

1)堵水注漿孔的布設(shè)。

在拱部滲漏水處鉆孔進行注漿封堵,先鉆注3 m深孔加固3 m范圍內(nèi)圍巖并以此作為止?jié){墻,再鉆注5 m深孔加固5 m范圍內(nèi)圍巖,注漿孔位采取梅花形布置,間距 50 cm(環(huán)向)×50 cm(縱向),采取先大水、后小水的原則,先封堵線狀、股狀水,后封堵面狀滲漏水。

2)注漿管材。

太中銀鐵路土石分界地層隧道出現(xiàn)的風化砂巖大量存在砂巖和泥巖互層情況,如果小導管注漿采用普通鋼花管,那么在頂入過程中,泥砂容易沿管子上的孔眼進入鋼管,堵塞管路,影響注漿效果。為了解決這個難題,針對該區(qū)段地質(zhì)的特點,采用小導管分段反復注漿裝置進行注漿堵水,小導管分段反復注漿裝置如圖2所示。

3)鉆孔注漿工藝。

采用風鉆鉆孔至設(shè)計孔深,退出鉆桿,將小導管裝入鉆孔內(nèi),用速凝水泥將管口外壁和鉆孔內(nèi)壁之間的空隙封住,將帶有皮碗式止?jié){塞的注漿芯管進入小導管內(nèi)到設(shè)計位置,注漿芯管后端與進漿管、注漿泵連通進行注漿,漿液從注漿芯管前段的出漿孔溢出,進入小導管與注漿芯管之間,在壓力作用下位于出漿孔前后兩側(cè)的止?jié){塞膨脹擴張,頂緊小導管內(nèi)壁,將小導管與注漿芯管外壁之間封閉,漿液將小導管溢漿孔上的橡膠塞沖開,由溢漿孔進入地層完成該段注漿;停止注漿后,皮碗式止?jié){塞泄壓內(nèi)收恢復原狀;向后拉動注漿芯管到下一段注漿位置,進行注漿,如此反復后退分段注漿直到該孔注漿結(jié)束,退出注漿芯管進行下一孔注漿施工。分段反復注漿使?jié){液擴散比較均勻,注漿質(zhì)量容易得到保證。并可根據(jù)地層變形情況,反復多次對地層進行加固,獲得更好的注漿效果。

4)注漿材料。

在土石分界地層采用HSC,MC等多種新型注漿材料的注漿工藝進行現(xiàn)場試驗,施工中結(jié)合土石分界地層圍巖軟弱和裂隙發(fā)育的地質(zhì)特點,注漿材料選用普通水泥—水玻璃雙液漿(C—S漿)為主,普通水泥單液漿為輔,采取單雙結(jié)合的方式進行注漿。

普通水泥漿水灰比 W∶C=0.6∶1～1∶1,雙液漿體積比 C∶S=1∶(0.6～ 1.0),水玻璃濃度 30 Be′～ 35 Be′。具體漿液配比根據(jù)施工實際加以調(diào)整。

5)注漿終壓及注漿結(jié)束標準。

根據(jù)施工經(jīng)驗和地質(zhì)情況,注漿終壓取2 MPa。

單孔注漿壓力達到設(shè)計終壓,繼續(xù)注漿10 min以上或單孔進漿量小于10 L/min,即可結(jié)束本孔注漿。

6)注漿質(zhì)量檢查。

注漿結(jié)束后24 h,觀察漏水裂縫是否已經(jīng)被堵塞,若不滲漏水表示注漿質(zhì)量良好,若仍有滲漏則應重新補孔注漿,直至基本沒有滲漏。

7)注漿施工中的注意事項。

a.注漿中隨時根據(jù)實際情況調(diào)整漿液的水灰比。b.控制注漿壓力不得超過設(shè)計終壓。c.在注漿堵水過程中要加強對圍巖穩(wěn)定性的量測工作。

5 超前預注漿

根據(jù)超前地質(zhì)預測預報方案,在節(jié)理裂隙比較發(fā)育且水量或水壓較大地段也應采用超前預注漿,超前預注漿采用前進式注漿工藝。

1)注漿孔布置。

超前預注漿孔間距一般為注漿擴散半徑的1.5倍～1.75倍,即L=(1.5～1.75)R,注漿擴散半徑一般由地質(zhì)條件和注漿壓力確定。注漿孔可根據(jù)注漿加固范圍、注漿擴散半徑均勻布置。一般按以下原則進行:

a.注漿帶為片狀滲漏水,應考慮每個注漿孔的擴散半徑,盡量密布孔,使注漿孔貫通更多的細小裂隙。孔與孔之間采用三花眼或五花眼排布,使得每個孔的漿液擴散范圍充分交圈,孔間距以1.0 m～2.0 m為宜。

b.條狀裂縫,沿縫挖補布孔,孔間距可稍大。

c.集中突水點,利用現(xiàn)有突水點頂水布孔,并打止?jié){墻止水止?jié){。

d.大股涌水裂隙,當水流方向與裂隙平行,在裂隙兩側(cè)等距布置泄水孔,兼作注漿孔。當水流方向與裂隙垂直時,在其來水方向一側(cè)布孔。封堵裂隙水,注漿孔要與裂隙相交。

e.壁后空洞連通性好,孔間距可加大;連通性差,孔間距縮小,一般取3 m～5 m。

2)注漿孔排列。

在已劃分的注漿段范圍內(nèi),合理設(shè)計布孔,確定注漿孔數(shù)目,在達到注漿目的、封堵突水的重要環(huán)節(jié),要使?jié){液擴散到開挖斷面及開挖輪廓線外一定距離,所以,注漿孔的布置要以漿液擴散不出現(xiàn)空白為原則,以隧道中軸為中心呈傘形進行布置。

布孔方式一般有梅花形布置和環(huán)形布置,根據(jù)擴散半徑設(shè)計終孔間距和位置,從而設(shè)計注漿孔的開孔坐標、終孔坐標、傾角、立角、長度等參數(shù)。注漿孔布置如圖3所示。

3)分段長度:在超前預注漿中,一般采用分段前進式注漿,所以應設(shè)計分段長度,分段長度根據(jù)地層的不同而不同,太中銀鐵路土石分界地層隧道分段長度一般為3 m～6 m。

4)注漿速度:注漿速率主要取決于地層的吸漿能力(即地層的孔隙率)和注漿設(shè)備的動力參數(shù),考慮到多種因素,建議注漿速率范圍取5 L/min～110 L/min,施工中可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

5)注漿結(jié)束標準以定壓為主,注漿終壓理論上為水壓+2 MPa～4 MPa,當注漿過程中長時間壓力不上升時,應縮短漿液的凝膠時間,并采取間歇注漿措施,同時控制注漿量。

6)注漿效果檢查評定。

注漿效果檢查評定是決策開挖施工方案的依據(jù),一般將注漿段注漿前后涌水量進行對比,涌水量顯著減小,且滿足設(shè)計要求,則說明注漿堵水效果是明顯的,堵水率是比較高的。反之,應進行補充注漿。

6 結(jié)語

在太中銀鐵路土石分界地層隧道施工中,研究和提出了適合土石分界地層的綜合注漿技術(shù)。在風化砂巖裂隙水發(fā)育區(qū)段,提出了“堵”“排”結(jié)合的方法,達到了較好的治水效果。施工中通過“搶堵+固堵”的辦法,有效的隔斷了地下水的滲流路徑,確保了施工的順利進行,為相似工程積累經(jīng)驗且具有重要意義。

在土石分界地層的隧道施工過程中,要求各工序銜接緊湊,各個環(huán)節(jié)緊密配合,以便根據(jù)地質(zhì)情況及時修正設(shè)計、調(diào)整支護參數(shù),采取相應的工程措施,以確保施工安全。但鑒于土石分界地層地質(zhì)情況的高度復雜性,在日后的隧道設(shè)計、施工中還應盡量繞避該地層,以降低工程風險。

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