宜萬鐵路齊岳山隧道高壓富水斷層帶注漿加固技術

李森闊

(中鐵十二局集團第二工程有限公司宜萬鐵路32標項目部,湖北利川 445400)

宜萬鐵路齊岳山隧道高壓富水斷層帶注漿加固技術

李森闊

(中鐵十二局集團第二工程有限公司宜萬鐵路32標項目部,湖北利川 445400)

如何“安全、優質、高效”地預加固高壓富水斷層帶,是國內外隧道施工中面臨的一大難題。以宜萬鐵路齊岳山隧道進口F11斷層為例,簡單闡述高壓富水斷層注漿加固施工管理的基本原則及“堵水固巖”的加固理念,同時,介紹了注漿設計的相關參數、機械設備配套、注漿施工整套工藝流程、注漿關鍵技術措施等,還列舉了注漿效果評定的關鍵控制參數,加固速度可達1.2m/d,堵水率可達95%以上。

宜萬鐵路;齊岳山隧道;斷層;注漿;大管棚

1 工程概述

1.1 工程概況

宜萬鐵路齊岳山隧道位于湖北省利川市境內,全長10528m,設計為單面坡。地質構造主要是齊岳山背斜和9條較大的斷層,發育有大、小魚泉和得勝場3條暗河。設計正常涌水量176000m3/d,最大涌水量743000m3/d。

F11斷層沿隧道縱向跨度約245m,與位于隧道頂220m的得勝場暗河存在巖溶通道,地表降雨觀察期間最大日降雨量為 132mm,預測最大涌水量115000m3/d。主要由灰巖、泥質灰巖、泥灰巖、斷層泥、斷層角礫巖等組成,存在高壓富水、巖性軟硬不勻、圍巖破碎及地層松散等地質問題。

1.2 施工基本原則

根據宜萬鐵路總體工期要求,且考慮斷層傳統加固施工工藝工效低及投入大的特點,對斷層加固的每個施工環節進行了分析、對比(表1),齊岳山隧道F11斷層施工大膽優化傳統施工工藝,制定了更加適合高壓富水斷層帶施工的基本原則。

(1)嚴格執行領導、技術、管理、試驗人員24h不間斷輪流值班制度。

(2)引進專業注漿隊伍。

表1 斷層傳統注漿加固技術與齊岳山F11斷層注漿加固技術對比

(3)采用動態設計、施工概念。

(4)注漿以堵水固巖為設計理念,優化大管棚施工方案。

2 斷層注漿加固設計

2.1 注漿加固設計理念

注漿設計中,打破破碎帶必采取帷幕注漿的傳統,采用“分水降壓、加固圍巖”為目的的堵水固巖的設計理念;注漿設計由專業注漿隊伍獨立設計,建設單位、設計單位、監理單位、施工單位、注漿隊伍共同評估后實施。

注漿設計地質條件以原勘察地質概況及六孔超前探孔為主;遵循約束—發散的注漿機理;注漿順序由外到內,由下到上;注漿材料以普通硅酸鹽水泥漿為主,硫酸鹽水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿為輔,采用前進式分段注漿方式;定量、定壓為注漿結束標準。

2.2 注漿參數(表2)

表2 注漿參數、漿液配比

3 施工工藝流程

F11斷層注漿施工工藝流程如下:注漿設計、施工組織編制→5方單位會審設計、施組→中線、孔位放樣→鉆探、注漿設備就位→上循環開挖段小導管注漿→鉆機定位、開孔、安孔口管→六孔鉆探、注漿作業→掌子面加固孔鉆探→下玻璃纖維錨桿、注漿→管棚施工、注漿→補注漿、檢查孔→注漿效果評定→撤除設備,清理現場,準備開挖。

4 設備配套

綜合考慮國內鉆探、注漿設備特點及作業空間限制,一般選用占用空間小、投入少且易操作的設備。主要設備見表3。

表3 鉆探、注漿主要設備

5 注漿施工

5.1 止漿墻施工

止漿墻采用 C30防滲混凝土澆筑,厚 1.5～2.0m,周邊設置2排、環向間距1.5m,排距1m,長1.5～2.0m的φ22mm藥卷錨桿進行加固,梅花形布置,外露0.2～0.3m。周邊預埋1.5mφ42mm導管,止漿墻澆筑完畢后,周邊噴射10～15cm的C25噴射混凝土且通過預留小導管注漿對止漿墻與初支間的縫隙進行封塞。

5.2 開挖段拱部、邊墻小導管加固注漿

考慮前方鉆探注漿時,已開挖段可能會出現漏漿或初支變形現象,采用1.5～2.0m、φ42mm導管對上循環開挖段初支進行加固、填塞注漿,小導管徑向間距0.8～1.0m,縱向間距1.0～1.5m,梅花形設置。注漿壓力控制在1.5～2MPa;開始注漿時采用W∶C=1∶1的普通硅酸鹽水泥單液漿,如果出現漏漿現象時,采用W∶C=1∶1,C∶S=(3∶1)～(1∶1)普通硅酸鹽水泥單液漿、水玻璃雙液漿,凝固時間為13～42s。

5.3 注漿施工技術措施及關鍵

(1)孔的多重含義

采用六孔定位鉆探,該六孔的作用包含超前鉆探孔、分段注漿孔、管棚孔。六孔鉆探結束后,根據地質情況,對注漿、開挖段長度,鉆孔深度,鉆孔、注漿順序進行動態調整。剩余管棚孔及加固注漿孔除發揮它本來的作用外,還起檢查注漿效果的作用,根據鉆探情況,適時調整鉆孔、注漿順序。

(2)間隔式、分段式鉆探、注漿

如果連續注漿鉆孔之間可能出現竄漿、漏漿現象,不同孔之間采取間隔、跳躍式鉆探、注漿;考慮注漿段太長,注漿效果將比較差,同一孔進行分段鉆探、注漿,分段段落為3～5m,如果3～5m范圍內出現塌孔、卡鉆或Q出水量＞10m3/h,立刻停止鉆探,進行注漿作業。

(3)孔口管的安裝

如果孔口管安裝不牢固,可能出現漏漿、竄漿;遇大流量、大壓力承壓水時,孔口管周邊可能崩裂,孔口管瞬間被水壓力推出。孔口段一般鉆探2.2～2.3m,采用L=2m、φ108mm、厚8mm無縫鋼管,管壁每隔40～50cm纏麻絲1道且每隔20～30cm預留φ2mm溢漿孔(孔口段1m范圍不設置,插入段采用錨固劑封口,封堵長度 L≈40cm)。開孔結束后,攪拌約0.15m3硫酸鋁鹽水泥體(軟硬介于流塑、軟塑之間)倒入孔內,然后采用鉆機將成品孔口管推至孔內,孔口采用錨固劑錨固,2.5～3h后開始鉆探。F11斷層中采用該辦法安裝約200個孔口管,僅有2個漏漿。

(4)注漿壓力產生機理分析及處理技術

通過分析,產生壓力的原因主要有:遇地層水或巖溶水時產生的H頂水壓力;遇垂直或斜交鉆孔裂隙時,漿液上升產生的 G漿液重力;滯留在孔內的 P空氣壓力; Q地層吸漿量＜Q注漿量產生的注漿壓力。其中,在注漿中,易影響注漿效果的主要是滯留在孔內的 P空氣壓力與Q地層吸漿量＜Q注漿量產生的注漿壓力。為了盡可能避免P空氣壓力產生,采用三孔注漿堵頭(圖1),在水平或仰角鉆孔內插入了φ25mm、L=L孔深的PVC排氣管(圖2),當漿液完全噴出排氣孔時,關閉小閘閥;為了避免Q地層吸漿量＜Q注漿量產生的注漿壓力,采用變頻注漿泵調節注漿速度或者采取間歇式注漿。

(5)管棚施工技術改造

圖1 3孔注漿堵頭

圖2 PVC排氣管

φ76mm管棚采用L=30cm的φ60mm無縫鋼管(圖3)焊接連接,管棚加工簡單。考慮不施工管棚工作室,管棚必將侵限,結合循環搭接5m且0～5m注漿效果良好,0～5m段不設計管棚,施工時,采用鉆機沿孔口向里推進4.5～5.0m,推進工藝見圖4。

圖3 管棚連接

圖4 管棚推進

(6)檢查孔的設計

檢查孔設計以鉆探揭示地質情況、注漿量及壓力上升情況為基礎設計。吸漿量大、壓力上升慢的區域,水量大的區域,地質差、吸漿量小、壓力上升快區域。

(7)孔口管安裝閘閥

鉆探前,安裝φ100mm、耐高壓鑄鋼閘閥,易于控水、限量排放,確保施工安全。

(8)開挖輪廓內圍巖加固

在隧道開挖輪廓內的水平孔或仰角孔,全部、全孔插設與孔同深的玻璃纖維錨桿,防止后期開挖輪廓內圍巖的滑移、塌方。

6 效果評定

效果評定結果是決定隧道能否開挖的關鍵因素。主要從以下幾個指標進行分析。

(1)堵水率及檢查孔出水量。

(2)檢查孔鉆探情況。

(3)孔內成像影像。

(4)壓力與時間、吸漿量與時間關系。

7 結論

在高壓富水的斷層帶采用“堵水固巖”注漿加固技術,加固速度可提高到1.2m/d,堵水率可達到95%以上。注漿加固改善了圍巖的物理學性能、減少了開挖變形產生的松弛區范圍,封堵了地表下及巖溶管道水滲入開挖輪廓安全控制范圍內,大管棚加固圈可起到懸掛巖土的作用,防止塌方冒頂。通過后期開挖揭露的地質狀況可知,齊岳山隧道F11斷層注漿加固安全可靠、快速、經濟可行。

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U459.1

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1004 -2954(2010)08 -0090 -03

2010 -06 -01;

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李森闊(1982—),男,助理工程師,2007年畢業于長沙理工大學土木工程專業,E-mail:lisenkuo313@126.com。