宜萬鐵路白云山隧道軟弱地質巖溶富水段施工技術

王曉鋒

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

1 概述

宜萬鐵路是我國在地質條件極為復雜的艱險山區修建的又一條高標準干線鐵路,集西南山區鐵路之大成,地質條件差、工程風險大、科技含量高、建設標準新。白云山隧道全長6827m,其中四線雙連拱 705m,大跨雙線 182m,燕尾段 366m,其余均為單線隧道。該隧道地質情況復雜,巖溶發育,溶洞、暗河、落水洞、巖溶洼地等巖溶現象多見。隧道穿越天陽坪區域斷裂,穿越紙廠灣、猴子洞、耗子洞 3個暗河系統,區內發育 5條斷層,預測最大涌水量427314m3/d,正常涌水量167354m3/d。多數地段發育較大的巖溶腔體或暗河腔體,極有可能發生突水、突泥等嚴重地質災害[1]。

針對白云山隧道地質條件復雜性,采取綜合超前地質預報先探明前方地質情況,后統籌研究施工方案、采取安全措施開挖、超前帷幕注漿止水等科學方法施工,有效規避了風險。

2 綜合超前地質預測預報

2.1 超前地質預報方法的分類

超前地質預測預報技術基本采用鉆探和物理勘探2種方法,探明隧道的基本地質情況,是保證復雜巖溶隧道施工安全的一種重要手段。針對白云山隧道的特點、設備及現場實際情況,在施工中采用了地震波法、紅外探水、地質雷達、超前炮眼、超前水平鉆和常規地質分析等綜合超前地質預測預報方法。各種方法有自身優點和適用范圍,也有其局限性[2]。

施工超前地質預測預報方法比較如表1所示。各種預測預報手段組合方案如圖1所示。

圖1 各種預測預報手段組合方案

表1 施工超前地質預測預報方法比較

2.2 超前地質預測預報原則

隧道施工超前地質預測預報是隧道施工很重要的環節,本著“地表和洞內相結合、構造探測和水探測相結合、長中短期分階段預報相結合”的“三結合”原則,做到有疑必探、先探后掘[3]。

2.3 超前地質預測預報效果評價

通過綜合超前地質預測預報技術,白云山隧道共發現溶洞 15個、軟弱地質帶 276m,斷層構造帶的實際情況與預報結果基本符合。根據預報的結果,提前采取措施,有效規避了風險,保證了隧道施工安全。

3 開挖方案

3.1 超前支護

超前支護方式的選擇主要根據圍巖的性質、施工條件、機械設備、經濟效益等因素來確定。白云山隧道DK42+187溶洞填充物為軟塑狀黏土夾碎塊石,自穩性差。超前支護采取拱部小導管注漿,四周超前注漿。

(1)超前小導管注漿

超前小導管注漿采用 φ50mm的薄壁鋼管,環向間距 0.8m,縱向間距 3.5m,搭接長度不小于 1.5m,注漿材料為純水泥漿,配合比為 1∶1。

由于溶洞充填物主要是軟塑狀黏土夾碎塊石,采用手持風槍鉆孔時,經常出現卡鉆現象;打入小導管時,經常遇見風化碎石,致使打入導管困難。

(2)超前注漿

由于溶洞充填物承載力低,自穩性差,在開挖掌子面四周打入一圈 5m超前帷幕注漿,形成厚 3m的固結圈,然后注入按一定比例配制而成的漿液,滲透擴散到破碎帶的孔隙中并快速凝固,與周圍破碎巖塊固結成具有一定強度的結石體,然后開挖。超前帷幕注漿間距為 1m,長度 5m,搭接長度 3m。

3.2 開挖

施工中采用三臺階和四步開挖法施工。上臺階施工是溶洞施工的關鍵部位,只要上臺階能夠成形、穩定,中臺階和下臺階就能順利進行。為確保安全,上臺階不宜太長,一般為 6～8m。首先施作超前小導管,并注漿固結,然后采用預留核心土施工方法,沿開挖輪廓線挖槽嵌入加工好的拱架,拱架與超前小導管焊接牢固。上導坑拱架安裝完畢后,人工配合機械挖掘核心土,然后立即進行噴錨支護,施作臨時仰拱。

上臺階支護完畢并進行徑向注漿加固穩定后,開挖中臺階、下臺階并施工臨時仰拱或底板混凝土。中臺階和下臺階施工的工序基本相同,先進行超前注漿固結邊墻,然后人工沿開挖輪廓線挖槽嵌入拱架,開挖核心土,進行噴錨支護,施作臨時仰拱。

3.3 初期支護

白云山隧道 DK42+187溶洞初期支護鋼架首次設計采用 I16型鋼架,噴 C20混凝土,厚 20cm。但是在施工中由于受徑向注漿壓力以及雨季的影響,拱部產生下沉,最大沉降量 51cm,兩側邊墻向內側變形,最大變形量 53cm。噴混凝土產生剝落、掉塊,鋼架變形嚴重,發生斷裂。因此,進行變更設計,采用 I18型鋼架,噴混凝土厚度 25cm。為增加鋼架縱向穩定性,縱向連接鋼筋采用 φ22mm的螺紋鋼,鋼筋間距 50 cm,鋼架的定位鋼筋采用注漿小導管。

4 帷幕注漿施工

4.1 基本原理[4]

注漿材料在外力作用下滲入到巖土的裂隙中,一般壓力越大,注入的漿液量越多,擴散的距離越遠,加固效果也就越好。但注漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關,如巖土的孔隙率、材料可注性、施工方法等。所以很難使注漿的滲透嚴格的理論化。因此,為獲得較好的注漿效果,需經過多次試驗,采取科學施工方法進行施工。

4.2 工藝流程

帷幕注漿工藝流程如圖2所示。

4.3 注漿參數設計

圖2 帷幕注漿工藝流程

(1)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體強度來確定,通常拱部為開挖輪廓線外 3～5m,邊墻為開挖輪廓線外 2～3m。

(2)注漿段長:注漿段長一般應按鉆孔設備的工作能力確定,保證注漿后有一定的開挖長度(包括止漿墻厚度),并滿足

式中,L為注漿段長,m;D為注漿加固范圍。

(3)止漿墻厚度:止漿墻厚度(B)應滿足注漿壓力的要求,一般按下式確定

(4)注漿孔間距:注漿孔的布設應滿足注漿加固范圍的要求,在帷幕注漿設計中,注漿孔應全斷面布設,注漿孔間距一般應滿足下式

式中,a為注漿終孔間距,m;R為漿液擴散半徑,m,其值根據試驗確定,一般取 2～4m。

(5)漿液膠凝時間:漿液膠凝時間一般地段為 3 min,富水地段為 30～50s。

(6)注漿終壓:注漿終壓為 1～1.5MPa。

(7)注漿量:一般按注漿范圍內圍巖體積的 5%左右考慮,實注量由鉆孔壓水試驗確定。

4.4 主要材料介紹[5]

注漿材料一般選用普通水泥、超細水泥、超細水泥+水玻璃等。

(1)超細水泥

由于超細水泥比表面積大,有較高的化學活性,能較快地凝結固化,可獲得早期和后期強度。同齡期強度相比,比普通水泥高 20%左右。

(2)耐久性水泥-水玻璃漿液(簡稱 C-S漿)

料源廣,價格便宜,結石強度高,結石率大,凝膠時間可控,是理想的注漿材料。其缺點是結石體穩定性較差,特別在干燥地層條件下易風化崩解,不適用于做永久性堵水加固材料。

漿液配合比:水灰比(W/C)為 0.8;水玻璃稀釋濃度為 25 ～35Be′;雙液體積比 (C/S)為 1∶(0.5～ 0.7)。

(3)超細水泥-水玻璃雙液漿的配制

根據預配制漿液的體積,分別計算出所需要的超細水泥漿和水玻璃漿的體積,計算公式如下

式中,VMC為超細水泥漿的體積,m3;VS為水玻璃的體積,m3;V為超細水泥-水玻璃雙液漿的體積,m3;m為超細水泥漿和水玻璃漿的體積比。

4.5 漿液配制

白云山隧道 DK44+500～DK44+586里程為Ⅲ級圍巖,裂隙較發育,對于堵水,特別是水壓大,流速快的大裂隙,要求漿液的凝結時間短且具有一定的強度,因此采用水泥 +水玻璃復合漿液(雙液漿)注漿并摻加磷酸二氫鈉,以根據實際情況調控膠凝時間,漿液的組成及配制方法見表2。一般情況下,水玻璃濃度減小,凝膠時間縮短,并呈直線關系;水灰比越小,水泥與水玻璃反應越快,凝膠時間越短。總的來說,水泥漿越濃,膠凝越快;水玻璃則越稀,膠凝越快。

表2 漿液組成配制方法

根據隧道水量大小,經試驗得:當水泥及水玻璃體積比在 1∶1～1∶0.5,磷酸二氫鈉摻量在 0.01～0.03的凝膠時間最適合施作,試驗數據如表3所示。

表3 注漿材料配合比數據

根據現場實際情況,選用比例 1∶1∶0.9∶0.02的漿液進行注漿,當隧道內出水量發生變化時,可在表3中根據所需凝膠時間來選擇所需配合比例配制漿液。

5 帷幕注漿施工

5.1 布孔

在完成現場施工準備后,用紅漆在掌子面上按注漿設計畫出鉆孔位置,并標注編號。

注漿布孔布置如圖3所示。

圖3 注漿孔布置

5.2 鉆孔

5.2.1 鉆機鉆具

鉆孔直徑一般為 70～108mm,鉆機一般采用水平地質鉆機、錨桿鉆機、鉆孔臺車或管棚鉆機鉆孔,這些鉆機按其機械動作原理分為旋轉式鉆機和沖擊旋轉式鉆機。旋轉式鉆機主要用于鉆鑿中硬巖以下的巖石,特別是在土質、泥巖、風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鉆機比較合適。依據情況可供選擇的鉆具有:螺旋鉆具、潛孔鉆具、通用鉆具等。

5.2.2 止漿墻設置

為保證注漿施工安全,在掌子面設置 30～50cm厚模筑混凝土止漿墻,此后各循環利用已注漿未開挖的巖體代替止漿墻,掌子面用噴射混凝土封閉。每孔孔口套管與孔壁之間用環氧樹脂或 CS麻絲等充填黏結防止漏漿。

5.2.3 埋設孔口管

為保證注漿孔的鉆進方向,一般在孔口段安設鋼套管,套管長 3～6m。孔口管位置、方向檢查準確無誤后,開始鉆注漿孔。

5.3 下注漿管

(1)在注漿孔按設計位置、深度完成鉆孔后,打入帶花孔的袖閥套管,再插入帶止漿塞的注漿管。袖閥套管兩端應安裝橡膠皮套,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。

設置在掌子面的注漿孔,安裝袖閥套管時應采用PVC塑料管,便于隧道掘進。

(2)止漿塞是實現分段注漿、合理使用注漿壓力和控制漿液分布范圍、保證注漿質量的一種有效設備,由一組穿在注漿管兩端的橡膠脹塞組成,可用機械方法或充氣、充水方法使其膨脹。可選用的止漿塞有煤炭部門生產的 KWS型止漿塞。在缺乏條件的情況下,也可用橡膠圈代替。

注漿結構如圖4所示。

圖4 注漿結構

5.4 注漿

(1)充水試驗

安裝注漿管、注漿泵就位后,先做充水試驗。連接注漿管路,用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水,設備狀態是否正常,爾后再做壓水試驗,以沖洗巖石裂隙,擴大漿液通路,增加漿液充塞的密實性,核實巖石的滲透性。

(2)漿液制備

以雙液注漿為例,將準備好的水泥、水玻璃漿液按比例分別放在 2個容器內,注入符合比例的水進行攪拌,至符合要求。攪拌方式可采用機械或人工拌制。

(3)注漿作業

進行帷幕注漿加固時,注漿方法有前進式注漿和后退式注漿 2種方式。前進式注漿主要用于圍巖破碎嚴重,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的地段。

前進式注漿采用分段注漿,每段長度 3～5m,鉆一段注一段,一直鉆孔注漿到設計深度;后退式注漿,鉆孔至設計孔深后,插入袖閥套管,再插入帶止漿塞的注漿管,接上注漿管路,自孔底到孔口進行分段后退式注漿,每段長度控制在 2～3m。

前進式注漿施工步驟如圖5所示,后退式注漿施工步驟如圖6所示。

(4)注意事項

①注漿時先開水泥漿液泵,一般 5min后根據單液進漿量的大小確定凝結時間,再開水玻璃漿液泵。

②注漿漿液應按先稀后稠、稀漿與濃漿交替、壓力與注入漿量相結合的方式進行注漿,注漿壓力從低到高逐步增壓,凝結時間應先長后短,但不能小于 30s。

③每環注漿先注奇數編號的注漿孔,再注偶數編號的注漿孔,并以偶數編號的注漿孔作為檢查孔。待本環所有注漿孔注完后,根據壓漿孔的出水量確定局部是否需要補設注漿孔,一般每延米的出水量大于0.5L/min,追加鉆孔注漿。

圖5 前進式注漿施工步驟

圖6 后退式注漿施工步驟

④注漿結束標準是孔口壓力達到設計終壓并維持10～20min,且單位進漿量很少。

⑤注漿流量不變,若壓力長時間不上升,漿液應調濃;流量急劇減少,壓力上升很快,漿液應調稀一級。

(5)注漿設備

注漿泵主要根據注漿終壓要求和注漿材料種類進行選型,額定壓力應大于靜水壓的 2.0～2.5倍,雙液漿應選擇壓力、流量及配比可調的雙缸液壓式雙液泵。

5.5 注漿效果檢查

注漿結束后,鉆孔檢查漿液滲透及固結狀況,對注漿效果進行檢測。為測定地層滲透性,了解注漿效果,以便于提供注漿參數,采取壓水試驗,可在裂隙沖洗后進行,壓力為注漿壓力的 80%,最大 1MPa,試驗 20 min,每 5min測讀 1次流量,取最后的流量值作為計算值,結果以透水率表示,按下式計算

q=Q3/L×1/P3

式中 q——試段透水率;

L——試段長度,m;

Q3——第三階段的計算流量,L/min;

P3——第三階段的試段壓力,MPa。

計算得透水率為 93.9%,可注性良好。

當孔內出水量小于每延米 0.15L/min,巖體的物理力學指標有明顯提高時,即可進行下一輪注漿施工。如果注漿效果達不到設計要求,應補充注漿直至符合要求。

6 結論

在白云山隧道每個軟弱圍巖及富水地段,根據地質預測預報結果結合實際采取科學方法進行綜合治理。施工實踐證明,軟弱圍巖地段采用注漿固結方法、管道和裂隙水地段采用帷幕注漿止水及疏排的方法,并對隧道本體結構采取結構防水和加固措施是較為可行的施工方法。無論是疏排,還是封堵,有效地對地下水進行控制,準確的地質超前預測預報探明前方地質情況起到關鍵性作用,注漿施工時應采用安全支護措施并控制好注漿壓力,防止巖爆,認真做好每次注漿記錄,積累經驗,防止坍方、突水、突泥隱患事故發生。

[1] 鐵道第四勘察設計院.新建鐵路宜昌至萬州段長大復雜隧道施工地質匯報材料[Z].武漢:2004.

[2] 宜萬鐵路建設指揮部.宜萬線復雜隧道施工地質實施細則(施行)[S].湖北恩施:2004.

[3] 杜永昌,等.高速與客運專線鐵路施工工藝手冊[M].北京:科學技術文獻出版社,2006:1006-1007.

[4] 梁炯鋆.錨固與注漿技術手冊[M].北京:中國電力出版社,1999:342-343.

[5] 苗德海.宜萬鐵路巖溶隧道災害及防治對策[J].鐵道標準設計,2007(7).

[6] 梁炯鋆.錨固與注漿技術手冊[M].北京:中國電力出版社,1999:325-327.