高壓富水?dāng)鄬映邦A(yù)注漿快速施工技術(shù)研究

劉正茂

(中鐵十九局廈深鐵路指揮部，福建漳州 363500)

0 引言

近年來，隨著交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，一些隧道及地下工程不得不在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建，當(dāng)圍巖穩(wěn)定性不能滿足隧道施工和環(huán)境安全或有可能引發(fā)突泥涌水災(zāi)害時，必須采取輔助施工方法對其進行處理［1］。注漿作為地下軟弱圍巖和地下水處理的一項常用技術(shù)，已經(jīng)成為隧道及地下工程施工技術(shù)研究和應(yīng)用的重要部分。經(jīng)過廣大工程技術(shù)人員的不斷努力，注漿工法已成功應(yīng)用于各種工程領(lǐng)域，解決了施工中遇到的各類地質(zhì)難題。如:我國第1條自行設(shè)計、施工的廈門翔安海底隧道花崗巖風(fēng)化槽［2］、渝懷鐵路圓梁山隧道高壓富水粉細(xì)砂充填型溶洞［3］、宜萬鐵路齊岳山隧道長達230 m的F11高壓富水?dāng)鄬樱?］、野三關(guān)隧道“602溶腔”潰口坍塌［5］等，均采用超前注漿方法順利安全通過。因此，注漿在巖溶、富水?dāng)鄬悠扑閹в克荒嘀卫怼⑺淼捞教幚怼④浫醯貙蛹庸痰确矫嫒〉昧孙@著的成果，在應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道及地下工程施工中發(fā)揮著重要的作用。但由于超前預(yù)注漿施工周期長、成本高，使超前預(yù)注漿技術(shù)推廣受到一定的限制，因此，必須對預(yù)注漿工藝進行技術(shù)創(chuàng)新，在確保施工質(zhì)量、安全的前提下實現(xiàn)快速施工。

1 超前注漿設(shè)計的創(chuàng)新

1.1 信息化注漿設(shè)計新理念

全斷面預(yù)注漿是對隧道開挖工作面及開挖輪廓線外一定范圍進行注漿加固［6］，形成全斷面注漿帷幕，以此來抵抗外水壓力。其假定條件為地層是均勻的，外側(cè)水壓力均勻分布，注漿堵水加固范圍與水壓力有關(guān)，水壓力越高、水量越大、加固范圍也就越大，如圖1所示，目前鐵路隧道一般平導(dǎo)普遍采用3～5 m注漿圈，正洞采用5～8 m注漿圈。

圖1 全斷面注漿設(shè)計原理Fig.1 Design principle of full-face grouting

在實際工程中地層是不均勻的，其透水性和水量也是不完全相同的。信息化注漿設(shè)計就是用探孔或前期注漿孔探明地質(zhì)情況，先進行分區(qū)定位，確定預(yù)注漿重點范圍，再通過前期外圈注漿改變巖體的透水性，使隧道周邊地層中水量得到有效控制，然后按均勻地層進行“合理步距，由外及內(nèi)”方式實現(xiàn)基本區(qū)域注漿加固，并對局部區(qū)域進行注漿補強，保證隧道開挖安全［7］。每個注漿孔既是探孔又是注漿孔和檢查孔，按照注漿孔探明的地質(zhì)及前期注漿情況，確定注漿參數(shù)和注漿工藝，因此，信息化注漿設(shè)計又可稱為“動態(tài)注漿設(shè)計”，見圖2。

圖2 信息化注漿設(shè)計原理Fig.2 Design principle of information-aided grouting

1.2 信息化注漿設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1)分區(qū)定位、鎖定區(qū)域。先考慮對隧道開挖輪廓線外3～5 m區(qū)域進行鉆注施工，探測破碎巖體周圍強水區(qū)與弱水區(qū)，以確定需要注漿的基本加固區(qū)和加強區(qū)。

2)控域注漿、區(qū)域加強。先對基本注漿區(qū)(3～5 m范圍)進行鉆孔注漿，再對探明的強水區(qū)進行補注漿加強(5～8 m范圍)。

3)環(huán)環(huán)相扣、過程控制。嚴(yán)格按照“先外圈后內(nèi)圈、同圈間隔跳孔”的順序進行注漿，后續(xù)注漿孔兼作前序孔注漿效果檢查孔，通過加強單孔注漿過程控制，確保整體注漿效果。

4)效果檢查、標(biāo)準(zhǔn)評定。高壓富水?dāng)鄬蛹纫_到堵水效果，又要起到加固作用，因此，應(yīng)嚴(yán)格按制定的標(biāo)準(zhǔn)進行注漿效果檢查，未達到標(biāo)準(zhǔn)必須進行補充注漿。

1.3 信息化注漿設(shè)計施工效果分析

1.3.1 可靠性分析

經(jīng)過宜萬線齊岳山隧道、龍廈鐵路象山隧道近30個循環(huán)的注漿施工和開挖揭示，在高壓富水破碎帶和富水巖溶段注漿施工中采用精細(xì)注漿設(shè)計，均能達到預(yù)期的注漿效果，滿足安全開挖技術(shù)要求。

1.3.2 經(jīng)濟性分析

以宜萬線齊岳山隧道F11高壓富水?dāng)鄬邮┕槔瑢σ话闳珨嗝娉白{法和采用信息化注漿設(shè)計全斷面注漿法進行經(jīng)濟效益分析，見圖3—5。

1)工程數(shù)量比較。從圖3注漿孔數(shù)量比較來看:平導(dǎo)按目前全斷面超前預(yù)注漿3個循環(huán)，平均循環(huán)注漿孔數(shù)量為90個;信息化注漿12個循環(huán)，平均循環(huán)注漿孔數(shù)量為26個，孔數(shù)減少幅度為71%。正洞按目前全斷面超前注漿1個循環(huán)，循環(huán)注漿孔數(shù)量為122個，信息化注漿實施12個循環(huán)，平均循環(huán)注漿孔數(shù)量為50個，孔數(shù)減少幅度為59%。

圖3 注漿孔數(shù)量比較Fig.3 Comparison in terms of grouting holes

2)循環(huán)工期比較。由圖4注漿循環(huán)作業(yè)時間來看:平導(dǎo)按目前全斷面超前注漿3個循環(huán)，平均循環(huán)作業(yè)時間45 d;信息化注漿12個循環(huán)，平均循環(huán)作業(yè)時間18 d，為目前全斷面超前注漿循環(huán)作業(yè)時間的40%。正洞按目前全斷面超前注漿1個循環(huán)，循環(huán)作業(yè)時間為63 d;信息化注漿12個循環(huán)，平均循環(huán)作業(yè)時間為25 d，為目前全斷面超前注漿循環(huán)作業(yè)時間的39.7%。

圖4 注漿作業(yè)時間比較Fig.4 Comparison in terms of grouting time

3)漿材消耗比較。由圖5知:全斷面超前注漿延米注漿量平導(dǎo)為50.2 m3，正洞為63.8 m3;信息化注漿延米注漿量平導(dǎo)為21.3 m3，正洞為36.1 m3。信息化注漿較全斷面超前注漿，平導(dǎo)延米注漿量減少42.4%，正洞減少56.4%。

圖5 延米注漿量比較Fig.5 Comparison in terms of grouting amount

通過比較分析，采用信息化注漿設(shè)計施工在工程數(shù)量、施工時間和材料消耗方面均明顯減少，對快速施工起到了關(guān)鍵作用，具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。

2 鉆孔注漿機械配套

機械設(shè)備配套是保證注漿質(zhì)量、加快注漿進度的重要環(huán)節(jié)。針對高壓富水?dāng)鄬鱼@孔注漿施工，鉆孔注漿設(shè)備不僅要具有頂壓鉆進、退鉆、自動裝卸鉆桿的能力，且需大推進力、高扭矩以滿足快速鉆進。經(jīng)過對國產(chǎn)MZ－200、日本礦巖150C、意大利C6等幾種鉆孔設(shè)備性能的對比和應(yīng)用試驗發(fā)現(xiàn):國產(chǎn)MZ－200鉆機在高壓富水地層，初始速度為18 m/h，鉆深到10 m后，鉆進速度急劇下降，當(dāng)鉆孔深度至20 m時，鉆進速度為5 m/h以下，鉆進效率極低;意大利C6和日本礦巖150C鉆機在高壓富水條件下，初始速度為18 m/h，隨著鉆孔深度加大，鉆進速度勻速下降，當(dāng)鉆孔深度達到30 m時，鉆進速度仍能保持在15 m/h左右，兩者都適合于高壓富水?dāng)鄬涌焖巽@進。

為滿足高壓富水?dāng)鄬幼{需要，注漿設(shè)備的配置必須兼顧單液、雙液注漿方式的作業(yè)要求。通過對國產(chǎn)注漿泵的比選分析，ZJB(BP)－30型單液注漿泵和KBY90/150雙液泵較為適合。ZJB(BP)－30型單液注漿泵采用先進的高變頻調(diào)速技術(shù)無級調(diào)速，零起動運行平穩(wěn)，對電網(wǎng)無沖擊，保護裝置完備、安全、節(jié)能，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、施工效率高;KBY90/150雙液泵可實現(xiàn)雙液注漿，操作簡單、流量大、壓力高、性能穩(wěn)定。

3 超前注漿合理施工斷面

為了進一步提高隧道施工機械化程度，提高施工效率，施工企業(yè)大都引進了國外先進的大型履帶式全液壓鉆孔設(shè)備(如意大利卡薩、日本礦巖等)，用于軟弱地層超前注漿加固等施工。履帶式鉆機作業(yè)平舉高度約2.8 m，最大仰角為23°，其作業(yè)高度為4～4.5 m，按照目前一般隧道開挖10～12 m高度，很難實現(xiàn)一次性全斷面開孔作業(yè)，因此，必須根據(jù)鉆機和注漿施工要求進行合理施工斷面研究。

3.1 上下半斷面分部鉆注作業(yè)

按照目前的施工方式鉆孔作業(yè)時，為滿足鉆機作業(yè)要求，采用上下臺階分部進行。如采用全斷面開挖必須在開挖面采用碎石鋪設(shè)4～5 m高的作業(yè)平臺，一般長8～10 m，鉆機通過作業(yè)平臺完成上半斷面的鉆孔注漿施工任務(wù)后，撤出鉆孔及注漿等相關(guān)配套設(shè)備，清除下半斷面墊設(shè)的作業(yè)平臺，再次安設(shè)注漿設(shè)備，鉆機開始進行下半斷面的鉆孔注漿作業(yè)任務(wù)。該作業(yè)方式的主要缺點為:1)鋪設(shè)鉆機作業(yè)平臺，反復(fù)倒運鋪墊碎石，工作量大，耗時長;2)鉆機及注漿設(shè)備需要多次就位、撤離，工序轉(zhuǎn)換多，施工效率低;3)如采用上下臺階法開挖，僅在上半斷面鉆孔注漿，然后撤出設(shè)備開挖下半斷面，進行鉆孔與注漿作業(yè)，仍難實現(xiàn)全斷面由外向內(nèi)的作業(yè)順序，影響注漿效果。

3.2 上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業(yè)

上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業(yè)即在隧道開挖施工過程中采取上下臺階開挖平行推進方式，每循環(huán)下臺階開挖距上半斷面10～12 m停止，并將預(yù)留未開挖段作為鉆機作業(yè)平臺，在上半斷面施作混凝土止?jié){墻。采用從上半斷面開孔完成對全面注漿加固作業(yè)的施工模式，該模式尤其適用于需多循環(huán)連續(xù)超前注漿作業(yè)的長大斷層和巖溶隧道施工。施工模式如圖6所示。

圖6 上半斷面開孔加固全斷面鉆注作業(yè)模式Fig.6 Mode of full-face grouting with grouting holes drilled from the top heading

經(jīng)過現(xiàn)場多循環(huán)的實際應(yīng)用，采取上半斷面開孔實現(xiàn)全斷面注漿加固作業(yè)模式，均能達到預(yù)期的注漿效果。目前意大利C6等同類型鉆機，可以采用覆蓋高度為3.8～4.5 m作業(yè)斷面，通過上半斷面開孔完全可以實現(xiàn)全斷面加固的目的。不僅可以有效地減少止?jié){墻封堵工程量，減少工序轉(zhuǎn)化，每循環(huán)可縮短工期5～7 d，而且對于需要多循環(huán)鉆孔注漿作業(yè)的地層，采用上下斷面平行推進分臺階開挖，有利于開挖安全風(fēng)險控制，加快施工進度。

4 新型注漿材料

目前注漿施工中常用的注漿材料有普通水泥單液漿、水泥－水玻璃雙液漿以及超細(xì)類硫鋁酸鹽水泥。普通水泥單液漿凝結(jié)時間長不利于控域注漿;水泥－水玻璃雙液漿凝結(jié)時間可調(diào)，但結(jié)石體強度低，操作性差;超細(xì)類漿材料單價高，僅適于特殊條件下使用。

硫鋁酸鹽水泥單液漿作為一種新型注漿材料，兼顧了普通水泥單液漿高強、水泥－水玻璃雙液漿凝結(jié)時間可調(diào)的特點。硫鋁酸鹽水泥是由鋁質(zhì)原料(如礬土)、石灰質(zhì)原料(如石灰石)和石膏，經(jīng)適當(dāng)配合后，鍛燒成含有適量無水硫鋁酸鈣的熟料，再摻適量石膏共同磨細(xì)所得的水硬性膠凝材料，具有早期強度高、長期強度穩(wěn)定、低溫硬化性能好的特點。在隧道及地下工程注漿施工中，在摻入外加劑條件下硫鋁酸鹽水泥單液漿具有凝結(jié)可控、高強可靠、操作簡單、工藝匹配等特性［8］，對隧道工程“注漿堵水、加固地層”十分有利，且特別適宜于前進式分段注漿工藝要求，對超前預(yù)注漿快速施工有促進作用。

硫鋁酸鹽水泥單液漿性能測試如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥單液漿性能測試指標(biāo)Table 1 Performance of sulphoaluminate cement

5 注漿效果檢查新方法

注漿效果檢查評定方法和標(biāo)準(zhǔn)對提高注漿質(zhì)量、防止注漿隱患有著極其重要的作用。目前也沒有一個較為系統(tǒng)完善、可操作性強、安全可靠的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以適應(yīng)地下工程注漿堵水加固需要［9］。實際施工中，隧道超前預(yù)注漿效果檢查常用的評定方法可以分為4大類:分析法、檢查孔法、開挖取樣和物探［10］。其中最為直觀且常用的方法為檢查孔法，對于以堵水為目的的注漿，通過檢查孔可以分析出水量來評價注漿效果;而對于以固結(jié)地層為目的的注漿，常采用檢查孔取芯法對注漿后地層穩(wěn)定性、漿液進行直觀的判識，必要時對芯樣進行力學(xué)試驗。由于目前施工技術(shù)水平有限，取芯過程受機械破壞，芯樣很難真實反映加固效果，且取芯耗時長，對快速施工不利。

經(jīng)過施工中反復(fù)研究應(yīng)用，利用孔內(nèi)攝影技術(shù)通過鉆設(shè)的檢查孔對注漿段內(nèi)的地層進行攝像記錄，能夠較為直觀地對地層地質(zhì)狀況、漿液充填度和地層的穩(wěn)定性以及出水情況進行直觀判識，可對注漿效果進行客觀評價，指導(dǎo)開挖施工。該方法具有操作方便、高效、直觀的特點，成為一種新的注漿效果評定檢查方法，可以取代鉆孔取芯被推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

通過對超前預(yù)注漿設(shè)計理念、機械配套、施工模式、注漿材料及新的效果評定方法的研究應(yīng)用，完全可以實現(xiàn)鉆孔注漿的快速施工。目前以鐵路隧道全斷面超前注漿循環(huán)加固長度25 m為例，運用該技術(shù)后，在高壓富水?dāng)鄬悠扑閹с@注施工周期為15～20 d;富水巖溶區(qū)鉆注施工周期為20～25 d，較目前常用的工法縮短工期10～20 d。該技術(shù)的運用，為隧道及地下工程在高風(fēng)險、巖溶、斷層等不良地質(zhì)的快速、安全施工提供了重要的保障，具有推廣意義。

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