管棚結合局部帷幕注漿穿越隧道破碎帶施工技術

涂富強

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管棚結合局部帷幕注漿穿越隧道破碎帶施工技術

涂富強

中鐵二十五局集團第一工程有限公司

摘 要：本文介紹了某隧道施工在通過某斷層松散塊狀破碎帶時，采用管棚為主，超前局部帷幕注漿為輔，兩者結合的施工工藝成功穿越了該地質(zhì)斷層帶。該施工方法減少了注漿量，并利用了跟管管棚一次成孔的優(yōu)點，降低了作業(yè)成本，減少了施工工序，加快了施工進度，得到了很好的技術效益、經(jīng)濟效益和社會效益。

關鍵詞：隧道；帷幕注漿；管棚；鉆孔；注漿

1.工程簡介

新建贛龍鐵路復線工程觀音山隧道全長4778m，位于贛縣江口鎮(zhèn)、吉埠鎮(zhèn)范圍內(nèi)，觀音山隧道進口洞口里程為DK31+470，地處贛縣江口鎮(zhèn)，在里程DK31+769～DK31+812段圍巖為原設計F1斷層影響帶，處于溝谷，埋深62m，上臺階掌子面開挖至DK31+797時，開挖揭示巖層為松散塊狀破碎帶，巖石破碎，巖塊間隙大，類似由碎巖塊堆積而成，涌水較大，巖性為寒武系中統(tǒng)（∈2）變質(zhì)砂巖夾板巖，青灰色，弱風化，厚層狀構造。采用TSP-203對掌子面前方地質(zhì)進行長距離超前預測預報，再結合超前地質(zhì)鉆和地表探孔進行鉆探取芯驗證，破碎帶長度43m，開挖施工時易塌方、突水突泥，施工難度極大。

2.施工方案的選擇

在穿越隧道不良地質(zhì)斷層帶時最合理的施工方法有地表預注漿加固法、超前帷幕注漿法和長管棚法。因該段隧道埋深較大，如采用地表預注漿加固法，無疑效率底，成本高。超前帷幕注漿具有可靠、高效的優(yōu)點，但要保證施工效果，至少要施工105個孔，絕大部分孔要采用前進式注漿，施工時各種工序投入量大 ，循環(huán)時間長。洞身管棚具有施工快、安全性高、工期短等優(yōu)點，但在堆積巖塊內(nèi)鉆進容易卡鉆，難以成孔，并且采用雙液注漿時容易堵管，注漿效果難以保證。為了能安全、順利、快速的穿過DK31+769～DK31+815斷層影響帶，將超前帷幕注漿和管棚法優(yōu)化結合使用，并分3個循環(huán)進行施工，每個循環(huán)長度20m。

2.1超前帷幕注漿方案優(yōu)化

全斷面帷幕注漿鉆孔多，每個孔的外插角不一樣，而且要求注漿孔有效擴散半徑2.5m，施工難度大。根據(jù)掌子面地質(zhì)分析，只要保證隧道拱部的圍巖穩(wěn)定，把拱部圍巖加固加強，再采用合適的開挖方法就能成功穿越該斷層影響帶。在此采用超前帷幕注漿，只需將隧道拱部周邊圍巖進行預加固，并在管棚施工的下方形成半封閉截水圈，為管棚施工創(chuàng)造條件即可。施工中項目部對超前帷幕注漿進行優(yōu)化，在開挖輪廓線以內(nèi)水平鉆孔，成孔后采用后退式注雙液漿，快速對開挖輪廓線周邊圍巖加固并形成半封閉截水圈，以保障管棚鉆孔的順利實施和防止管棚漿液流失。

通過以上優(yōu)化，采用超前局部帷幕注漿，避開了全斷面帷幕注漿施工難度大，耗時長的缺點，降低了整個施工成本和工期。

2.2管棚施工工藝的優(yōu)化

在破碎帶中施工管棚，最常見的問題就是卡鉆，雖然施工管棚前已采用超前局部帷幕注漿對開挖輪廓線附近的巖體進行了加固，但是在鉆機鉆頭強大的沖擊作用下，部分巖塊容易產(chǎn)生松動，如采用先打孔，后送管的施工工藝，容易形成卡管現(xiàn)象。為了避免這個問題出現(xiàn)，施工中采用了根管施工工藝。跟管工藝采用兩個鉆頭施工，內(nèi)鉆頭沖擊圍巖鉆進，外鉆頭連接管棚同步跟進，使用高壓風和少量高壓水將鉆渣從管棚內(nèi)部排出。成孔后將內(nèi)鉆頭鉆桿從管棚中間退出，無需再進行清空送管，即保證了管棚的成孔率，又節(jié)約了頂管的時間。

3.超前局部帷幕注漿施工方案

3.1孔位布置

在拱部150°距開挖輪廓線內(nèi)50cm布置一圈注漿孔，孔距50cm，孔數(shù)41個，孔徑Φ110，水平孔，孔深23m，每環(huán)搭接3米，施工3循環(huán)，如下圖1和圖2所示。

3.2鉆孔

在滿足注漿要求的前提下，帷幕注漿孔可選用較小的鉆頭，以節(jié)約鉆孔時間，施工中使用Φ110鉆頭一次成孔。鉆孔時作好鉆孔記錄，包括孔號、進尺、起止時間、巖石裂隙發(fā)育情況、出現(xiàn)涌水位置、涌水量和涌水壓力。鉆進時盡量使用球齒摩擦鉆頭旋轉(zhuǎn)摩擦鉆進，牢固巖石部分采用風動沖擊鉆進，避免出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

3.3注漿

3.3.1注漿材料

帷幕注漿孔注漿的目的是快速對開挖輪廓線周邊圍巖加固并形成半封閉截水圈，以保障管棚鉆孔的順利實施和防止管棚漿液流失，因此注漿采用水泥-水玻璃漿液最適合，水泥-水玻璃漿液具有如下優(yōu)點：凝結時間可控制在幾秒到幾分鐘范圍內(nèi)；材料豐富，價格便宜；在動水條件下注漿，被水沖走、稀釋的程度小，堵水效果明顯；漿液結石率高達100%，結石體強度高，可達10～20Mpa；結石體的滲透系數(shù)為10-3cm/s，防滲性能較好；對地下水和環(huán)境無污染。

3.3.2漿液配合比：水灰比為1∶1～0.8∶1；漿液比為1∶1；水玻璃濃度控制在30°Be′～35°Be′，模數(shù)2～3。

圖1、止?jié){環(huán)和管棚孔位圖

圖2、止?jié){環(huán)和管棚縱斷面圖

3.3.3注漿方法

該地質(zhì)圍巖松散松動，如采用前進式注漿耗時較多，工序繁雜。現(xiàn)場采用鉆桿后退式注漿，分段長度1-2m。施工時注漿孔一次性成孔，成1根注一根。

雙液注漿最容易產(chǎn)生的問題是漿液容易在注漿管內(nèi)凝結堵管，施工中采用的鉆桿為雙層鉆桿，通過注漿管將水泥漿和水玻璃漿分別送到雙層鉆桿內(nèi)，漿液通過內(nèi)外層流至鉆桿端頭，從噴槍中噴出之后通過鉆桿旋轉(zhuǎn)立即在地層中混合，先充填鉆桿和孔壁之間的空隙，然后再滲透到巖層中，如下圖3和圖4所示。

圖3、雙層管鉆桿后退注漿法示意圖 圖4、鉆桿端頭噴槍大樣圖

3.3.4注漿參數(shù)

注漿壓力：1～2MPa，；雙液漿膠凝時間：經(jīng)過現(xiàn)場試驗，膠凝時間控制在60～90s，孔間距為50cm，只需保證漿液擴散半徑37.5cm即可。施工順序由兩側底部向拱部施工。

4.跟管管棚施工方案

4.1管棚施工參數(shù)

1）鋼管規(guī)格：外徑121mm，壁厚6mm；2）管距：環(huán)向間距40cm；3）傾角：外插角2～4°為宜，可根據(jù)實際情況作調(diào)整，盡量減小角度；④設置范圍：拱部150°范圍；⑤長度與根數(shù)：23m，根數(shù)49根，施工3循環(huán)。管棚布置圖如圖1和圖2所示。

4.2無管棚工作室施工

1）常規(guī)洞身大管棚施工時需要為鉆機設備預留操作空間50-80cm，使管棚打設在隧道開挖輪廓線外面，以防止管棚侵限。而開挖工作室在不良地質(zhì)附近出現(xiàn)大變形等事故的風險幾率非常高，有些掌子面突發(fā)事件必須要施工管棚時又沒有條件開挖工作室。根據(jù)這種情況，既要保證管棚設備有操作空間不侵限又要保證不需要擴挖工作室增加風險，經(jīng)過現(xiàn)場與一些老師傅研究和以往經(jīng)驗，使用開孔器鉆孔充當導向管的方法就可解決這一問題。

導向孔開孔采用自制φ150金剛石鉆頭開孔器開孔，將掌子面的初支和止?jié){墻鉆進2m左右，將鋼架鉆透，直至沒有拱架位置，這樣就為管棚鉆機創(chuàng)造了良好施工環(huán)境，如下圖5和圖6所示。

圖5、φ150金剛石取芯鉆頭

圖6、導向孔施工

4.3 跟管管棚施工工藝

施工工藝見圖7所示

圖7、跟管管棚施工工藝流程圖

管棚施工先施工奇數(shù)孔再施工偶數(shù)孔，施工順序是由兩邊拱腳向中間。為了避免鋼管同步搭接，Φ121*6無縫鋼管分4.5米和3米兩種規(guī)格， 4.5米的為主管，3米的用于錯開相鄰兩條管的接頭，每條管一端為外絲口，另一端為內(nèi)絲口，采用矩形螺絲，絲扣長度≥50mm；管棚注漿段管壁四周鉆φ10mm注漿孔，注漿孔間距15cm，每環(huán)一對，交錯布置。

4.4 管棚注漿

管棚的注漿材料及注漿參數(shù)為：灌注漿液為水泥漿；水泥漿配合比為1：1（質(zhì)量比）；注漿壓力：初壓0.5～1.0MP，終壓1～1.5MP，壓力逐漸由小加大。

注漿原則：奇數(shù)孔快，偶數(shù)孔慢，這樣有利于漿液在有效區(qū)域內(nèi)擴散；注漿量、壓力控制原則是先控量，后控壓，即奇數(shù)孔以定量為原則，偶數(shù)孔以壓力控制為先決；隔孔跳孔施工，互為檢查孔原則，即偶數(shù)孔施工時通過鉆孔情況，判斷奇數(shù)孔注漿效果。

管棚注漿結束后，再對每個孔進行補注漿一次，保證管棚注漿效果。

5.施工效果的檢驗

管棚注漿結束后，現(xiàn)場對注漿效果進行了檢查，采用了鉆孔取芯和壓水試驗的方法，結果都符合標準要求，下圖8和圖9為掌子面開挖后的照片。根據(jù)圖片顯示，管棚的數(shù)量、角度和注漿效果都非常理想，比各種注漿效果檢查更有說服力。

圖8

圖9

6.結束語

在隧道松散塊狀破碎帶地層中使用局部帷幕注漿封堵拱圈巖層空隙，再結合大管棚注漿施工來加固拱部地層的方法成功穿越了隧道松散塊狀破碎帶，此方法利用了帷幕注漿的特點和大管棚的優(yōu)點結合起來施工，是一次非常成功的案例，而且在施工中又使用了雙層鉆桿后退式注漿法和無管棚工作室導向孔施工法的新技術，使本次施工更加順利，節(jié)約了大量的金錢和時間，產(chǎn)生了良好的社會效益，為今后類似的工程提供了非常寶貴的施工經(jīng)驗。

參考文獻：

［1］崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011.05：24.

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［3］崔玖江，崔曉青.隧道與地下工程注漿技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2011.05：100.

［4］ 楊云.洞身長管棚施工工藝新技術［J］.筑路機械與施工機械化，2014， 31（8）：86-88.

作者簡介：

涂富強，男，生于1982年，工程師。