高速鐵路隧道含水砂層段帷幕注漿方案設計

尉 敏 丁鴻程 李 軍 吳紅剛 程 鋒 貴 珊 馬彥軍 朱兆榮

(1. 中鐵北京工程局集團有限公司,北京 102308; 2. 蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070;3. 中鐵西北科學研究院有限公司,蘭州 730099)

引言

在隧道工程建設中,以帷幕注漿技術為主導的綜合超前支護措施發揮了重要作用[1],帷幕注漿除對地下水具有封堵作用外,還對圍巖具有一定的加固作用[2]。 已有學者對帷幕注漿工作機理進行研究。 陽云針對廈門過海隧道軟弱圍巖,研究超前帷幕注漿方案在此隧道中的運用[3];ZHANG 等采用正交分析方法,分析隧道注漿厚度和滲透性對涌水量和圍巖穩定性的影響[4];黃飛飛提出一種針對富水破碎巖體隧道注漿的優化方案,并建立質量評價模型對優化效果進行評價[5];李存祿等通過鉆孔技術與高壓注漿試驗給出合理的注漿參數[6];汪旵生提出上斷面鉆孔輻射至全斷面的注漿方案,并針對開挖后出現的異常滲水情況提出徑向補強方案[7];SHI 等對帷幕注漿法在巖溶隧道中的堵水加固效果進行工程驗證[8];周新星研發一種高聚物注漿材料并對其作用機理進行研究,發現高聚物帷幕注漿材料對解決隧道涌水問題效果良好[9];管曉軍為解決巖體破碎且涌水量大的隧道問題,采取半斷面帷幕注漿加固法加固圍巖,發現該方法對于控制掌子面變形效果較好,而對隧道仰拱隆起的影響不大[10];LI 等在數值模擬中考慮了巖體本構模型和注漿參數,研究不同帷幕注漿厚度下隧道裂縫萌生和擴展的規律[11];YAO 等結合實際灌漿處理方法,總結出大壩防滲處理的規律[12]。

綜上所述,隧道工程中不良地質條件多樣,施工措施各異,難以給出統一的注漿方案。 以銀蘭高鐵某隧道工程為依托,針對掌子面涌砂、流砂情況,提出一種帷幕注漿加固結合地表降水的治理方法,并對帷幕注漿施工中出現的異常情況分析原因后進行處理。

1 工程概況

銀蘭高鐵某隧道位于寧夏中衛市,起訖里程DK39+990~DK57+753.3,全長17.7633 km,雙線,線間距4.6 m。 洞內縱坡25‰/160 m、20‰/13.9 km、18.1‰/3 km、-4.5‰/703.3 m,圍巖為新近系中新統砂巖夾泥巖,粉細粒結構,節理發育,成巖作用差,其中Ⅲ級圍巖12.275 km,Ⅳ級圍巖2.745 km,Ⅴ級圍巖2.743 km,隧道最大埋深約380 m。 地下水類型為基巖裂隙孔隙水,隧道洞內細砂具有流變性,含水率達26%,初期施工開挖時未見地下水,隨著施工擾動,地下水逐漸向掌子面方向運移,水量逐漸變大,施工中多次出現流砂、坍塌、透水。

隧道DK43+959.5~DK44+64.5 段位于低中山區,地面高程1 527.5~1 575.0 m,地表沖溝和溝谷發育,其中 DK43+980~DK44+020 段為深切沖溝,隧道埋深110~135 m 段,為極軟巖,粉細粒結構,節理發育,成巖作用差,泥巖呈泥質結構,易軟化和風化,產狀平緩,節理發育,呈粉砂狀松散結構,易塌方。 地下水位埋深60.2~73.6 m,隧道洞身位于地下水位線以下約49 m,為弱富水區。 圍巖級別為Ⅴ級。 洞頂地表細砂含水率達6%,洞內細砂含水率達26%,洞內多次出現坍塌、涌砂和透水,且含水細砂具有流變性。 構造破碎帶和淺埋段,可能產生地下水富集,施工時易發生涌水。

針對隧道掌子面及其附近出現的流砂問題,設計單位與施工單位共給出8 種解決方案,并在施工中驗證每種方案的效果,最終確定采用帷幕注漿加固方案。以銀蘭高鐵某隧道DK43+959.5~ DK44+64.5 段5 個循環帷幕注漿工程為依托,研究帷幕注漿方案的實施效果。

2 注漿原理及方案制定

2.1 注漿原理

帷幕注漿是利用水壓等方法,通過鉆孔或注漿管將具有膠凝能力的漿液注入到巖體裂隙中,使松散巖體膠結成整體,以達到加固和防滲的目的,確保隧道開挖時不發生坍塌、涌水、流砂等事故[13]。 圍巖注漿加固方法可改善隧道初期支護的應力與變形[14]。

帷幕注漿加固是在承受較大水壓的情況下完成的,一方面要求注漿材料能夠在高水壓條件下施工,應具有不分散的特性;另一方面由于注漿體直接承受較大的水壓作用,要求注漿加固體能迅速達到較高的強度,對漿液的水灰比、早期強度具有較高的要求。 對于不同的巖體,其注漿作用的原理和注漿加固效果也存在較大差異[15]。

2.2 注漿方案的制定

針對新近系未成巖含水砂層段流砂問題, 8 種含水砂層段施工方案見表1。 最終確定掌子面采取帷幕注漿加固結合地表降水措施方案組織實施,將注漿段分5 個循環施工,各循環帷幕注漿關系見圖1。

圖1 各循環帷幕注漿關系

3 帷幕注漿方案設計

為了制定切實可行的帷幕注漿設計方案,保證預期效果,關鍵是對第一至五循環帷幕注漿參數、材料等進行選擇[16],各循環里程見表2。

表2 各循環里程

3.1 施工設備及工藝流程

本工程帷幕注漿選用ZBSB-148~23/4-15 型煤礦用雙液注漿泵,共4 臺,鉆孔采用ZLJ-1250 坑道注漿鉆機,共4 臺。 根據帷幕注漿施工需求,鉆機、注漿機選用及分布能滿足現場施工進度及質量要求,帷幕注漿工藝流程見圖2。

圖2 帷幕注漿工藝流程

3.2 施工設計

(1) 注漿范圍

帷幕注漿加固范圍內的固結體主要承受外部靜水壓力,其注漿厚度參照厚壁筒公式,并按第四強度理論,有

式中,E為帷幕計算厚度;R為隧道掘進半徑,取7.23 m;P為最大靜水壓力值,取1 MPa;σ為砂巖夾泥巖固結體容許抗壓強度,取3.67 MPa。

通過計算,帷幕注漿范圍為隧道開挖輪廓線外2.72 m。 進一步結合隧道幾何特征和施工方法等,并考慮注漿與支護共同作用,各循環段帷幕注漿加固圈固結范圍見表3。

表3 各循環固結范圍

(2)止漿巖盤

止漿巖盤的厚度按照以下公式計算[17]

式中,B為止漿巖盤厚度;P0為注漿最大壓力,取4 MPa(涌水壓力為0.9~1.0 MPa,取4 倍涌水壓力);D0為注漿段隧道毛洞寬,取7.5 m;[J]為巖石抗剪強度,Ⅳ級圍巖取1.5。

當止漿巖盤厚度B為5 m 時,每循環帷幕注漿保留5 m 止漿巖盤,并在外側噴射C25 混凝土,各循環噴射混凝土厚度見表4,設雙層?8 mm 鋼筋網片,間距20 cm×20 cm。 在止漿巖盤及補噴混凝土段預鉆?108 mm 注漿孔與泄水孔,泄水孔間距2 m×2 m。

表4 混凝土厚度

(3)止漿墻

為固定注漿管和防止注漿過程出現漏漿、跑漿等現象,每循環帷幕注漿前需設置一定厚度的止漿墻。 止漿墻強度一般受材料的抗剪能力控制[18],計算公式為

式中,B為止漿墻的厚度;D為開挖斷面直徑,取14.46 m;λ為超載系數,一般取1.2~1.5;pz為水壓力,取1 MPa;m為工作條件系數,一般取1.2~1.5;τc為止漿墻材料的設計抗剪強度,取2.7 MPa;k為轉換系數;Rσ為混凝土強度。

當λ與m相同時,計算可得止漿墻厚度為1.34 m,結合實際情況,確定隧道第一循環帷幕注漿C20 混凝土止漿墻厚度為1.5 m,墻身直立,護墻寬5.2 m,高3.5 m,頂部厚1.5 m,底部1.5 m 范圍內厚5 m,胸坡1 ∶0.7,止漿墻墻身堵頭墻采用錨桿(長3.0 m,間距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定。 止漿墻和護墻下部為?108 mm 鋼管樁(長5 m,間距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定,止漿墻墻身均預留?108 mm 注漿孔與泄水孔,泄水孔間距2 m×2 m。

(4)注漿孔布置

根據目前國內外施工機械的現狀,結合相關工程施工經驗,注漿段落長度一般選擇20~30 m。

根據工程實際,各循環帷幕注漿長度取25 m,開挖20 m,并保留5 m 止漿巖盤,注漿孔擴散半徑為1.5 m,為確保注漿擴散半徑,鉆孔深度宜大于設計孔深20 cm。

第一循環帷幕注漿鉆孔見圖3,各循環孔口管采用?108 mm,壁厚5 mm 的熱軋無縫鋼管,管長3 m,孔口管應埋設牢固,并有良好的止漿措施。 注漿孔的部分參數見表5。

圖3 第一循環注漿鉆孔(單位:cm)

表5 循環帷幕注漿鉆孔參數

(5)帷幕注漿設計

根據已確定的注漿范圍、止漿巖盤、止漿墻、注漿孔布置情況繪制各循環帷幕注漿縱斷面,第一、二循環帷幕注漿縱斷面見圖4、圖5,第一循環帷幕注漿縱斷面中,從上依次向下12 個注漿孔角度見表6,第三至五循環縱斷面在圖5 的基礎上進行優化調整。

圖4 第一循環帷幕注漿縱斷面(單位:cm)

圖5 第二循環帷幕注漿縱斷面(單位:cm)

表6 第一循環帷幕注漿注漿孔角度

(6) 注漿速度

漿液在裂隙中的摩擦阻力與裂隙大小、延伸方向和其中的填充物有關,同時取決于漿液的密度和黏度。

根據經驗,當鉆孔涌水量≥50 L/min 時,注入速度宜為80~150 L/min;當涌水量≤50 L/min 時,注入速度宜為35~80 L/min,注漿速度還要經現場試驗后才能進一步確定。

(7)注漿壓力

注漿壓力與砂層孔隙發育程度、涌水壓力、漿液材料的黏度和凝膠時間長短等有關,目前均按經驗確定。通常情況下按如下幾種經驗公式計算。

按已知的地下水靜水壓力計算,設計注漿壓力(終壓值)為靜水壓力的2~3 倍,最大可達到3~5倍,即

式中,P為設計注漿壓力(終壓值);P′為注漿處靜水壓力,取1 MPa。

據此求得的注漿壓力范圍為2~5 MPa。

涌水壓力按照式(6)計算[19],有

式中,P為注漿壓力;P0為涌水壓力,取1 MPa。

根據上式可知,注漿壓力為3~5 MPa,此方法適用于涌水壓力穩定的情況;當涌水壓力不穩定或者取值范圍偏大時,計算得出的范圍也較大,不利于注漿壓力的選取和施工控制。

綜合考慮上述2 種計算方法,并結合本工程涌水壓力(0.9~1.0 MPa)情況,最終取注漿壓力≯5 MPa,各循環注漿壓力控制情況見表7。

表7 各循環注漿壓力控制情況MPa

(8)注漿量計算

注漿量計算公式為[20]

式中,A為注漿范圍巖層體積;n為圍巖孔隙率;α為漿液充填率,取0.8;β為漿液損失率,取0.1;R為漿液有效擴散半徑;L為注漿長度;nα(1+β)為填充率。

根據相應工程規范,并結合隧道工程的實際情況,各循環帷幕注漿段的填充率取值見表8。

表8 填充率取值

(9)注漿材料

各循環帷幕注漿材料及漿液配比見表9。 第一循環根據注漿情況,拱部周邊孔采用少量聚氨酯漿進行補充,外加劑用量控制在水泥用量的5%左右,聚氨酯采用單組分聚氨酯。 第二至五循環若在施工時滲水量較大,可添加磷酸化學漿液。

表9 注漿材料配比

(10)鉆孔和注漿

鉆孔和注漿順序由外向內,同一圈孔間隔施工,這樣可以防止漿液溢到注漿巖之外。 注漿前,需進行壓力由小增大的壓水試驗。 施工中根據現場情況對薄弱位置考慮增加注漿孔,各循環段施工工藝見表10,施工時可根據實際情況靈活運用。

表10 各循環段施工工藝

(11)注漿結束判斷

根據類似工程注漿施工經驗,單孔注漿壓力達到設計終壓,注漿量在10 L/min 以下并持續10 min 以上,即可結束注漿[21]。

(12)注漿效果檢查

每一循環帷幕注漿完成后,需鉆孔檢查效果,檢查孔布置參數及檢查標準見表11[22],滿足檢查標準條件后方可進行洞身開挖施工,檢查完成后需要用M10 水泥砂漿封堵檢查孔,注漿施工及效果評價見圖6。

圖6 施工及效果評價

表11 檢查孔及檢查標準參數

4 異常情況處理

4.1 第二循環溜塌

(1)施工中存在的問題

施工中上臺階止漿墻破除時發現現場有局部溜塌,隨后掌子面拱頂出現局部溜塌,緊接著掌子面出現大面積泥沙溜塌,體積約825 m3,溜塌情況見圖7。

圖7 第二循環溜塌

(2)溜塌原因分析

由于第二循環帷幕注漿孔數減少較多,注漿效果弱化,導致局部注漿固結效果較差,塌方較嚴重。

地表降水相對靜水位目前未達到設計要求的仰拱底部。

從涌砂含水率分析,掌子面注漿處巖體含水率11%,注漿外部含水率在16.3%~17%之間,含水率未控制在11%以內,降水未達到預期效果。

在第一循環最后一榀開挖時,上臺階右側出現局部溜塌現象,溜塌體為塊狀;第二循環開挖時,同一里程拱部發生豎向涌砂,初步判斷此次涌砂為薄弱裂隙地段。

圍巖中局部漿液擴散沒有重疊形成完整止水帷幕。

(3)解決措施

第一時間封鎖現場繼續觀察溜塌情況,在大里程上臺階溜塌泥砂處理完后,在掌子面噴漿封閉。 對塌腔部位采取徑向注漿、泵送砂漿回填等措施進行加固處理。

4.2 第五循環塌腔

(1)施工中存在的問題

在對DK44+041.5 掌子面開挖時,核心土左側前方出現流砂并伴有溜塌掉塊,上臺階下部溜塌延伸至拱部,最終形成左側拱腰至拱底塌腔、核心土左側塌腔和右側拱頂至拱腰塌腔,溜塌體約100 m3,溜塌情況見圖8。

圖8 第五循環第一次溜塌

第一次塌腔處理完成后,進行端部套拱施作,掌子面左側拱頂至拱腰段管棚之間出現溜塌,管棚受溜塌影響導致下沉,造成拱架變形,見圖9。

圖9 第五循環第二次溜塌

掌子面開挖至DK44+042 時前方及拱部出現滑溜、塌方,管棚端頭套拱初支砼出現開裂掉塊、管棚和套拱出現整體下沉并最終垮塌,開挖揭示左側拱腳處砂層呈流砂狀(含水率為21.3%),見圖10。

圖10 第五循環第三次塌方

(2)塌腔原因分析

第一次溜塌:第五循環帷幕注漿止漿墻破除后,核心土左右兩側掌子面存在明顯滲水,其中右側滲水量較小,考慮因帷幕注漿過程中這兩股水無法借助排水通道排出,加之地表深井降水雖已起到降低水頭壓力及排除砂巖中裂隙水的作用,但未能有效排除砂巖中的孔隙水,以致水對周圍巖體持續浸泡,致使砂巖和漿液固結體軟化,開挖過程中由于核心土兩側底部失穩進而引發一系列滑塌。 另外,第五循環中取消了對核心土的加固,對核心土周圍溜塌也有一定的影響作用。

第二次溜塌:第一次塌腔反壓回填完成后進行管棚施作,過程中左側拱頂仍存在滑塌現象,同時對塌腔內進行砂漿填充時造成管棚與填充砂漿之間形成松散體夾層,在第一次塌腔處理完成,進行掌子面開挖時,由于掌子面拱頂上方松散體溜塌,導致填充砂漿下部脫空,而引發一系列滑塌,造成拱部左側管棚受壓下沉、拱架變形。

第三次塌方:掌子面發生溜塌后,現場對其進行反壓回填,對溜塌形成的空洞進行注漿回填,漿液未完全填充塌腔且漿液與松散狀砂巖固結效果較差,塌腔頂部存在砂層剝落現象,加大管棚及套拱的荷載。 同時,左側拱腳處砂巖含水率較高,局部超過液限,呈流砂狀,使拱腳承載力降低,在拱部土壓力和拱腳下沉的雙重作用下,管棚和豎撐出現整體下沉,并最終導致管棚和豎撐被壓垮,掌子面出現塌方。

(3)解決措施

第一次溜塌處理

對掌子面采用土石反壓回填,形成作業空間,土石表面坡率為1 ∶1,然后利用砂袋封堵空腔口。 塌腔位置預留泵送管、排水管及排氣管。 拱部采用“?108 mm管棚+?42 mm 小導管”超前支護,管棚長15 m,環向間距30 cm,小導管長4 m,縱向每兩榀鋼架設一環。 管棚材料采用熱軋無縫鋼管,管內設鋼筋籠,以增加管棚的抗彎能力。 管棚與小導管均采用水泥-水玻璃雙液漿進行注漿。

第二次溜塌處理

對拱頂90°范圍內采用?108 mm 管棚超前支護,管棚長15 m,環向間距30 cm。 管棚材料用熱軋無縫鋼管,管內設鋼筋籠,以增加管棚的抗彎能力。 管棚采用水泥-水玻璃雙液漿進行注漿。 拱部通過?42 mm小導管對斜上方松散體進行注漿加固,小導管外插角為45°,單根小導管長6 m,小導管環向間距30 cm,注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿。

第三次塌方處理

現場采用?42 mm 小導管對掌子面前方進行注漿加固,小導管按1 m×1 m(橫×豎)梅花形布置,注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。 對拱部144°范圍內施作?108 mm 長管棚,管棚長15 m,環向間距30 cm,注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿。

5 結論與建議

通過研究帷幕注漿加固結合地表降水措施治理方案在加固隧道含水砂層段的應用,得到以下結論與建議。

(1)帷幕注漿結合地表降水可為洞內開挖施工的安全和進度提供保障。 根據1 號斜井大里程5 個循環的施工,帷幕注漿結合地表井點降水施工方案能夠在確保安全的前提下有效推進施工進度。

(2)帷幕注漿孔數過少會弱化固結效果,進而引發塌方等異常情況的發生,應根據隧道工程自身情況,調整注漿孔間距、數量、注漿范圍等參數,從而確保帷幕注漿及其開挖施工順利進行。

(3)帷幕注漿過程中掌子面附近的滲水無法通過排水通道排出時,因不能及時排出砂巖中的孔隙水,在浸泡作用下會致使砂巖和固結體軟化,圍巖在開挖擾動作用下易發生滑塌。

(4)對溜塌空洞進行注漿回填時,漿液未充滿塌腔或砂巖固結效果差,會加大管棚及套拱的荷載,致使管棚和豎撐被壓垮,掌子面出現塌方,應使用小導管與長管棚進行加固。