隧道富水?dāng)鄬訋羁壮邦A(yù)注漿全封閉固結(jié)止水工法

隧道富水?dāng)鄬訋羁壮邦A(yù)注漿全封閉固結(jié)止水工法一、前言隧道及地下工程的富水?dāng)鄬訋?，由于圍巖軟弱破碎，穩(wěn)定性差，加之水的影響，采用一般的方法，施工極其困難，作業(yè)不安全，掘進(jìn)速度慢，工程質(zhì)量難以保證。在這種不良地質(zhì)地段施工，采用深孔超前預(yù)注雙液漿全封閉固結(jié)止水技術(shù)，是一種安全可靠的有效方法。本工法是在遼寧省本溪—田師府鐵路改線段的XX單線鐵路隧道穿越250m富水?dāng)鄬悠扑閹Э茖W(xué)試驗(yàn)與施工實(shí)踐的基礎(chǔ)上形成的。該斷層破碎帶內(nèi)構(gòu)造裂隙水、節(jié)理裂隙水和石灰?guī)r溶蝕裂隙水富集，水量豐富，地表水與地下水連通。隧道地表附近還有許多村落和工礦企業(yè)，要依靠地表出露的幾眼泉水提供生活和工業(yè)用水，不能因?yàn)槭┕ぴ斐伤牧魇?dǎo)致搬遷和破壞生態(tài)環(huán)境。為此，建設(shè)單位明確提出“要保護(hù)水源，不準(zhǔn)打漏”。為了達(dá)到既保護(hù)水源，又加快施工的目的，第十九工程局與鐵道建筑研究設(shè)計(jì)院組成聯(lián)合攻關(guān)組，開(kāi)發(fā)了深孔超前預(yù)注水泥—水玻璃雙液漿全封閉固結(jié)止水新技術(shù)，順利通過(guò)了250m富水?dāng)鄬訋?。二、工法特點(diǎn)本工法與周邊淺眼預(yù)注漿相比，有以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：1.工作面和周邊圍巖均布孔，進(jìn)行全斷面全封閉深孔注漿固結(jié)止水，在隧道開(kāi)挖斷面周邊能形成一定厚度的堵水帷幕，對(duì)于水源保護(hù)要求高、以堵為主的隧道和地下工程尤為合適。2.注漿孔深度大，注漿段長(zhǎng)度20m左右，可減少注漿與開(kāi)挖工序的頻繁倒換和作業(yè)循環(huán)次數(shù)，故能加快進(jìn)度。3.采用靈活機(jī)動(dòng)、高效的瑞典液壓鉆孔臺(tái)車(chē)鉆孔、下注漿管，移位、對(duì)位方便，鉆孔、下管快，作業(yè)效率高。凡有液壓鉆孔臺(tái)車(chē)的工點(diǎn)，不必另配其他的鉆孔設(shè)備，能發(fā)揮一機(jī)多用的效果。三、基本原理和適用范圍(一)基本原理對(duì)于地質(zhì)復(fù)雜的富水?dāng)鄬悠扑閹?，水源保護(hù)要求很高。為了防止開(kāi)挖面涌水，除了沿隧道開(kāi)挖輪廓線(含底部)按軸向輻射狀布孔外，在開(kāi)挖面中心，也布孔注漿。注入按一定比例配制而成的水泥—水玻璃雙液漿后，漿液滲透擴(kuò)散到破碎帶的孔隙中并快速凝固，與周?chē)扑閹r塊固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體，在隧道周邊及開(kāi)挖面形成一個(gè)堵水帷幕(加固區(qū))，切斷地下水流通路，以此達(dá)到固結(jié)止水、保持圍巖穩(wěn)定、增強(qiáng)施工安全的目的。(二)適用范圍本工法適用于鐵路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水?dāng)鄬訋Ш蛙浫鯂鷰r施工，也可用于隧道及其他地下工程塌方的處理整治。對(duì)于要求保護(hù)水資源、防止施工時(shí)地下水流失，以及嚴(yán)格控制地表下沉的工程尤為適用。四、施工工藝和作業(yè)要點(diǎn)(一)施工程序施工程序見(jiàn)圖1。(二)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)于構(gòu)造復(fù)雜、水量豐富的大斷層帶，必須準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工作面前方20~25m范圍的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，以便為制定施工方案和確定注漿參數(shù)提供依據(jù)，因此，鉆孔作業(yè)前必須把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為一個(gè)工序納施工過(guò)程。1.鉆孔方法：利用液壓鉆孔臺(tái)車(chē)施鉆深孔，一般在拱頂、超拱線和隧道中下部位各鉆一Ф76孔，孔深超出注漿段5m左右。2.預(yù)報(bào)內(nèi)容：預(yù)測(cè)工作面前方注漿段長(zhǎng)范圍的地質(zhì)構(gòu)造和巖性、地下水出露位置和水量大小，以及斷層圍巖變化情況等。3.預(yù)報(bào)方法：采用鉆眼排碴取樣分析，記錄鉆速、水質(zhì)水量變化情況以及開(kāi)挖后的巖面觀測(cè)素描，綜合判斷預(yù)報(bào)前方水文、地質(zhì)條件。(三)鉆孔作業(yè)1.布孔：臺(tái)車(chē)就位固定后，由測(cè)量工站在臺(tái)車(chē)臂托籃上，用紅油漆在掌子面上按設(shè)計(jì)準(zhǔn)確畫(huà)出鉆孔位置，標(biāo)注編號(hào)。2.鉆孔(1)施鉆時(shí)臺(tái)車(chē)在臂必須頂緊在掌子面上，以防止過(guò)大顫動(dòng)而影響施鉆精度。(2)鉆機(jī)開(kāi)孔時(shí)鉆速宜低，鉆深20cm后轉(zhuǎn)入正常鉆速。(3)第一根鉆桿鉆完后，鑿巖機(jī)與鉆桿脫離，使用聯(lián)接套接第二根，依次接桿直至鉆到設(shè)計(jì)深度。(4)鉆孔深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，鑿巖機(jī)后退帶出鉆桿，人工用卡鉗或大扳手卡緊前桿，鑿巖機(jī)反轉(zhuǎn)，松開(kāi)連接套卸下鉆桿，按同樣方法依次拆卸鉆桿退出孔外。3.開(kāi)孔孔徑及深度：注漿孔和φ102鉆頭開(kāi)孔，孔內(nèi)放置長(zhǎng)3~6m的φ89鋼管(或橡膠止?jié){塞管)做孔口管，掏孔清碴時(shí)用φ76鉆頭。注漿段長(zhǎng)度20m，各孔角度和孔深見(jiàn)表1和圖4。4.鉆孔深度控制：臺(tái)車(chē)大臂按設(shè)計(jì)布孔位置點(diǎn)對(duì)正，用簡(jiǎn)易垂球量角器測(cè)鉆桿仰角，調(diào)整至設(shè)計(jì)角度，并在鉆桿上安裝導(dǎo)向指示器，控制鉆孔偏角。5.臺(tái)車(chē)鉆孔工作參數(shù)：鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔作業(yè)的推進(jìn)壓力2.5~4.0MPa，回轉(zhuǎn)壓力5.0~6.0MPa，沖擊壓力19~20MPa。(四)注漿作業(yè)1.注漿材料(1)水泥：選用425號(hào)以上的普通硅酸鹽水泥，質(zhì)量應(yīng)符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥的各項(xiàng)指標(biāo)》(GB178-85)標(biāo)準(zhǔn)。(2)水玻璃：選用出廠濃度42~45Bé，比重1.42~1.45,模數(shù)2.4~2.8的水玻璃原液。(3)拌合水：水質(zhì)應(yīng)符合《鐵路混凝土及砌石工程施工規(guī)范》(TBJ210-86)中第2.4.1條的各項(xiàng)規(guī)定。2.配比控制水灰水(W/C)為0.8；水玻璃稀釋濃度為25~35Bé；雙液體積比(C/S)為1∶0.5~0.7。3.凝膠與凝結(jié)時(shí)間控制為滿足漿液擴(kuò)散半徑的要求，采用的凝結(jié)時(shí)間為：一般地段為3分鐘，富水地段為1~2分鐘。雙液漿的凝膠時(shí)間不同于凝結(jié)時(shí)間。凝膠時(shí)間較短，是指由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)椴涣鲃?dòng)狀態(tài)的過(guò)程。凝結(jié)是水泥漿體開(kāi)始失去可塑性的時(shí)間。施工控制分三種情況：(1)水灰比固定，水玻璃濃度不變，變換雙漿比例。當(dāng)水玻璃溶液所占比例由小到大，凝膠時(shí)間則由長(zhǎng)到短，初、終凝由慢到快。(2)水玻璃濃度不變，雙液比例固定，變換水灰比。當(dāng)水灰比由小到大，凝膠時(shí)間由短到長(zhǎng)，初、終凝由快到慢。(3)水灰比不變，雙液比固定，變換水玻璃濃度。當(dāng)水玻璃濃度由高到低，凝膠時(shí)間由短到長(zhǎng)，初、終凝由快到慢。4.作業(yè)面布置為保證施工安全，對(duì)于富水?dāng)鄬悠扑槎危话悴扇∫r砌緊跟的施工方法。由于作業(yè)凈空受到限制，故注漿站采用移動(dòng)式。為減少管路安裝工作量和干擾，以及管路損失，后部輸漿管采用硬管并固定于隧道兩側(cè)，前部采用高壓膠管與混合器相連。作業(yè)面布置見(jiàn)圖2。5、注漿連接注漿管路后，用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水，設(shè)備狀態(tài)是否正常，爾后再做壓水試驗(yàn)，以沖洗巖石裂隙，擴(kuò)大漿液通路，增加漿液沖塞的密實(shí)性，核實(shí)巖石的滲透性。對(duì)于富水?dāng)嘀扑閹蹇缀螅葔核酀{液，再壓CS雙液漿。標(biāo)定注漿泵上電接觸點(diǎn)壓力表的最大壓力指標(biāo)，泵壓后觀察壓力變化及水泥漿和水玻璃的消耗數(shù)量。記錄注漿時(shí)間和注漿量。注漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后，打開(kāi)三通混合器的減壓閥排漿，卸下混合器換注另一孔。注漿結(jié)束后，拆卸各注漿器件，全部清洗干凈，并對(duì)注漿泵進(jìn)行檢查保養(yǎng)。6、作業(yè)方式注漿方式采用前進(jìn)式或全孔一次壓入式。鉆孔過(guò)程中未涌水的，就一鉆到底，全孔一次壓入式注漿；在鉆孔過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)有水，即停止鉆孔，采取注一段鉆一段的前進(jìn)式注漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)段長(zhǎng)位置。在水壓、水量較大的情況下，還可采用分層泄水減壓、分層注漿方式。即下層管注漿，中層管放水；中層管注漿，上層管放水，這樣逐層抬水把水排擠到拱頂以上規(guī)定的止水固結(jié)圈以外。注漿順序?yàn)橛上露希衫锵蛲狻?.注漿參數(shù)(1)注漿壓力及單孔擴(kuò)散半徑：注漿壓力一般為地下水靜水壓力的2~3倍，考慮到巖層裂隙阻力，該隧道富水?dāng)鄬訋С跏級(jí)毫?MPa,終壓4~5MPa。單孔漿液擴(kuò)散半徑4m。(2)注漿速度；鉆孔出水量＞50L/min時(shí)，注漿速度取80~100L/min。鉆孔出水量=0~50L/min時(shí)，注漿速度取60~80L/min。(3)注漿擴(kuò)散范圍：注漿有效范圍為開(kāi)挖輪廓線外4.0m(坍方段為5.0m)。(4)注漿量：一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的5%左右考慮，實(shí)注量由鉆孔壓水試驗(yàn)確定。本隧道單孔注漿量V=11.8m3。8.注漿中幾個(gè)問(wèn)題的處理(1)注漿時(shí)如遇竄漿或跑漿，采用間隔一孔或幾孔注漿方式。(2)注漿中，注漿量和注漿壓力是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。一般規(guī)律是：初始階段壓力較低，注入量增大；正常階段壓力和注入量呈小的波浪式起伏狀態(tài)，但總的比較平穩(wěn)；壓密注滿階段注入量迅速遞減而壓力迅速升高；在注漿中根據(jù)設(shè)計(jì)注漿量和壓力按照上述規(guī)律進(jìn)行控制。(3)對(duì)于塌體注漿，由于空隙率大，局部還有空洞，常遇到吃漿量很大而注漿壓力上不去的情況。對(duì)此，以控制注漿量為主，一般達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿量后，穩(wěn)壓幾分鐘即可停止注漿。注漿工藝流程見(jiàn)圖3。五、機(jī)具設(shè)備(一)本工法所用機(jī)具設(shè)備(見(jiàn)表2)(二)主要注漿配件1.制作注漿孔口管，管長(zhǎng)3m、6m兩種，管尾焊接聯(lián)接套，聯(lián)接套長(zhǎng)56m，內(nèi)徑90mm，外徑98mm，它的另一頭帶有梯形螺紋絲扣，也可用止?jié){塞做注漿管，止?jié){塞采用自制橡膠止?jié){塞。2.羊角式注漿嘴套帽注漿嘴套帽內(nèi)口徑螺紋能與孔口管尾外螺紋扣套接。帽頭上鉆兩個(gè)孔，接成羊角式接頭，接頭直徑30mm、長(zhǎng)85mm，與三通混合器連接。3.三通混合器三通混合器外形尺寸92mm×92mm×62mm，為逆止閥型，有4個(gè)孔，其中2個(gè)內(nèi)徑為28mm的螺紋也接注漿管的入口，有一內(nèi)徑為30mm螺紋也為出漿口，一個(gè)減壓排漿口。逆止閥使雙液混合后不能返流，直接流入羊角注漿嘴里。4.注漿孔口管頂進(jìn)聯(lián)接套頂進(jìn)聯(lián)接套尺寸注漿嘴套帽相同，在帽上套焊一個(gè)釬尾套，接在鉆孔臺(tái)車(chē)的鑿巖機(jī)上。5.注漿管Ф25高壓膠管長(zhǎng)5m和10m，每一臺(tái)注漿泵長(zhǎng)短各配2根。Ф25無(wú)縫鋼管管路配長(zhǎng)30~50m，水泥漿和水玻璃漿各一條管路。鋼管連接用鋼制管節(jié)對(duì)接，高壓膠管與鋼管連接配件為快速接頭或縮頭鎖接。六、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢查本工法除應(yīng)執(zhí)行《鐵道隧道工程質(zhì)量評(píng)定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TBJ417-87)和《鐵路隧道施工規(guī)范》(TBJ204-86)等的有關(guān)規(guī)定外，根據(jù)富水破碎斷層帶施工特點(diǎn)，還應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn)：(一)注漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.一次注漿段長(zhǎng)度不大于20m;2.注漿帷幕厚度不小于4.0m；3.堵水率不低于90%；4.注漿結(jié)石體7天的單軸抗壓強(qiáng)度不小于5MPa。(二)質(zhì)量檢查要求1.注漿量要達(dá)到設(shè)計(jì)的80%，全部注漿孔要符合單孔注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)；2.鉆孔檢查，按設(shè)計(jì)檢查孔的位置、角度鉆探，注漿固結(jié)帷幕＞4m，不合格時(shí)應(yīng)補(bǔ)注；3.取注漿結(jié)石體巖芯，取樣試件7天抗壓強(qiáng)度＞5MPa;4.檢查孔每孔出水量在原鉆孔出水量的10%以下；5.開(kāi)挖檢查漿液滲透及固結(jié)狀況；6.認(rèn)真做好注漿施工記錄(注漿量及注漿壓力變化)，以便綜合分析判斷。七、勞動(dòng)組織及安全注意事項(xiàng)(一)勞動(dòng)組織深孔超前預(yù)注漿工序多，要求工序銜接緊湊，因此施工組織安排要合理，使各道工序協(xié)調(diào)動(dòng)作。作業(yè)工序?yàn)樗拇箜?xiàng)：鉆孔、運(yùn)料、配料、注漿。每班施工作業(yè)人員29人，勞動(dòng)力組織見(jiàn)表3。勞動(dòng)力組織表3(二)安全注意事項(xiàng)本工法除應(yīng)執(zhí)行《鐵路隧道施工技術(shù)安全規(guī)則》(TBJ404-87)有關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)采取以下措施：1.地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和監(jiān)控量測(cè)應(yīng)在施工中貫徹始終。2.施工排水溝要及時(shí)疏排，嚴(yán)防積水。3.針對(duì)富水?dāng)鄬悠扑閹羁鬃{固結(jié)止水施工的特點(diǎn)和要求，制定安全實(shí)施細(xì)則。4.加強(qiáng)全員安全意識(shí)教育，堅(jiān)持安全第一的思想，不盲目追求進(jìn)度，以防止塌方。5.要配備少量聚胺酯材料，作為突水應(yīng)急堵漏之用。6.注漿作業(yè)人員應(yīng)戴口罩、眼鏡和軟手套，以防止水泥粉塵和水玻璃溶液對(duì)人體造成傷害。7.要有良好的照明條件。八、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益以溪田線XX隧道F6、F7斷層破碎帶(長(zhǎng)度250m)施工為例進(jìn)行分析：深孔注漿一次注漿段長(zhǎng)20m，開(kāi)挖長(zhǎng)度16~17m，與8m注漿段長(zhǎng)比較，減少2個(gè)注漿循環(huán)，施工速度提高一倍，單口月注漿循環(huán)2次，月成洞26.5m，達(dá)到國(guó)內(nèi)斷層段隧道施工的先進(jìn)水平。直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)148萬(wàn)元。固結(jié)止水帷幕厚度達(dá)4~5m，堵水率達(dá)94%~100%，圍巖固結(jié)強(qiáng)度為5.6MPa，施工安全度高，整個(gè)斷層施工無(wú)一人傷亡。改變了施工作業(yè)環(huán)境，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，工效高，質(zhì)量好，使隧道比原計(jì)劃提前3個(gè)月貫通，保證了觀音閣水庫(kù)蓄水和舊線拆除能按時(shí)進(jìn)行，受到了遼寧省和建設(shè)單位的好評(píng)。九、工程實(shí)例本溪—田師府鐵路改線工程的XX隧道中，F(xiàn)6、F7兩條大斷層位于隧道縱深腹部，呈南北走向，屬于區(qū)域性斷裂主干斷層，洞身穿越斷層的總長(zhǎng)為250m(DK76+250~DK67+500)。由于受東西向主壓應(yīng)力的作用，F(xiàn)6和F7這兩條壓性逆斷層內(nèi)褶皺和逆沖形跡從生，巖體擠壓破碎嚴(yán)重，多呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部還有閃長(zhǎng)玢巖等巖脈侵入。斷層破碎逞內(nèi)構(gòu)造裂隙水、節(jié)理裂隙水和石灰?guī)r溶蝕裂隙水富集，水量豐富，平均涌水量達(dá)1萬(wàn)m3/d。同時(shí)，由于地表水與地下水連通，而且F6、F7在地貌上又為低谷帶，兩側(cè)地表水向該段匯集，造成了地下水位高于線路設(shè)計(jì)標(biāo)高137m，給施工造成很大困難。更為棘手的是，附近有許多村落和工礦企業(yè)，其生活用水和工業(yè)用水均依賴(lài)分布于F6、F7低谷一帶的三眼泉水。建設(shè)單位明確提出“要保護(hù)水源，不準(zhǔn)打漏”，以免因搬遷造成巨大的賠償損失。鑒于F6、F7斷層破碎帶長(zhǎng)度大、水量多、地質(zhì)差，又位于隧道中部，為了達(dá)到既保護(hù)水源，又加速進(jìn)度的目的，十九局和鐵道建筑研究設(shè)計(jì)院等單位組成專(zhuān)題攻關(guān)小組，進(jìn)行了認(rèn)真的調(diào)查研究，確定采取全封閉深孔雙液預(yù)注漿固結(jié)止水和大管棚施工方法。根據(jù)超前地質(zhì)鉆探后的地質(zhì)情況和出水量確定斷面布孔數(shù)量及鉆孔深度和外插角度。具體做法是：每一注漿段長(zhǎng)為20m，每個(gè)斷面沿隧道開(kāi)挖面布設(shè)注漿孔19個(gè)，其中，在隧道中心軸線水平布孔1個(gè)，拱部周邊布孔7個(gè)，兩邊墻各3個(gè)，底邊5個(gè)。注漿質(zhì)量檢查孔4個(gè)(拱頂1個(gè)，左右拱腳各1個(gè)，抵板1個(gè))。。鉆孔角度，中部1?？诪樗椒较?，其余18個(gè)孔分別為上仰和下俯，各孔的外插角沿隧道的開(kāi)挖方向呈軸射線(見(jiàn)圖4)。1992年2月月底，出口口端施工接接近F7斷層，全全封閉深孔孔注漿方案案尚未開(kāi)始始實(shí)施，由由于涌水引引起大塌方方，塌方段段長(zhǎng)12mm，坍塌量量近30000m3，塌穴高高距隧頂440m，平平均涌水量量800mm3/d左右。為為此，采用用了止?jié){墻墻深也預(yù)注注雙漿全封封閉固結(jié)止止水輔以在在管