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文檔簡介
青島膠州灣海底隧道注漿材料研究與實踐
1全斷面超前預注漿加固技術(shù)20世紀40年代,日本修建的門關(guān)峽隧道是世界上首次用鉆探和爆炸法建造的隧道之一。為了解決對微小裂隙的注漿,采用水玻璃、重碳酸鈉、硅氟化鈉混合漿液注漿,取得了一定的效果。1964年,日本又修建了聞名世界的青函海底隧道,該隧道穿越津輕海峽,全長53.85km,海底段23.30km,隧道在海面下最大埋深240m,其中水深140m。青函海底隧道采用全斷面超前預注漿加固技術(shù)取得了良好的效果,主要采用具有良好滲透性的水玻璃和超細高爐礦渣水泥。截止目前,挪威已經(jīng)建成了約100km的水下隧道,均采用鉆爆法施工,采用超前預注漿的方式對海底不良地質(zhì)段進行處理。我國也意識到水下隧道對緩解交通壓力的作用。青島膠州灣海底隧道從20世紀80年代開始論證,到2006年開始建設(shè),用了近30a的時間。目前廈門東通道翔安海底隧道與青島膠州灣海底隧道均在建設(shè)中,還有一些海底隧道正在籌劃中。海底隧道建設(shè)面臨諸多的問題,在膠州灣海底隧道的建設(shè)中,通過理論分析、現(xiàn)場試驗和應用,研究出了一套適合于膠州灣海底隧道的施工方法,膠州灣海底隧道采超細水泥進行預灌漿加固堵水。整個隧道共完成注漿31段,均取得了良好的效果。多種注漿方案、注漿材料、注漿工藝、機械設(shè)備的綜合運用和研究開發(fā),實現(xiàn)了注漿技術(shù)在青島膠州灣斷層破碎帶施工中的成功應用,較好地解決了斷層破碎帶和微裂隙快速注漿的難題,在理論上有創(chuàng)新和突破,在技術(shù)上具有獨創(chuàng)性和開拓性,實際應用效果良好。2膠州灣海下隧道地質(zhì)條件2.1隧道地質(zhì)概況膠州灣海底隧道連接青島市主城與輔城,南接薛家島,北連團島,下穿膠州灣灣口海域。膠州灣隧道為城市快速道路隧道,設(shè)雙向六車道,設(shè)計車速80km/h。工程采用鉆爆法進行施工。膠州灣海底隧道位于團島和薛家島之間,全長6170m,隧道軸線處海面寬約3.5km,最大水深約為42m。隧道海底穿過區(qū)域均為火山巖,在前期地質(zhì)詳勘過程中對隧址鉆孔的弱~微風化段進行了抽水試驗以及壓水試驗,確定了隧道破碎帶的滲透系數(shù)和透水率。其中F4–4斷層破碎帶內(nèi)巖體為碎裂~鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),裂隙以密閉型為主,少數(shù)為微張型,裂隙面浸染跡象不甚明顯;該破碎帶寬度小于30m,透水率5~10Lu,滲透系數(shù)為0.03~0.06m/d,為弱滲透性。隧道共通過滲透性等級從微~中等共18條主要斷層破碎帶?;鶐r主要為微風化花崗巖、花崗斑巖、火山角礫巖、火山角礫凝灰?guī)r、流紋斑巖,并有較多輝綠巖脈、石英正長巖脈侵入。根據(jù)圍巖風化及完整程度以及隧道上方頂板厚度等狀況,隧道圍巖分為II,III,IV,V四個級別的圍巖類型。2.2打設(shè)長探孔,搭接地面為了確定前方的斷層破碎帶情況,采用了多種綜合地質(zhì)超前預報方式,主要采用物探手段(TSP超前地質(zhì)預報、地質(zhì)雷達探測法、瞬變電磁法探測)、鉆探取芯以及地質(zhì)編錄、開挖驗證的手段進行前方含水斷層的預報,取得了良好的成果。同時,在海底全程打設(shè)長探孔(探孔深度≥30m),在鉆探中根據(jù)鉆機在鉆進過程中的推力、扭矩、轉(zhuǎn)速大小、巖粉成分、成孔難易以及出水情況來判斷前方的地層情況,同時進行涌水量和水壓測試,判斷掘進工作面前方地層的含水情況。服務隧道2~3孔,行車隧道3~5孔,若工作面有出水情況可適當增加探孔數(shù)目。掌子面孔口位置距開挖輪廓線0.5~1.0m,終孔位于開挖輪廓線外1.5~3.0m。探孔每循環(huán)搭接長度,服務隧道6m,行車隧道8m。探孔出水量是選擇注漿方式的主要參數(shù)。3水泥基增強基注漿材料根據(jù)可行性、可注性、環(huán)保性、經(jīng)濟性及工藝實施難度綜合考慮選擇。目前,國內(nèi)外常用的注漿材料可以分為水泥基漿液(普通水泥漿、超細水泥漿及特制硫鋁酸鹽水泥等)和非水泥基漿液(改性水玻璃、環(huán)氧樹脂等)。考慮海底隧道處于腐蝕環(huán)境下,注漿材料應滿足耐久性和耐腐蝕性的要求,主要對普通水泥、超細水泥(MC)、快硬硫鋁酸鹽水泥(HSC)等幾種水泥基漿液進行了試驗。對凝膠時間、凝結(jié)時間、強度、耐久性、配合比等物理力學特性進行試驗,3.1調(diào)整注漿方案對普通水泥單液漿、超細水泥漿、HSC(特制硫鋁酸鹽水泥)及普通水泥–水玻璃雙液漿進行對比,主要的對比情況如表1所示:普通水泥漿材料來源豐富,價格低廉且注漿的工藝較為簡單,常常作為首選的注漿材料,但是由于其膠凝時間的一些特性,限制了其應用;超細水泥性能較普通水泥優(yōu)越,價格略高,超細水泥比表面積8200cm2/g>普通水泥4000cm2/g>快硬硫鋁酸鹽水泥3800cm2/g,可注入的裂隙較普通水泥細小,水壓高、流速大的情況下會有一定的漿液損失;HSC(特制硫鋁酸鹽水泥)能有效控制注漿區(qū)域,適宜在高水壓、水流速大的條件下注漿施工,漿液結(jié)石體具有微膨脹性,膠結(jié)后,能有效地封堵住各種出水通路,注漿后堵水效果顯著,適宜于富含水且有一定水壓的破碎巖層、出水管道地層等;普通水泥–水玻璃雙液漿可注性較好,配制容易,使用方便,考慮到其種種特性(如白濁),不建議在海底隧道中使用。初步考慮以普通水泥、HSC、MC為主要漿材,普通水泥–水玻璃作為輔助漿材,海底斷裂破碎帶應主要采用HSC及MC。對幾種漿液進行室內(nèi)試驗,從漿液的穩(wěn)定性來看,在水灰比為1∶1的條件下得出超細水泥的最終析水率及析水速度都較低;對于較大的水灰比,超細水泥的結(jié)石率較高,黏度小,但流動度不如普通水泥和硫鋁酸鹽水泥;從室內(nèi)試驗來看,現(xiàn)場注漿采用的水灰比不宜小于1∶1,否則漿液的流動性將受到較大影響。3.2注入測試在一斷層破碎帶,對普通水泥單液漿、硫鋁酸鹽水泥及超細水泥進行了注入試驗。3.2.1孔深為6.2m的孔普通水泥單液漿采用1∶1及1.2∶1兩種水灰比進行試驗。試驗結(jié)果如下:(1)C1–9孔,孔深21m,水灰比W∶C=1∶1,在壓注2min時,孔口密封墊片被沖破,注漿量較小。(2)C3–6孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,壓力上升很快,達到2.5MPa,孔口密封墊片被沖破,注入124L。填滿該孔需注入46.6L左右。(3)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,注漿1min,壓力達3MPa,注入67.4L。(4)C5–10孔,孔深17m,W∶C=1.2∶1,注漿2min,密封墊沖破,壓力達5MPa,注入46.2L。(5)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1.2∶1,注漿2min,壓力達到5MPa,注入96.04L。從試驗數(shù)據(jù)中來看,普通水泥由于顆粒相對較粗,在裂隙密閉地層壓入困難,漿液僅能填滿注漿鉆孔,不能進行有效的劈裂和擴散。3.2.2孔深為6.22孔,注漿即達到2.硫鋁酸鹽水泥單液漿試驗水灰比為1∶1。在現(xiàn)場選擇3孔進行試驗。試驗結(jié)果如下:(1)C2–8孔,孔深32m,W∶C=1∶1,共注漿20min,注漿量474.7L。從注漿記錄時間–壓力曲線來看,壓力呈直線上升趨勢,最終壓力達到4.7MPa。從流量–時間曲線來看,流量呈逐漸增大,達到最大值時,又逐漸下降,達到最大壓力時的流量為3.9L/min。(2)C2–16孔,孔深31m,W∶C=1∶1,共注16min,注漿量593.3L。從注漿記錄時間–壓力曲線來看,壓力呈緩慢上升趨勢,達到峰值后突然下降,然后又上升至最大壓力,最終壓力達到4.3MPa。從流量–時間曲線來看,流量呈逐漸增大,達到最大值時,逐漸下降,達到最大壓力時的流量為18.4L/min。(3)6+990–2孔,孔深5m,W∶C=1∶1,共注10min,注漿量201.1L。從注漿記錄時間–壓力曲線來看,壓力呈直線上升趨勢,最終壓力達到3.57MPa。從流量–時間曲線來看,流量呈逐漸增大,達到最大值時,逐漸下降,達到最大壓力時的流量為10.2L/min。從試驗情況來看,與普通水泥漿一樣,硫鋁酸鹽水泥注入量也不大,這是因為快硬硫鋁酸鹽水泥和普通水泥的顆粒相差不大,只是成分上有所差別,顆粒相對較粗,在細小裂隙內(nèi)注漿量很難增加。3.2.3孔口爆裂注漿超細水泥以1∶1的水灰比進行注漿,該水灰比可注入性較好,注漿量比較大。另超細水泥以0.8∶1的水灰比對B25孔進行試驗,孔深15m,于15:50開始,16:01結(jié)束,累計注漿量401.6L,最大壓力3MPa。該孔起始流量較大,之后隨著壓力上升,流量逐漸下降,在壓力達到最大時,降至第一個低值,隨后又有所增大,注漿壓力逐漸上升,在7min后達到最大,隨后壓力減小。該孔在壓力達到最大時,孔口密封爆裂,隨后壓力下降,流量上升。填滿該孔需要漿量96.5L,總注入量401.6L,注入量較小。漿液較濃后,在地層中的注漿機制首先是積聚壓密,然后是劈裂滲透,主要適用于軟土地層,而裂隙巖體一般采用較稀的漿液進行劈裂注漿。采用1∶1或1.2∶1的普通水泥或快硬硫鋁酸鹽水泥注漿,雖能注入一部分,但其擴散范圍有限,容易引起群粒堵塞效應。而采用0.8∶1的超細水泥漿由于其漿液較濃,流動性較差,黏度較大,容易積聚;注漿時,容易引起裂隙入口處滲漿通道的堵塞,導致注漿壓力上升較快,注漿量較小。3.3預應力管道的選用根據(jù)室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗,并結(jié)合各種漿液的性質(zhì),決定注漿材料的選取標準為:(1)單孔鉆孔出水量≤40L/min時,采用超細水泥單液漿。(2)單孔鉆孔出水量為40~80L/min時,按普通水泥漿→超細水泥單液漿的順序選用。(3)單孔鉆孔出水量≥80L/min時,按硫鋁酸鹽水泥漿→普通水泥漿→超細水泥單液漿的順序選用。4砂漿注射設(shè)備的應用4.1液壓銑削機:主要采用液壓鉆機在注漿工程中,鉆孔機械應根據(jù)工程所需要的孔深、孔徑等參數(shù)來確定。膠州灣隧道斷面較大(內(nèi)凈空高8.218m,寬14.426m),對機械的要求較高。為滿足大規(guī)模注漿要求,從施工工期和設(shè)備綜合利用方面考慮,海底隧道鉆孔需要的鉆機應具備鉆孔速度快、有高性能旋轉(zhuǎn)沖擊動力頭裝置、大范圍鉆孔方向、鉆桿安裝拆卸方便、移動方便等條件。常規(guī)地質(zhì)鉆機的代表是煤炭科學研究院西安分院生產(chǎn)的MKD系列鉆機,其特點是單個體積較小,價格相對較為便宜,用于大斷面鉆孔時,為提高施工效率,需要搭設(shè)鉆孔臺架及多臺聯(lián)合鉆孔注漿。由于膠州灣隧道斷面較大,斷層破碎帶較長,且施工要求較高,因此,常規(guī)地質(zhì)鉆機的實用性不高,不建議采用。液壓鑿巖臺車及鑿巖機的出色代表有阿特拉斯RocketBoomer353E/H178、日本礦研的RPD–150C多功能全液壓鉆機、意大利卡薩Grand–C6鉆機及張家口宣化恒通鑫鉆孔機械有限公司的HTYM808多功能液壓鉆機等。阿特拉斯353E使用φ64mm鉆桿,礦研RPD–150C使用φ65mm鉆桿。阿特拉斯353E鉆設(shè)注漿孔35個,累計鉆進794.98m,用時2145min,平均鉆進效率0.33m/min。礦研鉆設(shè)注漿孔38個,累計鉆進831.22m,用時5940min,平均鉆進效率為0.14m/min,臺車的鉆進效率大約是多功能鉆機的2.4倍。同時臺車采用輪胎式行走,多功能鉆機采用履帶式行走,進場和定位均比較慢。阿特拉斯353E的移動范圍比較大,臺車就位后可在掌子面范圍之內(nèi)進行移動,而多功能鉆機只能在附近2m的位置移動,需要隨時調(diào)整位置。鑿巖臺車用于打設(shè)炮眼孔和錨桿孔的R38(H35/R32)×5.5m六角形鉆桿無法滿足深孔施工要求,經(jīng)過現(xiàn)場不斷改進,最終選擇了進口T38×3.66m圓形加長鉆桿,解決了深度鉆孔問題。在注漿施工中,鉆進深度一般為20~40m,鉆孔偏差值大小直接影響超前預注漿止水和加固效果,通過改進鉆桿類型,嚴格控制孔位誤差、低沖擊慢鉆進、控制一次加固長度等措施嚴控鉆孔偏差,保證孔底偏差不大于孔深的1/40。采用三臂鑿巖臺車進行鉆孔使得注漿的效率得到提高。鑿巖臺車配備直徑為65及89mm等多種鉆頭,在注漿實施過程中,完全發(fā)揮了鉆進潛力,三臂同時鉆進,大大提高了鉆孔速率。在進行詳細對比后,提出了以改進三臂鑿巖臺車為主、多功能鉆機為輔的超前預注漿系統(tǒng),極大地提高了超前預注漿的鉆孔效率。4.2注漿泵的選擇現(xiàn)場制漿設(shè)備采用二級攪拌系統(tǒng),一級攪拌采用采用黑旋風工程機械有限公司生產(chǎn)的高速制漿機ZJ–400,轉(zhuǎn)速可達1440r/min,二級攪拌采用轉(zhuǎn)速85r/min的LJ–300攪拌機,從現(xiàn)場注漿實施來看,采用高速制漿機的發(fā)熱量比較大,攪拌3~4min后應將漿液倒到二級攪拌設(shè)備中。高速攪拌設(shè)備固液兩相物質(zhì)在泵殼內(nèi)由于葉輪的高速旋轉(zhuǎn)(1430~1470r/min)而被強烈攪拌分散而達到充分混合后,再從泵內(nèi)排出以切線方向返流到罐內(nèi)產(chǎn)生巨大的渦流,使?jié){液進一步攪拌,在多次循環(huán)作用下使?jié){液具備良好的流變性能及穩(wěn)定性,由此而攪拌成漿液。從現(xiàn)場應用來看,2種攪拌機配合使用能夠滿足注漿漿液的配制和性能要求,保證了制備漿液的連續(xù)性和漿液的穩(wěn)定性。注漿泵按照其結(jié)構(gòu)形式可以分為偏心螺桿泵、柱塞泵及活塞泵。偏心螺桿泵注漿壓力較低,壓力與流量不能調(diào)節(jié),維修費用高,其優(yōu)點是購置費用低,一般在低壓注漿中使用;柱塞泵是10a前使用最多的注漿泵,是通過機械傳動,曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動雙缸往復作用柱塞式泵,為減少脈沖流動,通常使用2個或者3個柱塞,其缺點是壓力流量配比不能無級調(diào)速;活塞泵是目前使用最多的全液壓注漿泵,為雙缸或單缸雙作用往復式活塞泵,它采用液壓傳動,其壓力與流量能調(diào)節(jié),可適應注漿初期壓力低排量大,后期壓力高排量相應減少的要求,這種泵一般都能預先設(shè)定最大注漿壓力,從而較好地滿足注漿工藝要求。根據(jù)經(jīng)驗,注漿泵壓力通常應為設(shè)計注漿壓力的1.3~1.5倍。因此本工程采用的注漿泵工作壓力應不小于6MPa。施工中可以根據(jù)條件和需要選用,由于本工程注漿不可避免地要用到雙液漿,因此選擇KBY–50/70或ZBSB–148~23/6–185等雙液泵是比較合適的。經(jīng)過比選,隧道土建施工標段I和IV標主要采用KBY–50/70活塞式雙液注漿泵,II及III標主要采用3SNS–A柱塞式注漿泵。KBY–50/70的最大流量為0~50L/min,額定工作壓力為0.5~7.0MPa,額定功率為11kW;3SNS–A額定工作壓力大,流量穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)合理,操作方便,其理論排量為110~207L/min,最大壓力為8MPa。2種注漿泵在注漿過程中均能達到滿意的效果。4.3注漿儀器和水灰比分析注漿參數(shù)計量儀器是對注漿過程中注漿壓力、漿液流量進行全過程監(jiān)測的儀器。目前施工單位大多采用浮子標桿測量法或者體積法測定注漿泵的流量,這種測量法雖然簡單易行,但測量誤差較大,注漿壓力則大多數(shù)通過觀察泵壓的辦法,難以準確紀錄。采用長沙富眾電子科技有限公司生產(chǎn)的LHGY3000型注漿記錄儀(見圖1),可記錄當前注漿壓力P,流量Q以及時間T,記錄儀可以生成P-T曲線、Q-T曲線,可由此判斷注漿情況(見圖2)。該設(shè)備采用工業(yè)控制計算機,使用穩(wěn)定,針對注漿工地潮濕、灰塵大、電壓波動大、震動強烈等惡劣環(huán)境,采用了完善的措施,適用于長時間不間斷工作和頻繁轉(zhuǎn)移施工位置等惡劣的施工條件。從現(xiàn)場應用來看,該系統(tǒng)應用狀況良好,簡單易學,故障率低。注漿記錄儀的水灰比探頭因容易堵塞而沒有使用,在現(xiàn)場依靠體積法進行水灰比的控制。對水灰比進行抽樣測試,確保水灰比。另外,作為計量儀器,為保證其可靠性,必須及時進行標定工作。以多臂鑿巖臺車鉆孔和高速旋流式制漿機制漿、高壓注漿泵注漿、注漿記錄儀自動記錄注漿參數(shù)的信息化鉆孔注漿設(shè)備配套系統(tǒng),通過采取“分區(qū)鉆孔、分區(qū)注漿、鉆注平行作業(yè)”,實現(xiàn)了超前預注漿的信息化快速施工,使得斷面面積達170m2的大斷面海底隧道深孔超前預注漿平均鉆注時間縮短為15d/循環(huán)以內(nèi),與采用單臂鉆機鉆孔注漿配套模式相比鉆注效率提高了2倍,每鉆注循環(huán)節(jié)省時間達30d以上,為隧道的安全、優(yōu)質(zhì)、高效建成提供了有力保障。5該工藝的參數(shù)和方案的實施5.1選擇和驗證注漿參數(shù)5.1.1注漿終孔間距根據(jù)工程經(jīng)驗及工程類比,上斷面周邊注漿擴散半徑為2m。根據(jù)注漿加固交圈理論,注漿后應形成嚴密的注漿帷幕,在注漿終孔斷面上不應存在注漿盲區(qū),根據(jù)下式:式中:a為注漿終孔間距(m),R為漿液擴散半徑(m)。計算得出a=3.46m。為確保加固效果,一般注漿終孔間距不超過3.5m。布設(shè)注漿孔時根據(jù)注漿終孔的間距進行控制。5.1.2鉆孔與注漿孔圖3為擴散半徑試驗孔位布置圖。根據(jù)上斷面的實際高度,布置了R1~R4四個注漿孔,R1,R2,R4孔均間隔4m,R3與R2,R4孔均間隔3m,孔深20m,仰角為0°,試驗孔采用全孔一次性注漿,注漿終止壓力為3~4MPa。注漿材料采用超細水泥單液漿,水灰比為1∶1。在進行試驗時掌子面注漿孔已安設(shè)了大部分孔口管,孔深2m。通過試驗可知,當鉆孔有水且具有一定連通性時,在1MPa壓力下漿液可擴散3m左右,若相鄰鉆孔無水或水量較小,裂隙連通性差,在1.5MPa壓力下,漿液的擴散范圍可達1.5~3.0m。從試驗情況來看,漿液擴散范圍很不均,這與地層的復雜性有關(guān),理論研究和實踐經(jīng)驗表明,漿液擴散范圍與裂隙張開度、裂隙孔隙度、裂隙迂曲度、裂隙稠密度、注漿壓力、注漿時間、漿液性能等有關(guān)。5.1.3隧道開挖斷面寬度確定注漿加固范圍時,主要考慮注漿后加固圈的承載力和抗?jié)B性要求兩方面,根據(jù)工程類比法、理論分析法和數(shù)值模擬法確定了注漿加固厚度。據(jù)水電部門統(tǒng)計,加固厚度一般為(0.5~2.0)D(D為隧道開挖斷面寬度);日本青函隧道加固范圍為隧道開挖輪廓線外(0.5~1.0)D;廈門翔安隧道主隧道6m左右。從偏于安全角度類比,主隧道預注漿的加固范圍應為開挖輪廓線外(0.5~1.0)D,主隧道寬度按照12m考慮,加固范圍應為6.0m左右。另外,采用多點位移計測試得到受斷層破碎帶影響的IV級圍巖段,圍巖松動圈最大可達1.6m,取斷層影響帶松動圈的2~3倍作為加固范圍,加固范圍應為3.2~4.8m。通過多種論證,決定主隧道按照加固圈5~6m進行設(shè)計。5.1.4注漿壓力和方案注漿壓力是漿液在地層裂隙中擴散、充填、壓實脫水的動能,是注漿設(shè)計和施工中的主要注漿參數(shù)之一,對提高注漿質(zhì)量和保證注漿效果起到較大的影響作用。以水壓為依據(jù)的經(jīng)驗公式,主要目的在于堵水,適用于深埋地層,注漿時不受覆蓋層厚度限制,不考慮地層隆起??紤]到超前預注漿的目的主要是堵水和加固,同時防止?jié){液擊穿覆蓋層,因此以靜力平衡和裂隙寬度作為壓力初步確定選擇的依據(jù),根據(jù)靜力平衡條件計算壓力為2.4MPa,由裂隙寬度確定的注漿壓力應在4MPa以上。綜合2種方法確定注漿壓力為3~4MPa。根據(jù)經(jīng)驗公式獲得的壓力和數(shù)值模擬結(jié)果,在F5–4斷層帶進行注漿堵水和加固時,采用注漿壓力3~4MPa,按漿液擴散半徑2m進行了方案設(shè)計,該段加固長為30m,加固范圍為開挖面及輪廓線外5m。本段進行注漿后,鉆設(shè)了10個檢查孔,除3個檢查孔滴水外,其余均無水,成孔良好,無塌孔現(xiàn)場。根據(jù)檢查孔涌水量每延米不大于0.15L/min或局部孔涌水量小于3L/min的標準,達到了設(shè)計要求,通過壓水試驗測得注漿后地層滲透系數(shù)在1.65×10-5cm/s左右,比注漿前降低了2個數(shù)量級,注漿效果較好。從開挖效果來看,除個別地段有滲水外,隧道掌子面基本無水,漿液主要沿節(jié)理裂隙滲透和充填,漿液結(jié)實率較高;若鉆孔穿過的圍巖較完整時,漿液很難劈開裂縫,如鉆孔揭穿裂隙面時,漿液則沿裂隙面滲透和充填;在斷層破碎及夾泥部位漿液進行劈裂充填。通過效果檢查和開挖揭示來看,施工中選用的3~4MPa壓力在保證注漿效果的同時,對地層的損害也不明顯。5.1.5注漿步序和注漿孔注漿詳細參數(shù)如表2所示,其中最大注漿壓力為4MPa,注漿步序依次為A序(0~13m)、B序(0~20m)、C序(0~30m),分別是最外圈、次外圈及內(nèi)圈注漿孔。D序為對下端面注漿盲區(qū)補充步序。5.2主漿注射技術(shù)和主漿方案的選擇5.2.1全孔一次性注漿法注漿工藝主要有分段后退式注漿、分段前進式注漿以及全孔一次性注漿。分段后退式注漿優(yōu)點:不需要重復掃孔,漿液利用效率比較高,能實現(xiàn)控域注漿。缺點:封孔比較困難,存在漿液繞過止?jié){塞將其抱死的情況。分段前進式注漿優(yōu)點:工藝比較簡單,適應性強,反復加固地層,易保證注漿效果。缺點:重復掃孔,施工效率較低,靠近掌子面方向重復注漿。全孔一次性注漿具有工藝簡單,效率高等優(yōu)點,但其只適合于孔深較小的孔內(nèi)注漿。海底隧道斷層破碎帶主要采用分段前進式注漿,輔以全孔一次性注漿。分段前進式注漿示意圖如圖4所示:安設(shè)孔口管的孔位采用臺車φ130mm鉆頭開孔(開孔鉆深2.2m后,退出鉆桿,安裝孔口管,孔口管是一端焊有抱箍卡口的鋼管,長度2.2m),隨后改鉆進鉆頭成孔,通過孔口管鉆進5.0~10.0m后,停止鉆孔,進行注漿,之后每鉆進5.0~10.0m,再注漿,如此循環(huán)下去,直至完成該孔的鉆孔及注漿施工。對于某薄弱或裂隙突水區(qū)域,可以采用孔內(nèi)止?jié){的注漿方式。5.2.2隧道周邊缺陷地層注漿注漿方案的選擇主要依據(jù)地質(zhì)勘探資料、超前地質(zhì)預報成果、探水孔水壓和出水量大小以及以往類似工程經(jīng)驗。膠州灣隧道地質(zhì)條件比較復雜,主要包含斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、巖脈不整合接觸帶及海水侵蝕地層等。一般來說,在斷層破碎帶、節(jié)理裂隙比較發(fā)育且出水量或水壓較大地段應采用超前預注漿方案,按照超前探孔出水量、探孔水壓及超前地質(zhì)預報情況,分為全斷面超前預注漿、隧道周邊帷幕注漿及局部斷面超前注漿(見表3)。在巖體完整、節(jié)理、裂隙不太發(fā)育地層中,局部出水或滲漏水地段可采用開挖后徑向注漿及局部注漿方案。相對嚴格的超前預注漿方案可減少后注漿的難度,王月華等測算表明后注漿的費用要比超前預注漿高出2~3倍。海底隧道在施工中也對后注漿進行了有益的探索,嘗試采用馬麗散作為注漿材料,取得了較好的效果。5.3注漿過程5.3.1礦物學及地質(zhì)情況海底隧道YK6+961~915段全長46m,高潮時水深27~30m;海底覆蓋層2~3m,主要為砂礫,局部沉積有淤泥。隧道拱頂覆蓋層僅24~26m。本段發(fā)育有F4–4NW向破碎帶,帶內(nèi)巖體為碎裂~鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),裂隙以密閉型為主,少數(shù)為微張型,裂隙面浸染跡象不甚明顯;巖體受構(gòu)造影響嚴重,巖體完整程度和風化帶厚度差異很大,基巖以含晶屑火山角礫凝灰?guī)r為主,局部夾凝灰?guī)r、并有較多輝綠巖脈、石英正長巖脈侵入。輝綠巖抗風化能力差且輝綠巖及其兩側(cè)巖體往往較破碎或發(fā)育小斷層。(1)TSP203+探測成果:YK6+961~912段圍巖等級以V級為主,局部IV級,裂隙含水,有巖脈侵入,發(fā)育多組高角度大規(guī)模結(jié)構(gòu)面。異常段:YK6+975~960段裂隙發(fā)育,軟弱泥質(zhì)充填,整體性差,裂隙含水,YK6+926~910段發(fā)育多組高角度結(jié)構(gòu)面,斷層泥和強風化圍巖充填,整體性差。(2)地質(zhì)雷達探測成果:YK6+961掌子面前方8m范圍的巖層總體上與現(xiàn)在掌子面情況類似,圍巖較完整,無明顯含水構(gòu)造。掌子面中左部前方12~18m范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集,圍巖強度低,完整性差,自穩(wěn)能力差,含裂隙水。(3)探孔情況在隧道上臺階設(shè)置了3個探孔(拱頂1個,左、右側(cè)隧道前方各1個),3個探孔孔深均為45m,且鉆進7.2m前鉆孔速度均正常,7.2m后速度減慢,且均有卡鉆現(xiàn)象(拱頂探測較多),探測得到的巖屑顏色為紫褐色。拱頂探測、左側(cè)探測均從孔深21.6m處出水,經(jīng)測定出水量分別達36.5,17.0L/min;右側(cè)探測從孔深7.2m處出水,經(jīng)測定出水量達16L/min。綜合判定YK6+961~916段圍巖等級以V級為主,局部IV級,適用于全斷面超前預注漿。5.3.2注漿方案制定根據(jù)超前地質(zhì)預報和鉆探成果,結(jié)合設(shè)計要求,主隧道YK6+961~915段,共46m,主要為V級圍巖,為確保施工安全,采用全斷面超前預注漿,根據(jù)工程經(jīng)驗和工程類比,上、下斷面周邊注漿擴散半徑分別為1.5,2.0m。并對下斷面三角盲區(qū)增加D序列。每循環(huán)注漿段長30m,開挖25m,預留5m為下一循環(huán)止?jié){巖盤??紤]到采用全斷面進行注漿工序轉(zhuǎn)換復雜,故采用上斷面對全斷面進行注漿。圖5為F4–4斷層第一循環(huán)超前預注漿圖,洞內(nèi)注漿方案如圖4,5(a)所示,圖5(a)中的A~D為注漿步序。在進行施工之前,首先根據(jù)掌子面情況對掌子面進行封閉,施作止?jié){墻。依據(jù)通過試驗確定的注漿參數(shù)進行注漿。制定出注漿方案后嚴格按照方案進行布孔,孔位誤差的絕對值應≤1cm,孔底的偏差不應大于1/40的孔深。布設(shè)孔后采用鑿巖臺車φ127mm的鉆頭開孔,孔深2.2m,之后安裝孔口管??卓诠馨惭b后采用φ12mm的鋼筋進行連體連接,確保施工安全。5.3.3管進注漿施工注漿孔采用φ90mm的鉆頭成孔,通過孔口管鉆進5~10m后,進行注漿施工。漿液采用二級拌制系統(tǒng),注漿實施采用水灰比為1∶1的超細水泥進行,壓力及流量的控制采用注漿記錄儀。5.3.4l/min超過20min注漿結(jié)束標準以定壓和定量為主,注漿壓力達到設(shè)計終壓,并且注漿速度小于5L/min超過20min時,即可結(jié)束本孔注漿。當注漿過程中長時間壓力不上升,并且達到設(shè)計注漿量時,應縮短漿液的凝膠時間,并采取間歇注漿措施,控制注漿量。當設(shè)計孔全部達到結(jié)束標準且注漿效果檢查合格時,即可結(jié)束本循環(huán)注漿。6砂漿注射效果的檢測6.1鉆孔注漿效果評價根據(jù)注漿情況,選擇注漿范圍存在薄弱環(huán)節(jié)的注漿部位布設(shè)檢查孔,數(shù)量大約取鉆孔數(shù)量的10%。檢查孔的出水量每延米不大于0.15L/min或者局部出水量小于3L/min時即認為達到要求。同時可對檢查孔進行再次壓漿或壓水試驗。達到要求可進行下一步的開挖,若沒有達到要求則對未滿足要求的部分進行補充注漿。F4–4斷層第一循環(huán)共打設(shè)J1~J10共10個檢查孔,各孔出水量如表4所示。其中檢查孔出水量最大為J5,12~20m出水量為0.15L/min,所有檢查孔在A序孔0~12m段均無水,檢查孔放置12h后,除3個檢查孔滴水外,其余7個檢查孔均無水,成孔良好,無塌孔現(xiàn)場。根據(jù)檢查孔出水量每延米不大于0.15L/min或局部出水量小于3L/min的標準,本次注漿達到設(shè)計了要求,注漿效果良好。表5為數(shù)個斷層各個注漿段檢查孔的效果評價統(tǒng)計,經(jīng)檢驗,均滿足設(shè)計要求。壓水試驗是測定地層滲透性最常用的一種滲透試驗方法。通過壓水試驗計算單位鉆孔吸水量,為確定漿液的配合比和注漿量提供依據(jù),檢驗注漿管路連接是否牢固可靠,另外注水同時可沖洗裂隙,利于漿液的擴散,判斷注漿效果。首先要對鉆孔進行清洗,應清洗至孔口回水清潔,肉眼觀察無巖粉時方可結(jié)束,否則比較影響壓水試驗的結(jié)果。對孔口進行封閉,連接好管路,實施壓水試驗,壓力可取為1MPa,記錄20min,記錄中應包括壓力最大時的泵流量。在F4–4斷層,對C1–7鉆孔進行現(xiàn)場壓水試驗,C1–7孔深7m,孔徑為108mm。試驗進行20min,壓水壓力1MPa,注漿記錄儀自動計算出的透水率為10.7Lu,根據(jù)透水率與滲透系數(shù)的關(guān)系1Lu≈1.3×10-7m/s,可大概推出該孔的滲透系數(shù)為1.39×10-6m/s。注漿完成之后,可對檢查孔再次進行壓水試驗,用來輔助判斷是否達到注漿標準。通過簡易壓水試驗,對注漿前、后的數(shù)據(jù)進行對比,其中對F4–4斷層進行簡易壓水試驗,獲得表6所示的試驗結(jié)果。4個檢查孔的透水率均小于1.5Lu。注漿后地層滲透系數(shù)在1.65×10-7m/s左右,比勘察報告中給出的F2–1斷層破碎帶滲透系數(shù)1.3m/d,即1.51×10-5m/s,降低了2個數(shù)量級,巖體透水性由中等透水下降為弱透水,注漿效果明顯。6.2注漿密度和密度的影響對注漿前、后的掌子面施作隧道地震預測(tunnelseismicprediction,TSP),得到表7所示的結(jié)果。從表7可以看出,注漿后,巖體整體性得到提高,其動彈性模量增長最為顯著,增幅為19.1%,密度增長了3.6%,泊松比下降了7.1%,縱波波速有小量增長0.8%。注漿效果顯著,達到了注漿目的。6.3孔攝像機探測結(jié)果2009年2月4日,山東大學巖土工程中心對青島膠州灣隧道出口段右洞進行了數(shù)字鉆孔攝像,采用數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)。由于鉆孔在YK6+955處有較大彎曲,探頭無法推進,故本次攝像范圍為出口YK6+961~955。探測結(jié)果見圖6。數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)觀測表明:注漿后,圍巖完整性提高,大多數(shù)裂隙已充填密實,孔內(nèi)無裂隙水。6.4擴散的痕跡爆破開挖后可以清楚看到漿液隨節(jié)理裂隙面擴散(見圖7),擴散的痕跡明顯,掌子面基本比較干燥。漿液主要沿節(jié)理裂隙和巖土交界面充填,漿液在裂隙內(nèi)的充填飽滿,結(jié)石率達100%,裂隙寬度在0.1~10.0mm的范圍內(nèi)。6.5p-q-t曲線分析圖8為三參數(shù)注漿儀在注漿施工中所記錄的注漿壓力P、注漿量Q進行P-T,Q-T曲線繪制,根據(jù)地質(zhì)特征、注漿機制、設(shè)備性能、注漿參數(shù)等對P-Q-T曲線進行分析,從而對注漿效果進行評判。注漿施工中P-T曲線呈緩慢上升趨勢,Q-T曲線先急劇上升后緩慢下降,在注漿結(jié)束時注漿壓力達到設(shè)計終壓,此類曲線屬于正常注漿過程;在發(fā)生堵管或者漿液滲透和劈裂擴散時,P-T曲線和Q-T曲線則呈其他變化趨勢,要針對具體問題具體分析。6.6開挖累計收斂時場圖9為拱頂沉降時態(tài)曲線,以上臺階開挖為時間0點,下同。圖9(a),(b)開挖起始時間分別為2008年12月27日和2009年2月14日。由圖9(a)可知,未注漿段拱頂沉降22~35
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