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

隧道富水?dāng)鄬訋羁壮邦A(yù)注漿全封閉固結(jié)止水工法（TLEJGF-92-28）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一田師府鐵路改線段的八盤嶺單線鐵路隧道穿越250m富水?dāng)鄬悠扑閹Э茖W(xué)試驗與施工實踐的基礎(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,不能因為施工造成水的流失導(dǎo)致搬遷和破壞生態(tài)環(huán)境。為此,建設(shè)單位明確提出“要保護水源,不準打漏。為了達到既保護水源,又加快施工的目的,第十九工程局與鐵道建筑研究設(shè)計院組成聯(lián)合攻關(guān)組,開發(fā)了深孔超前預(yù)注水泥一水玻璃雙液漿全封閉固結(jié)止水新技術(shù),順利通過了250m富水?dāng)鄬訋?。本項施工新技術(shù),獲1991年中國鐵道建筑總公司科技進步一等獎。注漿QC小組被評為1992年度國家級優(yōu)秀QC小組。溪田鐵路驗收時,該隧道被評為優(yōu)質(zhì)工程。二、工法特點本工法與周邊淺眼預(yù)注漿相比,有以下幾個特點:1.工作面和周邊圍巖均布孔,進行全斷面全封閉深孔注漿固結(jié)止水,在隧道開挖斷面周邊能形成一定厚度的堵水帷幕,對于水源保護要求高、以堵為主的隧道和地下工程尤為合適。2.注漿孔深度大,注漿段長度20m左右,可減少注漿與開挖工序的頻繁倒換和作業(yè)循環(huán)次數(shù),故能加快進度。3.采用靈活機動、高效的瑞典液壓鉆孔臺車鉆孔、下注漿管,移位、對位方便,鉆孔、下管快,作業(yè)效率高。凡有液壓鉆孔臺車的工點,不必另配其他的鉆孔設(shè)備,能發(fā)揮一機多用的效果。三、基本原理和適用范圍（一）基本原理對于地質(zhì)復(fù)雜的富水?dāng)鄬悠扑閹?水源保護要求很高。為了防止開挖面涌水,除了沿隧道開挖輪廓線（含底部)按軸向輻射狀布孔外,在開挖面中心,也布孔注漿。注入按一定比例配制而成的水泥一水玻璃雙液漿后,漿液滲透擴散到破碎帶的孔隙中并快速凝固,與周圍破碎巖塊固結(jié)成具有一定強度的結(jié)石體,在隧道周邊及開挖面形成一個堵水帷幕(加固）,切斷地下水流通路,以此達到固結(jié)止水、保持圍巖穩(wěn)定、增強施工安全的目的。(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,也用于隧道及其他地下工程塌方的處理整治。對于要求保護水資源、防止施工時地下水流失,以及嚴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(一)施工程序施工程序見圖1。二超前地質(zhì)預(yù)報對于構(gòu)造復(fù)雜、水量豐富的大斷層帶,必須準確預(yù)報工作面前方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)報作為一個工序納入施工過程。1.鉆孔方法:利用液壓鉆孔臺車施鉆深孔,一般在拱頂、起拱線和隧道中下部位各鉆一76孔,孔深超出注漿段5m左右。2.預(yù)報內(nèi)容:預(yù)測工作面前方注漿段長范圍的地質(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挖后的巖面觀測素描,綜合判斷預(yù)報前方水文、地質(zhì)條件。(三)鉆孔作業(yè)1.布孔:臺車就位固定后,由測量工站在臺車臂托籃上,用紅油漆在掌子面上按設(shè)計準確畫出鉆孔位置,標(biāo)注編號。2.鉆孔(1)施鉆時臺車大臂必須頂緊在掌子面上,以防止過大顫動而影響施鉆精度。2)鉆機開孔時鉆速宜低,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)計深度。4)鉆孔深度達到設(shè)計要求后,鑿巖機后退帶出鉆桿,人工用卡鉗或大扳手卡緊前桿,鑿巖機反轉(zhuǎn),松開連接套卸下鉆桿,按同樣方法依次拆卸鉆桿退出孔外。3.開孔孔徑及深度:注漿孔用五歲102鉆頭開孔,孔內(nèi)放置長36m的89鋼管(或橡膠止?jié){塞管)做孔口管,掏孔清碴時用76鉆頭。注漿段長度20m,各孔角度和孔深見表1和圖4。4.鉆孔深度控制:臺車大臂按設(shè)計布孔位置點對正,用簡易垂球量角器測鉆桿仰角,調(diào)整至設(shè)計角度,并在鉆桿上安裝導(dǎo)向指示器,控制鉆孔偏角。5.臺車鉆孔工作參數(shù):鑿巖臺車鉆孔作業(yè)的推進壓力2.5-4.0MPa,回轉(zhuǎn)壓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指標(biāo)(GB178一85)標(biāo)準。(2)水玻璃:選用出廠濃度42-45Be,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(TBJ210一86)中第2.4.1條的各項規(guī)定。2.配比控制水灰比(W/C)為0.8;水玻璃稀釋濃度為25-35Be；雙液體積比(C/S）為1:0.5-0.7。3.凝膠與凝結(jié)時間控制為滿足漿液擴散半徑的要求,采用的凝結(jié)時間為:一般地段為3分鐘,富水地段為1-2分鐘。雙液漿的凝膠時間不同于凝結(jié)時間。凝膠時間較短,是指由流動狀態(tài)變?yōu)椴涣鲃訝顟B(tài)的過程。凝結(jié)是水泥漿體開始失去可塑性的時間。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,凝膠時間則由長到短,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,凝膠時間由短到長,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,凝膠時間由短到長,初、終凝由,快到慢。4.作業(yè)面布置為保證施工安全,對于富水?dāng)鄬悠扑槎?一般采取襯砌緊跟的施工方法。由于作業(yè)凈空受到限制,故注漿站采取移動式。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,以沖洗巖石裂隙,擴大漿液通路,增加漿液沖塞的密實性,核實巖石的滲透性。對于富水?dāng)鄬悠扑閹蹇缀?先壓水泥漿液,再壓CS雙液漿。標(biāo)定注漿泵上電接觸點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。記錄注漿時間和注漿量。注漿達到標(biāo)準后,打開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,并對注漿泵進行檢查保養(yǎng)。6、作業(yè)方式注漿方式采用前進式或全孔一次壓入式。鉆孔過程中未涌水的,就一鉆到底,全孔一次壓入式注漿;在鉆孔過程中,如發(fā)現(xiàn)有水,即停止鉆孔,采取注一段鉆一段的前進式注槳,直至達到設(shè)計段長位置。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。注漿順序為由下而上,由里向外。7.注漿參數(shù)(1)注漿壓力及單孔擴散半徑:注漿壓力一般;但地卡水靜水壓力的2-3倍,考慮到巖層裂隙阻力,該隧道富水?dāng)鄬訋С跏級毫?MPa,終壓4-5MPa。單孔漿液擴散半徑4m。(2)注漿速度:鉆孔出水量50L/min時,注漿速度取80-100L/min。鉆孔出水量=0-50L/min時,注漿速度取60-80L/min。3注漿擴散范圍:注漿有效范圍為開挖輪廓線外4.Om(塌方段為5.Om)。(4注漿量:一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的5%左右考慮,實注量由鉆孔壓水試驗確定。本隧道單孔注漿量V=11.8m3。8.注漿中幾個問題的處理1)注漿時如遇竄漿或跑漿,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)計注漿量和壓力按照上述規(guī)律進行控制。(3)對于塌體注漿,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。對此,以控制注漿量為主,一般達到設(shè)計的注漿量后,穩(wěn)壓幾分鐘即可停止注漿。五、機具設(shè)備（一)本工法所用機具設(shè)備(見表2)(二)主要注漿配件1.制作注漿孔口管,管長3m、6m兩種,管尾焊接聯(lián)接套,聯(lián)接套長56mm,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。帽頭上鉆兩個孔,接成羊角式接頭,接頭直徑30mm、長85mm,與三通混合器連接。3.三通混合器三通混合器外形尺寸92mm92mm62mm,為逆止閥型,有4個孔,其中2個內(nèi)徑為28mm的螺紋孔接注漿管的入口,有一內(nèi)徑為30mm螺紋孔為出漿口,一個減壓排漿口。逆止閥使雙液混合后不能返流,直接流入羊角注漿嘴里。4.注漿孔口管頂進聯(lián)接套頂進聯(lián)接套尺寸注漿嘴套帽相同,在帽上套焊一個纖尾套,接在鉆孔臺車的鑿巖機上。5.注漿管25高壓膠管長5m和10m,每一臺注漿泵長短各配2根。25無縫鋼管管路配長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)準與檢查本工法除應(yīng)執(zhí)行鐵道隧道工程質(zhì)量評定驗收標(biāo)準(TBJ417一87)和鐵路隧道施工規(guī)范(TBJ204一86)等的有關(guān)規(guī)定外,根據(jù)富水破碎斷層帶施工特點,還應(yīng)符合以下標(biāo)準:一)注漿質(zhì)量標(biāo)準1.一次注漿段長度不大于20m;2.注漿帷幕厚度不小于4.0m3.堵水率不低于90%;4.注漿結(jié)石體7天的單軸抗壓強度不小于5MPa。二)質(zhì)量檢查要求1.注漿量要達到設(shè)計的80%,全部注漿孔要符合單孔注漿結(jié)束的標(biāo)準;2.鉆孔檢查,按設(shè)計檢查孔的位置、角度鉆探,注漿固結(jié)帷幕4m,不合格時應(yīng)補注;3.取注漿結(jié)石體巖芯,取樣試件7天抗壓強度5MPa;4.檢查孔每孔出水量在原鉆孔出水量的10%以下;5.開挖檢查漿液滲透及固結(jié)狀況;6.認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、勞動組織及安全注意事項(一勞動組織深孔超前預(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)動作。作業(yè)工序為四大項:鉆孔、運料、配料、注漿。每班施工作業(yè)人員29人,勞動力組織見表3。二)安全注意事項本工法除應(yīng)執(zhí)行鐵路隧道施工技術(shù)安全規(guī)則(TBJ404一87)有關(guān)規(guī)定外,還應(yīng)采取以下措施:1.地質(zhì)超前預(yù)報和監(jiān)控量測應(yīng)在施工中貫徹始終。2.施工排水溝要及時疏排,嚴防積水。3.針對富水?dāng)鄬悠扑閹羁鬃{固結(jié)止水施工的特點和要求,制定安全實施細則。4.加強全員安全意識教育,堅持安全第一的思想,不盲目追求進度,以防止塌方。5.要配備少量聚膠醋材料,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人體造成傷害。7.要有良好的照明條件。八、經(jīng)濟效益和社會效益以溪田線八盤嶺隧道F6、F7斷層破碎帶(長度250m施工為例進行分析:深孔注漿一次注漿段長20m,開挖長度16-17m,與8m注漿段長比較,減少2個注漿循環(huán),施工速度提高一倍,單口月注漿循環(huán)2次,月成洞26.5m,達到國內(nèi)斷層段隧道施工的先進水平。直接經(jīng)濟效益達148萬元。固結(jié)止水帷幕厚度達4-5m,堵水率達94%-100%,圍巖固結(jié)強度為5.6MPa,施工安全度高,整個斷層段施工無一人傷亡。改變了施工作業(yè)環(huán)境,減輕了工人勞動強度,工效高,質(zhì)量好,使隧道比原計劃提前3個月貫通，保證了觀音閣水庫蓄水和舊線拆除能按時進行，受到了建設(shè)單位的好評。九、工程實例本溪-田師府鐵路改線工程的八盤嶺隧道中,F6、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為250m(DK67十250-DK67十500)。由于受東西向主壓應(yīng)力的作用,F6和F7這兩條壓性逆斷層內(nèi)褶皺和逆沖形跡叢生,巖體擠壓破碎嚴重,多呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu),局部還有閃長玢巖等巖脈侵入。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,平均涌水量達1萬m3/d。同時,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“要保護水源,不準打漏,以免因搬遷造成巨大的賠償損失。鑒于F6、F7斷層破碎帶長度大、水量多、地質(zhì)差,又位于隧道中部,為了達到既保護水源，又加速進度的目的，址九局和鐵道建筑研究設(shè)計院等單位組成專題攻關(guān)小組，進行了認真的調(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:每一注漿段長為20m,每個斷面沿隧道開挖面布設(shè)注漿孔19個,其中,在隧道中心軸線水平布孔1個,拱部周邊布孔7個,兩邊墻各3個,底邊5個。注漿質(zhì)量檢查孔4個(拱頂1個,左右拱腳各1個,底板1個)。鉆孔角度,中部1#孔為水平方向,其余18個孔分別為上仰和下俯,各孔的外插角沿隧道的開挖方向呈軸射狀(見圖。1992年2月底,出口端施工接近F7斷層,全封閉深孔注漿方案尚未開始實施,由于涌水引起大塌方,塌方段長12m,現(xiàn)塌量近3000m3,塌穴高