隧道全斷面注漿技術論文

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簡介：圓梁山隧道是渝懷線上最長的鐵路隧道，隧道出口掘進至PDK355+020時遭遇巖溶涌水突泥，導致開挖面被淹，嚴重影響了正常施工，通過地質鉆探等綜合預測預報手段并結合涌出物分析，決定采用全斷面預注漿技術進行封堵，有效地堵住了地下水，并對圍巖進行了加固，恢復了正常施工。

關鍵字：隧道巖溶涌水突泥全斷面注漿

1概述：

圓梁山隧道全長11068m，是新建鐵路渝懷線上最長的單線隧道，隧道主要穿越毛壩向斜和桐麻嶺背斜，其中毛壩向斜高壓富水區總長2200m，向斜翼部最大埋深780m，核部最小埋深550m。該段巖溶和巖溶水異常發育，巖溶、高壓富水是地質難題。根據設計資料，毛壩向斜段正常涌水量為55000m3/d,，最大涌水量83000m3/d，且洞身處存在4.6MPa的高靜水壓力。毛壩向斜高壓富水區大量排水將會引起地下水位大幅度下降，甚至可能被疏干，直接影響居民的生產、生活用水，也可能引起局部地面的塌陷或開裂。為了減少隧道修建對周圍環境的影響。針對圓梁山隧道高壓富水區采取了“注漿堵水，限量排放”的施工原則。

2開挖面超前地質探測及涌出物分析

為確保圓梁山隧道的安全優質、快速順利施工，有效地采取施工方案，選擇合理的注漿方法，在圓梁山隧道施工中采取了多種地質超前預測預報手段，如超前探水孔鉆探、紅外線、TSP地質雷達超前地質預測預報和地質素描等手段，通過對地質預報信息的綜合分析，可以比較準確地判明前方地質情況。

2.1探測過程

圓梁山隧道出口端平導掘進到毛壩向斜高壓富水區后，獨頭掘進達7133米，并在PDK355+058處開始進行反坡開挖，為了確保施工安全，每30m進行一次超前鉆孔，以探明前方地質情況，圓梁山隧道出口端平導開挖至PDK355+019時，于2003年6月27日6點開始在掌子面采用MKD-5S地質鉆機進行常規超前探測工作。超前探孔布置如圖1所示。

圖1探水孔橫斷面布置圖2注漿段地質情況示意

Fig.1Layoutofwater-exploringholesFig.2Geologicprofileofgroutingsegment

在探水孔施作過程中，探1＃在整個鉆進過程中，巖粉為深灰色顆粒，有白色方解石顆粒，有刺激性氣體逸出；鉆至3m處為破碎巖層，寬度約0.2～0.3m，鉆孔內有水涌出，涌水量為20m3/h，充填有黃泥；8～40.6m巖粉為深灰色，較堅硬，局部有破碎灰巖，發生卡鉆。探2＃有少量水，鉆進過程巖石破碎。探3?？咨?0.20米，當探水孔鉆至15m處有0.3～0.5m巖溶管道，有巖溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并含少量礫石，6月27日測得鉆孔涌水壓力為1.4MPa，全孔涌水量實測100m3/h左右。于2003年6月28日結束探孔。通過探孔情況和地質資料分析掌子面前方3m處有一寬度較小的破碎帶，在15m處發育一小型巖溶管道。由于泥砂太多及停電影響，同時洞外大量降雨，導致探3#孔涌水量及水壓急劇增大，7月5日涌水量增大到200m3/h左右，由于此處反坡開挖，抽水設施由于泥砂和停電的影響導致掌子面大量涌水不能抽出，引起掌子面淹沒。后加快抽水，將掌子面水用兩路Φ150mm鋼管引出，并在掌子面施作了模筑混凝土封閉掌子面，止漿墻厚2m，又因水大混凝土密封困難改為3m。掌子面穩定后又進行了TSP地質預測預報和紅外線超前探水等探測和驗證。根據以上地質預測預報成果可判定前方地質條件大致如圖2所示。

2.2涌出物分析

2003年6月29日現場采集涌出物并對涌出物進行篩分試驗，測試結果圖3、圖4示。

圖3涌出物成份比例圖4涌出物篩分曲線

Fig.3Proportionofgushed-outmaterialsFig.4Sievingcurveofgushed-outmaterials

由圖3、圖4來看：涌出物中粉砂、中砂占86%，而粗砂和礫石等占13.8%，礫石長約3～10mm，說明涌出物在巖溶管道中經過長期遷移和沖蝕作用下被磨圓和篩選，因而隧道斷面內巖溶管道或溶隙最大直徑大于10mm，涌出物累計篩余百分率曲線比較平緩，可見原地層充填物在未受到壓力水沖出前，其級配相當合理，呈較致密結構。從涌出物86%為中細砂可以看出，在巖溶形成過程中，由于地下水的溶蝕作用，泥砂被搬運填充在灰巖裂隙中，后經不斷溶蝕，逐漸形成巖溶管道。一旦超前鉆孔或隧道開挖揭穿巖溶管道容易發生涌水突泥。

2.3涌水量及水壓測試

在超前探測和注漿過程中對平導掌子面涌水量進行了測試和水壓測試如圖5、圖6所示。由圖5可見：在進行頂水注漿前平導掌子面處涌水量是急劇增大的，然后逐漸趨于穩定，最大涌水量200m3/h；由圖6可見：在封堵掌子面后涌水壓力不斷上升，最后穩定在2.4MPa。

圖5掌子面涌水量變化曲線圖6水壓力變化曲線

Fig.5CurveofwatersprayingonthefaceFig.6Curveofhydraulicpressure

3注漿設計及施工

3.1注漿方案的確立

根據超前探孔過程中涌水狀況，從安全性、經濟性考慮，結合該工程實際情況，針對前方出現的巖溶管道水，經過反復研究，制訂了“以堵為主”的施工原則，采用了“注漿堵水，封堵巖溶管道，加固破碎地帶”的施工方案。根據溶洞區工程及水文地質復雜，選用“深淺孔結合復式全斷面注漿”堵水措施。

3.2頂水注漿和小導管周邊注漿

根據二院要求及現場實際，在掌子面施作2.5～3m厚砼止漿墻，兩個探水孔的孔口管預埋入止漿墻，然后對其進行頂水注漿。由于砼止漿墻與開挖面周邊密封施做的不夠嚴密，導致頂水注漿時周遍跑漿嚴重，于是決定在止漿墻周邊進行小導管注漿。如圖7所示。

⑴小導管注漿管長L=3m，采用Φ32mm焊接鋼管。注漿管前端加工成圓錐狀并封死?；ü懿糠珠L2m，在花管段上間隔30mm～40mm，按梅花型布設Φ4～6mm的溢漿孔。管尾部分采用兩道Φ8mm的圓型鋼筋焊箍，其中一道用于纏上60cm左右的麻絲后用于止漿，另一道采用絲扣和注漿管連接。

⑵小導管沿隧道開挖輪廓線布置，略向外傾斜，外插角為50～100。

⑶注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿和HSC漿液，其配比為W:C=0.8:1，C:S=1:1，凝膠時間為30s～3min。超細水泥MC漿，其水灰比為1:1～0.6:1，HSC漿液水灰比為1:1～0.8:1，凝膠時間為30min～60min。

⑷注漿結束標準采用定壓結合定量的原則，注漿終壓為2～3MPa，單孔注漿量為0.2～0.4m3。

3.3超前預注漿加固

全斷面超前預注漿是在整個斷面上布孔，通過注漿形成截水帷幕，并加固周圍巖體，注漿加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5.0m，注漿段長30m，即PDK354+020～9DK355+990。注漿設計如圖8、9所示。

⑴注漿孔采用MKD-5S型鉆機成孔。開始用大直徑鉆頭鉆進2m后安設φ108mm無縫鋼管作為孔口管。再改用φ90mm鉆頭鉆至15～30m。孔口管長度150cm，孔口處纏60cm的麻絲。并用HSC漿錨固。

⑵鉆孔深度以達到鉆入巖層2～3為原則，采用前進式分段鉆進和注漿工藝。

⑶在巖溶管道段注漿是以堵水加固為目的，在巖石破碎帶（少量水）注漿是以加固地層為目的。因此在漿液配置及單孔注漿順序上予以區別對待。

①用引水管將水引出后，封閉掌子面。注漿時關閉閥門，形成靜水壓力注漿。

②對破碎無水巖層，初始注漿可注入稀漿（1.5:1～1:1）,因稀漿中的水泥顆粒在脈沖壓力的作用下對沖開及溝通裂隙能夠起到潤滑劑的作用,一旦裂隙沖開后即進入正常的雙液漿注漿。

③對于涌水量較大巖層，凝膠時間可適當縮短，使漿液進入地層后能較快凝固，避免漿液隨水流失，達到控制注漿的目的。

圖8超前預注漿孔位布置(單位:cm)圖9超前預注漿縱斷面布置(單位:cm)

Fig.8Crosssectionofadvancedpre-groutingholesFig.9Longitudinalsectionofadvancedpre-grouting

3.4注漿材料

注漿材料采用普通水泥單液漿或普通水泥—水玻璃雙液漿（CS）。

注漿孔無水時采用普通水泥單液漿，水灰比W:C=0.8:1~1:1；有水孔則采用單液水泥漿、普通水泥—水玻璃雙液漿（C—S漿）和超細水泥漿、HSC漿，根據水量大小選擇配比和漿液凝膠時間。涌水量小時，水泥C漿：水灰比W:C=1.:1~0.8:1，C:S=1:1～0.8:1,水玻璃S漿濃度30Be＇?？變人枯^大時，水灰比W:C=0.8:1~0.6:1，C:S=1:0.3～0.6,水玻璃S漿濃度35～40Be＇，當雙液注漿壓力上升到3MPa左右時，開始注入超細水泥（MC）或HSC漿，直到達到設計終壓7MPa。

3.5注漿工藝

采用前進式分段注漿工藝，鉆一段，注一段。分段長度根據鉆孔情況確定，若出現大的涌水或泥砂（Q>10m3/h）則按1～2m分段；若涌水涌泥（砂）較?。≦<10m3/h）或輕微卡鉆，則鉆孔注漿段長度可適當加大至3～5m。如無涌水涌泥（砂）和卡鉆的情況發生，則可采用全孔一次性注漿方式進行。以保證注漿質量和減少掃孔作業，增加作業時間和效率。

3.6注漿參數

注漿參數主要依據設計加固范圍和經驗選定，本段注漿縱向加固長度30m，主要參數如表1所示

表1注漿參數表

Table1Parametersofgrouting

參數名稱

全斷面深孔超前預注漿

備注

加固范圍

掌子面及開挖輪廓線外5m

鉆孔深度

15m～30m

漿液擴散半徑

2m

凝膠時間

30s~2min30s

普通水泥—水玻璃雙液漿

注漿速度

10～100L/min

注漿分段

巖層完整且有水3～5m、

巖層破碎且有水1～2m

根據鉆孔情況確定

注漿終壓

6～9MPa

單段注漿量

1.1～3.32m3/m

單段注漿量按Q=π·R2·L·n·α·β計算

參數取值n=0.1～0.3α=0.8β=1.1

3.7注漿順序

注漿順序原則上先施作短孔，再施作長孔，最后施作檢查孔。注漿孔順序按由外到內，從下往上分三序孔施工。三序孔的設計原則是水平方向上采取跳孔原則（Ⅰ序孔采取跳孔，Ⅱ序孔采取間隔跳孔，Ⅲ序孔為余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原則。同時結合涌水水源點位置和水流方向，按由有水孔到無水孔的順序施工，檢查孔施工順序待注漿孔注漿結束后視現場情況而定。

3.8注漿結束標準

采用定量定壓相結合方式進行注漿結束標準控制，當注漿量達到設計注漿量時，而注漿壓力不上升則調整漿液配比，縮短凝膠時間，并采取間歇注漿措施，控制注漿量?；蜃{壓力達到設計終壓，且注漿量達到設計注漿量的80%以上，即可結束注漿。

3.9效果檢查與補孔注漿

根據現場鉆孔所揭示的地質狀況，結合注漿過程中P-Q-t曲線分析，選擇可能出現的薄弱環節進行鉆孔檢查。檢查孔初步布設參見圖9。檢查孔應不坍孔、不涌砂，單孔涌水量應小于0.2L/m·min。若達不到效果則將檢查孔作為注漿孔進行注漿，注漿結束后再鉆檢查孔進行效果檢查，直至達到設計要求。必要時可取芯檢查。

4注漿效果評定

圓梁山隧道出口平導PDK355+020～PDK354+990巖溶管道裂隙段全斷面注漿，自2003年7月6日開始至8月6日結束，歷經30天，注漿完成后，巖溶管道水被完全封堵，堵水效果很好，9個檢查孔均無水無砂，成孔良好。在隨后的開挖中巖壁干燥無水，溶管水得到有效的封堵，破碎帶得到了明顯的加固。同時漿液擴散較遠，距離平導30m的8#通道YK0+058處左側拱頂的一處裂隙水也得到了有效的封堵，為保證迂回導坑和平導順利貫通創造了有利的條件，說明此次注漿堵水和加固是非常成功的。