宜万铁路齐岳山隧道高压富水断层带注浆加固技术

李森阔

(中铁十二局集团第二工程有限公司宜万铁路32标项目部,湖北利川 445400)

宜万铁路齐岳山隧道高压富水断层带注浆加固技术

李森阔

(中铁十二局集团第二工程有限公司宜万铁路32标项目部,湖北利川 445400)

如何“安全、优质、高效”地预加固高压富水断层带,是国内外隧道施工中面临的一大难题。以宜万铁路齐岳山隧道进口F11断层为例,简单阐述高压富水断层注浆加固施工管理的基本原则及“堵水固岩”的加固理念,同时,介绍了注浆设计的相关参数、机械设备配套、注浆施工整套工艺流程、注浆关键技术措施等,还列举了注浆效果评定的关键控制参数,加固速度可达1.2m/d,堵水率可达95%以上。

宜万铁路;齐岳山隧道;断层;注浆;大管棚

1 工程概述

1.1 工程概况

宜万铁路齐岳山隧道位于湖北省利川市境内,全长10528m,设计为单面坡。地质构造主要是齐岳山背斜和9条较大的断层,发育有大、小鱼泉和得胜场3条暗河。设计正常涌水量176000m3/d,最大涌水量743000m3/d。

F11断层沿隧道纵向跨度约245m,与位于隧道顶220m的得胜场暗河存在岩溶通道,地表降雨观察期间最大日降雨量为 132mm,预测最大涌水量115000m3/d。主要由灰岩、泥质灰岩、泥灰岩、断层泥、断层角砾岩等组成,存在高压富水、岩性软硬不匀、围岩破碎及地层松散等地质问题。

1.2 施工基本原则

根据宜万铁路总体工期要求,且考虑断层传统加固施工工艺工效低及投入大的特点,对断层加固的每个施工环节进行了分析、对比(表1),齐岳山隧道F11断层施工大胆优化传统施工工艺,制定了更加适合高压富水断层带施工的基本原则。

(1)严格执行领导、技术、管理、试验人员24h不间断轮流值班制度。

(2)引进专业注浆队伍。

表1 断层传统注浆加固技术与齐岳山F11断层注浆加固技术对比

(3)采用动态设计、施工概念。

(4)注浆以堵水固岩为设计理念,优化大管棚施工方案。

2 断层注浆加固设计

2.1 注浆加固设计理念

注浆设计中,打破破碎带必采取帷幕注浆的传统,采用“分水降压、加固围岩”为目的的堵水固岩的设计理念;注浆设计由专业注浆队伍独立设计,建设单位、设计单位、监理单位、施工单位、注浆队伍共同评估后实施。

注浆设计地质条件以原勘察地质概况及六孔超前探孔为主;遵循约束—发散的注浆机理;注浆顺序由外到内,由下到上;注浆材料以普通硅酸盐水泥浆为主,硫酸盐水泥单液浆、水泥-水玻璃双液浆为辅,采用前进式分段注浆方式;定量、定压为注浆结束标准。

2.2 注浆参数(表2)

表2 注浆参数、浆液配比

3 施工工艺流程

F11断层注浆施工工艺流程如下:注浆设计、施工组织编制→5方单位会审设计、施组→中线、孔位放样→钻探、注浆设备就位→上循环开挖段小导管注浆→钻机定位、开孔、安孔口管→六孔钻探、注浆作业→掌子面加固孔钻探→下玻璃纤维锚杆、注浆→管棚施工、注浆→补注浆、检查孔→注浆效果评定→撤除设备,清理现场,准备开挖。

4 设备配套

综合考虑国内钻探、注浆设备特点及作业空间限制,一般选用占用空间小、投入少且易操作的设备。主要设备见表3。

表3 钻探、注浆主要设备

5 注浆施工

5.1 止浆墙施工

止浆墙采用 C30防渗混凝土浇筑,厚 1.5～2.0m,周边设置2排、环向间距1.5m,排距1m,长1.5～2.0m的φ22mm药卷锚杆进行加固,梅花形布置,外露0.2～0.3m。周边预埋1.5mφ42mm导管,止浆墙浇筑完毕后,周边喷射10～15cm的C25喷射混凝土且通过预留小导管注浆对止浆墙与初支间的缝隙进行封塞。

5.2 开挖段拱部、边墙小导管加固注浆

考虑前方钻探注浆时,已开挖段可能会出现漏浆或初支变形现象,采用1.5～2.0m、φ42mm导管对上循环开挖段初支进行加固、填塞注浆,小导管径向间距0.8～1.0m,纵向间距1.0～1.5m,梅花形设置。注浆压力控制在1.5～2MPa;开始注浆时采用W∶C=1∶1的普通硅酸盐水泥单液浆,如果出现漏浆现象时,采用W∶C=1∶1,C∶S=(3∶1)～(1∶1)普通硅酸盐水泥单液浆、水玻璃双液浆,凝固时间为13～42s。

5.3 注浆施工技术措施及关键

(1)孔的多重含义

采用六孔定位钻探,该六孔的作用包含超前钻探孔、分段注浆孔、管棚孔。六孔钻探结束后,根据地质情况,对注浆、开挖段长度,钻孔深度,钻孔、注浆顺序进行动态调整。剩余管棚孔及加固注浆孔除发挥它本来的作用外,还起检查注浆效果的作用,根据钻探情况,适时调整钻孔、注浆顺序。

(2)间隔式、分段式钻探、注浆

如果连续注浆钻孔之间可能出现窜浆、漏浆现象,不同孔之间采取间隔、跳跃式钻探、注浆;考虑注浆段太长,注浆效果将比较差,同一孔进行分段钻探、注浆,分段段落为3～5m,如果3～5m范围内出现塌孔、卡钻或Q出水量＞10m3/h,立刻停止钻探,进行注浆作业。

(3)孔口管的安装

如果孔口管安装不牢固,可能出现漏浆、窜浆;遇大流量、大压力承压水时,孔口管周边可能崩裂,孔口管瞬间被水压力推出。孔口段一般钻探2.2～2.3m,采用L=2m、φ108mm、厚8mm无缝钢管,管壁每隔40～50cm缠麻丝1道且每隔20～30cm预留φ2mm溢浆孔(孔口段1m范围不设置,插入段采用锚固剂封口,封堵长度 L≈40cm)。开孔结束后,搅拌约0.15m3硫酸铝盐水泥体(软硬介于流塑、软塑之间)倒入孔内,然后采用钻机将成品孔口管推至孔内,孔口采用锚固剂锚固,2.5～3h后开始钻探。F11断层中采用该办法安装约200个孔口管,仅有2个漏浆。

(4)注浆压力产生机理分析及处理技术

通过分析,产生压力的原因主要有:遇地层水或岩溶水时产生的H顶水压力;遇垂直或斜交钻孔裂隙时,浆液上升产生的 G浆液重力;滞留在孔内的 P空气压力; Q地层吸浆量＜Q注浆量产生的注浆压力。其中,在注浆中,易影响注浆效果的主要是滞留在孔内的 P空气压力与Q地层吸浆量＜Q注浆量产生的注浆压力。为了尽可能避免P空气压力产生,采用三孔注浆堵头(图1),在水平或仰角钻孔内插入了φ25mm、L=L孔深的PVC排气管(图2),当浆液完全喷出排气孔时,关闭小闸阀;为了避免Q地层吸浆量＜Q注浆量产生的注浆压力,采用变频注浆泵调节注浆速度或者采取间歇式注浆。

(5)管棚施工技术改造

图1 3孔注浆堵头

图2 PVC排气管

φ76mm管棚采用L=30cm的φ60mm无缝钢管(图3)焊接连接,管棚加工简单。考虑不施工管棚工作室,管棚必将侵限,结合循环搭接5m且0～5m注浆效果良好,0～5m段不设计管棚,施工时,采用钻机沿孔口向里推进4.5～5.0m,推进工艺见图4。

图3 管棚连接

图4 管棚推进

(6)检查孔的设计

检查孔设计以钻探揭示地质情况、注浆量及压力上升情况为基础设计。吸浆量大、压力上升慢的区域,水量大的区域,地质差、吸浆量小、压力上升快区域。

(7)孔口管安装闸阀

钻探前,安装φ100mm、耐高压铸钢闸阀,易于控水、限量排放,确保施工安全。

(8)开挖轮廓内围岩加固

在隧道开挖轮廓内的水平孔或仰角孔,全部、全孔插设与孔同深的玻璃纤维锚杆,防止后期开挖轮廓内围岩的滑移、塌方。

6 效果评定

效果评定结果是决定隧道能否开挖的关键因素。主要从以下几个指标进行分析。

(1)堵水率及检查孔出水量。

(2)检查孔钻探情况。

(3)孔内成像影像。

(4)压力与时间、吸浆量与时间关系。

7 结论

在高压富水的断层带采用“堵水固岩”注浆加固技术,加固速度可提高到1.2m/d,堵水率可达到95%以上。注浆加固改善了围岩的物理学性能、减少了开挖变形产生的松弛区范围,封堵了地表下及岩溶管道水渗入开挖轮廓安全控制范围内,大管棚加固圈可起到悬挂岩土的作用,防止塌方冒顶。通过后期开挖揭露的地质状况可知,齐岳山隧道F11断层注浆加固安全可靠、快速、经济可行。

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U459.1

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2010 -06 -01;

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李森阔(1982—),男,助理工程师,2007年毕业于长沙理工大学土木工程专业,E-mail:lisenkuo313@126.com。