注浆加固工法在齐岳山隧道F11断层施工中研究与应用

董裕国

(中铁十二局集团有限公司,太原030024)

0 引言

随着我国铁路建设的跨越式发展,复杂岩溶区域铁路相继开始修建,预防及治理岩溶突水涌泥等地质灾害成为隧道施工的主要技术难题,注浆工法作为一种成熟的岩溶涌水处理方法被广泛的应用于工程施工中,取得了较好的效果。但由于全断面超前注浆施工周期较长,尤其对长大断层破碎带的治理,直接影响到总施工工期,制约其进一步大范围应用。韩志怀[1]就注浆参数、材料选用、注浆顺序、施工工艺、机具设备配置以及注浆效果评定等方面,对岩溶地段全断面超前注浆加固技术做了介绍;梅志荣等[2]介绍了隧道全断面预加固技术的一些基本概念,并运用有限元方法对隧道全断面预加固进行了三维数值模拟,同时阐述了设计施工的基本应用原理。全断面帷幕注浆技术由日本人依托青函隧道于70年代发明后,其基本思路设定为随着隧道开挖,将产生一定的松动范围,在松动区外侧一定范围内进行注浆并形成一个止水地带,用该止水带与水压抗衡,这样强大的水压就不能直接作用于初期支护或二次衬砌上,加固范围与水压有关,水压越高、水量越大,加固范围也就越大。易凯等[3]以象山隧道3#斜井工区正洞帷幕注浆施工为例,对比3个不同地质段的帷幕注浆施工情况,对全断面帷幕注浆、周边帷幕注浆、局部帷幕注浆3种不同的注浆方案进行探讨,分析不同水文地质条件下注浆方式的选择对施工进度的影响;张民庆等[4]提出"注浆加固、分水降压、快挖快封、加强监测、综合治理"施工技术方案,将全断面帷幕注浆调整为外堵内固注浆;张庆欣[5]结合齐岳山隧道帷幕注浆施工技术在高压富水和破碎、软弱围岩区中的应用,简要介绍了帷幕注浆施工技术的原理、施工方法和施工技术,并对其质量控制进行了论述。而针对齐岳山隧道长大230 m的F11断层,为了保证通过注浆能快速通过,保证施工工期,必须在传统超前注浆方案设计施工进行理念创新,以保证注浆效果,减少工程数量,加快施工进度。

1 工程概况

齐岳山隧道位于湖北省利川市境内,东起野茶乡乐园沟,向北西垂直穿越齐岳山及荆竹园等台地,进口里程DK361+255,出口里程DK371+783,全长为10 528m,洞身最大埋深670m,单面排水。隧道穿越的F11高压富水断层是施工难点,该断层为区域性断层,沿得胜场槽谷西侧分布,在隧道洞身里程范围在DK365+110～+340,宽230m,发育在白云岩为主的硬质可溶岩与含钙质成分的页岩、泥岩为主的软质非可溶岩的交界部位,具有多期性、次级构造发育,岩性成分复杂,胶结松散,岩体破碎,饱和水使岩土性态恶化。F11断层为逆断层(见图1),分为上下盘破碎岩体接触带和核部破碎软弱带,构造裂隙发育,透水性较强;中间核心地带以类似于含碎石粉质黏土或碎石土状的松软物质为主,饱和富水泥质含量大,透水、导水性弱,是该隧道受水威胁最严重的地段;设计日常涌水量为1.1×104m3/d,最大涌水量为11.4×104m3/d,实测水压最高达2.8 MPa。工程特点为高压富水,围岩软弱、胶结程度低下,岩体饱和含水,在水的作用下易发生突水、突石和泥石流。地质复杂程度为国内外罕见,被国内院士专家列为“世界级难题”和“施工禁区”。

施工中采取注浆工法达到封堵地下水,固结软弱围岩的目的。由于施工难度大,工期紧,前期采用全断面帷幕注浆法施工,通过反复研究比较,采用上半断面开孔加固全断面的精细化注浆施工法,减少工程数量,保证注浆效果,加快施工进度,取得较好的经济效益和社会效益。

图1 得胜场槽谷纵剖面图Fig.1 Profile of Deshengchang trough

2 全断面帷幕注浆法

2.1 施工原理、目的

全断面帷幕注浆是在隧道开挖轮廓线外一定范围,通过机械压力作用将注浆材料压入软弱破碎地层,封堵地下出水裂隙及过水通道,形成一定厚度的截水帷幕,并对破碎软弱岩体起到固结加固作用,满足安全开挖施工要求。

根据F11断层地质情况分析,明确F11断层超前注浆目的是:堵裂隙,减水量;固围岩,稳地层。同时为了满足快速施工,在“分水降压、注浆加固、带水开挖、交替推进”的施工总原则下对注浆方案进行优化设计,以达到满足安全开挖效果和快速施工的目的。

2.2 全断面帷幕注浆设计参数及施工工艺

F11高压富水断层全断面帷幕注浆设计如图2所示。

1)设计参数。F11断层帷幕注浆设计加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外8m,纵向注浆段长30m,每循环开挖长度22m。浆液扩散半径2m,孔底间距3 m,共设计注浆孔141个。注浆压力为6～8 MPa。检查孔按照设计注浆孔的10%设置,合计为15个,总计共156个孔。

2)施工工艺。帷幕注浆采用分段前进式注浆工艺,分段长度3～5m,注浆孔孔径为 φ96mm。

3)大管棚支护。F11高水压断层破碎带,地质软弱,开挖施工中极易引起坍塌;因此,注浆结束后必须通过周边施工超前大管棚,提高周边围岩的稳定性。超前大管棚布置在拱部120°范围,大管棚采用φ108×9mm热轧无缝钢管,共设置36根管棚。

2.3 全断面帷幕注浆法施工工期安排及设备配置

根据施工过程在正洞第一循环施工情况进行工期推算,正洞采用2台钻机同时钻孔施工,每台钻机每天平均按照完成2个孔计算。每个循环注浆及管棚施工需要用时48 d,即平均每加固1个注浆开挖米用时2.18 d,完成全部正洞注浆加固(断层及影响带按照265m,按照2个掌子面同时施工计算)约用时289 d[5]。

设备配置:日本矿研RPD-75多功能钻机1台、卡萨格兰蒂C6钻机1台,英格索兰空压机1台(320 kW、23m3、1.2MPa),PH15注浆泵2台,KBY注浆泵2台,电瓶车3台,平板车3台,梭式矿车2台,浆液搅拌桶5个(包括储浆桶)。

图2 全断面帷幕注浆设计(单位:cm)Fig.2 Design of full-face curtain grouting(cm)

2.4 注浆结束判定标准

1)单孔结束标准。注浆压力逐步升高至设计终压,并持续注浆10 min以上;注浆结束时的注浆量20 L/min。

2)全段结束标准。所有注浆孔均已符合单孔注浆条件,无漏注现象。

2.5 注浆效果评定标准

1)对注浆过程中的各种资料综合分析,注浆压力、注浆量变化是否合理,是否达到设计要求。

2)设置检查孔,检查孔取芯检查,观察浆液填充情况,并检查孔内涌水,检查孔涌水量小于0.2L/m◦min。

通过推算,采用全断面帷幕注浆工法进行钻孔注浆施工,工程数量大,施工工期长,根本不能满足宜万线整体施工工期要求,因此必须对注浆方案、施工工艺方法等进行深入研究,以加快施工进度,保证整体工期目标的实现。

3 上半断面精细化注浆法

3.1 施工原理、目的

传统超前帷幕注浆设计时假定地层是均匀的,外侧水压力均匀分布;因此,需要对松驰区进行注浆堵水加固,水压力越高、水量越大,加固范围也就越大[6]。而实际施工过程中,由于地层的不均匀性决定不均匀的透水性,因而外侧水压力也是不均匀分布的。精细化注浆设计理念就是根据工程地质情况,先进行分区定位,确定地质情况,通过前期顶水注浆改变透水场条件,使地层中水量得到有效控制,然后按均匀地层进行“合理步距,由外及内”方式实现基本注浆加固,保证隧道开挖安全的基本要求。最后,对水量大、水压力高区域进行局部强化注浆,从而达到“减少注浆孔数量、提高注浆效果”的目的。

3.2 精细化注浆设计参数及施工工艺

F11高压富水断层精细化注浆设计如图3所示。

1)设计参数。注浆范围为开挖轮廓线外4m,浆液扩散半径2m,孔底间距3m,共设计注浆孔49个。注浆方式为分段前进式注浆,注浆步距根据地质情况及出水情况进行动态控制,注浆终压6～8MPa。检查孔按照注浆孔的10%设置,检查孔为5个,合计共54个孔。

2)施工工艺。施工采取前进式分段工艺,严格按照即注浆孔兼探孔—外圈孔—二圈孔—掌子面稳定孔—检查孔(注浆补孔)—管棚孔分步施工,后序孔兼作为前序孔注浆效果检验。同时采用多孔合一方法即超前地质探孔、注浆孔、工作面稳定孔、大管棚孔、检查孔等互相利用,减少工程数量。

3)立体支护体系。F11断层高压富水,地层极其破碎,为确保钻孔注浆后开挖安全,除在拱部设置17根超前大管棚形成拱部棚架外,在掌子面施作12个玻璃纤维锚管,通过对锚管进行注浆,稳定掌子面。从而形成立体防护体系,以确保开挖安全。

图3 精细化注浆设计(单位:cm)Fig.3 Design of accurate grouting(cm)

3.3 精细化注浆法施工工期安排及设备配置

正洞采用2台钻机同时钻孔施工,每台钻机每天平均按照完成2个孔计算。每个循环注浆及管棚施工需要用时25d,即平均每加固1个注浆开挖米用时1 d,完成全部正洞注浆加固(断层及影响带按照265m,按照2个掌子面同时施工计算)约用时133d。

设备配置:与帷幕注浆法相同。

3.4 注浆结束判定标准

注浆压力逐步升高至设计终压,并持续注浆10 min以上;个别孔吸浆量较大的以注浆量作为控制标准,注浆量不大于2m3/m◦孔。

3.5 注浆效果评定标准

1)分析法[7]。对注浆过程中的各种资料综合分析,钻孔出水量和注浆量变化是否合理,是否达到设计要求,主要为钻孔出水量及注浆量分析法和P-Q-T曲线法。

2)检查孔法。按照前方已探明地质情况,真的地质较差范围进行钻孔检查,检查孔数量为注浆孔数量的10%,单孔涌水量不大于2L/m◦min,孔内摄像时钻孔孔壁光滑不出现塌孔。

4 方案对比

上半断面精细化注浆法与全断面帷幕注浆法相比较可以看出,上半断面精细化注浆法具有明显的优势,主要表现在以下几个方面:

1)工程数量明显减小。通过精细化施工加强过程控制,使注浆加固范围由8m减小到4m,注浆孔数量减少60%;加固体的减小使得注浆量减小40%。

2)钻孔涌量逐级递减。采用信息化跟踪注浆使得注浆效果明显,堵水率提高,随各序孔的实施钻孔出水量具有明显的递减趋势,见表1所示。

3)施工进度明显提高。采用信息化跟踪循环注浆时间由全断面帷幕注浆的45d,减少为18 d,每循环节约工期27d。

因此采用精细化注浆工法,具有明显的经济效益和社会效益,应在类似地层施工中推广。

5 应用实例

5.1 上半断面精细化注浆情况

F11断层破碎带正洞DK365+300～+275循环段,采用信息化跟踪注浆法设计施工,本循环用时14d完成纵向25m注浆加固施工。

施工过程采用注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主,普通水泥-水玻璃双液浆为辅,浆液配比为,单液浆,W︰C=0.8︰1.2～1︰1;双液浆,W︰C=0.8︰1～1.2︰1,C︰S=1︰1。严格按照外圈孔 —二圈孔—工作面稳定孔—检查孔(兼补充注浆孔)—管棚孔的顺序,间隔跳孔施工作业。严格过程控制,做到精细化施工,实现约束注浆目的。

5.2 注浆效果评定分析

1)钻孔出水量及注浆量分析。最先施工的注浆孔出水水量最大,在后序孔施工过程水量明显减小,外圈孔施工完成后,二圈孔钻孔出水量有明显的减小,堵水效果明显。

2)从各孔注浆量分布图可以看出:注浆仍以封堵岩层出水裂为主,出水量和注浆量有明显的对应关系,涌水量大的孔吸浆量大,随着注浆进行,出水裂隙逐渐被封堵,地层吸浆量明显降低。先施作的孔吸浆量明显大于后施作的孔,外圈孔(A序)吸浆量大于二圈孔(B序)。通过逐级推进施工,地层逐渐加固密实,裂隙被封堵,达到堵水与加固的目的。

3)注浆堵水率。对施工过程不同阶段钻孔中最大涌水量进行统计分析各阶段的堵水率如表1所示。

表1 注浆堵水率统计表Table 1 Statistics of effects of grouting

从表可以看出,前期注浆孔兼超前探孔钻孔施工过程中,堵水率为51%,外圈孔堵水注浆较为明显。随着由外及内注浆施工的逐渐推进,二圈孔施工完成后堵水率达到80%。注浆孔完成后进行效果检查孔施工过程堵水率达到94%,达到了堵水要求。

4)P-Q-T曲线。注浆流量随着注浆压力上升逐渐减小,压力上升到5MPa后,产生明显突变,迅速上升达到设计终压,结束单孔注浆。

5)检查孔。注浆结束后,根据该循环钻孔注浆施工过程出水区域分布情况,全断面布设5个检查孔兼补充注浆孔,并重点对工作面右侧一定范围进行检查,检查孔出水情况如表2。

表2 检查孔各段出水情况Table 2 Water leakage of each inspection hole

5.3 开挖施工情况

注浆结束后,采用“三台阶七步流水法”施工,开挖里程为DK365+300～+280段20m,开挖揭示的地质情况和与“六孔定位法”探明的地质基本相符。开挖施工采用弱爆破法配合机械法施工,施工确保“三快”,即快挖、快支、快封闭,每循环对周边围岩和掌子面围岩进行喷射C225钢纤维混凝土支护,局部掌子面加强锚杆施工,平均开挖进度1.2m/d。

6 结论与体会

在面对地质复杂、工期紧张这样一个情况下,如果采用全断面帷幕注浆法施工,仅仅是如何将高达11 m的掌子面施工平齐后施工止浆墙,这本身就是一个很难克服的课题,加之仅注浆工期就达289 d,工期远远不能满足贯通的要求。采用上半断面信息化跟踪注浆工方法是在全断面帷幕注浆法从施工理念上是一个巨大的进步。根据实际地质情况,进行动态调整注浆加固施工参数,有针对性地进行注浆加固。并通过立体防护体系施工,确保开挖过程不坍不垮,稳定周边围岩和工作面大大加快施工进度和施工加固的有效性。但是注浆无论哪种类型的注浆施工均存在一定的注浆盲区和薄弱区域,只有在开挖施工中及时采取正确的施工措施,才能将注浆施工中存不足进行弥补,减少地质灾害的发生,保证施工安全。

[1] 韩志怀.象山隧道岩溶地段全断面超前注浆毒水与加固技术[J].隧道建设,2009,29(5):558-562.

[2] 梅志荣,陈涛.高速铁路隧道全断面预加固技术的应用研究[J].隧道建设,2008,28(5):542-547.

[3] 易凯,张迎华.象山隧道帷幕注浆快速施工技术探讨[J].隧道建设,2010,30(1):78-83.

[4] 张民庆,张梅.高压富水断层"外堵内固注浆法"设计新理念与工程实践[J].中国工程科学,2009(12):26-33.

[5] 张庆欣.齐岳山隧道帷幕注浆施工技术[J].山西建筑,2007(23):121-123.

[6] 卓越,孙国庆.齐岳山隧道F11高压富水断层带注浆施工技术[J].中国工程科学,2009(12):82-86.

[7] 张民庆,孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例[J].岩石力学与工程学报,2006(Z2):3909-3918.