龙厦铁路象山特长隧道注浆标准的制定

金强国

(中铁隧道集团公司,河南洛阳 471009)

0 引言

隧道施工中的渗、涌水和突水、突泥是降低施工工效、威胁施工安全的主要因素,同时也是威胁隧道周边环境的重要因素[1-2]。为减弱地下水对隧道施工的不利影响和隧道施工诱发的地下水流失对环境的负面影响,国内外隧道工程界普遍采用注浆堵水技术[3-5]。破碎围岩注浆是综合治理隧道水害,提高破碎围岩强度,防止隧道涌水、突水(泥)的有效手段。通过注浆可部分封堵地下水渗流通道并提高破碎围岩强度、减少隧道渗水,防止隧道涌水、突水(泥)对隧道施工安全的威胁;通过减少地下水流失从而减弱隧道施工对环境的负面影响。但长大隧道,尤其是地质条件复杂的长大隧道,并不是所有的有地下水渗流条件的地段都要注浆,也并非所有渗水地段都采用同样的注浆方法、注浆参数、注浆材料、注浆工艺和注浆结束标准。

由于注浆堵水的实施与否以及注浆方式、参数、工艺的选择涉及众多因素,技术人员在采用该技术时往往面临3个技术难题:一是在什么情况下需要进行注浆,在设计图明确规定需求注浆的地段,有可能根本没水或水量极小无需注浆,而设计未注明需注浆的地段,往往涌水量很大需要注浆;二是在需要注浆的地方采用什么注浆方式、参数、材料和工艺;三是如何判定注浆已达到预期(设计)的效果。为解决上述问题,使注浆这一行之有效的堵水技术在实施中更具有操作性,必须在施工中制订注浆标准,但目前的隧道施工规范、注浆规范对此并没有统一的规定[6-7]。

笔者在龙厦铁路象山特长隧道施工中,综合考虑地下水的类型、赋存环境、工程地质、水文地质条件等因素并结合以往施工经验制定了适宜于象山隧道的注浆标准。

1 象山隧道地下水的赋存环境

象山隧道左、右洞全长分别为15 898,15 917m,是龙厦铁路最长的隧道和控制工程。隧道穿越地区位于福建省规模较大的地质构造政和—大埔深大断裂以及大田—龙岩拗陷带上[8]。受多次构造运动影响,隧址区褶皱、断裂非常发育,多组沉积地层呈假整合或不整合接触。构造运动形成的断层破碎带、节理密集带、岩层不整合接触带、构造节理等具有较好的连通性,为地下水提供了良好的渗流通道;同时1#～2#斜井间的灰岩岩溶段,溶蚀现象严重,溶洞区域内填充大量黄泥;加之隧址区雨量充沛,地下水水位较高:所以,隧道施工期间的洞内大量渗水、涌水非常普遍,突水、突泥风险很大[9],被铁道部专家定为高风险隧道。

象山隧道已施工地段发生了8次大的突水、突泥事件,严重危及隧道施工安全,制约隧道施工进度并诱发地表失水等一系列环境问题。注浆堵水已成为决定隧道施工安全、工期及运营安全的主要因素。

象山隧道的地下水根据赋存环境可分为3类:

1)岩溶水。主要赋存于岩溶管道、溶腔、溶隙及溶槽中。

2)裂隙水。主要赋存于断层破碎带、节理密集带、地层不整合接触带等破碎围岩中。

3)孔隙水。主要赋存于第四纪地层或全风化软弱围岩中。

2 制定注浆标准考虑的主要因素

1)地下水的允许排放量是制订注浆标准的控制因素。不管是注浆的起始标准还是结束标准,都与隧道的允许排放量有密切的关系。如果注浆的主要目的是堵水,在保证隧道施工及结构安全的前提下,隧道开挖后的渗(涌)水量应低于允许排水量。此外,在地表建筑密集、环境脆弱、对地下水流失有较高要求的地段(如本隧道DK24+000～+500地表建筑密集地段),隧道施工涌水量还需小于环境要求的地下水流失量。

2)工作面前方涌水量是决定是否实施注浆堵水和注浆方式的重要依据。使用地质雷达、红外探水、TSP等物探手段,可探测到掌子面前方是否有含水构造,是否隐伏地下水。在此基础上,结合工程地质资料对地下水的类型进行分析并有针对性地进行钻探确认。通过水平钻探可在开挖前较为准确地预测地下水的规模,通过测量钻孔出水量、水压来判断整个开挖面的出水量,确定是否实施注浆堵水以及注浆方式。

3)地下水的类型、赋存环境是确定注浆方式、注浆参数的基础。地下水的类型及赋存环境不同,渗流通道的大小、发育及连通情况、分布特点不同,对隧道施工的影响大小也不同。注浆方式、注浆参数的选择需综合考虑工作量前方出水量、水压、地下水的类型及赋存环境。

3 象山特长隧道的注浆标准

3.1 注浆标准

针对象山隧道地下水赋存环境、水文地质条件及开挖前测定的涌水量、水压、泥砂含量并结合设计防排水要求,通过现场试验总结出象山隧道的注浆标准,如表1所示。

3.2 注浆参数

象山隧道采用的注浆方式主要有超前预注浆、径向注浆和局部注浆。超前预注浆的注浆参数见表2,径向注浆的注浆参数见表3。

当掌子面个别部位出现明显涌水时,在出水点周围布孔注浆截断水源。注浆加固范围为开挖轮廓线外3～5m,超前局部注浆采取全孔一次性注浆方式进行。注浆顺序由少水处向多水处逐步进行。注浆材料以水泥单液浆为主,水量大时采用普通水泥-水玻璃双液浆,注浆采取定压注浆(注浆压力1～2MPa)。

3.3 注浆材料

象山隧道注浆堵水主要采用水泥浆并辅以水泥-水玻璃双液浆,特殊情况下采用超细水泥浆。注浆材料按图1所示流程进行选择。

3.4 注浆工艺

1)注浆顺序。注浆顺序采用由上部到下部、由外圈到内圈、由少水区到多水区、由低水压到高水压区,间隔跳孔注浆,通过约束注浆减少注浆量。

2)注浆方式。超前预注浆采用前进式分段注浆,分段长度3～5 m,岩溶地段适当缩短分段长度;径向注浆采用全孔一次性注浆;地表注浆采用袖阀管后退式分段注浆。

3.5 注浆结束标准

1)单孔注浆结束标准。采用定量与定压相结合的控制方法。前期孔主要采取定量控制,后期孔主要采取定压控制。

2)全段注浆结束标准。所有注浆孔均符合单孔注浆结束标准,注浆效果评定达到设计标准后全段注浆方可结束。

3.6 注浆质量检验

1)超前预注浆的质量检验方法

①钻孔检查:检查钻孔不少于注浆孔总孔数的10%,且不少于3个,深度小于注浆段2～3m,外插小于加固圈1～2m,检查孔出水量小于0.2L/m◦min;

②钻孔取芯:取芯能看到浆液固结体,固结体有一定强度;压水试验压力达2MPa以上时,吸水量小于0.2L/m◦min;

③画代表性P-Q-T曲线,分析、比较注浆量与注浆压力的关系,注浆量和压力都满足要求注浆方为达到设计要求;

④塌孔情况检查:检查孔不允许出现塌孔现象。

表1 象山隧道的注浆标准Table 1 Grouting standard of Xiangshan tunnel

表2 超前预注浆参数表Table 2 Parameters of advance pre-grouting

表3 径向注浆参数表Table 3 Parameters of radial grouting

图1 象山隧道注浆材料选择流程图Fig.1 Flowchart of selection of grouting materials for Xiangshan tunnel

2)径向注浆质量评定标准

①每延米隧道涌水量小于0.5m3/h;

②隧道变形量测稳定。

4 实施效果

象山特长隧道施工过程中,严格按表1所述注浆标准实施注浆堵水,取得了较好的实施效果。主要体现在如下几个方面:

1)地下水得到了及时封堵。施工过程中现场技术人员根据揭示的地下水情况,依据“注浆标准”及时实施注浆堵水,大大缩短了注浆堵水的讨论和决定时间(过去需经参建四方开会决定),减少了地下水的危害,有效解决了大量出水后再进行处理的难度;

2)强化了富水地段隧道施工的标准化、规范化作业,有效降低了地下水对隧道施工安全的威胁。

5 结论

1)针对地下水的类型、赋存环境及水文地质条件制定切实可行的注浆堵水标准是确保富水长大隧道施工安全,降低水害风险,提高工效的有效措施。

2)为便于现场实施,注浆堵水标准宜包含注浆起始条件(在什么条件下需进行注浆)、注浆方式、注浆材料、注浆方式、主要注浆参数、注浆结束标准以及注浆质量检查、评价方法等主要内容。上述内容的确定应以地下水的限排标准作为控制条件,以地下水类型、出水量、水压作为重点考虑因素并结合地下水的赋存环境予以确定。

3)结合龙厦铁路象山特长隧道的地下水具有类型多、水文地质条件及赋存环境复杂、水量大、水压高等特点所制定的适用于象山隧道的注浆标准,在施工实践中取得了较好的效果,这一标准及标准制定中考虑的主要因素对类似工程有一定的指导和借鉴意义。

[1] 叶樵.长大复杂地质隧道大涌水地质灾害分析[J].铁道工程学报,2008(7):65-68.

[2] 毛儒.隧道工程风险评估[J].隧道建设,2003,23(2):1-3.

[3] 付仲润,韩忠存.某长江穿越隧道竖井淹井处理技术[J].隧道建设,2006,26(2):57-60.

[4] 杨世武,付仲润.第四纪地层沉井法施工注浆堵水施工技术[J].隧道建设,2004,24(2):43-46.

[5] 关宝树.隧道施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6] 中华人民共和国铁道部.TB 10204—2002铁路隧道施工规范[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[7] 王自清.水利水电工程地层注浆堵水与施工新技术及标准规范实用手册[M].北京:中国知识出版社,2006.

[8] 福建省地矿局.福建省区域地质志[M].北京:地质出版社,1985.

[9] 李红军.象山特长隧道施工风险因素分析[J].隧道建设,2009,29(S2):13-17.