浅析隧道断层破碎带注浆工艺

黄芝权

贵州省某国道隧道工程,全长约600 m。主要穿越地层为残坡积层砂黏土,硬塑厚0 m～1 m,下伏白垩系含砾砂岩极严重风化～颇重风化,地下水不发育。围岩级别Ⅴ级,Ⅲ级。隧道进口设置在R=800圆曲线上,该隧道土壤系高原黄棕壤,质地松脆,施工中土体坍塌严重,存在着很大的安全隐患。为保证施工安全及施工的顺利进行,必须对此段进行开挖预加固处理。针对上述情况,本着技术可靠、施工可行、经济合理和对现状土体扰动小的原则,结合近年来注浆加固的成功经验,经研究决定采用二重管A,C液无收缩注浆加固的方法,对该段地基进行加固处理,增强地基的自稳性和抗压强度,加固范围。

1 工程地质条件

根据建设部综合勘察研究设计院提供的岩土工程勘察报告,隧道开挖深度范围内的土体工程地质和水文地质条件如下:1)工程地质条件:①填土层;①1杂填土层:杂色,以建筑垃圾为主,中下密度;①2素填土层:黄褐色,以粉土、粉质黏土为主,中下密度,该层厚度为1.0 m～2.5 m;②粉土层:褐黄～灰黄色,结构较好,可塑～硬塑,厚度为2.5 m～4.3 m;③粉质黏土层:浅灰～褐黄色,结构较好,可塑～硬塑,③1夹粉土层透镜体,厚度为 6.7 m～7.9 m。2)水文地质条件:根据勘察报告,隧道开挖深度影响范围内存在上层滞水,含水层为粉土②层,静止水位埋深为1.6 m～2.78 m,主要来源为大气降水、管线渗漏。

2 施工方案设计

1)施工目的:本工程主要以改善地层松散的性状为目的,以及止水,使隧道顶部及侧面增加抗压强度和粘结性,实现加固目的,保证隧道掘进时,拱顶土体不产生塌落从而保证暗挖施工顺利进行和施工安全。2)施工方法选择:本工程采用双重管无收缩注浆工法,对隧道作业面前方的起拱线以上3 m部分土体及侧面2 m部分土体的范围进行辐射型注浆加固处理,形成具有一定强度的复合地基,以达到稳固土体的预期目的。

3 注浆加固

1)注浆材料。a.其特性对地下水而言,不易溶解;b.对不同地层,凝结时间可调节;c.高强度、止水;d.注浆材料配比:A液,B液,C液硅酸钠:130 L;水:70 L;Gs剂:8.5%;P剂:4.5%;DHP剂:6.7%;GOX剂:7.1%;水泥:47%;DHP剂:5.6%;GOX剂:4.2%;XPM剂:5.4%;水:200 L。注:溶液由 A,B液组成;悬浊液由A,C液组成注浆时,将根据现场实际情况适当加入特种材料以增加可灌性和早期强度。

2)注浆范围的设计。经计算,出线沟暗挖隧道土体注浆加固范围确定如下:a.隧道结构外轮廓线:左右两侧各2 m以内的土体;拱部以上3 m以内的土体;底部不加固。位于回填土内的隧道全段面加固,位于天然土层内的隧道仅加固隧道开挖范围外的两侧各2 m,上部3 m的范围。b.断面纵向每次加固长度12 m。c.采用垂直、水平和斜向成孔、注浆加固。

3)注浆孔的布置。根据隧道结构及地质状况,注浆孔于开挖断面上呈正方形布置,间距0.7 m。

4 施工部署及工艺流程

4.1 施工部署

1)加固区长度每段12 m,开挖时预留3.0 m,以防下一次注浆时浆液外溢。2)水平加固区采用由中心部→外围或外围→中心部,并采用隔孔注浆施工。3)如现场地面施工条件具备,为缩短工期,采用地面垂直注浆方案。

4.2 工艺流程

1)钻孔:根据设计要求,对准孔位,根据不同入射角度钻进,要求孔位偏差不大于2 cm,入射角度偏差不大于1°;2)注入浆液:成孔后开始注浆,注浆压力0.3 MPa～0.5 MPa;3)拔出注浆管,封堵注浆孔:采用黏土或其他材料封堵注浆孔,防止浆液流失;4)冲洗注浆管:注浆完毕,应立即用清水冲洗注浆管,必须采取适当措施处理废水,搞好清洁工作;5)转入下一孔位施工。

5 施工操作要点

1)超前探水。巷道预注浆堵水与加固,第一步应打探水孔,重点是取好岩芯,判好层。探孔结束时,可以做简易注浆,以便第2步做好注浆堵水加固工程的施工设计。2)钻孔布置。a.布孔形式与孔数。宜根据注浆目的选择是直孔还是放射孔。该矿施工的31400轨道下山巷道宽度2.8 m,高度 2.6 m,面积6.98 m2,注浆孔位沿巷道周边布置,起拱线以上布置6个钻孔,左右底角各布置1个孔,径向向外辐射,孔底落眼在巷道荒径以外1.5 m～2.0 m。b.钻孔结构。开孔采用D127 mm无芯钻进,钻进中及时加导向岩芯管,钻至10 m深度,下入D108×4.5 mm孔口管,此后采用D75 mm钻头钻至终孔。3)注浆段长的选择。由于井下不宜用止浆塞分段注浆,为保证钻注质量,要根据围岩性质、构造和裂隙发育、断层带破碎程度,一般注浆段长选择3 m～4 m。4)钻注顺序。首先钻注孔口管段,孔口管按设计埋设完毕后养护24 h～48 h,按常规做压力试验,试压合格后方可向前钻注。岩帽段一般控制在3 m～5 m,采用小段高,定压、定量分次下行式注浆法直到岩帽设计深度,然后岩帽全段复注。待岩帽段全部孔达到注浆要求后,方可转入正常注浆段的钻注工作。注浆段要根据地质、水文地质等条件严格划分段高,分段前进式施工。5)注浆参数的选择。a.注浆压力,是推动浆液克服各种流动阻力,使浆液扩散,充填密实的动力,是注浆的重要参数。在基岩裂隙中,宜采用2倍～2.5倍静水压力,在软岩和破碎带中,初期宜采用1.5倍～1.6倍,中期采用2.0倍～2.5倍,后期为3.0倍～3.5倍的静水压力。b.注浆流量。在基岩裂隙中流量以50 L/min～60 L/min为宜,在软岩和断层带中,以不小于20 L/min,稳定时间不小于15 min较合适。c.注入量。施工中浆液注入量可按下式计算:Q=AπR2HNB/M,其中,A为浆液消耗系数,一般取1.3～1.5;R为以中腰线交点为中心的浆液有效扩散半径,m;H为注浆段高,m;N为平均裂隙率,一般取0.01～0.05;B为浆液充填系数,一般取 0.9～0.95;M为浆液结石率,取0.85。研究表明:注入量还和注浆压力有密切关系。不同条件下,要有合理的注浆压力来保证浆液注入量。另外,注入量也可以注浆孔涌水量大小和冲洗液漏失量大小来定。d.浆液浓度。相同条件下,浆液越浓,粘度越大,扩散距离越小,当然,浆液的结石率也随浓度而增加。浆液浓度的选择与调整直接关系到注浆的进度和工程质量。基岩裂隙水一般应以浓浆为主,当连续注浆0.5 h不见升压或吸浆量不下降时,要提高浆液浓度,当水灰比小于1.0时,每个浓度级连续注入40 min～50 min后再提高浆液浓度。

6 注浆效果

巷道掘进至F13断层破碎带2 m时,出水量2 m3/h～26 m3/h,稳定在15 m3/h左右。对断层带注浆堵水加固后,掘进时可观测到断层带内裂隙被浆液充填得非常密实,实测断层带内涌水量为0.2 m3/h～0.3 m3/h,砂岩段0.3 m3/h～4 m3/h,达到了设计要求,巷道施工顺利通过了F13和F15断层。

7 结论与建议

1)软岩、断层破碎带塌孔的处理方法。a.先用小1级～2级的孔径打到设计深度,用稀浆进行一次高压固结注浆,使其达到维护孔壁作用,然后扩孔,顺利通过塌孔层位。b.采用合理钻进参数。遇到轻微塌孔时,调整钻进参数:冲洗液流量小于40 L/min;主轴转数小于160 r/min;主轴压力小于70×105Pa。c.塌孔严重的钻孔几次反复无效时,也可改变注浆顺序,先扫孔到塌孔位置,然后改注相邻钻孔也可达到目的。2)软岩及断层破碎带增加注浆量的方法。a.减小段高:通过小段高压预处理,结合浆液调级,可以达到预期效果。b.预处理法:就是在注前向孔内注经稀释的水玻璃溶液。由于水玻璃溶液对裂隙面有极大的润滑作用,能提高岩层对浆液的吸收能力,增加浆液注入量。c.巷道过断层首先要打探水钻,并至少有一孔全取芯。该步骤必不可少,为下一步注浆加固工程的施工组织设计提供有力保证。