厦门翔安海底隧道F1风化深槽注浆加固技术

郭小红,王梦恕

(1.北京交通大学,北京 100044;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,武汉 430056)

1 前言

修建海底隧道是一项风险很高的工程,其主要问题是隧道坍塌和涌水突泥,国内外在海底或者高水压、富水地层修建隧道发生涌水突泥的案例很多,涌水和突泥往往会造成隧道坍塌、变形、侵限,甚至导致人员和设备被埋、地表沉陷、建筑物倒塌、地下水疏干,危及施工、运营和环境安全,带来严重的工程灾难。对于海底隧道而言,由于海水非常丰富,一旦涌出,很难控制,因此其带来的危害和损失也很大[1,2]。

厦门翔安海底隧道是我国修建的第一条海底隧道,海底隧道陆域全强风化岩地段和海底风化深槽地段岩体风化严重,软弱破碎、节理和裂隙发育,强度低,含水量大,无自稳能力或自稳定能力差,开挖时容易发生涌水突泥和坍塌,因此注浆加固和堵水是保证施工安全和质量的重要手段,也是工程成败的关键[3～6]。笔者以厦门翔安海底隧道涌水量最大且施工难度最大的海域段F1风化槽为研究对象,根据其围岩地质条件和突涌水特点,制定了缜密细致的注浆加固方案,并对其进行了注浆效果的检验和评价。

2 工程概况

厦门翔安海底隧道主洞F1风化槽起始里程为ZK8+270,覆盖层36.9 m,最大水深30 m,设计拱顶最大静水压力0.68 MPa,设计纵向长度为70 m。

2.1 工程地质条件

F1风化槽岩性以W4和W3全、强风化花岗岩为主,夹强风化二长岩岩脉:强风化花岗闪长岩以褐黄色为主,杂少量白斑,岩石风化严重,呈硬塑砂质粘性土状,并含有中粗砂和粉细砂;强风化二长岩脉因高岭土矿物含量较高,具有弱膨胀潜势,含少量风化残块,地勘报告提供的全、强风化花岗岩力学参数见表1。从表1中可以看出,全、强风化花岗岩力学参数较低,隧道一旦开挖,围岩稳定性很差。

表1 F1风化槽岩土物理、力学指标Table 1 Geotechnical materials in F1 weathered trough

2.2 水文地质条件及F1风化槽突涌水特点

F1风化深槽海域地下水总体上富水性弱,渗透性较差,为弱或微含水层,但全、强风化岩接触面处,节理裂隙发育,地层的透水性很大,地下水和海水的连通性极强;该段地下水主要受海水的垂直入渗补给,全、强风化地层渗透系数较大,见表2。

表2 F1风化槽渗透系数参数表Table 2 Permeability parameters in F1 weathered trough

相比较而言,海域段在F1风化槽位置的涌水量较其他位置的涌水量值要高出很多,F1风化槽最大水压力为0.3～0.5 MPa,单孔最大涌水量为50 m3/h。又由于强风化基岩切过隧道,隧道围岩十分破碎,裂隙十分发育,因此发生突水的可能性很大,是隧道建设过程中施工难度最大、施工工艺最复杂、危险性相对最大的阶段。如果设计施工过程中不采取相应积极有效的措施,极有可能发生突水事故,给工程带来难以估量的损失。

3 注浆堵水方案设计

3.1 注浆方案

对于海底隧道而言,不同的地质条件和设计要求应选择不同的注浆方案,影响注浆方案选择的因素也很多,主要有地质条件、隧道埋深、设计要求、施工方法、机械设备等,其中地质条件对注浆堵水方案影响最大,在地质条件方面主要考虑开挖面稳定情况、水压力、涌水量、泥沙含量等。根据国内外海底隧道修建的工程经验和相关试验成果,不同地质岩层注浆方案的选择见表3。

表3 注浆方案的选择Table 3 Scheme choice of grouting

根据主洞F1风化槽的地质条件和突涌水特点,设计采用全断面注浆加固和堵水,注浆加固范围为掌子面内及隧道开挖轮廓线外5 m,隧道纵向加固每循环长度为23 m(含止浆岩盘)。共计钻孔195个,检查孔28个(其中取芯孔7个),此外另增加了10个补充注浆孔。注浆孔布置见图1和图2。

3.2 注浆参数

注浆参数见表4,分别对不同的注浆参数提出了具体的指标。

3.3 注浆材料

注浆材料以超细水泥单液浆为主,超细水泥—水玻璃双液浆及普通水泥—水玻璃双液浆为辅。浆液配比参数如表5所示。

表4 注浆参数Table 4 Parameters of grouting

图1 F1风化槽注浆开孔布置横断面图(单位:cm)Fig.1 Cross-section of openings layout for grouting in F1 weathered trough(unit:cm)

图2 F1风化槽注浆钻孔纵断面图(单位:cm)Fig.2 Profile of drilling for grouting in F1 weathered trough(unit:cm)

表5 浆液配比参数Table 5 Parameters of grout formula

3.4 钻孔法注浆效果检验

采用钻孔检查法检验[7],本次注浆检查孔数量为29个,其中取芯孔7个,检查孔的取芯率平均达到了70%左右,大部分孔的涌水量达到了设计要求,另外对于不合要求的部位进行了补充注浆。注浆前后地层物理、力学参数对比见表6。总体来看:由于开挖面左侧中上部地层为全、强风化的花岗岩并且夹有粉细砂,水量较大,钻孔过程中坍孔严重,因此注浆十分困难;距离掌子面18 m以前,岩芯中含有较多的水泥浆块,岩芯比较完整,基本无水,注浆加固效果较好;18 m以后,浆液胶结情况稍差,水量较大,进行了补充注浆,其他部位注浆加固效果较好,基本无水,达到了设计和开挖要求。取芯情况和开挖面浆液扩散情况见图3和图4。

表6 注浆前后岩土物理、力学指标对比Table 6 Comparisom of geomechnical parameters pre and post grouting

图3 检查孔岩芯Fig.3 Check rock quality of core

图4 开挖面浆液扩散情况Fig.4 Grout diffusion at excavation face

4 F1风化槽注浆加固后隧道工程稳定性评价

4.1 现场监测分析

F1风化槽通过全断面注浆后,按照设计方案采用CRD工法进行施工。施工过程中对F1风化槽围岩开展变形和破坏特征的现场监测工作。监测结果表明:注浆加固后围岩体变形得到有效控制,拱顶沉降和位移收敛量值最大分别为0.84 cm和2.48 cm,后期的围岩位移速率也非常小,均在设计允许范围之内。图5和图6为F1风化深槽ZK270断面的拱顶沉降和位移收敛趋势图。

图5 拱顶下沉位移曲线Fig.5 Curve of vault settlement

图6 水平位移收敛曲线Fig.6 Curve of converging displacement

4.2 数值仿真分析

与此同时,对F1风化深槽段海底隧道CRD施工工法围岩稳定性开展三维数值仿真。计算结果表明:隧道围岩的水压力基本上在0.45～0.57 MPa,二次衬砌的外水头范围为31～54 m,均在设计允许范围之内。图7和图8为衬砌外水压力等值线云图。

5 结语

1)海域段F1风化槽是涌水量最大的区域,最大水压力为0.3～0.5 MPa,单孔最大涌水量为50 m3/h,隧道围岩变形很大,围岩稳定性很差,因此,必须采用相应合理的注浆加固措施。

2)根据F1风化槽地质岩层特性和突涌水特点,采用全断面注浆加固和堵水,注浆加固范围为掌子面内及隧道开挖轮廓线外5 m,隧道纵向加固长度为23 m,注浆材料以超细水泥单液浆为主,并对注浆参数进行了详细的设置;注浆加固后,通过钻取岩芯检查,发现岩芯比较完整,基本无水,注浆加固效果较好。

3)隧道施工开挖后,分别通过F1风化槽段现场长期位移监测结果和三维海底隧道的数值仿真,分析隧道围岩体的变形破坏特征和外水压力,结果表明:围岩变形和水压力均在设计允许范围之内,围岩稳定情况良好,达到了设计和施工开挖要求。

图7 隧道轴线左侧区域水压力云图Fig.7 Pore pressure at zones of left tunnel

图8 二次衬砌三维水压力云图Fig.8 Pore pressure of second liner

[1]王梦恕,皇甫明.海底隧道修建中的关键问题[J].建筑科学与工程学报,2005,22(4):1-4.

[2]孙 钧.海底隧道工程设计施工若干关键技术的商榷[J].岩石力学与工程学报,2006,25(8):1513-1521.

[3]孙 锋,陈铁林,张顶立,等.基于宾汉体浆液的海底隧道劈裂注浆机理研究[J].北京交通大学学报,2009,33(4):1-6.

[4]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道工程学报,2002(4):61–67.

[5]岩土注浆理论与工程实例协作组.岩土注浆理论与工程实例[M].北京:科学出版社,2001:115-118.

[6]李 蓉,李治国.海底隧道全、强风化花岗岩地层注浆技术研究[J].现代隧道技术,2008,45(1):21-29.

[7]张民庆,张文强,孙国庆.注浆效果检查评定技术与应用实例[J].岩土工程学报,2006,25(2):3909-3918.