高速铁路隧道含水砂层段帷幕注浆方案设计

尉 敏 丁鸿程 李 军 吴红刚 程 锋 贵 珊 马彦军 朱兆荣

(1. 中铁北京工程局集团有限公司,北京 102308; 2. 兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070;3. 中铁西北科学研究院有限公司,兰州 730099)

引言

在隧道工程建设中,以帷幕注浆技术为主导的综合超前支护措施发挥了重要作用[1],帷幕注浆除对地下水具有封堵作用外,还对围岩具有一定的加固作用[2]。 已有学者对帷幕注浆工作机理进行研究。 阳云针对厦门过海隧道软弱围岩,研究超前帷幕注浆方案在此隧道中的运用[3];ZHANG 等采用正交分析方法,分析隧道注浆厚度和渗透性对涌水量和围岩稳定性的影响[4];黄飞飞提出一种针对富水破碎岩体隧道注浆的优化方案,并建立质量评价模型对优化效果进行评价[5];李存禄等通过钻孔技术与高压注浆试验给出合理的注浆参数[6];汪旵生提出上断面钻孔辐射至全断面的注浆方案,并针对开挖后出现的异常渗水情况提出径向补强方案[7];SHI 等对帷幕注浆法在岩溶隧道中的堵水加固效果进行工程验证[8];周新星研发一种高聚物注浆材料并对其作用机理进行研究,发现高聚物帷幕注浆材料对解决隧道涌水问题效果良好[9];管晓军为解决岩体破碎且涌水量大的隧道问题,采取半断面帷幕注浆加固法加固围岩,发现该方法对于控制掌子面变形效果较好,而对隧道仰拱隆起的影响不大[10];LI 等在数值模拟中考虑了岩体本构模型和注浆参数,研究不同帷幕注浆厚度下隧道裂缝萌生和扩展的规律[11];YAO 等结合实际灌浆处理方法,总结出大坝防渗处理的规律[12]。

综上所述,隧道工程中不良地质条件多样,施工措施各异,难以给出统一的注浆方案。 以银兰高铁某隧道工程为依托,针对掌子面涌砂、流砂情况,提出一种帷幕注浆加固结合地表降水的治理方法,并对帷幕注浆施工中出现的异常情况分析原因后进行处理。

1 工程概况

银兰高铁某隧道位于宁夏中卫市,起讫里程DK39+990~DK57+753.3,全长17.7633 km,双线,线间距4.6 m。 洞内纵坡25‰/160 m、20‰/13.9 km、18.1‰/3 km、-4.5‰/703.3 m,围岩为新近系中新统砂岩夹泥岩,粉细粒结构,节理发育,成岩作用差,其中Ⅲ级围岩12.275 km,Ⅳ级围岩2.745 km,Ⅴ级围岩2.743 km,隧道最大埋深约380 m。 地下水类型为基岩裂隙孔隙水,隧道洞内细砂具有流变性,含水率达26%,初期施工开挖时未见地下水,随着施工扰动,地下水逐渐向掌子面方向运移,水量逐渐变大,施工中多次出现流砂、坍塌、透水。

隧道DK43+959.5~DK44+64.5 段位于低中山区,地面高程1 527.5~1 575.0 m,地表冲沟和沟谷发育,其中 DK43+980~DK44+020 段为深切冲沟,隧道埋深110~135 m 段,为极软岩,粉细粒结构,节理发育,成岩作用差,泥岩呈泥质结构,易软化和风化,产状平缓,节理发育,呈粉砂状松散结构,易塌方。 地下水位埋深60.2~73.6 m,隧道洞身位于地下水位线以下约49 m,为弱富水区。 围岩级别为Ⅴ级。 洞顶地表细砂含水率达6%,洞内细砂含水率达26%,洞内多次出现坍塌、涌砂和透水,且含水细砂具有流变性。 构造破碎带和浅埋段,可能产生地下水富集,施工时易发生涌水。

针对隧道掌子面及其附近出现的流砂问题,设计单位与施工单位共给出8 种解决方案,并在施工中验证每种方案的效果,最终确定采用帷幕注浆加固方案。以银兰高铁某隧道DK43+959.5~ DK44+64.5 段5 个循环帷幕注浆工程为依托,研究帷幕注浆方案的实施效果。

2 注浆原理及方案制定

2.1 注浆原理

帷幕注浆是利用水压等方法,通过钻孔或注浆管将具有胶凝能力的浆液注入到岩体裂隙中,使松散岩体胶结成整体,以达到加固和防渗的目的,确保隧道开挖时不发生坍塌、涌水、流砂等事故[13]。 围岩注浆加固方法可改善隧道初期支护的应力与变形[14]。

帷幕注浆加固是在承受较大水压的情况下完成的,一方面要求注浆材料能够在高水压条件下施工,应具有不分散的特性;另一方面由于注浆体直接承受较大的水压作用,要求注浆加固体能迅速达到较高的强度,对浆液的水灰比、早期强度具有较高的要求。 对于不同的岩体,其注浆作用的原理和注浆加固效果也存在较大差异[15]。

2.2 注浆方案的制定

针对新近系未成岩含水砂层段流砂问题, 8 种含水砂层段施工方案见表1。 最终确定掌子面采取帷幕注浆加固结合地表降水措施方案组织实施,将注浆段分5 个循环施工,各循环帷幕注浆关系见图1。

图1 各循环帷幕注浆关系

3 帷幕注浆方案设计

为了制定切实可行的帷幕注浆设计方案,保证预期效果,关键是对第一至五循环帷幕注浆参数、材料等进行选择[16],各循环里程见表2。

表2 各循环里程

3.1 施工设备及工艺流程

本工程帷幕注浆选用ZBSB-148~23/4-15 型煤矿用双液注浆泵,共4 台,钻孔采用ZLJ-1250 坑道注浆钻机,共4 台。 根据帷幕注浆施工需求,钻机、注浆机选用及分布能满足现场施工进度及质量要求,帷幕注浆工艺流程见图2。

图2 帷幕注浆工艺流程

3.2 施工设计

(1) 注浆范围

帷幕注浆加固范围内的固结体主要承受外部静水压力,其注浆厚度参照厚壁筒公式,并按第四强度理论,有

式中,E为帷幕计算厚度;R为隧道掘进半径,取7.23 m;P为最大静水压力值,取1 MPa;σ为砂岩夹泥岩固结体容许抗压强度,取3.67 MPa。

通过计算,帷幕注浆范围为隧道开挖轮廓线外2.72 m。 进一步结合隧道几何特征和施工方法等,并考虑注浆与支护共同作用,各循环段帷幕注浆加固圈固结范围见表3。

表3 各循环固结范围

(2)止浆岩盘

止浆岩盘的厚度按照以下公式计算[17]

式中,B为止浆岩盘厚度;P0为注浆最大压力,取4 MPa(涌水压力为0.9~1.0 MPa,取4 倍涌水压力);D0为注浆段隧道毛洞宽,取7.5 m;[J]为岩石抗剪强度,Ⅳ级围岩取1.5。

当止浆岩盘厚度B为5 m 时,每循环帷幕注浆保留5 m 止浆岩盘,并在外侧喷射C25 混凝土,各循环喷射混凝土厚度见表4,设双层ϕ8 mm 钢筋网片,间距20 cm×20 cm。 在止浆岩盘及补喷混凝土段预钻ϕ108 mm 注浆孔与泄水孔,泄水孔间距2 m×2 m。

表4 混凝土厚度

(3)止浆墙

为固定注浆管和防止注浆过程出现漏浆、跑浆等现象,每循环帷幕注浆前需设置一定厚度的止浆墙。 止浆墙强度一般受材料的抗剪能力控制[18],计算公式为

式中,B为止浆墙的厚度;D为开挖断面直径,取14.46 m;λ为超载系数,一般取1.2~1.5;pz为水压力,取1 MPa;m为工作条件系数,一般取1.2~1.5;τc为止浆墙材料的设计抗剪强度,取2.7 MPa;k为转换系数;Rσ为混凝土强度。

当λ与m相同时,计算可得止浆墙厚度为1.34 m,结合实际情况,确定隧道第一循环帷幕注浆C20 混凝土止浆墙厚度为1.5 m,墙身直立,护墙宽5.2 m,高3.5 m,顶部厚1.5 m,底部1.5 m 范围内厚5 m,胸坡1 ∶0.7,止浆墙墙身堵头墙采用锚杆(长3.0 m,间距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定。 止浆墙和护墙下部为ϕ108 mm 钢管桩(长5 m,间距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定,止浆墙墙身均预留ϕ108 mm 注浆孔与泄水孔,泄水孔间距2 m×2 m。

(4)注浆孔布置

根据目前国内外施工机械的现状,结合相关工程施工经验,注浆段落长度一般选择20~30 m。

根据工程实际,各循环帷幕注浆长度取25 m,开挖20 m,并保留5 m 止浆岩盘,注浆孔扩散半径为1.5 m,为确保注浆扩散半径,钻孔深度宜大于设计孔深20 cm。

第一循环帷幕注浆钻孔见图3,各循环孔口管采用ϕ108 mm,壁厚5 mm 的热轧无缝钢管,管长3 m,孔口管应埋设牢固,并有良好的止浆措施。 注浆孔的部分参数见表5。

图3 第一循环注浆钻孔(单位:cm)

表5 循环帷幕注浆钻孔参数

(5)帷幕注浆设计

根据已确定的注浆范围、止浆岩盘、止浆墙、注浆孔布置情况绘制各循环帷幕注浆纵断面,第一、二循环帷幕注浆纵断面见图4、图5,第一循环帷幕注浆纵断面中,从上依次向下12 个注浆孔角度见表6,第三至五循环纵断面在图5 的基础上进行优化调整。

图4 第一循环帷幕注浆纵断面(单位:cm)

图5 第二循环帷幕注浆纵断面(单位:cm)

表6 第一循环帷幕注浆注浆孔角度

(6) 注浆速度

浆液在裂隙中的摩擦阻力与裂隙大小、延伸方向和其中的填充物有关,同时取决于浆液的密度和黏度。

根据经验,当钻孔涌水量≥50 L/min 时,注入速度宜为80~150 L/min;当涌水量≤50 L/min 时,注入速度宜为35~80 L/min,注浆速度还要经现场试验后才能进一步确定。

(7)注浆压力

注浆压力与砂层孔隙发育程度、涌水压力、浆液材料的黏度和凝胶时间长短等有关,目前均按经验确定。通常情况下按如下几种经验公式计算。

按已知的地下水静水压力计算,设计注浆压力(终压值)为静水压力的2~3 倍,最大可达到3~5倍,即

式中,P为设计注浆压力(终压值);P′为注浆处静水压力,取1 MPa。

据此求得的注浆压力范围为2~5 MPa。

涌水压力按照式(6)计算[19],有

式中,P为注浆压力;P0为涌水压力,取1 MPa。

根据上式可知,注浆压力为3~5 MPa,此方法适用于涌水压力稳定的情况;当涌水压力不稳定或者取值范围偏大时,计算得出的范围也较大,不利于注浆压力的选取和施工控制。

综合考虑上述2 种计算方法,并结合本工程涌水压力(0.9~1.0 MPa)情况,最终取注浆压力≯5 MPa,各循环注浆压力控制情况见表7。

表7 各循环注浆压力控制情况MPa

(8)注浆量计算

注浆量计算公式为[20]

式中,A为注浆范围岩层体积;n为围岩孔隙率;α为浆液充填率,取0.8;β为浆液损失率,取0.1;R为浆液有效扩散半径;L为注浆长度;nα(1+β)为填充率。

根据相应工程规范,并结合隧道工程的实际情况,各循环帷幕注浆段的填充率取值见表8。

表8 填充率取值

(9)注浆材料

各循环帷幕注浆材料及浆液配比见表9。 第一循环根据注浆情况,拱部周边孔采用少量聚氨酯浆进行补充,外加剂用量控制在水泥用量的5%左右,聚氨酯采用单组分聚氨酯。 第二至五循环若在施工时渗水量较大,可添加磷酸化学浆液。

表9 注浆材料配比

(10)钻孔和注浆

钻孔和注浆顺序由外向内,同一圈孔间隔施工,这样可以防止浆液溢到注浆岩之外。 注浆前,需进行压力由小增大的压水试验。 施工中根据现场情况对薄弱位置考虑增加注浆孔,各循环段施工工艺见表10,施工时可根据实际情况灵活运用。

表10 各循环段施工工艺

(11)注浆结束判断

根据类似工程注浆施工经验,单孔注浆压力达到设计终压,注浆量在10 L/min 以下并持续10 min 以上,即可结束注浆[21]。

(12)注浆效果检查

每一循环帷幕注浆完成后,需钻孔检查效果,检查孔布置参数及检查标准见表11[22],满足检查标准条件后方可进行洞身开挖施工,检查完成后需要用M10 水泥砂浆封堵检查孔,注浆施工及效果评价见图6。

图6 施工及效果评价

表11 检查孔及检查标准参数

4 异常情况处理

4.1 第二循环溜塌

(1)施工中存在的问题

施工中上台阶止浆墙破除时发现现场有局部溜塌,随后掌子面拱顶出现局部溜塌,紧接着掌子面出现大面积泥沙溜塌,体积约825 m3,溜塌情况见图7。

图7 第二循环溜塌

(2)溜塌原因分析

由于第二循环帷幕注浆孔数减少较多,注浆效果弱化,导致局部注浆固结效果较差,塌方较严重。

地表降水相对静水位目前未达到设计要求的仰拱底部。

从涌砂含水率分析,掌子面注浆处岩体含水率11%,注浆外部含水率在16.3%~17%之间,含水率未控制在11%以内,降水未达到预期效果。

在第一循环最后一榀开挖时,上台阶右侧出现局部溜塌现象,溜塌体为块状;第二循环开挖时,同一里程拱部发生竖向涌砂,初步判断此次涌砂为薄弱裂隙地段。

围岩中局部浆液扩散没有重叠形成完整止水帷幕。

(3)解决措施

第一时间封锁现场继续观察溜塌情况,在大里程上台阶溜塌泥砂处理完后,在掌子面喷浆封闭。 对塌腔部位采取径向注浆、泵送砂浆回填等措施进行加固处理。

4.2 第五循环塌腔

(1)施工中存在的问题

在对DK44+041.5 掌子面开挖时,核心土左侧前方出现流砂并伴有溜塌掉块,上台阶下部溜塌延伸至拱部,最终形成左侧拱腰至拱底塌腔、核心土左侧塌腔和右侧拱顶至拱腰塌腔,溜塌体约100 m3,溜塌情况见图8。

图8 第五循环第一次溜塌

第一次塌腔处理完成后,进行端部套拱施作,掌子面左侧拱顶至拱腰段管棚之间出现溜塌,管棚受溜塌影响导致下沉,造成拱架变形,见图9。

图9 第五循环第二次溜塌

掌子面开挖至DK44+042 时前方及拱部出现滑溜、塌方,管棚端头套拱初支砼出现开裂掉块、管棚和套拱出现整体下沉并最终垮塌,开挖揭示左侧拱脚处砂层呈流砂状(含水率为21.3%),见图10。

图10 第五循环第三次塌方

(2)塌腔原因分析

第一次溜塌:第五循环帷幕注浆止浆墙破除后,核心土左右两侧掌子面存在明显渗水,其中右侧渗水量较小,考虑因帷幕注浆过程中这两股水无法借助排水通道排出,加之地表深井降水虽已起到降低水头压力及排除砂岩中裂隙水的作用,但未能有效排除砂岩中的孔隙水,以致水对周围岩体持续浸泡,致使砂岩和浆液固结体软化,开挖过程中由于核心土两侧底部失稳进而引发一系列滑塌。 另外,第五循环中取消了对核心土的加固,对核心土周围溜塌也有一定的影响作用。

第二次溜塌:第一次塌腔反压回填完成后进行管棚施作,过程中左侧拱顶仍存在滑塌现象,同时对塌腔内进行砂浆填充时造成管棚与填充砂浆之间形成松散体夹层,在第一次塌腔处理完成,进行掌子面开挖时,由于掌子面拱顶上方松散体溜塌,导致填充砂浆下部脱空,而引发一系列滑塌,造成拱部左侧管棚受压下沉、拱架变形。

第三次塌方:掌子面发生溜塌后,现场对其进行反压回填,对溜塌形成的空洞进行注浆回填,浆液未完全填充塌腔且浆液与松散状砂岩固结效果较差,塌腔顶部存在砂层剥落现象,加大管棚及套拱的荷载。 同时,左侧拱脚处砂岩含水率较高,局部超过液限,呈流砂状,使拱脚承载力降低,在拱部土压力和拱脚下沉的双重作用下,管棚和竖撑出现整体下沉,并最终导致管棚和竖撑被压垮,掌子面出现塌方。

(3)解决措施

第一次溜塌处理

对掌子面采用土石反压回填,形成作业空间,土石表面坡率为1 ∶1,然后利用砂袋封堵空腔口。 塌腔位置预留泵送管、排水管及排气管。 拱部采用“ϕ108 mm管棚+ϕ42 mm 小导管”超前支护,管棚长15 m,环向间距30 cm,小导管长4 m,纵向每两榀钢架设一环。 管棚材料采用热轧无缝钢管,管内设钢筋笼,以增加管棚的抗弯能力。 管棚与小导管均采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆。

第二次溜塌处理

对拱顶90°范围内采用ϕ108 mm 管棚超前支护,管棚长15 m,环向间距30 cm。 管棚材料用热轧无缝钢管,管内设钢筋笼,以增加管棚的抗弯能力。 管棚采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆。 拱部通过ϕ42 mm小导管对斜上方松散体进行注浆加固,小导管外插角为45°,单根小导管长6 m,小导管环向间距30 cm,注浆材料为水泥-水玻璃双液浆。

第三次塌方处理

现场采用ϕ42 mm 小导管对掌子面前方进行注浆加固,小导管按1 m×1 m(横×竖)梅花形布置,注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆。 对拱部144°范围内施作ϕ108 mm 长管棚,管棚长15 m,环向间距30 cm,注浆材料为水泥-水玻璃双液浆。

5 结论与建议

通过研究帷幕注浆加固结合地表降水措施治理方案在加固隧道含水砂层段的应用,得到以下结论与建议。

(1)帷幕注浆结合地表降水可为洞内开挖施工的安全和进度提供保障。 根据1 号斜井大里程5 个循环的施工,帷幕注浆结合地表井点降水施工方案能够在确保安全的前提下有效推进施工进度。

(2)帷幕注浆孔数过少会弱化固结效果,进而引发塌方等异常情况的发生,应根据隧道工程自身情况,调整注浆孔间距、数量、注浆范围等参数,从而确保帷幕注浆及其开挖施工顺利进行。

(3)帷幕注浆过程中掌子面附近的渗水无法通过排水通道排出时,因不能及时排出砂岩中的孔隙水,在浸泡作用下会致使砂岩和固结体软化,围岩在开挖扰动作用下易发生滑塌。

(4)对溜塌空洞进行注浆回填时,浆液未充满塌腔或砂岩固结效果差,会加大管棚及套拱的荷载,致使管棚和竖撑被压垮,掌子面出现塌方,应使用小导管与长管棚进行加固。