太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究

張民慶，張　亮，何志軍，彭　峰，張曉華

(1.中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京　100844；2.北京中鐵瑞威

基礎(chǔ)工程有限公司，北京　100055；3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津　300222)

太行山隧道富水寬張裂隙注漿堵水技術(shù)研究

張民慶1，張亮2，何志軍1，彭峰2，張曉華3

(1.中國(guó)鐵路總公司工程管理中心，北京100844；2.北京中鐵瑞威

基礎(chǔ)工程有限公司，北京100055；3.中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津300222)

摘要：太行山隧道施工中遇到富水寬張裂隙帶，左線長(zhǎng)度218 m、右線長(zhǎng)度200 m，超前探孔單孔最大涌水量230 m3/h，靜水壓力0.8 MPa，圍巖為Ⅲ級(jí)石英砂巖。施工中先后采取全斷面帷幕注漿、帶水作業(yè)、周邊注漿等方法。工程實(shí)踐表明：(1)3種方法均可以滿足開(kāi)挖要求，施工進(jìn)度分別為25、20、39 m/月，周邊注漿處理該類地層更有優(yōu)勢(shì)；(2)帶水作業(yè)必須滿足超前探孔單孔出水量小于40 m3/h、總涌水量小于300 m3/h、破碎裂隙段長(zhǎng)度小于3 m的要求，否則，施工安全和進(jìn)度無(wú)法保證；(3)周邊注漿與全斷面帷幕注漿相比，注漿孔數(shù)量減少59%，注漿時(shí)間縮短56%，進(jìn)度提高56%；(4)全斷面帷幕注漿采用2 L/min/m作為檢查孔出水量標(biāo)準(zhǔn)是合適的，并可適度放寬，周邊注漿可采用5 L/min/m的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；富水寬張裂隙帶；注漿；帶水作業(yè)；施工

注漿技術(shù)是地下工程施工中廣泛采用的一項(xiàng)重要輔助工法，它在處理地下水和加固地層方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)保證施工安全起到了重要作用[1，2]。國(guó)內(nèi)外鐵路富水地層注漿后開(kāi)挖進(jìn)度一般在15～25 m/月(表1)，由于進(jìn)度不快，因此，當(dāng)施工中遇到富水地層時(shí)，對(duì)是否采取注漿方案，決策困難[3]。

表1　國(guó)內(nèi)外鐵路富水地層注漿處理統(tǒng)計(jì)

以在建的山西中南部鐵路通道太行山隧道富水寬張裂隙帶為研究對(duì)象，分別進(jìn)行了全斷面帷幕注漿、周邊注漿、帶水作業(yè)等輔助工法的工程性試驗(yàn)，取得了有益的結(jié)論，希望能對(duì)今后類似工程提供借鑒。

1工程概況

太行山隧道為山西中南部鐵路通道的控制工程，位于河南省林州市境內(nèi)。隧道為2座單線，左線全長(zhǎng)18 125 m，右線全長(zhǎng)18 108 m，最大埋深920 m，設(shè)置3座斜井。

太行山隧道穿越太行山中山區(qū)，主要通過(guò)太古界片麻巖，震旦系石英砂巖，寒武系頁(yè)巖、泥灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r，如圖1所示。巖層近水平狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道設(shè)計(jì)正常涌水量為22 700 m3/d，最大涌水量為32 600 m3/d。

圖1　太行山隧道工程地質(zhì)構(gòu)造

2富水寬張裂隙帶

2012年9月4日，太行山隧道1號(hào)斜井工區(qū)正洞右線施工至DyK585+434處，掌子面拱頂右側(cè)出現(xiàn)高壓水(圖2)，噴射距離4 m，涌水量為620 m3/h，同時(shí)沖出部分卵石，最大直徑約20 cm，水質(zhì)清澈。9月16日，左線施工至DK585+438處，同樣遇到高壓水。隨后進(jìn)行了放水試驗(yàn)、水壓測(cè)試，以及施工地質(zhì)綜合判斷。

通過(guò)放水試驗(yàn)，放水量約150萬(wàn)m3，實(shí)測(cè)涌水量穩(wěn)定為3.3萬(wàn)m3/d，動(dòng)水壓為0.25 MPa。經(jīng)進(jìn)一步綜合地質(zhì)判斷，隧道前方左線218 m(DK585+438～DK585+220)、右線200 m(DyK585+434～DK585+234)為富水寬張裂隙帶，圍巖以Ⅲ級(jí)石英砂巖為主，夾少量頁(yè)巖。

裂隙帶處于寬谷前沿，位于近水平層寬緩背斜及向斜構(gòu)造中，豐富的地下水通過(guò)垂直寬張裂隙導(dǎo)入洞內(nèi)，地下水補(bǔ)給主要以大氣降水及地表水為主。隧道附近約1 km位置為馬家?guī)r水庫(kù)，設(shè)計(jì)庫(kù)容3 248萬(wàn)m3，庫(kù)底高于隧道約60 m，對(duì)水位監(jiān)測(cè)有一定的變化。

圖2　太行山隧道掌子面突水

3處理方案與實(shí)施效果

3.1全斷面帷幕注漿

針對(duì)富水寬張裂隙，為確保施工安全，對(duì)左線138 m(DK585+438～DK585+300)、右線120 m(DyK585+434～DyK585+314)段落采取了全斷面帷幕堵水施工[4，5]。

3.1.1注漿設(shè)計(jì)

注漿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，注漿設(shè)計(jì)如圖3所示。

表2　全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.2注漿施工

注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥單液漿，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間(>8 h)注漿壓力不上升時(shí)，采用普通水泥-水玻璃雙液漿。硫鋁酸鹽水泥單液漿配比為：水灰比0.8∶1～1∶1；普通水泥-水玻璃雙液漿配比為：水灰比0.6∶1～0.8∶1，水泥漿與水玻璃體積比1∶1～1∶0.3，水玻璃濃度30～35Be′。

按發(fā)散-約束型原則，采取“由外到內(nèi)、由上向下、間隔跳孔”的順序進(jìn)行注漿。注漿終壓6 MPa。

采取前進(jìn)式分段注漿工藝，鉆孔注漿分段原則為：水量在0～10 m3/h時(shí)分段長(zhǎng)度為10 m，水量在10～30 m3/h時(shí)分段長(zhǎng)度為5 m，水量在>30 m3/h時(shí)立即停鉆，進(jìn)行注漿。

圖3　隧道全斷面帷幕注漿設(shè)計(jì)(單位：cm)

3.1.3注漿效果檢查評(píng)定

注漿結(jié)束后，進(jìn)行鉆孔檢查，要求檢查孔成孔效果好，不坍孔，出水量小于2 L/min/m。

3.1.4開(kāi)挖支護(hù)

開(kāi)挖時(shí)嚴(yán)格按“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則，每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺控制在1 m以內(nèi)，加強(qiáng)光面爆破成形控制，盡量減少對(duì)圍巖及注漿體的擾動(dòng)。

3.1.5效果評(píng)價(jià)

全斷面帷幕注漿堵水共完成左線7個(gè)循環(huán)138 m，右線6個(gè)循環(huán)120 m。注漿后開(kāi)挖時(shí)，寬張裂隙被漿液有效填充，注漿堵水效果良好，僅局部出現(xiàn)滲滴水，實(shí)現(xiàn)了富水寬張裂隙帶的安全施工(圖4)?，F(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3　全斷面帷幕注漿堵水施工統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，針對(duì)富水寬張裂隙地層，采取全斷面帷幕注漿施工，平均進(jìn)尺約為25 m/月。對(duì)鉆孔注漿與開(kāi)挖進(jìn)行時(shí)效分配計(jì)算，鉆孔注漿約占總時(shí)間的60%，開(kāi)挖約占40%。

圖4　注漿堵水后開(kāi)挖

3.2帶水作業(yè)

鑒于該隧道工期緊張，全斷面帷幕注漿施工進(jìn)度不快，為此，進(jìn)行了帶水作業(yè)嘗試。

帶水作業(yè)必須解決在“水量大、水壓高”條件下的鉆孔裝藥問(wèn)題，因此，在掌子面采取泄水降壓措施。

3.2.1泄水降壓

利用潛孔鉆機(jī)在掌子面中下部超前施作3～6個(gè)泄水孔，長(zhǎng)度10～20 m。泄水孔角度呈發(fā)散形，從而充分穿越富水寬張裂隙，起到泄水降壓目的。若6個(gè)泄水孔完成后，泄水效果仍不能滿足開(kāi)挖要求，需增加泄水孔數(shù)量。

3.2.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

在隧道左線DK585+300～DK585+280里程段進(jìn)行了工程性試驗(yàn)。

(1)首先施作3個(gè)泄水孔。當(dāng)X1孔鉆孔深度為12 m時(shí)，出水量達(dá)到210 m3/h，無(wú)法鉆進(jìn)；X2孔鉆孔深度為13 m時(shí)，出水量達(dá)到210 m3/h，無(wú)法鉆進(jìn)；X3孔鉆孔深度為17 m時(shí)，出水量為110 m3/h，停止鉆進(jìn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，無(wú)法進(jìn)行帶水裝藥，因此，繼續(xù)進(jìn)行泄水降壓。

(2)再次施作4個(gè)泄水孔。X4孔鉆孔深度為13 m時(shí)，出水量達(dá)到160 m3/h，無(wú)法鉆進(jìn)；X5孔鉆孔深度為17 m時(shí)，出水量為50 m3/h，停止鉆進(jìn)；X6孔鉆孔深度為14 m時(shí)，出水量110 m3/h，停止鉆進(jìn)；X7孔鉆孔深度為20 m，出水量為35 m3/h，停止鉆進(jìn)。當(dāng)7個(gè)泄水孔全部施作完成后，X3、X5、X7孔出水量降低至35 m3/h，X1、X2、X4、X6孔出水量降低至110 m3/h。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，已具備帶水裝藥條件。

(3)爆破開(kāi)挖。對(duì)掌子面分左、右兩部分進(jìn)行爆破。首先對(duì)水量較小的右半部分進(jìn)行爆破，起到先行泄水目的。當(dāng)左半部分出水量降低至適宜開(kāi)挖作業(yè)后，再同步開(kāi)挖。

3.2.3效果評(píng)價(jià)

帶水作業(yè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度20 m，歷時(shí)1個(gè)月，折合進(jìn)尺為20 m/月，未達(dá)到理想效果。同時(shí)，帶水作業(yè)過(guò)程中，還出現(xiàn)了局部小型坍塌，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，帶水作業(yè)必須滿足以下條件：

(1)超前鉆孔(孔徑φ90 mm)單孔出水量應(yīng)小于40 m3/h，總涌水量不宜大于300 m3/h，否則無(wú)法滿足帶水裝藥要求，同時(shí)帶水作業(yè)工效不高；

(2)隧道前方開(kāi)挖地段巖體完整，裂隙段長(zhǎng)度不宜大于3 m，否則開(kāi)挖時(shí)易發(fā)生局部坍塌，影響安全和進(jìn)度。

3.3周邊注漿

為了加快施工進(jìn)度，在確保施工安全的基礎(chǔ)上，對(duì)左線60 m(DK585+280～DK585+220)、右線80 m(DyK585+314～DyK585+234)段落采取了周邊注漿堵水施工。

3.3.1注漿設(shè)計(jì)

注漿設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4，注漿設(shè)計(jì)如圖5所示。

表4　周邊注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5　周邊注漿設(shè)計(jì)(單位：cm)

3.3.2注漿施工

注漿材料、注漿工藝與全斷面帷幕注漿相同。

3.3.3注漿效果檢查評(píng)定

注漿結(jié)束后，進(jìn)行鉆孔檢查，要求檢查孔成孔效果好，不坍孔，出水量小于10 L/min/m。若達(dá)不到要求，應(yīng)對(duì)出水量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的部位進(jìn)行補(bǔ)孔注漿，直至符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.4效果評(píng)價(jià)

周邊注漿堵水共完成左線3個(gè)循環(huán)60 m，右線4個(gè)循環(huán)80 m的施工。

(1)檢查孔出水量

測(cè)試周邊注漿檢查孔出水量，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，通過(guò)周邊注漿，可以達(dá)到檢查孔出水量10 L/min/m的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，多數(shù)循環(huán)在基本不增加注漿孔的基礎(chǔ)上，檢查孔出水量也達(dá)到了5 L/min/m，因此，采取周邊注漿方案時(shí)，可以通過(guò)局部加密，提高檢查孔出水量標(biāo)準(zhǔn)，從而提高注漿堵水效果。

表5　周邊注漿檢查孔出水量　L/min/m

(2)工效評(píng)價(jià)

注漿后開(kāi)挖時(shí)，與全斷面帷幕注漿相比，注漿堵水效果有所下降，拱部存在淋水，局部有股狀水，但不影響正常施工，需要在開(kāi)挖完成后進(jìn)行徑向注漿堵水。現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6　周邊注漿堵水施工統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果看：針對(duì)富水寬張裂隙地層，采取周邊注漿，平均進(jìn)尺約為39 m/月。對(duì)鉆孔注漿與開(kāi)挖進(jìn)行時(shí)效分配計(jì)算，鉆孔注漿約占總時(shí)間的40%，開(kāi)挖約占60%。

43種技術(shù)方案的比選

對(duì)全斷面帷幕注漿、周邊注漿、帶水作業(yè)3種技術(shù)方案進(jìn)行比選，注漿按每25 m一個(gè)循環(huán)計(jì)算，對(duì)比結(jié)果如表7所示。

表7　3種技術(shù)方案比選

5結(jié)論與體會(huì)

通過(guò)太行山隧道富水寬張裂隙帶工程性試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論。

(1)針對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖富水寬張裂隙帶，全斷面帷幕注漿、周邊注漿、帶水作業(yè)均可以滿足開(kāi)挖要求，施工進(jìn)度分別為25、39、20 m/月，因此，周邊注漿處理該類地層更有優(yōu)勢(shì)。

(2)帶水作業(yè)的前提條件是超前探孔單孔出水量應(yīng)小于40 m3/h、總涌水量應(yīng)小于300 m3/h、破碎裂隙段長(zhǎng)度小于3 m，否則，施工安全和進(jìn)度無(wú)法保證。

(3)周邊注漿與全斷面帷幕注漿相比，注漿孔數(shù)量減少59%，注漿時(shí)間縮短56%，進(jìn)度提高56%。

(4)全斷面帷幕注漿采用2 L/min/m作為檢查孔出水量標(biāo)準(zhǔn)是合適的，周邊注漿可采用5 L/min/m的標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張民慶，彭峰.地下工程注漿技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社，2008.

[2]張民慶，黃鴻健.齊岳山隧道高壓裂隙水注漿堵水技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2010(1):68-72/103.

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Research on Grouting and Blocking Water Technology in Water Rich Broad Patulous Cranny of Taihangshan Tunnel

ZHANG Min-qing1， ZHANG Liang2， HE Zhi-jun1， PENG Feng2， ZHANG Xiao-hua3

(1.Project Management Center of China Railway Corporation， Beijing 100844, China;

2.Zhongtie Railway Soil Engineering Co.，Ltd.， Beijing 100055;

3.China Railway Eighteen Bureau Group Co.， Ltd.， Tianjin 300222)

Abstract：The construction of Taihangshan tunnel is encountered in water rich and wide tension fissure zone with left line length 218 m and right line length 200 m. The maximum gushing water is predicted to be 230 m3/h and the static water pressure 0.8 MPa. The surrounding rock is grade quartz sandstone. It is constructed with full face curtain grouting in presence of water and with peripheral grouting method. Engineering practices show that: (1)the three methods can meet the requirements for excavation with construction progress 25 m/month， 20 m/month and 39m/month respectively， the peripheral grouting treatment of the formation is very advantageous; (2)construction with presence of water must satisfy the requirements for advanced hole drilling single hole water less than 40 m3/h， the total water amount less than 300 m3/h and crack length less than 3 m， otherwise， the construction safety and schedule cannot be guaranteed; (3)compared with surrounding grouting and full face curtain grouting， grouting hole is reduced by 59%， grouting time cut by 56%， schedule increased by 56%; (4)the entire cross-section curtain grouting by using 2 L/min/m as the inspection hole water volume standard is appropriate， and may be extended and 5L/min/m standard may be applied for peripheral grouting.

Key words：Railway tunnel; Water rich and wide tension fissure zone; Grouting; Work in presence of water; Construction

中圖分類號(hào)：U45

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.06.024

文章編號(hào)：1004-2954(2015)06-0108-05

作者簡(jiǎn)介：張民慶(1970—)，男，提高工資待遇高級(jí)工程師，E-mail:zskzmq888@163.com。

收稿日期：2014-08-01； 修回日期：2014-08-12