超前HCH—I高分子注漿技術(shù)在飽和弱成砂巖隧道中的應(yīng)用

舒麗紅

摘要：指出了HCH-I高分子漿液注入巖體迅速膨脹呈泡沫狀，與水反應(yīng)并封閉出水點(diǎn)，滲透到細(xì)小的裂隙中膨脹，可有效地加固和密封處理區(qū)域，能夠保持該種地層10 h內(nèi)基本不滲水，達(dá)到固結(jié)圍巖的目的。在胡麻嶺隧道通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定了使用HCH-I高分子漿液超前預(yù)注漿的方法，為同等或類似條件下的地下工程研究及施工提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：HCH-I高分子；超前注漿技術(shù)；飽和弱成砂巖；隧道；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U454

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2016）20-0122-03

1 引言

蘭渝線胡麻嶺隧道在4#斜井向正洞貫通挑高過(guò)程中，遇到了第三系飽和弱成砂巖地層。由于該地層地下水位高，在水壓作用下極易形成突水涌砂。另外，飽和弱成砂巖松動(dòng)圈大，在施工過(guò)程中受機(jī)械、人員的擾動(dòng)，使圍巖容易液化，阻礙正常施工，并且造成掌子面后方未封閉的初期支護(hù)發(fā)生突然變形和整體下沉，嚴(yán)重時(shí)在底板封閉和二襯施工后還有整體沉降。

在這樣的地質(zhì)條件下，通過(guò)調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)該種巖層挑高施工技術(shù)進(jìn)行了深入研究后，采用了多種方法，保證了施工時(shí)圍巖的穩(wěn)定。而超前HCH-I高分子注漿作為技術(shù)手段之一，有效地控制了圍巖軟弱未固結(jié)狀態(tài)及圍巖液化，保證了4#斜順利進(jìn)入正洞施工，確保了施工優(yōu)質(zhì)、安全、快速、高效地進(jìn)行。實(shí)踐證明，采用超前HCH-I高分子注漿技術(shù)對(duì)于飽和動(dòng)態(tài)含水砂層施工是安全、可靠、可行的。

2 隧道概況

胡麻嶺特長(zhǎng)隧道是蘭渝鐵路第I合同段工程，位于甘肅省定西市境內(nèi)，全長(zhǎng)13611 m，設(shè)計(jì)為客貨共線雙層集裝箱，開(kāi)通時(shí)速200 km/h。雙線大斷面隧道的開(kāi)挖斷面為135 m2，其原設(shè)計(jì)地質(zhì)以砂巖為主。原設(shè)計(jì)有4座斜井，其中4#斜井在施工中遇到了前所未見(jiàn)的第三系弱膠結(jié)飽和粉細(xì)砂巖地層，其成分以石英為主，呈黃色、桔黃色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部夾有礫巖薄層，成巖作用極差，屬極軟巖。

2.1 水文地質(zhì)

隧道4#斜井向正洞貫通地段地表水較發(fā)育，地下水受大氣降水及地表水補(bǔ)給影響，水量較大。

該段隧道洞身設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)正常涌水量為1429 m3/d，最大涌水量為4287 m3/d。

2.2 飽和弱成砂巖不利現(xiàn)象

飽和弱成砂巖的特點(diǎn)是固結(jié)不均勻，滲透系數(shù)小，降水難度大。該地層開(kāi)挖后自穩(wěn)能力極差，掌子面不穩(wěn)定，易坍塌，經(jīng)常出現(xiàn)底板冒水、涌砂、涌水，沉降大、初支變形等現(xiàn)象。

當(dāng)拱腰滲水時(shí)，滲水浸泡圍巖使其軟化，在開(kāi)挖馬口時(shí)圍巖層層剝離，造成接腿無(wú)法實(shí)施，拱腳背后脫空，上斷面突然沉降變形，無(wú)法進(jìn)行下斷面施工；當(dāng)掌子面滲水時(shí)，核心土崩塌，圍巖層層剝離，導(dǎo)管上方嚴(yán)重脫空，從而造成大型塌方；當(dāng)拱腳、基底滲水時(shí)，將拱腳、基底浸泡成淤泥。根據(jù)記錄，開(kāi)挖下臺(tái)階經(jīng)常出現(xiàn)突然沉降，沉降量最大1205 mm，平均630 mm；開(kāi)挖底板突然收斂，收斂值最大360 mm，平均170 mm。在通過(guò)大范圍松散段落時(shí)，出現(xiàn)初期支護(hù)整體下沉的情況，未封閉成環(huán)的段落最大沉降523 mm，平均達(dá)到162 mm；更為嚴(yán)重的是底板封閉、二次襯砌實(shí)施后還有整體沉降現(xiàn)象，最大78 mm。另外，飽和弱成砂巖在施工過(guò)程中經(jīng)開(kāi)挖振動(dòng)、人員的擾動(dòng)和受水長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)或浸泡后，圍巖液化現(xiàn)象明顯，增大了施工難度。

3 超前HCH-I高分子注漿技術(shù)原理

飽和弱成砂巖含水量大，滲透系數(shù)小，常規(guī)漿液無(wú)法滲透到巖體中。HCH-I高分子水膠固結(jié)材料是一種單液型樹(shù)脂材料，以水為固化劑，具有凝固時(shí)間短、注漿速度快等特點(diǎn)。通過(guò)超前小導(dǎo)管注入巖體，遇水后立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體，呈泡沫狀膨脹，生成彈性膠狀固結(jié)體封閉出水點(diǎn)，而且能夠滲透到細(xì)小的裂隙中，加固和密封處理區(qū)域，保持該類地層10 h內(nèi)基本不滲水，達(dá)到有效固結(jié)圍巖的目的。

超前HCH-I高分子小導(dǎo)管注漿示意圖如圖1所示。

4 超前HCH-I高分子注漿技術(shù)施工

4.1 超前小導(dǎo)管施工

4.1.1 小導(dǎo)管制作

采用外徑42 mm、壁厚3.5 mm的無(wú)縫熱軋鋼管制作超前小導(dǎo)管。鋼管長(zhǎng)度4 m。前端加工成10～15 cm長(zhǎng)的尖錐狀，尾部焊φ6鋼筋箍。管壁周圍按15 cm間距梅花形鉆設(shè)φ6 mm～φ8 mm注漿孔。尾端100 cm作為止?jié){段，不設(shè)注漿孔。

4.1.2 小導(dǎo)管安裝

小導(dǎo)管的安裝采用直接頂入方式，步驟如下。

（1）先用吹風(fēng)管將砂石吹出成孔，再用YT-28風(fēng)鉆頂入。

（2）小導(dǎo)管尾纏棉紗，使小導(dǎo)管與鉆孔固定密貼，并用棉紗將孔口臨時(shí)堵塞。

（3）為防止注漿過(guò)程中工作面漏漿，小導(dǎo)管安設(shè)后必須對(duì)其周邊一定范圍的工作面進(jìn)行噴射混凝土封閉。噴射厚度視地質(zhì)情況，以5～8 cm為宜。

4.1.3 小導(dǎo)管布置方式

超前注漿小導(dǎo)管根據(jù)地質(zhì)條件不同，布置形式有兩種：一種是單層超前注漿小導(dǎo)管，另一種是雙層超前注漿小導(dǎo)管。單層小導(dǎo)管采用φ42 mm，鋼管長(zhǎng)度為4.0 m，縱向搭接長(zhǎng)度1.0 m，外插角為2°，環(huán)向間距30 cm；雙層小導(dǎo)管采用φ42 mm，鋼管長(zhǎng)度為4.5 m，縱向搭接長(zhǎng)度1.5 m，鋼管分別采用為10°和40°的外插角交錯(cuò)布置，環(huán)向間距40 cm。

4.2 注漿參數(shù)

4.2.1 導(dǎo)管參數(shù)確定

主要根據(jù)地質(zhì)條件、隧道斷面大小及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式等因素原則設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)地下工程的特點(diǎn)，主要參數(shù)為：小導(dǎo)管長(zhǎng)度4 m；直徑42 mm；安設(shè)角度，單層2°，雙層10°和40°；注漿壓力4～5 MPa；漿液擴(kuò)散半徑0.15～0.25 m；注漿速度30～100 L/min。

漿液注入量計(jì)算公式為：Q=πR2 Lηαβ。其中；

Q為單管注漿量（m3）；

R為漿液擴(kuò)散半徑（m）；

L為注漿管長(zhǎng)度（m）；

η為地層空隙率或裂隙度；

α為地層充填系數(shù)（堵水時(shí)，一般取0.7～0.8；加固地層時(shí)，一般取0.6～0.7）；

β為漿液消耗系數(shù)，一般取1.1～1.2。

小導(dǎo)管沿隧道周邊布設(shè)，環(huán)向間距、布設(shè)范圍、單層或雙層可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況確定。

4.2.2 注漿材料

超前小導(dǎo)管注漿采用HCH-I高分子注漿材料。

4.2.3 注漿設(shè)備

其注漿設(shè)備為BQ-20注漿機(jī)。

4.3 注漿施工

4.3.1 超前HCH-I高分子注漿施工工藝流程

其工藝流程圖，如圖2所示。

4.3.2 準(zhǔn)備工作

注漿開(kāi)始前，進(jìn)行壓水或壓稀漿試驗(yàn)，檢驗(yàn)管路的密封性和地層的吸漿情況，壓水試驗(yàn)的壓力不小于設(shè)計(jì)終壓，時(shí)間不小于5 min。

4.3.3 注漿順序

周邊超前小導(dǎo)管自兩側(cè)向拱頂方向，分單雙號(hào)按順序注漿注。注漿過(guò)程中要根據(jù)不同地層及掌子面含水情況，將膠凝時(shí)間調(diào)整在30～180 s，以防止?jié){液隨地下水流失過(guò)遠(yuǎn)而造成止水效果不佳和漿液的浪費(fèi)。單孔注漿結(jié)束后應(yīng)迅速用棉紗將孔口封閉，并用水清洗泵和管路，讓后移至下一孔進(jìn)行施工。

4.3.4 注漿

注漿時(shí)，要經(jīng)常觀察工作面及管口情況，發(fā)現(xiàn)漏漿和串漿，要及時(shí)封堵；要經(jīng)常觀測(cè)注漿壓力和流量的變化，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)處理。如壓力逐漸上升，流量逐漸減小屬于正常情況；如壓力急劇上升，流量急劇減小，在排除地層因素外，可能是管路堵塞；如壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升（小導(dǎo)管注漿5 mim），流量不減，可能出現(xiàn)跑漿或漏漿情況。注漿過(guò)程中，要做好注漿記錄，每隔5 min詳細(xì)記錄壓力、流量、膠凝時(shí)間等， 并記錄注漿過(guò)程中的情況，作為注漿效果分析的基礎(chǔ)。

在注漿過(guò)程中，通過(guò)采用單向閥可以很好地控制漿液外泄，使注漿管壁形成很好的封閉環(huán)；通過(guò)在周邊施做密排小導(dǎo)管（間距10 cm）可以提前給HCH-I型高分子水膠固結(jié)材料形成預(yù)裂隙，再通過(guò)高壓注漿（4 MPa）使裂隙進(jìn)一步發(fā)育，增強(qiáng)漿液的擴(kuò)散，使注漿效果更加明顯。

4.3.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿過(guò)程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減小，當(dāng)壓力達(dá)到注漿終壓，注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%以上，可結(jié)束該孔注漿；注漿壓力未能達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿量已達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量，并無(wú)漏漿現(xiàn)象，亦可結(jié)束該孔注漿。

本循環(huán)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均達(dá)到單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)漏注現(xiàn)象，即可結(jié)束本循環(huán)注漿。

5 結(jié)語(yǔ)

4#斜井向正洞貫通挑高段落在飽和弱成砂巖地層中穿過(guò)，經(jīng)反復(fù)論證、試驗(yàn)及總結(jié)，采用斜井直接進(jìn)入正洞橫向貫通技術(shù)，對(duì)掌子面超前預(yù)注HCH-I高分子漿液，拱部以下密排小導(dǎo)管，通過(guò)部分段落采用雙層小導(dǎo)管、水囊雙液注漿加固、雙層初期支護(hù)、鋼管樁穩(wěn)定臺(tái)階、基底干拌料換填、全環(huán)徑向注漿、綜合降水措施，最終進(jìn)入正洞施工。

飽和弱成巖砂巖地層施工經(jīng)驗(yàn)國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，該地層隧道的施工與風(fēng)化砂巖和粉細(xì)砂層隧道的施工有一定的類似性。國(guó)內(nèi)較為類似的工程有北京地鐵5號(hào)線崇文門站-東單站富水地段等。胡麻嶺隧道的研究成果為我國(guó)飽和弱成砂巖地層隧道安全、快速施工積累了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，具有很廣泛的推廣運(yùn)用前景。

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