大跨軟巖富水隧道注漿堵水施工技術(shù)

王海娟

摘要：北同蒲取直線鐵路雁門關(guān)隧道全長14.085km，在未采取此施工技術(shù)前，初期支護完成后，出現(xiàn)了滲水、漏水、混凝土開裂等現(xiàn)象，掌子面局部涌水較大，斷層涌水較多，施工現(xiàn)場涌水很難控制，不能保證施工的質(zhì)量與進度，影響各個工序的施工作業(yè)循環(huán)時間。通過我標段隧道的施工實踐，證明了在大跨度軟巖富水隧道施工中，采用注漿堵水技術(shù)能很好對富水隧道涌水起到堵排的效果，創(chuàng)造了良好的施工條件，加快了施工進度，有效確保了隧道施工安全。此外，超前地質(zhì)預(yù)報在大跨度軟巖富水隧道施工中的應(yīng)用起到了不可估量的意義與價值。

Abstract： The total length of the Yanmenguan tunnel of the Beitongpu straight railway is 14.085km. Before the construction technology is adopted， after the completion of initial support， water seepage， water leakage and concrete cracking occurred， and the local water in the face is large， and the fault water is poured. The water in the construction site is difficult to control， the quality and progress of the construction cannot be guaranteed， and the construction work cycle time of each process is affected. Through the construction practice of our standard section tunnel， it is proved that in the construction of large-span soft rock water-rich tunnel， the use of grouting and water blocking technology can well block the flooding of the water-rich tunnel， create good construction conditions， accelerate construction progress ?and effectively ensure the safety of tunnel construction. In addition， the application of advanced geological prediction in the construction of long-span soft rock water-rich tunnels has played an invaluable significance and value.

關(guān)鍵詞：大跨;軟巖;富水隧道;注漿堵水;施工技術(shù)

Key words： large span;soft rock;water-rich tunnel;grouting and water blocking;construction technology

中圖分類號：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0108-03

0 ?引言

北同蒲取直線鐵路雁門關(guān)隧道全長14.085km，隧址區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，穿越多條富水斷層破碎帶，主要以fy17、zf2、fy18、fy19、zf3、wf1斷層為主。地下水賦存條件好，導(dǎo)水性強，貫通性較好，裂隙水具有承壓性;地表水沿裂隙和斷層帶下滲，并以泉的形式出露;極易出現(xiàn)涌砂涌泥現(xiàn)象。

1 ?注漿堵水技術(shù)特點

①注漿堵水技術(shù)，設(shè)備少，工藝簡單，能穩(wěn)固開挖輪廓線以外約3米范圍內(nèi)的巖體，形成永久性堵水隔斷，改善支護工作條件，加快了施工進度。多種工序可以平行作業(yè)。②通過施作掌子面局部注漿和小導(dǎo)管預(yù)注漿固結(jié)、止水等輔助施工措施解決涌水問題確保了施工質(zhì)量和安全。③以堵排結(jié)合為主，多種途徑相結(jié)合解決大跨軟巖富水隧道涌水難題。④避免了因隧道施工而對周邊村莊居民生活用泉水產(chǎn)生影響;同時，保護了附近多處首都水資源保護地。

2 ?注漿堵水技術(shù)適用范圍

適用于大斷面軟弱圍巖富水隧道施工。在裂隙含水巖層（裂隙水有較高水壓、水量大、涌水量大于控制值、有自穩(wěn)能力的圍巖）及淺薄砂層中均可采用;并可用于處理斷層破碎帶以及開挖后支護有明顯變形且不趨于穩(wěn)定的地段。

3 ?注漿堵水技術(shù)原理

其原理就是通過掌子面局部注漿與超前小導(dǎo)管預(yù)注漿相結(jié)合以及止水輔助措施的方法對巖層裂隙水進行封堵。

當掌子面裂隙水呈水簾出露時，在掌子面出水點四周按一定角度將超前導(dǎo)管打鉆入巖層中，使?jié){液通過小導(dǎo)管滲透、擴散到巖層裂隙中，以改善巖體物理力學(xué)性能，這樣既可止水又可以在工作面周圍形成一個承載殼，從而達到增加巖體的自穩(wěn)時間，提高開挖面巖層自穩(wěn)能力，限制巖層松弛變形的目的。

當掌子面裂隙出水少時，采取在初期支護前用防水板結(jié)合透水盲管進行引排。將水引排至拱腳處，再集中抽排至洞外，最后進行初期支護施工。

當局部裂隙水呈股狀出露且具有承壓性時，涌水量遠遠大于控制值時，在局部出口處小范圍內(nèi)采用掌子面局部注漿，注漿孔以出水口為中心呈傘形布置，將漿液壓入到巖層中，填充巖體裂隙中的水分和空氣，使原來松散的土粒或裂隙膠結(jié)成一個整體，形成一個新的結(jié)石體，達到對圍巖加固和堵水的目的，改善受注巖層的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件。

4 ?施工工藝流程及操作要點

4.1 注漿堵水工藝流程（圖1）

4.2 操作要點

4.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報的不良地質(zhì)層邊界前30m左右采用鉆機進行水平超前鉆孔和地質(zhì)雷達（GPR）進行超前探測，進一步驗證不良地質(zhì)段的位置、規(guī)模和巖性。水平鉆孔在開挖斷面的中心線上部和兩側(cè)中部各布置一孔，孔深一般超出注漿段5m左右。鉆機配備地質(zhì)勘測儀，直接記錄相關(guān)的地質(zhì)參數(shù)。（圖2）

4.2.2 超前注漿堵水

①超前小導(dǎo)管預(yù)注漿堵水施工方法。

通過超前地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果顯示前方圍巖破碎，裂隙水較發(fā)育，掌子面采取超前小導(dǎo)管預(yù)注漿方法進行固巖堵水。在拱頂150度范圍內(nèi)，按照間距每米3根布設(shè)Φ42×3.5mm，L=3.5m，每兩榀拱架打設(shè)一環(huán)，注水泥-水玻璃雙液漿。

②超前小導(dǎo)管預(yù)注漿施工工藝流程。

4.2.3 局部注漿堵水技術(shù)

①超前支護小導(dǎo)管施工完成后，進行掌子面開挖，開挖后發(fā)現(xiàn)拱部仍有裂隙水呈雨淋狀出露，說明小導(dǎo)管預(yù)注漿不能完全控制住裂隙水滲露現(xiàn)象;同時，因水的問題延長各個施工工序的循環(huán)時間及初期噴射混凝土質(zhì)量?，F(xiàn)場采取在出水處，防水板結(jié)合透水盲管用水泥釘將其釘牢在巖面上。將裂隙水引排至拱腳處，最后再集中抽排至洞外。

②初期支護完成后滲水較嚴重、局部混凝土開裂，存在很大安全隱患。對開裂處采取局部徑向注漿措施。在局部圍繞出水點以環(huán)形進行布孔，垂直于巖面鉆孔，孔口環(huán)向間距約80cm，孔底環(huán)向間距約130cm。采用全孔一次性注漿方式進行，跳孔注漿。注漿液擴散半徑1m。注漿孔采用風(fēng)鉆開孔，孔徑52cm?？卓诠懿捎忙?0mm，壁厚5mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長2.5m，孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固后再用M5砂漿對孔口管四周進行封閉，以確保注漿作業(yè)時不出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

4.2.4 掌子面局部注漿堵水技術(shù)

掌子面局部出露較大涌水量，每日涌水量達到8000m3，具有承壓性，同時該涌水點又位于斷層破碎帶上，阻礙施工，嚴重影響了施工進度。鉆孔和注漿順序先外圈后內(nèi)圈，先近后遠，同一圈孔間隔施工，巖層破碎容易造成塌孔時采用前進式注漿。注漿前先進行壓水試驗，并根據(jù)需要沖洗巖石裂縫后按規(guī)范進行注漿。前進式分段注漿，采取鉆一段注一段的方式，直至設(shè)計孔深。注漿系統(tǒng)布置及管路連接見圖5。

4.3 掌子面局部注漿堵水工藝和作業(yè)要點

4.3.1 止?jié){墻制作

為保證掌子面局部注漿的效果在第一環(huán)注漿時，掌子面處噴射C25混凝土做成止?jié){墻。止?jié){墻的厚度不小于20cm。

4.3.2 注漿參數(shù)選定

①注漿加固范圍：開挖輪廓線以外約3.5m。

②注漿段長L=15m。

③注漿孔間距。

單孔注漿漿液擴散半徑為4.0m。注漿孔間距a=R=3.46m。

④漿液膠凝時間。

漿液膠凝時間一般地段為3分鐘，富水地段應(yīng)先停1～2分鐘，待水壓小后可改為3分鐘。

⑤注漿終壓。

注漿終壓力1～3.5MPa。

⑥注漿量。

前進式分段注漿，注漿量按下式計算：

Q=πR2hna（1+β）

R為漿液擴散半徑，h為注漿段長，n為地層孔隙率，a為地層孔隙填率，β為漿液損失率（一般取10～30%）。

⑦注漿漿液設(shè)計參數(shù)。

注漿管采用？覫73熱軋鋼管，壁厚5mm，與之匹配的鉆孔直徑為89mm，周邊外插角在保證注漿擴散半徑不小于3.5m前提下，根據(jù)施工中采用的設(shè)備確定。

根據(jù)現(xiàn)場試注漿效果調(diào)整注漿參數(shù)，建議的注漿參數(shù)如下：

水泥：新鮮的425號普通硅酸鹽水泥。

水玻璃：細度模數(shù)m為2.4～3.4，濃度35°Be（配置后）。

水灰比：濃漿：0.5～1：1;水泥漿與水玻璃體積比：0.8～1：1。

緩凝劑：磷酸氫二鈉加入量為水玻璃重量的2～2.5%。

4.3.3 施工準備

主要的鉆孔、注漿、制漿、輔助設(shè)備以及主要材料

進場。

4.3.4 測量布孔

在完成現(xiàn)場施工準備后，由測量人員用紅漆在掌子面（首盤止?jié){墻）上按注漿設(shè)計畫出鉆孔位置，并標注編號。（圖6）

4.3.5 鉆孔

根據(jù)圍巖情況，選用了ZYG-150全液壓鉆機。鉆孔順序為先外后內(nèi)，同一環(huán)鉆孔時應(yīng)間隔進行。成孔后其孔徑要求為：開孔直徑不小于89mm，終孔直徑不小于73mm。

在鉆孔過程中要注意以下方面：鉆孔時要保證孔洞傾角的精度，保證在誤差范圍內(nèi)。若出現(xiàn)卡孔、塌孔時應(yīng)注漿后再鉆，嚴格按照鉆孔順序進行鉆孔，還要嚴格作好各項指標的填寫記錄，如：孔號、進尺、起訖時間、巖石裂隙發(fā)育情況、出現(xiàn)涌水位置、涌水量和涌水壓力等。若單孔出水量小于30L/min，可繼續(xù)施鉆;若單孔出水量大于30L/min，立即停鉆進行注漿。

4.3.6 制漿

根據(jù)注漿量選用適當數(shù)量的攪拌機設(shè)備，本項目選用的是四臺JZ350葉片式攪拌機。另自行加工攪拌儲漿桶兩臺，保證水泥漿的均勻性和在注漿間隙時不沉淀。為了方便吸漿，在儲漿桶外側(cè)設(shè)兩個以上取漿口，以保證大流量注漿時漿液的供應(yīng)。

4.3.7 清孔、埋設(shè)孔口管

及時用高壓風(fēng)和高壓水對孔內(nèi)石碴和灰土進行清掃?？卓诙伟惭b3m長的Φ89mm，5mm壁厚的熱軋無縫鋼管。安裝方式采用人工安裝，安裝有困難時輔以適當?shù)腻N擊?？卓诠馨惭b完成后再用M5砂漿對孔口管四周進行封閉，以確保注漿作業(yè)時不出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象?？卓诠芷鹬鴮?dǎo)向作用，鉆孔安裝時要控制好外插角度。

5 ?效益分析

①本技術(shù)為大跨度軟巖富水隧道施工針對涌水大的情況創(chuàng)造了良好的施工條件，加快了施工進度，有效確保了隧道施工安全。②在未采用此技術(shù)施工時，掌子面進尺困難，工人不易操作，工作環(huán)境差，不能將混凝土牢固噴射到巖面上，影響初期支護質(zhì)量;同時因為已經(jīng)完成初期支護滲水、涌水等問題，嚴重影響了圍巖的自穩(wěn)能力，初期支護承受過多圍巖應(yīng)力，導(dǎo)致拱頂初支混凝土開裂，拱架變形，造成很大的安全隱患。采用此技術(shù)后，針對滲水、涌水的不同部位、水量大小等情況分別采取相應(yīng)的堵排水措施，減少很多套拱的費用。在人工費、材料費、機械費上大大節(jié)約了成本。同時也排除了安全隱患，消除地下水對二次襯砌的侵害，保證了施工質(zhì)量與進度。③本技術(shù)是將各種堵水材料制成的漿液通過不同的施工工藝將其壓入巖層突水點、含水巖層儲水空洞等，并使?jié){液擴散、凝固和硬化，從而起到堵塞空隙、隔絕水源，增大巖層整體強度和隔水性能的目的，可以減少突水機率、延長隧道服務(wù)年限。從而為大跨軟巖富水隧道注漿堵水提供了可靠的技術(shù)手段和實踐經(jīng)驗。

6 ?應(yīng)用實例

北同蒲取直線鐵路雁門關(guān)隧道全長14.085km，在未采取此堵水技術(shù)前，初期支護完成后，出現(xiàn)了滲水、漏水、混凝土開裂等現(xiàn)象，掌子面局部涌水較大，斷層涌水較多，施工現(xiàn)場涌水很難控制，不能保證施工的質(zhì)量與進度。影響各個工序的施工作業(yè)循環(huán)時間。通過該隧道的施工實踐，證明了在大跨度軟巖富水隧道施工中，采用注漿堵水技術(shù)能很好對富水隧道涌水起到堵排的效果，創(chuàng)造了良好的施工條件，加快了施工進度，有效確保了隧道施工安全。此外，超前地質(zhì)預(yù)報在大跨度軟巖富水隧道施工中的應(yīng)用起到了不可估量的意義與價值。

總之，此堵水技術(shù)成功解決了大斷面軟巖富水隧道施工中涌水的施工難題，在確保安全的情況下使施工有序可控，保證了進度的同時也為其他大斷面軟巖富水隧道的施工提供了一定的可供借鑒的經(jīng)驗。

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