富水裂隙巖體注漿工藝及參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

李善明 ,朱志敬 ,馬全武 ,王喆剛 ,李智慧 ,劉衛(wèi)景

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司,山東 青島 266045;2.山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體具有結(jié)構(gòu)破碎,難以保持自身穩(wěn)定的特點(diǎn)。在城市地鐵隧道穿越強(qiáng)風(fēng)化地層時(shí),需要采用注漿的方式[1-3]來加固隧道掌子面上覆破碎強(qiáng)風(fēng)化地層以保證隧道安全開挖。然而,在進(jìn)行注漿加固設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)傳統(tǒng)地層的注漿工藝及參數(shù)難以滿足強(qiáng)風(fēng)化裂隙巖體注漿的要求,確定合理的注漿工藝及參數(shù)是注漿治理成功與否的關(guān)鍵[4-6]。因此,研究適用于富水裂隙巖體帷幕注漿的合理工藝及參數(shù),對(duì)于隧道注漿安全控制具有重要意義。

注漿工藝及參數(shù)優(yōu)選問題受到了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。張平鎖[7]開展了高壓富水溶腔帷幕注漿工藝適用性研究,通過巖層裂隙發(fā)育程度確定了使用的注漿工藝;李鵬飛等[8]通過數(shù)值模擬方法研究了注漿加固圈界限對(duì)隧道防滲能力的影響規(guī)律,確定了適用于翔安隧道穿越斷層的合理注漿加固圈參數(shù);王強(qiáng)等[9]通過模擬計(jì)算總結(jié)了單因素對(duì)漿液擴(kuò)散的影響,進(jìn)而得到了注漿范圍與注漿量的計(jì)算公式,并確定了合理的注漿參數(shù);文獻(xiàn)[10-14]通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了隧道及巷道穿越多種不良地質(zhì)情況下的合理注漿參數(shù);然而,現(xiàn)有研究缺乏針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體的注漿案例及針對(duì)青島地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體注漿方案,且大多集中為靜態(tài)的理論研究及室內(nèi)試驗(yàn)研究,缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面的研究,研究成果目前無法有效指導(dǎo)注漿工程實(shí)踐。

筆者為研究適用于強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體的最佳注漿工藝及參數(shù),對(duì)勁松四路站—?jiǎng)潘善呗氛緟^(qū)間強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體進(jìn)行地層特性及處治要求分析,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究合理的注漿工藝、加固圈界限、注漿量及結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),將以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于勁松四路站—?jiǎng)潘善呗氛緟^(qū)間富水裂隙巖體治理中,并取得了良好的效果。

1 工程概況及難點(diǎn)

1.1 工程概況

青島市地鐵4 號(hào)線勁松四路站—?jiǎng)潘善呗氛?以下簡稱“四—七”)區(qū)間全長900 m,區(qū)間起訖里程為YDK12+708.761～YDK13+648.769,采用雙洞雙線結(jié)構(gòu)。

隧道掌子面寬度為6.5 m,高度為6.9 m,隧道埋深13～15 m,隧道地層地質(zhì)剖面圖見圖1。隧道上覆強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,該部分巖體破碎、完整程度差。隧道穿越基巖強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化帶,巖石呈砂土狀、砂狀、角礫狀,風(fēng)化裂隙發(fā)育,呈層狀分布。場(chǎng)地地下水類型主要為裂隙水,裂隙水主要賦存于巖石的強(qiáng)風(fēng)化帶中,地下水水位埋深為0.92～7.50 m,隧道上覆巖層處于飽水狀態(tài),透水性強(qiáng)。隧道上方管線分布密集,存在通信、電力、給水、雨水疏通排放等多條市政管線,管線埋深1～4 m。

圖1 試驗(yàn)段地質(zhì)剖面

1.2 工程風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)策略分析

富水裂隙巖體施工過程中,存在以下主要風(fēng)險(xiǎn):

(1)隧道開挖掌子面水量大,地下水對(duì)強(qiáng)風(fēng)化裂隙巖體具有顯著的弱化作用,施工開挖面臨極大安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)隧道覆巖厚度薄,上覆軟弱地層,一旦上覆巖層在爆破振動(dòng)作用下失穩(wěn),極易誘發(fā)隧道潰砂塌方事故。

(3)區(qū)間管線密集且距地表較近,易受地表隆起影響發(fā)生破壞,增大施工難度和修復(fù)成本。

針對(duì)上述情況,需對(duì)四—七區(qū)間全段強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體進(jìn)行注漿,富水裂隙巖體注漿的處治要求如下:

(1)有效加固地層,保障安全開挖。

(2)根據(jù)加固段危險(xiǎn)程度進(jìn)行堵水治水,至少滿足施工設(shè)計(jì)要求(出水量＜0.2 L/min·m),高危地層需滿足無水作業(yè)條件(出水量＜0.01 L/min·m)。

(3)加強(qiáng)對(duì)地表及管線的監(jiān)測(cè),保證注漿管與管線凈距不小于1.5 m,避免對(duì)上覆管線產(chǎn)生過大影響,地表隆起不超過30 mm。

2 注漿加固治理研究內(nèi)容

(1)注漿加固治理研究思路。對(duì)ZDK13+518.569～ZDK13+648.569 區(qū)間段開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,并將研究成果應(yīng)用于全段注漿治理。

(2)富水裂隙巖體物理力學(xué)特性。開展富水裂隙巖體地層特性試驗(yàn)分析,梳理富水裂隙巖體特點(diǎn)。通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)土的物理力學(xué)參數(shù)。

(3)注漿材料選擇。選擇水泥漿液、C-S漿液及超細(xì)水泥漿液。水泥漿液結(jié)石體的28 d強(qiáng)度較大,長期性能較好[15],可以對(duì)裂隙巖體進(jìn)行有效加固。但水泥漿液凝結(jié)時(shí)間過長,在裂隙巖體中具有過遠(yuǎn)的擴(kuò)散距離,因此,需要配合使用C-S漿液實(shí)現(xiàn)注漿加固范圍的有效控制[16]。使用單液漿與雙液漿分別注漿后,再使用超細(xì)水泥漿對(duì)水量大的鉆孔補(bǔ)充注漿,同時(shí)控制注漿壓力,避免圍巖變形過大影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

(4)注漿工藝適用性。分析對(duì)比前進(jìn)式與后退式分段注漿工藝的優(yōu)缺點(diǎn),得到注漿工藝與對(duì)應(yīng)地層間的適用性。

(5)注漿加固圈界限優(yōu)選。研究擬針對(duì)富水裂隙巖體的處治需求,研究合理注漿加固范圍。青島地鐵4號(hào)線四—七區(qū)間隧道超前注漿范圍為隧道上半斷面,注漿加固圈界限初步確定為3～5 m。

(6)注漿量確定。通過開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),建立檢查孔出水量與注漿量的定量聯(lián)系,確定達(dá)到注漿加固效果所需要的合理注漿量范圍。

(7)單次注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。綜合分析注漿加固堵水效果、地表隆起變形安全控制等因素,針對(duì)富水裂隙巖體注漿處治確定合理的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 富水裂隙巖體地層特性

針對(duì)青島地鐵4號(hào)線四—七區(qū)間富水裂隙巖體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣,地層取樣如圖2所示,對(duì)富水裂隙巖體特性描述如表1所示。

圖2 四—七區(qū)間地層取樣

表1 富水裂隙巖體地層特性

3.2 注漿工藝適用性

注漿方式按工藝特點(diǎn)可分為前進(jìn)式分段注漿和后退式分段注漿。前進(jìn)式分段注漿:由淺入深注漿,鉆注交替,逐層推進(jìn)。后退式分段注漿:鉆孔一次性鉆進(jìn)到位,然后由深到淺注漿。

對(duì)鉆孔2-1～2-5進(jìn)行前進(jìn)式注漿試驗(yàn),對(duì)鉆孔3-1～3-5進(jìn)行后退式注漿試驗(yàn),兩種注漿工藝對(duì)比見表2。在四—七區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體帷幕注漿工程中,注漿工藝對(duì)注漿效果沒有明顯影響。后退式分段注漿工藝的止?jié){塞容易卡住,導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢,因此選擇前進(jìn)式分段注漿工藝。

表2 注漿工藝適用性對(duì)比

3.3 注漿加固圈界限

每一循環(huán)加固長度為13 m,其中10 m 開挖,留設(shè)3 m 厚止?jié){巖盤以防止?jié){液流失。注漿施作完成后,視情況打檢查孔,檢查孔數(shù)量不低于鉆孔總數(shù)的15%。

采用分段注漿工藝進(jìn)行施工,每段長度3～5 m。設(shè)定3 m、4 m、5 m 注漿加固圈界限,通過分析檢查孔出水情況及開挖情況最終確定合適的加固圈界限。注漿孔布置及加固圈界限如圖3 和圖4所示。

圖3 注漿孔布置(單位:mm)

圖4 注漿加固圈界限

注漿材料使用水泥漿液、C-S漿液和超細(xì)水泥漿液,注漿壓力1～2.5 MPa,單孔單段注漿量1～1.5 m3。

不同加固圈界限的檢查孔出水量如圖5 所示。三種加固圈界限均滿足設(shè)計(jì)要求,4 m、5 m加固圈滿足無水作業(yè)要求。

圖5 不同加固圈界限的檢查孔出水量

由圖5可知,滿足設(shè)計(jì)要求的加固圈界限為3 m,對(duì)應(yīng)的出水量＜0.2 L/min·m;滿足無水作業(yè)的加固圈界限為4～5 m,對(duì)應(yīng)的出水量＜0.01 L/min·m。

考慮到四—七區(qū)間大里程段上覆巨厚富水地層,加固圈界限取5 m。

3.4 注漿量確定

開展10循環(huán)帷幕注漿試驗(yàn),記錄每一循環(huán)注漿結(jié)束后檢查孔的出水量。通過單位延米注漿量及注漿充填率與檢查孔水量的關(guān)系確定富水裂隙巖體的注漿量。

滿足設(shè)計(jì)要求和無水要求的單位延米注漿量及對(duì)應(yīng)注漿充填率分別如圖6、7所示。

從圖6、7 可以看出,注漿量13.01～16.02 m3/延米可以滿足設(shè)計(jì)要求,16.32～19.56 m3/延米可以滿足無水要求。兩種要求下對(duì)應(yīng)的充填率范圍分別為0.121～0.149和0.152～0.182,超過通常0.1的充填率,充填率較大的原因主要有如下兩點(diǎn):

圖6 滿足設(shè)計(jì)要求所需單位延米注漿量

(1)設(shè)計(jì)注漿孔位于加固圈邊界上,部分漿液擴(kuò)散至加固圈以外,造成漿液消耗量增加。

(2)部分巖體在注漿壓力作用下劈裂張開,漿脈厚度超過原裂隙開度,造成漿液消耗量增加。

綜合四—七區(qū)間大里程段注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及其他工點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果,四—七區(qū)間富水強(qiáng)風(fēng)化裂隙巖體注漿量如表3所示。

表3 四—七區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化裂隙巖體注漿量

3.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)研究

圖7 滿足無水要求所需單位延米注漿量

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)從注漿壓力[17]、注漿量和地表變形量三個(gè)方面控制。其中,注漿結(jié)束后的地表變形量是本文的研究重點(diǎn)。地表監(jiān)測(cè)范圍取12 m×12 m,監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為3 m。

地表隆起隨注漿序次的變化情況見圖8。由圖8可知,注漿前期對(duì)應(yīng)的地表隆起值較低,注漿后期的地表隆起值增長迅速。地表隆起值受注漿量影響很大,單孔單段注漿量從1 m3增大到1.5 m3,地表隆起值從2.6 cm 增大至5.8 cm,增幅為123.1%。

四—七區(qū)間大里程段富水裂隙巖體注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用“量、壓、變形”三因素控制。

(1)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上,可停止注漿。

(2)單孔注漿量超出設(shè)計(jì)注漿量(1～1.5 m3)的50%時(shí),可停止注漿。

(3)地表隆起量超過3 cm 時(shí),應(yīng)停止注漿,并調(diào)整注漿參數(shù)。

3.6 注漿工藝及參數(shù)建議值

通過上述富水裂隙巖體帷幕注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的注漿工藝及參數(shù)如表4所示。

表4 四—七區(qū)間注漿工藝及參數(shù)建議值

4 注漿效果分析

采用上述注漿工藝及參數(shù)進(jìn)行注漿后,對(duì)加固區(qū)域使用鉆孔電視進(jìn)行探查,結(jié)果見圖9。通過注漿加固,條帶狀漿脈填充了破碎圍巖之間的裂隙,鉆孔的完整性變好。

圖9 注漿前后鉆孔情況

對(duì)加固后的隧道掌子面進(jìn)行開挖,結(jié)果見圖10。隧道開挖揭露漿脈較多,漿脈充填于風(fēng)化巖體裂隙內(nèi),漿脈厚度顯著大于初始裂隙開度,掌子面無水、穩(wěn)定,滿足無水作業(yè)要求。

圖10 掌子面開挖情況

5 結(jié) 論

本文針對(duì)四—七區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體,通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了注漿加固最佳工藝參數(shù),得到以下結(jié)論:

(1)前進(jìn)式與后退式注漿工藝都可保證分段注漿效果,但后退式分段工藝容易發(fā)生止?jié){塞卡住,鉆孔報(bào)廢的情況。因此,注漿工藝選擇前進(jìn)式分段注漿。

(2)加固圈界限3 m 可以滿足施工設(shè)計(jì)要求;加固圈界限4～5 m 可以滿足無水作業(yè)要求。

(3)注漿量13.01～16.02 m3/延米可以滿足設(shè)計(jì)要求,16.32～19.56 m3/延米可以滿足無水要求,兩種要求下對(duì)應(yīng)的充填率范圍分別為0.121～0.149和0.152～0.182。

(4)鉆孔電視和掌子面開挖結(jié)果表明:本文所選注漿工藝與參數(shù)可以滿足四—七區(qū)間強(qiáng)風(fēng)化富水裂隙巖體注漿加固需求。