尉 敏 丁鴻程 李 軍 吳紅剛 程 鋒 貴 珊 馬彥軍 朱兆榮
(1. 中鐵北京工程局集團(tuán)有限公司,北京 102308; 2. 蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070;3. 中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730099)
在隧道工程建設(shè)中,以帷幕注漿技術(shù)為主導(dǎo)的綜合超前支護(hù)措施發(fā)揮了重要作用[1],帷幕注漿除對地下水具有封堵作用外,還對圍巖具有一定的加固作用[2]。 已有學(xué)者對帷幕注漿工作機(jī)理進(jìn)行研究。 陽云針對廈門過海隧道軟弱圍巖,研究超前帷幕注漿方案在此隧道中的運(yùn)用[3];ZHANG 等采用正交分析方法,分析隧道注漿厚度和滲透性對涌水量和圍巖穩(wěn)定性的影響[4];黃飛飛提出一種針對富水破碎巖體隧道注漿的優(yōu)化方案,并建立質(zhì)量評(píng)價(jià)模型對優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)[5];李存祿等通過鉆孔技術(shù)與高壓注漿試驗(yàn)給出合理的注漿參數(shù)[6];汪旵生提出上斷面鉆孔輻射至全斷面的注漿方案,并針對開挖后出現(xiàn)的異常滲水情況提出徑向補(bǔ)強(qiáng)方案[7];SHI 等對帷幕注漿法在巖溶隧道中的堵水加固效果進(jìn)行工程驗(yàn)證[8];周新星研發(fā)一種高聚物注漿材料并對其作用機(jī)理進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)高聚物帷幕注漿材料對解決隧道涌水問題效果良好[9];管曉軍為解決巖體破碎且涌水量大的隧道問題,采取半斷面帷幕注漿加固法加固圍巖,發(fā)現(xiàn)該方法對于控制掌子面變形效果較好,而對隧道仰拱隆起的影響不大[10];LI 等在數(shù)值模擬中考慮了巖體本構(gòu)模型和注漿參數(shù),研究不同帷幕注漿厚度下隧道裂縫萌生和擴(kuò)展的規(guī)律[11];YAO 等結(jié)合實(shí)際灌漿處理方法,總結(jié)出大壩防滲處理的規(guī)律[12]。
綜上所述,隧道工程中不良地質(zhì)條件多樣,施工措施各異,難以給出統(tǒng)一的注漿方案。 以銀蘭高鐵某隧道工程為依托,針對掌子面涌砂、流砂情況,提出一種帷幕注漿加固結(jié)合地表降水的治理方法,并對帷幕注漿施工中出現(xiàn)的異常情況分析原因后進(jìn)行處理。
銀蘭高鐵某隧道位于寧夏中衛(wèi)市,起訖里程DK39+990~DK57+753.3,全長17.7633 km,雙線,線間距4.6 m。 洞內(nèi)縱坡25‰/160 m、20‰/13.9 km、18.1‰/3 km、-4.5‰/703.3 m,圍巖為新近系中新統(tǒng)砂巖夾泥巖,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),節(jié)理發(fā)育,成巖作用差,其中Ⅲ級(jí)圍巖12.275 km,Ⅳ級(jí)圍巖2.745 km,Ⅴ級(jí)圍巖2.743 km,隧道最大埋深約380 m。 地下水類型為基巖裂隙孔隙水,隧道洞內(nèi)細(xì)砂具有流變性,含水率達(dá)26%,初期施工開挖時(shí)未見地下水,隨著施工擾動(dòng),地下水逐漸向掌子面方向運(yùn)移,水量逐漸變大,施工中多次出現(xiàn)流砂、坍塌、透水。
隧道DK43+959.5~DK44+64.5 段位于低中山區(qū),地面高程1 527.5~1 575.0 m,地表沖溝和溝谷發(fā)育,其中 DK43+980~DK44+020 段為深切沖溝,隧道埋深110~135 m 段,為極軟巖,粉細(xì)粒結(jié)構(gòu),節(jié)理發(fā)育,成巖作用差,泥巖呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu),易軟化和風(fēng)化,產(chǎn)狀平緩,節(jié)理發(fā)育,呈粉砂狀松散結(jié)構(gòu),易塌方。 地下水位埋深60.2~73.6 m,隧道洞身位于地下水位線以下約49 m,為弱富水區(qū)。 圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。 洞頂?shù)乇砑?xì)砂含水率達(dá)6%,洞內(nèi)細(xì)砂含水率達(dá)26%,洞內(nèi)多次出現(xiàn)坍塌、涌砂和透水,且含水細(xì)砂具有流變性。 構(gòu)造破碎帶和淺埋段,可能產(chǎn)生地下水富集,施工時(shí)易發(fā)生涌水。
針對隧道掌子面及其附近出現(xiàn)的流砂問題,設(shè)計(jì)單位與施工單位共給出8 種解決方案,并在施工中驗(yàn)證每種方案的效果,最終確定采用帷幕注漿加固方案。以銀蘭高鐵某隧道DK43+959.5~ DK44+64.5 段5 個(gè)循環(huán)帷幕注漿工程為依托,研究帷幕注漿方案的實(shí)施效果。
帷幕注漿是利用水壓等方法,通過鉆孔或注漿管將具有膠凝能力的漿液注入到巖體裂隙中,使松散巖體膠結(jié)成整體,以達(dá)到加固和防滲的目的,確保隧道開挖時(shí)不發(fā)生坍塌、涌水、流砂等事故[13]。 圍巖注漿加固方法可改善隧道初期支護(hù)的應(yīng)力與變形[14]。
帷幕注漿加固是在承受較大水壓的情況下完成的,一方面要求注漿材料能夠在高水壓條件下施工,應(yīng)具有不分散的特性;另一方面由于注漿體直接承受較大的水壓作用,要求注漿加固體能迅速達(dá)到較高的強(qiáng)度,對漿液的水灰比、早期強(qiáng)度具有較高的要求。 對于不同的巖體,其注漿作用的原理和注漿加固效果也存在較大差異[15]。
針對新近系未成巖含水砂層段流砂問題, 8 種含水砂層段施工方案見表1。 最終確定掌子面采取帷幕注漿加固結(jié)合地表降水措施方案組織實(shí)施,將注漿段分5 個(gè)循環(huán)施工,各循環(huán)帷幕注漿關(guān)系見圖1。
圖1 各循環(huán)帷幕注漿關(guān)系
為了制定切實(shí)可行的帷幕注漿設(shè)計(jì)方案,保證預(yù)期效果,關(guān)鍵是對第一至五循環(huán)帷幕注漿參數(shù)、材料等進(jìn)行選擇[16],各循環(huán)里程見表2。
表2 各循環(huán)里程
本工程帷幕注漿選用ZBSB-148~23/4-15 型煤礦用雙液注漿泵,共4 臺(tái),鉆孔采用ZLJ-1250 坑道注漿鉆機(jī),共4 臺(tái)。 根據(jù)帷幕注漿施工需求,鉆機(jī)、注漿機(jī)選用及分布能滿足現(xiàn)場施工進(jìn)度及質(zhì)量要求,帷幕注漿工藝流程見圖2。
圖2 帷幕注漿工藝流程
(1) 注漿范圍
帷幕注漿加固范圍內(nèi)的固結(jié)體主要承受外部靜水壓力,其注漿厚度參照厚壁筒公式,并按第四強(qiáng)度理論,有
式中,E為帷幕計(jì)算厚度;R為隧道掘進(jìn)半徑,取7.23 m;P為最大靜水壓力值,取1 MPa;σ為砂巖夾泥巖固結(jié)體容許抗壓強(qiáng)度,取3.67 MPa。
通過計(jì)算,帷幕注漿范圍為隧道開挖輪廓線外2.72 m。 進(jìn)一步結(jié)合隧道幾何特征和施工方法等,并考慮注漿與支護(hù)共同作用,各循環(huán)段帷幕注漿加固圈固結(jié)范圍見表3。
表3 各循環(huán)固結(jié)范圍
(2)止?jié){巖盤
止?jié){巖盤的厚度按照以下公式計(jì)算[17]
式中,B為止?jié){巖盤厚度;P0為注漿最大壓力,取4 MPa(涌水壓力為0.9~1.0 MPa,取4 倍涌水壓力);D0為注漿段隧道毛洞寬,取7.5 m;[J]為巖石抗剪強(qiáng)度,Ⅳ級(jí)圍巖取1.5。
當(dāng)止?jié){巖盤厚度B為5 m 時(shí),每循環(huán)帷幕注漿保留5 m 止?jié){巖盤,并在外側(cè)噴射C25 混凝土,各循環(huán)噴射混凝土厚度見表4,設(shè)雙層?8 mm 鋼筋網(wǎng)片,間距20 cm×20 cm。 在止?jié){巖盤及補(bǔ)噴混凝土段預(yù)鉆?108 mm 注漿孔與泄水孔,泄水孔間距2 m×2 m。
表4 混凝土厚度
(3)止?jié){墻
為固定注漿管和防止注漿過程出現(xiàn)漏漿、跑漿等現(xiàn)象,每循環(huán)帷幕注漿前需設(shè)置一定厚度的止?jié){墻。 止?jié){墻強(qiáng)度一般受材料的抗剪能力控制[18],計(jì)算公式為
式中,B為止?jié){墻的厚度;D為開挖斷面直徑,取14.46 m;λ為超載系數(shù),一般取1.2~1.5;pz為水壓力,取1 MPa;m為工作條件系數(shù),一般取1.2~1.5;τc為止?jié){墻材料的設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度,取2.7 MPa;k為轉(zhuǎn)換系數(shù);Rσ為混凝土強(qiáng)度。
當(dāng)λ與m相同時(shí),計(jì)算可得止?jié){墻厚度為1.34 m,結(jié)合實(shí)際情況,確定隧道第一循環(huán)帷幕注漿C20 混凝土止?jié){墻厚度為1.5 m,墻身直立,護(hù)墻寬5.2 m,高3.5 m,頂部厚1.5 m,底部1.5 m 范圍內(nèi)厚5 m,胸坡1 ∶0.7,止?jié){墻墻身堵頭墻采用錨桿(長3.0 m,間距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定。 止?jié){墻和護(hù)墻下部為?108 mm 鋼管樁(長5 m,間距1 m×1 m,外露1 m,梅花形布置)固定,止?jié){墻墻身均預(yù)留?108 mm 注漿孔與泄水孔,泄水孔間距2 m×2 m。
(4)注漿孔布置
根據(jù)目前國內(nèi)外施工機(jī)械的現(xiàn)狀,結(jié)合相關(guān)工程施工經(jīng)驗(yàn),注漿段落長度一般選擇20~30 m。
根據(jù)工程實(shí)際,各循環(huán)帷幕注漿長度取25 m,開挖20 m,并保留5 m 止?jié){巖盤,注漿孔擴(kuò)散半徑為1.5 m,為確保注漿擴(kuò)散半徑,鉆孔深度宜大于設(shè)計(jì)孔深20 cm。
第一循環(huán)帷幕注漿鉆孔見圖3,各循環(huán)孔口管采用?108 mm,壁厚5 mm 的熱軋無縫鋼管,管長3 m,孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固,并有良好的止?jié){措施。 注漿孔的部分參數(shù)見表5。
圖3 第一循環(huán)注漿鉆孔(單位:cm)
表5 循環(huán)帷幕注漿鉆孔參數(shù)
(5)帷幕注漿設(shè)計(jì)
根據(jù)已確定的注漿范圍、止?jié){巖盤、止?jié){墻、注漿孔布置情況繪制各循環(huán)帷幕注漿縱斷面,第一、二循環(huán)帷幕注漿縱斷面見圖4、圖5,第一循環(huán)帷幕注漿縱斷面中,從上依次向下12 個(gè)注漿孔角度見表6,第三至五循環(huán)縱斷面在圖5 的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
圖4 第一循環(huán)帷幕注漿縱斷面(單位:cm)
圖5 第二循環(huán)帷幕注漿縱斷面(單位:cm)
表6 第一循環(huán)帷幕注漿注漿孔角度
(6) 注漿速度
漿液在裂隙中的摩擦阻力與裂隙大小、延伸方向和其中的填充物有關(guān),同時(shí)取決于漿液的密度和黏度。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)鉆孔涌水量≥50 L/min 時(shí),注入速度宜為80~150 L/min;當(dāng)涌水量≤50 L/min 時(shí),注入速度宜為35~80 L/min,注漿速度還要經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后才能進(jìn)一步確定。
(7)注漿壓力
注漿壓力與砂層孔隙發(fā)育程度、涌水壓力、漿液材料的黏度和凝膠時(shí)間長短等有關(guān),目前均按經(jīng)驗(yàn)確定。通常情況下按如下幾種經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。
按已知的地下水靜水壓力計(jì)算,設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值)為靜水壓力的2~3 倍,最大可達(dá)到3~5倍,即
式中,P為設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值);P′為注漿處靜水壓力,取1 MPa。
據(jù)此求得的注漿壓力范圍為2~5 MPa。
涌水壓力按照式(6)計(jì)算[19],有
式中,P為注漿壓力;P0為涌水壓力,取1 MPa。
根據(jù)上式可知,注漿壓力為3~5 MPa,此方法適用于涌水壓力穩(wěn)定的情況;當(dāng)涌水壓力不穩(wěn)定或者取值范圍偏大時(shí),計(jì)算得出的范圍也較大,不利于注漿壓力的選取和施工控制。
綜合考慮上述2 種計(jì)算方法,并結(jié)合本工程涌水壓力(0.9~1.0 MPa)情況,最終取注漿壓力≯5 MPa,各循環(huán)注漿壓力控制情況見表7。
表7 各循環(huán)注漿壓力控制情況MPa
(8)注漿量計(jì)算
注漿量計(jì)算公式為[20]
式中,A為注漿范圍巖層體積;n為圍巖孔隙率;α為漿液充填率,取0.8;β為漿液損失率,取0.1;R為漿液有效擴(kuò)散半徑;L為注漿長度;nα(1+β)為填充率。
根據(jù)相應(yīng)工程規(guī)范,并結(jié)合隧道工程的實(shí)際情況,各循環(huán)帷幕注漿段的填充率取值見表8。
表8 填充率取值
(9)注漿材料
各循環(huán)帷幕注漿材料及漿液配比見表9。 第一循環(huán)根據(jù)注漿情況,拱部周邊孔采用少量聚氨酯漿進(jìn)行補(bǔ)充,外加劑用量控制在水泥用量的5%左右,聚氨酯采用單組分聚氨酯。 第二至五循環(huán)若在施工時(shí)滲水量較大,可添加磷酸化學(xué)漿液。
表9 注漿材料配比
(10)鉆孔和注漿
鉆孔和注漿順序由外向內(nèi),同一圈孔間隔施工,這樣可以防止?jié){液溢到注漿巖之外。 注漿前,需進(jìn)行壓力由小增大的壓水試驗(yàn)。 施工中根據(jù)現(xiàn)場情況對薄弱位置考慮增加注漿孔,各循環(huán)段施工工藝見表10,施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。
表10 各循環(huán)段施工工藝
(11)注漿結(jié)束判斷
根據(jù)類似工程注漿施工經(jīng)驗(yàn),單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓,注漿量在10 L/min 以下并持續(xù)10 min 以上,即可結(jié)束注漿[21]。
(12)注漿效果檢查
每一循環(huán)帷幕注漿完成后,需鉆孔檢查效果,檢查孔布置參數(shù)及檢查標(biāo)準(zhǔn)見表11[22],滿足檢查標(biāo)準(zhǔn)條件后方可進(jìn)行洞身開挖施工,檢查完成后需要用M10 水泥砂漿封堵檢查孔,注漿施工及效果評(píng)價(jià)見圖6。
圖6 施工及效果評(píng)價(jià)
表11 檢查孔及檢查標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)
(1)施工中存在的問題
施工中上臺(tái)階止?jié){墻破除時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場有局部溜塌,隨后掌子面拱頂出現(xiàn)局部溜塌,緊接著掌子面出現(xiàn)大面積泥沙溜塌,體積約825 m3,溜塌情況見圖7。
圖7 第二循環(huán)溜塌
(2)溜塌原因分析
由于第二循環(huán)帷幕注漿孔數(shù)減少較多,注漿效果弱化,導(dǎo)致局部注漿固結(jié)效果較差,塌方較嚴(yán)重。
地表降水相對靜水位目前未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的仰拱底部。
從涌砂含水率分析,掌子面注漿處巖體含水率11%,注漿外部含水率在16.3%~17%之間,含水率未控制在11%以內(nèi),降水未達(dá)到預(yù)期效果。
在第一循環(huán)最后一榀開挖時(shí),上臺(tái)階右側(cè)出現(xiàn)局部溜塌現(xiàn)象,溜塌體為塊狀;第二循環(huán)開挖時(shí),同一里程拱部發(fā)生豎向涌砂,初步判斷此次涌砂為薄弱裂隙地段。
圍巖中局部漿液擴(kuò)散沒有重疊形成完整止水帷幕。
(3)解決措施
第一時(shí)間封鎖現(xiàn)場繼續(xù)觀察溜塌情況,在大里程上臺(tái)階溜塌泥砂處理完后,在掌子面噴漿封閉。 對塌腔部位采取徑向注漿、泵送砂漿回填等措施進(jìn)行加固處理。
(1)施工中存在的問題
在對DK44+041.5 掌子面開挖時(shí),核心土左側(cè)前方出現(xiàn)流砂并伴有溜塌掉塊,上臺(tái)階下部溜塌延伸至拱部,最終形成左側(cè)拱腰至拱底塌腔、核心土左側(cè)塌腔和右側(cè)拱頂至拱腰塌腔,溜塌體約100 m3,溜塌情況見圖8。
圖8 第五循環(huán)第一次溜塌
第一次塌腔處理完成后,進(jìn)行端部套拱施作,掌子面左側(cè)拱頂至拱腰段管棚之間出現(xiàn)溜塌,管棚受溜塌影響導(dǎo)致下沉,造成拱架變形,見圖9。
圖9 第五循環(huán)第二次溜塌
掌子面開挖至DK44+042 時(shí)前方及拱部出現(xiàn)滑溜、塌方,管棚端頭套拱初支砼出現(xiàn)開裂掉塊、管棚和套拱出現(xiàn)整體下沉并最終垮塌,開挖揭示左側(cè)拱腳處砂層呈流砂狀(含水率為21.3%),見圖10。
圖10 第五循環(huán)第三次塌方
(2)塌腔原因分析
第一次溜塌:第五循環(huán)帷幕注漿止?jié){墻破除后,核心土左右兩側(cè)掌子面存在明顯滲水,其中右側(cè)滲水量較小,考慮因帷幕注漿過程中這兩股水無法借助排水通道排出,加之地表深井降水雖已起到降低水頭壓力及排除砂巖中裂隙水的作用,但未能有效排除砂巖中的孔隙水,以致水對周圍巖體持續(xù)浸泡,致使砂巖和漿液固結(jié)體軟化,開挖過程中由于核心土兩側(cè)底部失穩(wěn)進(jìn)而引發(fā)一系列滑塌。 另外,第五循環(huán)中取消了對核心土的加固,對核心土周圍溜塌也有一定的影響作用。
第二次溜塌:第一次塌腔反壓回填完成后進(jìn)行管棚施作,過程中左側(cè)拱頂仍存在滑塌現(xiàn)象,同時(shí)對塌腔內(nèi)進(jìn)行砂漿填充時(shí)造成管棚與填充砂漿之間形成松散體夾層,在第一次塌腔處理完成,進(jìn)行掌子面開挖時(shí),由于掌子面拱頂上方松散體溜塌,導(dǎo)致填充砂漿下部脫空,而引發(fā)一系列滑塌,造成拱部左側(cè)管棚受壓下沉、拱架變形。
第三次塌方:掌子面發(fā)生溜塌后,現(xiàn)場對其進(jìn)行反壓回填,對溜塌形成的空洞進(jìn)行注漿回填,漿液未完全填充塌腔且漿液與松散狀砂巖固結(jié)效果較差,塌腔頂部存在砂層剝落現(xiàn)象,加大管棚及套拱的荷載。 同時(shí),左側(cè)拱腳處砂巖含水率較高,局部超過液限,呈流砂狀,使拱腳承載力降低,在拱部土壓力和拱腳下沉的雙重作用下,管棚和豎撐出現(xiàn)整體下沉,并最終導(dǎo)致管棚和豎撐被壓垮,掌子面出現(xiàn)塌方。
(3)解決措施
第一次溜塌處理
對掌子面采用土石反壓回填,形成作業(yè)空間,土石表面坡率為1 ∶1,然后利用砂袋封堵空腔口。 塌腔位置預(yù)留泵送管、排水管及排氣管。 拱部采用“?108 mm管棚+?42 mm 小導(dǎo)管”超前支護(hù),管棚長15 m,環(huán)向間距30 cm,小導(dǎo)管長4 m,縱向每兩榀鋼架設(shè)一環(huán)。 管棚材料采用熱軋無縫鋼管,管內(nèi)設(shè)鋼筋籠,以增加管棚的抗彎能力。 管棚與小導(dǎo)管均采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。
第二次溜塌處理
對拱頂90°范圍內(nèi)采用?108 mm 管棚超前支護(hù),管棚長15 m,環(huán)向間距30 cm。 管棚材料用熱軋無縫鋼管,管內(nèi)設(shè)鋼筋籠,以增加管棚的抗彎能力。 管棚采用水泥-水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿。 拱部通過?42 mm小導(dǎo)管對斜上方松散體進(jìn)行注漿加固,小導(dǎo)管外插角為45°,單根小導(dǎo)管長6 m,小導(dǎo)管環(huán)向間距30 cm,注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿。
第三次塌方處理
現(xiàn)場采用?42 mm 小導(dǎo)管對掌子面前方進(jìn)行注漿加固,小導(dǎo)管按1 m×1 m(橫×豎)梅花形布置,注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿。 對拱部144°范圍內(nèi)施作?108 mm 長管棚,管棚長15 m,環(huán)向間距30 cm,注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿。
通過研究帷幕注漿加固結(jié)合地表降水措施治理方案在加固隧道含水砂層段的應(yīng)用,得到以下結(jié)論與建議。
(1)帷幕注漿結(jié)合地表降水可為洞內(nèi)開挖施工的安全和進(jìn)度提供保障。 根據(jù)1 號(hào)斜井大里程5 個(gè)循環(huán)的施工,帷幕注漿結(jié)合地表井點(diǎn)降水施工方案能夠在確保安全的前提下有效推進(jìn)施工進(jìn)度。
(2)帷幕注漿孔數(shù)過少會(huì)弱化固結(jié)效果,進(jìn)而引發(fā)塌方等異常情況的發(fā)生,應(yīng)根據(jù)隧道工程自身情況,調(diào)整注漿孔間距、數(shù)量、注漿范圍等參數(shù),從而確保帷幕注漿及其開挖施工順利進(jìn)行。
(3)帷幕注漿過程中掌子面附近的滲水無法通過排水通道排出時(shí),因不能及時(shí)排出砂巖中的孔隙水,在浸泡作用下會(huì)致使砂巖和固結(jié)體軟化,圍巖在開挖擾動(dòng)作用下易發(fā)生滑塌。
(4)對溜塌空洞進(jìn)行注漿回填時(shí),漿液未充滿塌腔或砂巖固結(jié)效果差,會(huì)加大管棚及套拱的荷載,致使管棚和豎撐被壓垮,掌子面出現(xiàn)塌方,應(yīng)使用小導(dǎo)管與長管棚進(jìn)行加固。