注漿加固工法在齊岳山隧道F11斷層施工中研究與應用

董裕國

(中鐵十二局集團有限公司,太原030024)

0 引言

隨著我國鐵路建設的跨越式發展,復雜巖溶區域鐵路相繼開始修建,預防及治理巖溶突水涌泥等地質災害成為隧道施工的主要技術難題,注漿工法作為一種成熟的巖溶涌水處理方法被廣泛的應用于工程施工中,取得了較好的效果。但由于全斷面超前注漿施工周期較長,尤其對長大斷層破碎帶的治理,直接影響到總施工工期,制約其進一步大范圍應用。韓志懷[1]就注漿參數、材料選用、注漿順序、施工工藝、機具設備配置以及注漿效果評定等方面,對巖溶地段全斷面超前注漿加固技術做了介紹;梅志榮等[2]介紹了隧道全斷面預加固技術的一些基本概念,并運用有限元方法對隧道全斷面預加固進行了三維數值模擬,同時闡述了設計施工的基本應用原理。全斷面帷幕注漿技術由日本人依托青函隧道于70年代發明后,其基本思路設定為隨著隧道開挖,將產生一定的松動范圍,在松動區外側一定范圍內進行注漿并形成一個止水地帶,用該止水帶與水壓抗衡,這樣強大的水壓就不能直接作用于初期支護或二次襯砌上,加固范圍與水壓有關,水壓越高、水量越大,加固范圍也就越大。易凱等[3]以象山隧道3#斜井工區正洞帷幕注漿施工為例,對比3個不同地質段的帷幕注漿施工情況,對全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、局部帷幕注漿3種不同的注漿方案進行探討,分析不同水文地質條件下注漿方式的選擇對施工進度的影響;張民慶等[4]提出"注漿加固、分水降壓、快挖快封、加強監測、綜合治理"施工技術方案,將全斷面帷幕注漿調整為外堵內固注漿;張慶欣[5]結合齊岳山隧道帷幕注漿施工技術在高壓富水和破碎、軟弱圍巖區中的應用,簡要介紹了帷幕注漿施工技術的原理、施工方法和施工技術,并對其質量控制進行了論述。而針對齊岳山隧道長大230 m的F11斷層,為了保證通過注漿能快速通過,保證施工工期,必須在傳統超前注漿方案設計施工進行理念創新,以保證注漿效果,減少工程數量,加快施工進度。

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北省利川市境內,東起野茶鄉樂園溝,向北西垂直穿越齊岳山及荊竹園等臺地,進口里程DK361+255,出口里程DK371+783,全長為10 528m,洞身最大埋深670m,單面排水。隧道穿越的F11高壓富水斷層是施工難點,該斷層為區域性斷層,沿得勝場槽谷西側分布,在隧道洞身里程范圍在DK365+110～+340,寬230m,發育在白云巖為主的硬質可溶巖與含鈣質成分的頁巖、泥巖為主的軟質非可溶巖的交界部位,具有多期性、次級構造發育,巖性成分復雜,膠結松散,巖體破碎,飽和水使巖土性態惡化。F11斷層為逆斷層(見圖1),分為上下盤破碎巖體接觸帶和核部破碎軟弱帶,構造裂隙發育,透水性較強;中間核心地帶以類似于含碎石粉質黏土或碎石土狀的松軟物質為主,飽和富水泥質含量大,透水、導水性弱,是該隧道受水威脅最嚴重的地段;設計日常涌水量為1.1×104m3/d,最大涌水量為11.4×104m3/d,實測水壓最高達2.8 MPa。工程特點為高壓富水,圍巖軟弱、膠結程度低下,巖體飽和含水,在水的作用下易發生突水、突石和泥石流。地質復雜程度為國內外罕見,被國內院士專家列為“世界級難題”和“施工禁區”。

施工中采取注漿工法達到封堵地下水,固結軟弱圍巖的目的。由于施工難度大,工期緊,前期采用全斷面帷幕注漿法施工,通過反復研究比較,采用上半斷面開孔加固全斷面的精細化注漿施工法,減少工程數量,保證注漿效果,加快施工進度,取得較好的經濟效益和社會效益。

圖1 得勝場槽谷縱剖面圖Fig.1 Profile of Deshengchang trough

2 全斷面帷幕注漿法

2.1 施工原理、目的

全斷面帷幕注漿是在隧道開挖輪廓線外一定范圍,通過機械壓力作用將注漿材料壓入軟弱破碎地層,封堵地下出水裂隙及過水通道,形成一定厚度的截水帷幕,并對破碎軟弱巖體起到固結加固作用,滿足安全開挖施工要求。

根據F11斷層地質情況分析,明確F11斷層超前注漿目的是:堵裂隙,減水量;固圍巖,穩地層。同時為了滿足快速施工,在“分水降壓、注漿加固、帶水開挖、交替推進”的施工總原則下對注漿方案進行優化設計,以達到滿足安全開挖效果和快速施工的目的。

2.2 全斷面帷幕注漿設計參數及施工工藝

F11高壓富水斷層全斷面帷幕注漿設計如圖2所示。

1)設計參數。F11斷層帷幕注漿設計加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外8m,縱向注漿段長30m,每循環開挖長度22m。漿液擴散半徑2m,孔底間距3 m,共設計注漿孔141個。注漿壓力為6～8 MPa。檢查孔按照設計注漿孔的10%設置,合計為15個,總計共156個孔。

2)施工工藝。帷幕注漿采用分段前進式注漿工藝,分段長度3～5m,注漿孔孔徑為 φ96mm。

3)大管棚支護。F11高水壓斷層破碎帶,地質軟弱,開挖施工中極易引起坍塌;因此,注漿結束后必須通過周邊施工超前大管棚,提高周邊圍巖的穩定性。超前大管棚布置在拱部120°范圍,大管棚采用φ108×9mm熱軋無縫鋼管,共設置36根管棚。

2.3 全斷面帷幕注漿法施工工期安排及設備配置

根據施工過程在正洞第一循環施工情況進行工期推算,正洞采用2臺鉆機同時鉆孔施工,每臺鉆機每天平均按照完成2個孔計算。每個循環注漿及管棚施工需要用時48 d,即平均每加固1個注漿開挖米用時2.18 d,完成全部正洞注漿加固(斷層及影響帶按照265m,按照2個掌子面同時施工計算)約用時289 d[5]。

設備配置:日本礦研RPD-75多功能鉆機1臺、卡薩格蘭蒂C6鉆機1臺,英格索蘭空壓機1臺(320 kW、23m3、1.2MPa),PH15注漿泵2臺,KBY注漿泵2臺,電瓶車3臺,平板車3臺,梭式礦車2臺,漿液攪拌桶5個(包括儲漿桶)。

圖2 全斷面帷幕注漿設計(單位:cm)Fig.2 Design of full-face curtain grouting(cm)

2.4 注漿結束判定標準

1)單孔結束標準。注漿壓力逐步升高至設計終壓,并持續注漿10 min以上;注漿結束時的注漿量20 L/min。

2)全段結束標準。所有注漿孔均已符合單孔注漿條件,無漏注現象。

2.5 注漿效果評定標準

1)對注漿過程中的各種資料綜合分析,注漿壓力、注漿量變化是否合理,是否達到設計要求。

2)設置檢查孔,檢查孔取芯檢查,觀察漿液填充情況,并檢查孔內涌水,檢查孔涌水量小于0.2L/m?min。

通過推算,采用全斷面帷幕注漿工法進行鉆孔注漿施工,工程數量大,施工工期長,根本不能滿足宜萬線整體施工工期要求,因此必須對注漿方案、施工工藝方法等進行深入研究,以加快施工進度,保證整體工期目標的實現。

3 上半斷面精細化注漿法

3.1 施工原理、目的

傳統超前帷幕注漿設計時假定地層是均勻的,外側水壓力均勻分布;因此,需要對松馳區進行注漿堵水加固,水壓力越高、水量越大,加固范圍也就越大[6]。而實際施工過程中,由于地層的不均勻性決定不均勻的透水性,因而外側水壓力也是不均勻分布的。精細化注漿設計理念就是根據工程地質情況,先進行分區定位,確定地質情況,通過前期頂水注漿改變透水場條件,使地層中水量得到有效控制,然后按均勻地層進行“合理步距,由外及內”方式實現基本注漿加固,保證隧道開挖安全的基本要求。最后,對水量大、水壓力高區域進行局部強化注漿,從而達到“減少注漿孔數量、提高注漿效果”的目的。

3.2 精細化注漿設計參數及施工工藝

F11高壓富水斷層精細化注漿設計如圖3所示。

1)設計參數。注漿范圍為開挖輪廓線外4m,漿液擴散半徑2m,孔底間距3m,共設計注漿孔49個。注漿方式為分段前進式注漿,注漿步距根據地質情況及出水情況進行動態控制,注漿終壓6～8MPa。檢查孔按照注漿孔的10%設置,檢查孔為5個,合計共54個孔。

2)施工工藝。施工采取前進式分段工藝,嚴格按照即注漿孔兼探孔—外圈孔—二圈孔—掌子面穩定孔—檢查孔(注漿補孔)—管棚孔分步施工,后序孔兼作為前序孔注漿效果檢驗。同時采用多孔合一方法即超前地質探孔、注漿孔、工作面穩定孔、大管棚孔、檢查孔等互相利用,減少工程數量。

3)立體支護體系。F11斷層高壓富水,地層極其破碎,為確保鉆孔注漿后開挖安全,除在拱部設置17根超前大管棚形成拱部棚架外,在掌子面施作12個玻璃纖維錨管,通過對錨管進行注漿,穩定掌子面。從而形成立體防護體系,以確保開挖安全。

圖3 精細化注漿設計(單位:cm)Fig.3 Design of accurate grouting(cm)

3.3 精細化注漿法施工工期安排及設備配置

正洞采用2臺鉆機同時鉆孔施工,每臺鉆機每天平均按照完成2個孔計算。每個循環注漿及管棚施工需要用時25d,即平均每加固1個注漿開挖米用時1 d,完成全部正洞注漿加固(斷層及影響帶按照265m,按照2個掌子面同時施工計算)約用時133d。

設備配置:與帷幕注漿法相同。

3.4 注漿結束判定標準

注漿壓力逐步升高至設計終壓,并持續注漿10 min以上;個別孔吸漿量較大的以注漿量作為控制標準,注漿量不大于2m3/m?孔。

3.5 注漿效果評定標準

1)分析法[7]。對注漿過程中的各種資料綜合分析,鉆孔出水量和注漿量變化是否合理,是否達到設計要求,主要為鉆孔出水量及注漿量分析法和P-Q-T曲線法。

2)檢查孔法。按照前方已探明地質情況,真的地質較差范圍進行鉆孔檢查,檢查孔數量為注漿孔數量的10%,單孔涌水量不大于2L/m?min,孔內攝像時鉆孔孔壁光滑不出現塌孔。

4 方案對比

上半斷面精細化注漿法與全斷面帷幕注漿法相比較可以看出,上半斷面精細化注漿法具有明顯的優勢,主要表現在以下幾個方面:

1)工程數量明顯減小。通過精細化施工加強過程控制,使注漿加固范圍由8m減小到4m,注漿孔數量減少60%;加固體的減小使得注漿量減小40%。

2)鉆孔涌量逐級遞減。采用信息化跟蹤注漿使得注漿效果明顯,堵水率提高,隨各序孔的實施鉆孔出水量具有明顯的遞減趨勢,見表1所示。

3)施工進度明顯提高。采用信息化跟蹤循環注漿時間由全斷面帷幕注漿的45d,減少為18 d,每循環節約工期27d。

因此采用精細化注漿工法,具有明顯的經濟效益和社會效益,應在類似地層施工中推廣。

5 應用實例

5.1 上半斷面精細化注漿情況

F11斷層破碎帶正洞DK365+300～+275循環段,采用信息化跟蹤注漿法設計施工,本循環用時14d完成縱向25m注漿加固施工。

施工過程采用注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主,普通水泥-水玻璃雙液漿為輔,漿液配比為,單液漿,W︰C=0.8︰1.2～1︰1;雙液漿,W︰C=0.8︰1～1.2︰1,C︰S=1︰1。嚴格按照外圈孔 —二圈孔—工作面穩定孔—檢查孔(兼補充注漿孔)—管棚孔的順序,間隔跳孔施工作業。嚴格過程控制,做到精細化施工,實現約束注漿目的。

5.2 注漿效果評定分析

1)鉆孔出水量及注漿量分析。最先施工的注漿孔出水水量最大,在后序孔施工過程水量明顯減小,外圈孔施工完成后,二圈孔鉆孔出水量有明顯的減小,堵水效果明顯。

2)從各孔注漿量分布圖可以看出:注漿仍以封堵巖層出水裂為主,出水量和注漿量有明顯的對應關系,涌水量大的孔吸漿量大,隨著注漿進行,出水裂隙逐漸被封堵,地層吸漿量明顯降低。先施作的孔吸漿量明顯大于后施作的孔,外圈孔(A序)吸漿量大于二圈孔(B序)。通過逐級推進施工,地層逐漸加固密實,裂隙被封堵,達到堵水與加固的目的。

3)注漿堵水率。對施工過程不同階段鉆孔中最大涌水量進行統計分析各階段的堵水率如表1所示。

表1 注漿堵水率統計表Table 1 Statistics of effects of grouting

從表可以看出,前期注漿孔兼超前探孔鉆孔施工過程中,堵水率為51%,外圈孔堵水注漿較為明顯。隨著由外及內注漿施工的逐漸推進,二圈孔施工完成后堵水率達到80%。注漿孔完成后進行效果檢查孔施工過程堵水率達到94%,達到了堵水要求。

4)P-Q-T曲線。注漿流量隨著注漿壓力上升逐漸減小,壓力上升到5MPa后,產生明顯突變,迅速上升達到設計終壓,結束單孔注漿。

5)檢查孔。注漿結束后,根據該循環鉆孔注漿施工過程出水區域分布情況,全斷面布設5個檢查孔兼補充注漿孔,并重點對工作面右側一定范圍進行檢查,檢查孔出水情況如表2。

表2 檢查孔各段出水情況Table 2 Water leakage of each inspection hole

5.3 開挖施工情況

注漿結束后,采用“三臺階七步流水法”施工,開挖里程為DK365+300～+280段20m,開挖揭示的地質情況和與“六孔定位法”探明的地質基本相符。開挖施工采用弱爆破法配合機械法施工,施工確保“三快”,即快挖、快支、快封閉,每循環對周邊圍巖和掌子面圍巖進行噴射C225鋼纖維混凝土支護,局部掌子面加強錨桿施工,平均開挖進度1.2m/d。

6 結論與體會

在面對地質復雜、工期緊張這樣一個情況下,如果采用全斷面帷幕注漿法施工,僅僅是如何將高達11 m的掌子面施工平齊后施工止漿墻,這本身就是一個很難克服的課題,加之僅注漿工期就達289 d,工期遠遠不能滿足貫通的要求。采用上半斷面信息化跟蹤注漿工方法是在全斷面帷幕注漿法從施工理念上是一個巨大的進步。根據實際地質情況,進行動態調整注漿加固施工參數,有針對性地進行注漿加固。并通過立體防護體系施工,確保開挖過程不坍不垮,穩定周邊圍巖和工作面大大加快施工進度和施工加固的有效性。但是注漿無論哪種類型的注漿施工均存在一定的注漿盲區和薄弱區域,只有在開挖施工中及時采取正確的施工措施,才能將注漿施工中存不足進行彌補,減少地質災害的發生,保證施工安全。

[1] 韓志懷.象山隧道巖溶地段全斷面超前注漿毒水與加固技術[J].隧道建設,2009,29(5):558-562.

[2] 梅志榮,陳濤.高速鐵路隧道全斷面預加固技術的應用研究[J].隧道建設,2008,28(5):542-547.

[3] 易凱,張迎華.象山隧道帷幕注漿快速施工技術探討[J].隧道建設,2010,30(1):78-83.

[4] 張民慶,張梅.高壓富水斷層"外堵內固注漿法"設計新理念與工程實踐[J].中國工程科學,2009(12):26-33.

[5] 張慶欣.齊岳山隧道帷幕注漿施工技術[J].山西建筑,2007(23):121-123.

[6] 卓越,孫國慶.齊岳山隧道F11高壓富水斷層帶注漿施工技術[J].中國工程科學,2009(12):82-86.

[7] 張民慶,孫國慶.注漿效果檢查評定技術與應用實例[J].巖石力學與工程學報,2006(Z2):3909-3918.