龍廈鐵路象山特長隧道注漿標準的制定

金強國

(中鐵隧道集團公司,河南洛陽 471009)

0 引言

隧道施工中的滲、涌水和突水、突泥是降低施工工效、威脅施工安全的主要因素,同時也是威脅隧道周邊環境的重要因素[1-2]。為減弱地下水對隧道施工的不利影響和隧道施工誘發的地下水流失對環境的負面影響,國內外隧道工程界普遍采用注漿堵水技術[3-5]。破碎圍巖注漿是綜合治理隧道水害,提高破碎圍巖強度,防止隧道涌水、突水(泥)的有效手段。通過注漿可部分封堵地下水滲流通道并提高破碎圍巖強度、減少隧道滲水,防止隧道涌水、突水(泥)對隧道施工安全的威脅;通過減少地下水流失從而減弱隧道施工對環境的負面影響。但長大隧道,尤其是地質條件復雜的長大隧道,并不是所有的有地下水滲流條件的地段都要注漿,也并非所有滲水地段都采用同樣的注漿方法、注漿參數、注漿材料、注漿工藝和注漿結束標準。

由于注漿堵水的實施與否以及注漿方式、參數、工藝的選擇涉及眾多因素,技術人員在采用該技術時往往面臨3個技術難題:一是在什么情況下需要進行注漿,在設計圖明確規定需求注漿的地段,有可能根本沒水或水量極小無需注漿,而設計未注明需注漿的地段,往往涌水量很大需要注漿;二是在需要注漿的地方采用什么注漿方式、參數、材料和工藝;三是如何判定注漿已達到預期(設計)的效果。為解決上述問題,使注漿這一行之有效的堵水技術在實施中更具有操作性,必須在施工中制訂注漿標準,但目前的隧道施工規范、注漿規范對此并沒有統一的規定[6-7]。

筆者在龍廈鐵路象山特長隧道施工中,綜合考慮地下水的類型、賦存環境、工程地質、水文地質條件等因素并結合以往施工經驗制定了適宜于象山隧道的注漿標準。

1 象山隧道地下水的賦存環境

象山隧道左、右洞全長分別為15 898,15 917m,是龍廈鐵路最長的隧道和控制工程。隧道穿越地區位于福建省規模較大的地質構造政和—大埔深大斷裂以及大田—龍巖拗陷帶上[8]。受多次構造運動影響,隧址區褶皺、斷裂非常發育,多組沉積地層呈假整合或不整合接觸。構造運動形成的斷層破碎帶、節理密集帶、巖層不整合接觸帶、構造節理等具有較好的連通性,為地下水提供了良好的滲流通道;同時1#～2#斜井間的灰巖巖溶段,溶蝕現象嚴重,溶洞區域內填充大量黃泥;加之隧址區雨量充沛,地下水水位較高:所以,隧道施工期間的洞內大量滲水、涌水非常普遍,突水、突泥風險很大[9],被鐵道部專家定為高風險隧道。

象山隧道已施工地段發生了8次大的突水、突泥事件,嚴重危及隧道施工安全,制約隧道施工進度并誘發地表失水等一系列環境問題。注漿堵水已成為決定隧道施工安全、工期及運營安全的主要因素。

象山隧道的地下水根據賦存環境可分為3類:

1)巖溶水。主要賦存于巖溶管道、溶腔、溶隙及溶槽中。

2)裂隙水。主要賦存于斷層破碎帶、節理密集帶、地層不整合接觸帶等破碎圍巖中。

3)孔隙水。主要賦存于第四紀地層或全風化軟弱圍巖中。

2 制定注漿標準考慮的主要因素

1)地下水的允許排放量是制訂注漿標準的控制因素。不管是注漿的起始標準還是結束標準,都與隧道的允許排放量有密切的關系。如果注漿的主要目的是堵水,在保證隧道施工及結構安全的前提下,隧道開挖后的滲(涌)水量應低于允許排水量。此外,在地表建筑密集、環境脆弱、對地下水流失有較高要求的地段(如本隧道DK24+000～+500地表建筑密集地段),隧道施工涌水量還需小于環境要求的地下水流失量。

2)工作面前方涌水量是決定是否實施注漿堵水和注漿方式的重要依據。使用地質雷達、紅外探水、TSP等物探手段,可探測到掌子面前方是否有含水構造,是否隱伏地下水。在此基礎上,結合工程地質資料對地下水的類型進行分析并有針對性地進行鉆探確認。通過水平鉆探可在開挖前較為準確地預測地下水的規模,通過測量鉆孔出水量、水壓來判斷整個開挖面的出水量,確定是否實施注漿堵水以及注漿方式。

3)地下水的類型、賦存環境是確定注漿方式、注漿參數的基礎。地下水的類型及賦存環境不同,滲流通道的大小、發育及連通情況、分布特點不同,對隧道施工的影響大小也不同。注漿方式、注漿參數的選擇需綜合考慮工作量前方出水量、水壓、地下水的類型及賦存環境。

3 象山特長隧道的注漿標準

3.1 注漿標準

針對象山隧道地下水賦存環境、水文地質條件及開挖前測定的涌水量、水壓、泥砂含量并結合設計防排水要求,通過現場試驗總結出象山隧道的注漿標準,如表1所示。

3.2 注漿參數

象山隧道采用的注漿方式主要有超前預注漿、徑向注漿和局部注漿。超前預注漿的注漿參數見表2,徑向注漿的注漿參數見表3。

當掌子面個別部位出現明顯涌水時,在出水點周圍布孔注漿截斷水源。注漿加固范圍為開挖輪廓線外3～5m,超前局部注漿采取全孔一次性注漿方式進行。注漿順序由少水處向多水處逐步進行。注漿材料以水泥單液漿為主,水量大時采用普通水泥-水玻璃雙液漿,注漿采取定壓注漿(注漿壓力1～2MPa)。

3.3 注漿材料

象山隧道注漿堵水主要采用水泥漿并輔以水泥-水玻璃雙液漿,特殊情況下采用超細水泥漿。注漿材料按圖1所示流程進行選擇。

3.4 注漿工藝

1)注漿順序。注漿順序采用由上部到下部、由外圈到內圈、由少水區到多水區、由低水壓到高水壓區,間隔跳孔注漿,通過約束注漿減少注漿量。

2)注漿方式。超前預注漿采用前進式分段注漿,分段長度3～5 m,巖溶地段適當縮短分段長度;徑向注漿采用全孔一次性注漿;地表注漿采用袖閥管后退式分段注漿。

3.5 注漿結束標準

1)單孔注漿結束標準。采用定量與定壓相結合的控制方法。前期孔主要采取定量控制,后期孔主要采取定壓控制。

2)全段注漿結束標準。所有注漿孔均符合單孔注漿結束標準,注漿效果評定達到設計標準后全段注漿方可結束。

3.6 注漿質量檢驗

1)超前預注漿的質量檢驗方法

①鉆孔檢查:檢查鉆孔不少于注漿孔總孔數的10%,且不少于3個,深度小于注漿段2～3m,外插小于加固圈1～2m,檢查孔出水量小于0.2L/m?min;

②鉆孔取芯:取芯能看到漿液固結體,固結體有一定強度;壓水試驗壓力達2MPa以上時,吸水量小于0.2L/m?min;

③畫代表性P-Q-T曲線,分析、比較注漿量與注漿壓力的關系,注漿量和壓力都滿足要求注漿方為達到設計要求;

④塌孔情況檢查:檢查孔不允許出現塌孔現象。

表1 象山隧道的注漿標準Table 1 Grouting standard of Xiangshan tunnel

表2 超前預注漿參數表Table 2 Parameters of advance pre-grouting

表3 徑向注漿參數表Table 3 Parameters of radial grouting

圖1 象山隧道注漿材料選擇流程圖Fig.1 Flowchart of selection of grouting materials for Xiangshan tunnel

2)徑向注漿質量評定標準

①每延米隧道涌水量小于0.5m3/h;

②隧道變形量測穩定。

4 實施效果

象山特長隧道施工過程中,嚴格按表1所述注漿標準實施注漿堵水,取得了較好的實施效果。主要體現在如下幾個方面:

1)地下水得到了及時封堵。施工過程中現場技術人員根據揭示的地下水情況,依據“注漿標準”及時實施注漿堵水,大大縮短了注漿堵水的討論和決定時間(過去需經參建四方開會決定),減少了地下水的危害,有效解決了大量出水后再進行處理的難度;

2)強化了富水地段隧道施工的標準化、規范化作業,有效降低了地下水對隧道施工安全的威脅。

5 結論

1)針對地下水的類型、賦存環境及水文地質條件制定切實可行的注漿堵水標準是確保富水長大隧道施工安全,降低水害風險,提高工效的有效措施。

2)為便于現場實施,注漿堵水標準宜包含注漿起始條件(在什么條件下需進行注漿)、注漿方式、注漿材料、注漿方式、主要注漿參數、注漿結束標準以及注漿質量檢查、評價方法等主要內容。上述內容的確定應以地下水的限排標準作為控制條件,以地下水類型、出水量、水壓作為重點考慮因素并結合地下水的賦存環境予以確定。

3)結合龍廈鐵路象山特長隧道的地下水具有類型多、水文地質條件及賦存環境復雜、水量大、水壓高等特點所制定的適用于象山隧道的注漿標準,在施工實踐中取得了較好的效果,這一標準及標準制定中考慮的主要因素對類似工程有一定的指導和借鑒意義。

[1] 葉樵.長大復雜地質隧道大涌水地質災害分析[J].鐵道工程學報,2008(7):65-68.

[2] 毛儒.隧道工程風險評估[J].隧道建設,2003,23(2):1-3.

[3] 付仲潤,韓忠存.某長江穿越隧道豎井淹井處理技術[J].隧道建設,2006,26(2):57-60.

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[5] 關寶樹.隧道施工要點集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[6] 中華人民共和國鐵道部.TB 10204—2002鐵路隧道施工規范[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[7] 王自清.水利水電工程地層注漿堵水與施工新技術及標準規范實用手冊[M].北京:中國知識出版社,2006.

[8] 福建省地礦局.福建省區域地質志[M].北京:地質出版社,1985.

[9] 李紅軍.象山特長隧道施工風險因素分析[J].隧道建設,2009,29(S2):13-17.