齊岳山隧道F11高壓富水斷層注漿設計與施工技術探討

孫國慶

(中鐵隧道集團科學技術研究所,河南洛陽471009)

0 引言

宜萬鐵路全線共有隧道159座,區域斷層、高壓富水、巖溶發育、無規律性,是已建和在建最為復雜、風險最高的鐵路線[1]。施工中共揭示出了900余處巖溶及斷層高壓水,其中具有代表性的是齊岳山隧道,因F11高壓富水斷層、其地質軟弱破碎、施工難度大、安全風險高成為阻礙全線貫通的最大的技術難題。對于巖溶水的處理目前主要有堵、排、截等方法。采取何種方法必須和地質條件、周邊環境、建設成本等綜合考慮?？紤]到F11斷層范圍廣、圍巖破碎等特點,建設指揮部多次邀請專家進行方案論證,最后采取以“封堵透水裂隙、加固破碎圍巖”為目的超前預注漿工法攻克F11斷層技術難題。傳統的超前全斷面注漿能夠達到有效解決隧道巖溶涌水、突泥難題,在我國地下工程一直被廣泛采用,積累了相當的經驗[2-6]。但由于超前注漿施工工期長、投入較高而一直被謹慎采用。針對齊岳山隧道長大230m的F11斷層,通過注漿方式如何安全、有效、快速地通過,必須在傳統超前注漿方案設計基礎上進行理念創新,實現鉆孔注漿動態化設計、專業化管理、精細化施工。

1 工程概況

齊岳山隧道位于湖北利川與重慶萬州交界處,地處鄂西高臺原西部邊緣,全長10 528m,洞身最大埋深670m,全隧單面下坡,平均設計坡度14.3‰。全隧穿越了二迭系茅口組至侏羅系上沙溪廟組全套地層,除構造引起局部缺失外,其余在隧道區內均有出露,碳酸鹽巖地段約占全隧長度的46.3%。隧道區內主要構造有齊岳山背斜、箭竹溪向斜,大小斷層15條。其中與得勝場槽谷有關的F9、F10和F11 3條[1]。隧道區內發育有大、小魚泉和得勝場3條地下暗河,與得勝場槽谷有關的是得勝場暗河,隧道縱斷面如圖1。

2 F11斷層工程地質及水文地質特征

F11斷層構造在縱斷面上可以分為斷層破碎帶和斷層影響帶。根據地質勘察并結合施工開挖揭露,F11斷層破碎帶具有以下特征:

1)規模宏大。F11斷層主要斷裂帶在隧道洞身里程DK365+110～+340,寬230m,發育在硬質可溶巖與軟質非可溶巖的交界部位。

2)高壓富水。由于巖性間的層間裂隙和大規模的得勝場斷裂及其次級構造的影響,深部裂隙水與上部地下水具有水力聯系,施工過程實測F11斷層水壓高達2.5 MPa,鉆孔注漿施工過程最大單孔涌水1 800 m3/h。

3)軟弱破碎。F11斷層及影響帶由斷層角礫巖、碎裂巖、斷層泥等構成,巖性組成復雜,類似于含碎石粉質黏土或碎石土狀,水文性質表現為飽和含水,工程性質表現為圍巖強度低、穩定性差,在水的浸泡下,工程性質更加惡化。

4)軟硬不均,層層相間。斷層巖層幾何特征以豎向為主,軟弱巖層(碎屑及斷層泥)和硬質巖層(角礫巖及破碎塊石)縱向間隔交替出現。

5)裂隙發育、極不均一。斷層破碎帶裂隙發育,成為涌水的主要補給通道,但裂隙發育極不均一,連通性差,即使距離很近的鉆孔出水也互不影響,水壓也不一致。

3 超前預注漿設計

為了滿足安全開挖施工要求,經對多種施工工法進行比較選擇,最終確定采用超前預注漿方式對地層進行改良,并根據F11斷層破碎帶的地質特點進行反復試驗研究,對方案進行不斷優化完善,以加快施工進度,提高施工效率,確保地層改良效果。

3.1 超前預注漿設計新理念

根據F11斷層地質情況并結合前期鉆孔注漿施工情況,在“分水降壓、注漿堵水、帶水開挖”的施工原則下對超前預注漿進行方案優化設計,并進行設計施工理念創新。

1)探注結合模式。對于軟弱富水地層,常規施工方法是采用按照先進行超前地質探孔,再根據探孔掌握的地質進行注漿方案設計及施工的循序漸進模式。由于高壓富水斷層探孔過程中容易遇到坍孔、卡鉆現象,并受突發高壓涌水威脅,完成1個循環的超前鉆探需要耗費較長時間,工效很低,且最終還是要實施鉆孔注漿施工進行處理,對施工的進度和安全風險控制不利。F11斷層具有“高壓富水、軟弱破碎”的特點,必須通過注漿堵水加固施工才能保證安全開挖;因此,提出“軟弱地層、分區定位,探注結合”的系統化過程控制施工理念,根據超前注漿預設計,選擇拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、拱底共6個注漿孔兼超前探孔進行施工,“一孔兩用”達到既對前方不良地層進行判斷,優化方案的指導作用,又對注漿預設計進行試驗的目的,有效地節約了時間。

2)精細化跟蹤注漿設計。傳統超前預注漿設計時假定地層是均勻的,外側水壓均勻分布;因此,需要對松散地層進行注漿堵水加固,注漿堵水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。而實際工程中,地層是不均勻的,透水性、外側水壓力也是不完全相同的。精細化跟蹤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,并通過前期探孔注漿使地層中水量得到控制;然后按均勻地層進行“合理步距,由外及內”方式實現基本注漿堵水加固,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 超前預注漿設計

根據地質情況,F11斷層破碎帶預注漿目的為堵裂隙、減少水量;固圍巖、穩定地層?？紤]施工實際,方案設計采用上半斷面開孔對全斷面注漿的方式進行,并結合“探注結合模式”和“精細化跟蹤設計”新理念,經過優化共設計4種類型的孔。

1)超前注漿孔兼超前地質探孔。以封堵高壓涌水,固結破碎圍巖為目的,在開挖輪廓線外布設2圈,終孔在開挖輪廓線外4m,終孔間距3m,其中6個孔兼作為超前地質探孔。

2)工作面穩定孔。以穩定開挖工作面為目的,在開挖面按照1.5m×1.5m間距品字形布置,成孔后下入玻璃纖維錨桿,通過注漿使錨桿與圍巖固結,穩定開挖面。

3)檢查孔兼補充注漿孔。注漿結束后對效果進行檢查評定,主要布置在地質條件差或注漿薄弱區域,并對薄弱區域進行補充加強注漿。

4)管棚孔兼周邊補充注漿孔。以提高軟弱破碎地層承載力為目的,通過在開挖輪廓線外一定范圍(90～120°),布設間距40～50 cm,外插角 ＜5～7°的超前大管棚,提高剛性支護能力。設計如圖2、3所示。

圖2 超前預注漿縱剖面圖(單位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of advance pre-grouting(cm)

圖3 超前預注漿終孔交圈圖(單位:cm)Fig.3 Overlapping of end positions of advance pre-grouting holes(cm)

3.3 超前預注漿設計參數

見表1。

表1 注漿設計參數表Table 1 Grouting parameters

3.4 注漿材料配比及性能參數

見表2。

表2 注漿材料配比及性能參數表Table 2 Mixing ratios and performances of different grouting mortars

4 超前預注漿施工

4.1 施工機械配套

超前預注漿[7]是處理隧道涌水及加固改良軟弱地層有效實用的施工方法,但因施工周期較長,人力物力消耗量大,影響施工工期,往往在制定方案時難以決策,或迫于工期壓力而放松過程及質量控制,難以達到理想效果。而在地質條件確定的前提下,鉆孔注漿機械配套對快速施工及注漿質量控制極其重要。針對齊岳山隧道230m長的F11高壓富水斷層,采取先進的鉆孔及注漿設備,大大提高施工效率,30 m超前注漿循環周期可控制在20d內,并確保注漿效果。單個工作面鉆孔注漿機械設備配套及性能參數見表3。

表3 鉆孔注漿主要機械設備配套表Table 3 Drilling and grouting machinery

4.2 鉆孔注漿施工及過程控制

1)注漿分段步距控制。根據施工現狀,超前預注漿通常采用前進式分段注漿工藝,結合F11斷層破碎帶地質特點,超前預注漿分段長度根據涌水量及地質條件采用三級質量管理進行控制,如表4所示。

表4 超前預注漿分段控制標準Table 4 Standards for division of advance pre-grouting

2)鉆孔注漿順序控制。為了達到理想注漿效果提高施工效率,注漿過程按照由外及內、間隔跳孔的約束法進行注漿順序控制,即按“外圈孔—二圈孔—掌子面穩定孔—檢查孔(注漿補孔)—管棚孔”的順序進行,注漿孔兼超前探孔、工作面穩定孔兼注漿孔、管棚孔兼注漿孔、檢查孔兼補充注漿孔等互相利用,在不影響注漿效果的前提下,減少工程量,加快循環施工周期。根據F11斷層破碎帶施工情況,通過多孔合一,相互利用,鉆孔工程數量比原來設計減少21%,施工進度提高30%以上。

4.3 超前管棚及工作面穩定孔施工

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頂部施工超前大管棚[8],提高隧道拱頂圍巖的穩定性。施工中采取φ76mm,δ=7mm無縫鋼管作為管棚支護材料,并采用無工作室管棚頂入式無切割施工技術,避免了常規施工管棚需要開挖管棚工作室的工序,減少管棚切割耗時,使30 m長管棚施工速度達到1根/3h。

工作面穩定孔是基于新意法原理,超前注漿結束后,在工作面按照1.5m×1.5 m間距梅花形布孔,鉆孔深度與注漿段長一致,成孔后下入 φ25mm的中空玻璃纖維錨桿并進行注漿,使具高抗拉強度的錨桿通過漿液和軟弱地層固結成為整體,有效提高開挖面穩定性,方便安全開挖加快施工進度。

5 注漿效果分析

5.1 鉆孔涌水量分析

以DK365+335～+310注漿循環段為例進行分析。

1)注漿段水量分布情況。注漿加固區段內水量橫斷面及縱向分布情況如圖4,5所示。從橫斷面圖可以看出:出水量大的區域主要分布在工作面的右側,涌水50m3/h以上的孔主要為外圈孔,說明由外及內順序施工,內部水量明顯減小,堵水效果明顯。從縱向分布圖可以明顯看出:鉆孔縱向在20～25m段存在明顯的透水層,為注漿重點區域,應加強該段注漿,并在開挖施工過程中加強支護及補充注漿。

圖4 水量橫斷面分布圖Fig.4 Cross-section of tunnel showing distribution of water

圖5 水量縱向分布圖Fig.5 Longitudinal distribution of water

2)鉆孔涌水量時間效應分析。以施工過程各鉆孔施工先后順序及單孔最大涌水量繪制鉆孔水量圖如圖6所示。從圖6可以看出,各鉆孔最大出水量存在一定的差異,最先施工的6個注漿孔兼超前探孔出水量最大達到150m3/h,平均達90m3/h,注漿后水量明顯減小,主要的出水裂隙被有效封堵。外圈孔施工完成后,二圈孔鉆孔出水量有明顯的減小,大部分在20m3/h。說明采取環環相扣,由外到內的注漿方式,堵水效果較明顯。

5.2 注漿堵水率分析

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5所示。

圖6 鉆孔涌水量圖Fig.6 Water inflow rate of different boreholes

表5 各階段注漿堵水率Table 5 Water sealing efficiency of each grouting stage

從表5可以看出,在前期5個注漿孔兼超前探孔鉆孔施工過程中,平均涌水量達到90 m3/h(最大150 m3/h);注漿結束后,在外圈孔施工過程中,單孔平均最大涌水量為50 m3/h,堵水率達到45%。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83.6%,補充注漿孔后進行檢查孔施工過程堵水率達到97.8%,達到了預期的堵水效果。另外由外及內的施工工序,后續鉆孔出水量減小后,有利于快速施工,也達到了約束注漿的目的。

5.3 檢查孔情況分析

注漿結束后,根據該循環鉆孔注漿施工過程出水區域分布及注漿量分布情況,在薄弱區域按照設計注漿孔數量的10%進行檢查孔施作,對注漿效果進行檢查,檢查孔設計深度為25m,終孔在開挖輪廓線外3m處,為了進一步對薄弱區域進行補充注漿,檢查孔鉆到25m深并對檢查孔出水情況進行評判后,繼續鉆進至終孔進行補充注漿。檢查孔出水量均小于2 L/min?m的控制標準;且檢查孔補充注漿時吸漿量較小,說明地層較為密實;檢查孔鉆設鉆速快,無卡鉆現象,達到注漿結束標準,滿足開挖施工要求。

6 結論

通過對齊岳山隧道F11高壓富水斷層處理實踐,得出:

1)“探注結合”及“精細化跟蹤注漿設計”理念是在傳統全斷面超前預注漿理念基礎上的創新,是以地層的不均勻性、地下水量和水壓分布的不均勻性為前提條件[9]進行方案動態設計,更具有針對性;其核心是強調注漿過程控制的重要性,實現對高壓富水斷層處理的高效和可靠性。

2)對于高水壓破碎斷層帶,除采用超前預注漿對涌水進行封堵、對軟弱破碎地層進行加固外,周邊圍巖和開挖工作面穩定性不可忽視;因此,必須確保注漿與支護一體化共同作用,實現“外堵內固”,保證隧道安全開挖施工。

3)文中所述的注漿理念和工藝措施通過在齊岳山隧道工程實踐,減少工程量、縮短施工周期、保證施工安全,取得了較好的效果;但在以后的應用過程中,要根據地質情況靈活借鑒采用,并根據不同地質特點,進一步對期進行不斷地完善、補充,使其適用范圍更廣,推廣價值更高。

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