淺析隧道斷層破碎帶注漿工藝

黃芝權

貴州省某國道隧道工程,全長約600 m。主要穿越地層為殘坡積層砂黏土,硬塑厚0 m～1 m,下伏白堊系含礫砂巖極嚴重風化～頗重風化,地下水不發育。圍巖級別Ⅴ級,Ⅲ級。隧道進口設置在R=800圓曲線上,該隧道土壤系高原黃棕壤,質地松脆,施工中土體坍塌嚴重,存在著很大的安全隱患。為保證施工安全及施工的順利進行,必須對此段進行開挖預加固處理。針對上述情況,本著技術可靠、施工可行、經濟合理和對現狀土體擾動小的原則,結合近年來注漿加固的成功經驗,經研究決定采用二重管A,C液無收縮注漿加固的方法,對該段地基進行加固處理,增強地基的自穩性和抗壓強度,加固范圍。

1 工程地質條件

根據建設部綜合勘察研究設計院提供的巖土工程勘察報告,隧道開挖深度范圍內的土體工程地質和水文地質條件如下:1)工程地質條件:①填土層;①1雜填土層:雜色,以建筑垃圾為主,中下密度;①2素填土層:黃褐色,以粉土、粉質黏土為主,中下密度,該層厚度為1.0 m～2.5 m;②粉土層:褐黃～灰黃色,結構較好,可塑～硬塑,厚度為2.5 m～4.3 m;③粉質黏土層:淺灰～褐黃色,結構較好,可塑～硬塑,③1夾粉土層透鏡體,厚度為 6.7 m～7.9 m。2)水文地質條件:根據勘察報告,隧道開挖深度影響范圍內存在上層滯水,含水層為粉土②層,靜止水位埋深為1.6 m～2.78 m,主要來源為大氣降水、管線滲漏。

2 施工方案設計

1)施工目的:本工程主要以改善地層松散的性狀為目的,以及止水,使隧道頂部及側面增加抗壓強度和粘結性,實現加固目的,保證隧道掘進時,拱頂土體不產生塌落從而保證暗挖施工順利進行和施工安全。2)施工方法選擇:本工程采用雙重管無收縮注漿工法,對隧道作業面前方的起拱線以上3 m部分土體及側面2 m部分土體的范圍進行輻射型注漿加固處理,形成具有一定強度的復合地基,以達到穩固土體的預期目的。

3 注漿加固

1)注漿材料。a.其特性對地下水而言,不易溶解;b.對不同地層,凝結時間可調節;c.高強度、止水;d.注漿材料配比:A液,B液,C液硅酸鈉:130 L;水:70 L;Gs劑:8.5%;P劑:4.5%;DHP劑:6.7%;GOX劑:7.1%;水泥:47%;DHP劑:5.6%;GOX劑:4.2%;XPM劑:5.4%;水:200 L。注:溶液由 A,B液組成;懸濁液由A,C液組成注漿時,將根據現場實際情況適當加入特種材料以增加可灌性和早期強度。

2)注漿范圍的設計。經計算,出線溝暗挖隧道土體注漿加固范圍確定如下:a.隧道結構外輪廓線:左右兩側各2 m以內的土體;拱部以上3 m以內的土體;底部不加固。位于回填土內的隧道全段面加固,位于天然土層內的隧道僅加固隧道開挖范圍外的兩側各2 m,上部3 m的范圍。b.斷面縱向每次加固長度12 m。c.采用垂直、水平和斜向成孔、注漿加固。

3)注漿孔的布置。根據隧道結構及地質狀況,注漿孔于開挖斷面上呈正方形布置,間距0.7 m。

4 施工部署及工藝流程

4.1 施工部署

1)加固區長度每段12 m,開挖時預留3.0 m,以防下一次注漿時漿液外溢。2)水平加固區采用由中心部→外圍或外圍→中心部,并采用隔孔注漿施工。3)如現場地面施工條件具備,為縮短工期,采用地面垂直注漿方案。

4.2 工藝流程

1)鉆孔:根據設計要求,對準孔位,根據不同入射角度鉆進,要求孔位偏差不大于2 cm,入射角度偏差不大于1°;2)注入漿液:成孔后開始注漿,注漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa;3)拔出注漿管,封堵注漿孔:采用黏土或其他材料封堵注漿孔,防止漿液流失;4)沖洗注漿管:注漿完畢,應立即用清水沖洗注漿管,必須采取適當措施處理廢水,搞好清潔工作;5)轉入下一孔位施工。

5 施工操作要點

1)超前探水。巷道預注漿堵水與加固,第一步應打探水孔,重點是取好巖芯,判好層。探孔結束時,可以做簡易注漿,以便第2步做好注漿堵水加固工程的施工設計。2)鉆孔布置。a.布孔形式與孔數。宜根據注漿目的選擇是直孔還是放射孔。該礦施工的31400軌道下山巷道寬度2.8 m,高度 2.6 m,面積6.98 m2,注漿孔位沿巷道周邊布置,起拱線以上布置6個鉆孔,左右底角各布置1個孔,徑向向外輻射,孔底落眼在巷道荒徑以外1.5 m～2.0 m。b.鉆孔結構。開孔采用D127 mm無芯鉆進,鉆進中及時加導向巖芯管,鉆至10 m深度,下入D108×4.5 mm孔口管,此后采用D75 mm鉆頭鉆至終孔。3)注漿段長的選擇。由于井下不宜用止漿塞分段注漿,為保證鉆注質量,要根據圍巖性質、構造和裂隙發育、斷層帶破碎程度,一般注漿段長選擇3 m～4 m。4)鉆注順序。首先鉆注孔口管段,孔口管按設計埋設完畢后養護24 h～48 h,按常規做壓力試驗,試壓合格后方可向前鉆注。巖帽段一般控制在3 m～5 m,采用小段高,定壓、定量分次下行式注漿法直到巖帽設計深度,然后巖帽全段復注。待巖帽段全部孔達到注漿要求后,方可轉入正常注漿段的鉆注工作。注漿段要根據地質、水文地質等條件嚴格劃分段高,分段前進式施工。5)注漿參數的選擇。a.注漿壓力,是推動漿液克服各種流動阻力,使漿液擴散,充填密實的動力,是注漿的重要參數。在基巖裂隙中,宜采用2倍～2.5倍靜水壓力,在軟巖和破碎帶中,初期宜采用1.5倍～1.6倍,中期采用2.0倍～2.5倍,后期為3.0倍～3.5倍的靜水壓力。b.注漿流量。在基巖裂隙中流量以50 L/min～60 L/min為宜,在軟巖和斷層帶中,以不小于20 L/min,穩定時間不小于15 min較合適。c.注入量。施工中漿液注入量可按下式計算:Q=AπR2HNB/M,其中,A為漿液消耗系數,一般取1.3～1.5;R為以中腰線交點為中心的漿液有效擴散半徑,m;H為注漿段高,m;N為平均裂隙率,一般取0.01～0.05;B為漿液充填系數,一般取 0.9～0.95;M為漿液結石率,取0.85。研究表明:注入量還和注漿壓力有密切關系。不同條件下,要有合理的注漿壓力來保證漿液注入量。另外,注入量也可以注漿孔涌水量大小和沖洗液漏失量大小來定。d.漿液濃度。相同條件下,漿液越濃,粘度越大,擴散距離越小,當然,漿液的結石率也隨濃度而增加。漿液濃度的選擇與調整直接關系到注漿的進度和工程質量。基巖裂隙水一般應以濃漿為主,當連續注漿0.5 h不見升壓或吸漿量不下降時,要提高漿液濃度,當水灰比小于1.0時,每個濃度級連續注入40 min～50 min后再提高漿液濃度。

6 注漿效果

巷道掘進至F13斷層破碎帶2 m時,出水量2 m3/h～26 m3/h,穩定在15 m3/h左右。對斷層帶注漿堵水加固后,掘進時可觀測到斷層帶內裂隙被漿液充填得非常密實,實測斷層帶內涌水量為0.2 m3/h～0.3 m3/h,砂巖段0.3 m3/h～4 m3/h,達到了設計要求,巷道施工順利通過了F13和F15斷層。

7 結論與建議

1)軟巖、斷層破碎帶塌孔的處理方法。a.先用小1級～2級的孔徑打到設計深度,用稀漿進行一次高壓固結注漿,使其達到維護孔壁作用,然后擴孔,順利通過塌孔層位。b.采用合理鉆進參數。遇到輕微塌孔時,調整鉆進參數:沖洗液流量小于40 L/min;主軸轉數小于160 r/min;主軸壓力小于70×105Pa。c.塌孔嚴重的鉆孔幾次反復無效時,也可改變注漿順序,先掃孔到塌孔位置,然后改注相鄰鉆孔也可達到目的。2)軟巖及斷層破碎帶增加注漿量的方法。a.減小段高:通過小段高壓預處理,結合漿液調級,可以達到預期效果。b.預處理法:就是在注前向孔內注經稀釋的水玻璃溶液。由于水玻璃溶液對裂隙面有極大的潤滑作用,能提高巖層對漿液的吸收能力,增加漿液注入量。c.巷道過斷層首先要打探水鉆,并至少有一孔全取芯。該步驟必不可少,為下一步注漿加固工程的施工組織設計提供有力保證。