粉細(xì)砂層富水巖溶處置方案研究

翁長(zhǎng)根 管 強(qiáng) 陳中華

(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司 重慶 400037)

1 引言

目前，工程中遇到溶洞處置措施有繞避、開挖回填、溶(土)洞注漿填充、樁基支護(hù)、樁基托換、巖面鋪蓋帷幕、灌漿堵塞溶洞及通道、限量抽水和設(shè)增壓排氣孔或者同時(shí)采用兩種或以上措施等[1]。李云芳[2]通過(guò)對(duì)溶腔進(jìn)行置換清淤以及回填護(hù)拱技術(shù)，保證了工程施工安全和施工質(zhì)量；唐文勝[3]開發(fā)了相應(yīng)的新型鉆井和排水技術(shù)，采用疏干降壓主動(dòng)防治方法處置巖溶；張毅[4]以實(shí)際工程為背景，利用帷幕注漿施工技術(shù)，減少了地層失水現(xiàn)象，提升了建筑物與周邊管線的穩(wěn)定性。以上均是對(duì)巖溶處置措施的研究，但對(duì)于粉細(xì)砂層的巖溶處置措施研究相對(duì)較少。

王永福[5]將防滲帷幕處理技術(shù)應(yīng)用于四川武都水庫(kù)的KSI砂層，采用高壓噴射和復(fù)合灌漿技術(shù)處置并取得了良好效果；石峰[6]介紹了深層巖溶粉細(xì)砂層采用高壓旋噴新工法，并詳細(xì)闡述了防滲處理的工藝特點(diǎn)、工藝原理、施工方法、施工程序、技術(shù)參數(shù)及處理效果等；王玉生[7]介紹了對(duì)粉細(xì)砂層巖溶采取髙壓旋噴、濕磨細(xì)水泥灌漿以及化學(xué)灌漿三種方式結(jié)合的處置方案。以上研究對(duì)粉細(xì)砂層巖溶處置方法提供了依據(jù)，但并沒(méi)有考慮到對(duì)附近既有線路的影響。

本文依托圓梁山新建隧道，針對(duì)處置巖溶并最大限度降低對(duì)鄰近既有隧道的影響問(wèn)題，提出“溶洞高位泄水洞+溶洞超前帷幕注漿+大管棚支護(hù)”的施工方案，確定了凝結(jié)時(shí)間快、膠結(jié)強(qiáng)度高的漿液配合比，通過(guò)鉆芯取樣以及孔內(nèi)成像技術(shù)檢驗(yàn)了漿液與粉細(xì)砂層的凝結(jié)效果，可為川藏鐵路隧道溶洞的處置以及類似的工程施工提供參考。

2 工程概況

新建圓梁山隧道距離既有圓梁山隧道僅30 m，隧道中心里程YDK342+886，最大埋深約774 m，全長(zhǎng)11 172 m。周邊無(wú)大型居民建筑，新建引水支洞與新建線平行，新建隧道底板標(biāo)高低于既有線1.5 m。

2#溶洞位于 YDK340+286～YDK340+405，溶洞距離進(jìn)口3 060 m，處理長(zhǎng)度119 m，埋深579 m，如圖1所示。

圖1 隧道穿越毛壩向斜溶洞位置示意

2#溶洞最大出水量在2018年9月27日為31.8萬(wàn)m3，泄水洞洞口最大出水量在2018年9月21日為79.8萬(wàn)m3。泄水洞口及2#溶洞涌水現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。

圖2 泄水洞口涌水現(xiàn)場(chǎng)

3 施工方式選擇

隧道開挖后，對(duì)2#溶洞進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，經(jīng)兩次核實(shí)后，發(fā)現(xiàn)2#溶洞比最初勘探設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)育規(guī)模要大。因此，本工程提出了四種溶洞施工方案。

(1)注漿法

注漿法是通過(guò)人工施壓將具有膠結(jié)能力的漿液通過(guò)既定的管道灌注到巖土層空隙、裂隙或空洞中，將裂縫中的水分與空氣擠走，把松散破碎的巖土層膠結(jié)起來(lái)，改善巖土性能的一種施工方法。該法需要一定的作業(yè)空間和場(chǎng)地，對(duì)于本處受外圍高壓水壓迫甚至沖刷的情況，在短時(shí)間內(nèi)可避免形成大規(guī)模的突水、突泥，僅可作為暫時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

(2)管幕法

為達(dá)到擋土以及止水的效果，在路段的兩端設(shè)置工作井，并將鋼管打入其中，兩管之間用鎖口方式連接，并注入止水劑，使之成為一個(gè)連續(xù)的整體管幕并具有防水功能[8-10]。但該方法施工所需機(jī)械設(shè)備較龐大，洞內(nèi)場(chǎng)地狹窄，施工較為不便；鋼管頂進(jìn)的方向不易控制，管幕的水密性不能保證且適應(yīng)性差，必須結(jié)合全斷面注漿或其他改良地層的方法。

(3)疏干降壓法

采用疏干降壓法將溶洞內(nèi)的水盡數(shù)排出，降低溶腔內(nèi)水壓再進(jìn)行開挖施工，能將隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)及財(cái)產(chǎn)損失降到最低[11-12]。但該法排水費(fèi)用高、易引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，且泄水洞比正線低1.5 m，溶洞已經(jīng)穩(wěn)定，若低水位穿過(guò)，會(huì)造成溶洞充填物不平衡，對(duì)既有線造成影響。

(4)溶洞高位泄水洞、溶洞超前帷幕注漿與大管棚支護(hù)結(jié)合方案

經(jīng)過(guò)上述幾種方案對(duì)比，綜合考慮各施工方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出采用一種“溶洞高位泄水洞+溶洞超前帷幕注漿+大管棚支護(hù)”的綜合方案。首先對(duì)溶洞高位的巖溶水采用排水降壓法，利用既有線原有的泄水洞將一部分溶腔水排出，再對(duì)溶腔進(jìn)行超前帷幕注漿。

4 注漿材料試驗(yàn)分析

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)地質(zhì)勘探與鉆芯取樣，2#溶洞內(nèi)的充填物為黃紅色的粉細(xì)砂與溶蝕灰?guī)r及灰?guī)r碎塊石，犬牙交錯(cuò)，取1～3個(gè)孔，每孔充填物測(cè)試3組試樣。

在室內(nèi)對(duì)水泥單液漿水灰比為0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1五種情況下漿液的膠凝時(shí)間和1 d、3 d、7 d強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，以及雙液漿在水灰比為0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1四種情況下與水玻璃添加配比(體積比)1∶0.5、1∶0.7、1∶0.8 漿液的膠凝時(shí)間和7 d強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。首先對(duì)普通硅酸鹽水泥凈漿進(jìn)行試驗(yàn)，如表1所示。

表1 普通硅酸鹽水泥凈漿基本性能試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度20℃)

由表1可以看出，水灰比越大，凝膠時(shí)間越長(zhǎng)，漿液收縮率也越大，漿液抗壓強(qiáng)度降低。因此，在注漿施工中，建議漿液的水灰比不宜大于0.8∶1。普通水泥凈漿摻入一定量水玻璃能改善其功能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

根據(jù)表2可知，水泥漿與水玻璃的體積比在1∶0.5～1∶0.8范圍內(nèi)時(shí)，水玻璃摻量越少，凝膠時(shí)間越短。另采用超細(xì)水泥與普通硅酸鹽水泥進(jìn)行對(duì)比，觀察其強(qiáng)度差異。超細(xì)水泥試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表2_普通硅酸鹽水泥雙液漿基本性能試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度20℃)

表3 超細(xì)水泥凈漿基本性能試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度20℃)

與普通水泥相比，超細(xì)水泥的穩(wěn)定性能更好，流動(dòng)性比普通水泥有顯著改善，顆粒粒徑小。另外對(duì)超細(xì)水泥添加不同比例的水玻璃，以改善其膠凝時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 超細(xì)水泥雙液漿基本性能試驗(yàn)(試驗(yàn)溫度20℃)

由于現(xiàn)場(chǎng)溶腔內(nèi)含水量大、水壓大，注漿材料注入巖體后必須快速與后方砂巖膠結(jié)在一起，通過(guò)對(duì)材料的滲透性、膠凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、黏度和結(jié)石率、7 d強(qiáng)度等因素進(jìn)行綜合考慮，最終采用水灰比為0.8∶1、水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.5的雙液漿作為注漿材料配合比。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)

帷幕注漿加固圈設(shè)置在隧道開挖線外5 m處，采用分段前進(jìn)式注漿，段長(zhǎng)3～5 m，漿液擴(kuò)散半徑2 m。注漿參數(shù)見(jiàn)表5，現(xiàn)場(chǎng)J4孔注漿記錄見(jiàn)表6，注漿現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3，注漿壓力-注漿量-時(shí)間曲線見(jiàn)圖4。

表5 注漿參數(shù)

表6 現(xiàn)場(chǎng)注漿記錄

圖3 現(xiàn)場(chǎng)注漿

圖4 注漿壓力-注漿量-時(shí)間曲線

5 注漿效果驗(yàn)證

(1)鉆探取芯

根據(jù)對(duì)芯樣觀察和試驗(yàn)結(jié)果分析，注漿后的充填物性質(zhì)明顯得到改良，含水量降低，成孔效果較好，呈短柱狀，節(jié)長(zhǎng)5～20 cm。檢查孔布置見(jiàn)圖5。

圖5 檢查孔布置

(2)孔內(nèi)成像技術(shù)

采用孔內(nèi)成像技術(shù)比取芯更能直觀判別巖性、巖層的破碎性及完整性，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，實(shí)現(xiàn)安全、可控、經(jīng)濟(jì)。

通過(guò)鉆芯取樣以及孔內(nèi)成像技術(shù)的應(yīng)用，隧道頂部含水率明顯較低，取出的芯樣基本呈松散狀，說(shuō)明注漿效果明顯，可見(jiàn)新圓梁山隧道YDK340+405～YDK340+380段帷幕注漿已達(dá)到固結(jié)溶洞充填物的目的。

6 結(jié)論

本文依托新圓梁山隧道穿越粉細(xì)砂層巖溶，溶腔內(nèi)含有大量水且水壓較高，施工難度大，且國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有類似工程可借鑒。

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)補(bǔ)勘后，發(fā)現(xiàn)掌子面前方溶洞比預(yù)期設(shè)計(jì)時(shí)要大，經(jīng)研究分析，制定了“溶洞高位泄水洞+溶洞超前帷幕注漿+大管棚支護(hù)”綜合施工方案。

(2)對(duì)普通硅酸鹽水泥以及超細(xì)水泥分別進(jìn)行了水灰比為 0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1水泥凈漿試驗(yàn)，并分別在每一種情況下添加1∶0.5、1∶0.7、1∶0.8不同比例的水玻璃進(jìn)行雙漿室內(nèi)試驗(yàn)，最終選定水灰比為0.8∶1、水泥漿與水玻璃體積比為1∶0.5的雙液漿為施工注漿配合比。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)注漿后，對(duì)巖石采取鉆芯取樣，驗(yàn)證注漿效果達(dá)到預(yù)期要求；采用先進(jìn)孔內(nèi)成像技術(shù)，對(duì)孔內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)拍照及錄像，更直觀準(zhǔn)確地反映出孔內(nèi)情況，且相較于鉆芯取樣更方便、安全、可靠。