隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段注漿施工技術(shù)

張建庭,裴劍,高永亮

(山西省水利建筑工程局有限公司，山西 太原 030000)

1 工程背景

某隧洞工程8#支洞上游工作面即7#支洞控制主洞繞線段(樁號(hào)G1+127)處于中條山東側(cè)山前大斷裂帶內(nèi)，斷裂帶內(nèi)巖石破碎嚴(yán)重，根據(jù)對(duì)本隧洞所進(jìn)行的地表踏勘和洞內(nèi)超前勘探，樁號(hào)G1+127～G1+091段為典型的巖層裂隙發(fā)育地段，具備相對(duì)的富水性，在隧洞掘進(jìn)施工的過程中可能會(huì)發(fā)生較大規(guī)模的頂板滲水，水流持續(xù)沖刷紅泥、破碎巖石等會(huì)導(dǎo)致隧洞發(fā)生垮塌。經(jīng)參建各方多次討論協(xié)商并結(jié)合專家會(huì)意見，最終建議應(yīng)先對(duì)已開挖洞段進(jìn)行注漿加固處理，在掌子面后方安全得到保證的基礎(chǔ)上，采用全斷面或周邊帷幕注漿+大管棚+小導(dǎo)管+臺(tái)階法通過掌子面中不具自穩(wěn)狀態(tài)的斷層破碎帶。為保證順利通過該隧洞富水洞段，樁號(hào)G1+127～G1+091極破碎帶洞段擬采用全斷面深孔超前帷幕注漿+大管棚+臺(tái)階法+小導(dǎo)管及化灌材料注漿回填等相結(jié)合的施工方案，通過斷層破碎帶。

2 超前帷幕注漿施工

為保證施工質(zhì)量，樁號(hào)G1+127～G1+091極破碎帶洞段帷幕灌漿分為兩個(gè)循環(huán)進(jìn)行，每個(gè)循環(huán)注漿25 m。

2.1 制作止?jié){墻

在進(jìn)行超前帷幕灌漿施工前必須進(jìn)行止?jié){墻施作，待完成止?jié){墻基礎(chǔ)開挖后徹底清理基底雜物，并采用長度0.50 m的φ22螺紋鋼按0.60 m的間距和1.00 m的排距打設(shè)2排連接筋。止?jié){墻立模澆筑使用強(qiáng)度等級(jí)C20混凝土，澆筑厚度2.00 m，且應(yīng)保證止?jié){墻開挖輪廓線和周邊接觸部位的密實(shí)性，避免灌漿過程中發(fā)生漏漿。

2.2 修建鉆機(jī)操作平臺(tái)

鉆機(jī)操作平臺(tái)采用返渣回填，并在平臺(tái)頂面與拱頂之間預(yù)留出長10 m、寬4.50 m的鉆機(jī)可移動(dòng)空間，在臨近止?jié){墻的平臺(tái)兩側(cè)預(yù)留出0.50 m的空間發(fā)揮排水溝的作用，待修建好鉆機(jī)操作平臺(tái)后還應(yīng)增設(shè)至少3.5 m寬、最大為25°的鉆機(jī)爬坡坡道。

2.3 鉆孔施工

本隧洞極破碎富水洞段超前帷幕灌漿注漿孔設(shè)計(jì)孔徑Φ130 mm，在注漿前還應(yīng)預(yù)埋長度2.50 m的Φ108 mm孔口管，以后全部采用孔徑Φ90 mm的注漿管。為保證注漿施工質(zhì)量，應(yīng)加強(qiáng)孔位的準(zhǔn)確定位，偏差值不得超出±5 cm，并在鉆進(jìn)的過程中按照設(shè)計(jì)節(jié)段進(jìn)行偏角檢測與糾偏。按照由外向內(nèi)的次序間隔鉆孔施工，并對(duì)鉆進(jìn)過程中所出現(xiàn)的堵鉆、掉塊、鉆速不穩(wěn)、坍塌等情況如實(shí)記錄。

本隧洞極破碎富水洞段鉆進(jìn)施工采用MC8鉆機(jī)，按照設(shè)計(jì)孔位及試驗(yàn)段所確定的鉆進(jìn)參數(shù)測放孔位后標(biāo)定，調(diào)整鉆桿并移動(dòng)鉆機(jī)，使鉆頭與標(biāo)定孔位對(duì)準(zhǔn)。采用Φ130 mm鉆頭進(jìn)行長度2.20 m的預(yù)埋孔口管段鉆進(jìn)，完畢后將壁厚6.00 mm的Φ108 mm鋼管裝入鉆孔內(nèi)，并將工程用錨固劑灌入鋼管外凝固24 h，以充分固定鋼管。按照設(shè)計(jì)要求及從外圈向里圈的次序鉆孔，以保證能從后序孔進(jìn)行前序孔注漿效果的檢查。這種逐步加密的注漿方式既能結(jié)合地質(zhì)條件的變化隨時(shí)調(diào)整注漿施工參數(shù)，又能在注漿效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)及時(shí)進(jìn)入下個(gè)圈孔的鉆進(jìn)施工，保證施工進(jìn)度。鉆孔過程中必須加強(qiáng)對(duì)鉆孔耗時(shí)、進(jìn)尺、孔號(hào)、圍巖條件、涌水量等的記錄。

2.4 注漿施工

在注漿前采用壓力驟變的給水方式徹底沖洗鉆孔中殘留的巖粉以及粘土等雜物，并待出水管中的水體肉眼目測潔凈后再繼續(xù)沖水10 min，總的沖洗時(shí)間至少為30 min。考慮到本隧洞掘進(jìn)段實(shí)際地質(zhì)條件及裂隙和斷層情況，應(yīng)采用普通水泥、硫鋁酸鹽水泥或超細(xì)水泥等注漿材料并通過超前預(yù)注漿及后徑向注漿等的措施進(jìn)行堵水處理。

注漿漿液使用水灰比0.80∶1～1∶1的純水泥漿，其中水泥材料選用細(xì)度模數(shù)為通過80 μm方孔篩篩余量最大5%并有出廠合格證明、分析報(bào)告單且檢驗(yàn)合格的PO42.5普通硅酸鹽水泥。制漿過程中主要采用攪拌桶，還應(yīng)配備2臺(tái)容量1 m3的攪拌儲(chǔ)漿桶，通過支架將立式電動(dòng)機(jī)倒置在儲(chǔ)漿桶上進(jìn)行攪拌。待水泥漿液制備完成后通過篩孔尺寸1 mm×1 mm的濾網(wǎng)過濾，并將過濾后的漿液置入立式攪拌機(jī)繼續(xù)按要求攪拌。

按照從外到內(nèi)、從上到下、跳孔灌注的原則進(jìn)行漿液灌注施工，并應(yīng)加強(qiáng)斷層內(nèi)軟弱圍巖段漿液的改良和擠密處理。本隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段注漿施工工藝流程具體見圖1。

圖1 超前注漿施工工藝流程圖

結(jié)合本隧洞地勘結(jié)果，所采用的超前注漿施工方案旨在加固全段面地層，而全斷面徑向注漿施工范圍其實(shí)就是工作面和開挖輪廓線以外1.50 m的范圍。為保證注漿施工加固效果，應(yīng)在注漿前，選擇與本隧洞地質(zhì)條件類似的巖層展開注漿試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)獲取縱向加固段設(shè)計(jì)長度、橫向加固設(shè)計(jì)范圍、終孔間距、漿液擴(kuò)散半徑、注漿終壓設(shè)計(jì)壓力等參數(shù)取值。本隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段注漿施工所涉及的參數(shù)及取值情況詳見表1。

表1 第1循環(huán)注漿設(shè)計(jì)參數(shù)表

在注漿施工的過程中，在注漿孔涌水量在30 L/min以內(nèi)時(shí)，應(yīng)使用純水泥漿；若涌水量超出30 L/min，但不足200 L/min時(shí)，應(yīng)使用膠凝時(shí)間4-6 min的水泥漿液；若涌水量超出200 L/min時(shí)，使用膠凝時(shí)間3-4 min的水泥漿液。在注漿過程中，如果注漿壓力按設(shè)計(jì)速度升高并達(dá)到設(shè)計(jì)終壓水平后還應(yīng)繼續(xù)注漿10-15 min，在進(jìn)漿量至少為設(shè)計(jì)注漿量80%、進(jìn)漿速度至少為初始速度的25%時(shí)結(jié)束注漿。

注漿完畢，根據(jù)注漿過程中的P-Q-t曲線進(jìn)行注漿后隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段地層漿液填充率的反復(fù)計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行注漿實(shí)際效果的評(píng)價(jià)，所得出的極破碎富水洞段地層裂隙漿液填充率在90%及以上時(shí)即可開挖。注漿施工結(jié)束后還應(yīng)按設(shè)計(jì)要求在開挖輪廓線以內(nèi)的左右邊墻、拱部、底部等位置設(shè)置檢查孔，以進(jìn)行塌孔情況及涌泥情況等的檢測，檢測結(jié)果顯示的實(shí)際涌水量達(dá)到0.20 L/m·min及以下時(shí)便可進(jìn)入下一循環(huán)。

2.5 特殊情況下的注漿控制

注漿過程中如遇突發(fā)性的注漿中斷，應(yīng)采取應(yīng)急措施控制中斷時(shí)間，并盡快恢復(fù)注漿，如果中斷時(shí)間超出30 min，則應(yīng)沖洗鉆孔并掃孔，全面檢查注漿設(shè)備后對(duì)中斷孔段復(fù)注漿液。注漿施工中如果發(fā)生串漿，則應(yīng)同時(shí)灌注正常孔和串漿孔，或是徹底封堵串漿孔，等結(jié)束注漿后打開串漿孔并沖洗和清掃，繼續(xù)完成剩余管段注漿。

如遇隧洞巖層大量漏漿，應(yīng)立即暫停注漿并盡快查明原因，如果大量漏漿發(fā)生在溶腔或裂隙發(fā)育位置，則應(yīng)改用后退式注漿方式盡快通過，并降低注漿壓力和注漿段標(biāo)高，增大漿液濃度，減小進(jìn)漿量，控制漿液用量，保證注漿質(zhì)量。

3 結(jié)論

通過對(duì)隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段注漿施工過程的分析表明，超前帷幕灌漿能夠有效加固極破碎地層并改善其透水特性，止水效果極佳，且超前帷幕灌漿施工過程中必須嚴(yán)格控制鉆孔內(nèi)出水、實(shí)際水壓及隧洞掘進(jìn)極破碎富水洞段地質(zhì)條件，并加強(qiáng)注漿材料的選擇，全面掌握鉆注機(jī)械設(shè)備性能，根據(jù)施工情況加強(qiáng)漿液配合比控制和施工參數(shù)的不斷優(yōu)化調(diào)整，以確保注漿效果。