圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术

圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术第2,卷第1O期2005年月岩石力学与工程ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,0l_24No.10May,2005圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术刘招伟,张顶立,张民庆f1.北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心,北京1ooO44;2.中铁隧道集团有限公司科学技术研究所,河南洛阳471009)摘要:渝怀铁路圆梁山隧道毛坝向斜段高水压富水区的地质条件极其复杂,曾经被认为是隧道修建的禁区.系统介绍了该地段的岩溶发育特征,对地质及岩溶构造进行了分类;采用红外线超前地质预测预报,TSP超前地质预测预报,超前探水孔钻探和地质素描综合判断等先进方法对溶洞的位置,形态以及充填物的状况进行了探测,并作出可靠的预报.在对充填物结构和强度分析的基础上,选择和确定了合理的注浆材料和注浆工艺:分别实施了超前预注浆,隧道围岩径向注浆和衬砌背后补充注浆,并提出了注浆效果的检测和评价方法,以保证注浆加固效果的可靠性.上述措施实施后,取得了非常满意的效果,保证了复杂地质条件下隧道施工的安全.该成果对岩溶地区的隧道修建具有重要的指导作用和参考价值.关键词:隧道工程;圆梁山隧道;溶洞:地质预报:注浆:管棚中图分类号:U455.49文献标识码:A文章编号:10006915(2005)10172807GRoUTINGTECHNIQUEFoRHIGH-PRESSUREANDWALTER-RICHAREAINMAoBASYNCLINEATYUANLIANGSHANTUNNELLIUZhaowei,ZHANGDingli,ZHANGMinqing2(1ResearchCenterofTunnelingandUndergroundEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.InstituteofScienceandTechnology,ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,China1Abstract:Thegeologicconditionofthehighpressureandwater-richareainMaobasynclineatYuanliangshantunnelofChongqing-HuaihuaRailwayiscomplexandregardedasaforbittenareaoftunnelconstruction.Thekarstdevelopmentcharacteristicsofthisareaissystematicallyintroduced:andthegeologicandkarststructureisclassified.Thedistributionandshapeofkarstcavesandthefillinginthemareinvestigatedbytheadvancedinvestigationmeans,andreliableforecastismadeaccordingly.Basedonanalysisofstructureandintensityofthefilling,thereasonablegroutingmaterialsandgroutingtechnologyaredet.ermined.Pregrouting,radialgroutinginsurroundingrockandreinforcinggroutingbehindliningareimplementedrespectivelyaccordingtothegeologiccondition-andinspectingmethodandestimatingmethodofgroutingeffectarealsobroughtforwardtoensurethegroutingreliability.Satisfyingresultsareachieved;andsafetyoftunnelconstructionisensuredthroughadoptingthesemeasures.Theresultscanprovidereferencestotunnelconstructioninkarstregion.Keywords:tunnelingengineering;Yuanliangshantunnel;karstcave;geologyforecasting;grouting;pipeshed1引言圆梁山隧道是新建铁路重庆一怀化线最长的隧道,全长11068m,为全线十大控制工程之首.隧道穿越的毛坝向斜构造区为高水压富水地段,是圆梁山隧道施工中岩溶水防治的重点地段.毛坝向斜高水压区为DK353+200355+400,总长2200m.毛坝向斜高水压富水区易发生大范围的坍塌和涌水涌砂,若大量排水还将引起岩溶地下水水收藕日期:20040212;修回日期:20040415基金项目:铁道部科技计划项目(2001G0093)作者简介:刘招伟(1962一),男,1984年毕业于西南交通大学土木工程系隧道与地下铁道专业,现为中铁隧道集团有限公司科学技术研究所所长,教授级高级工程师,北京交通大学在站博士后,主要从事隧道及地下工程方面的研究工作.Email:liuzhaoweitom.tom.第24卷第10期刘招伟等.圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注蓬堕垫:!:位大幅度下降,增加居民生产,生活用水的困难;同时还可能造成大面积岩溶塌陷或地面开裂.为避免隧道修建对环境造成过大危害,拟按以堵为主,限量排放的原则实施各项工程措施.毛坝向斜高水压富水区衬砌结构体系由围岩注浆固结圈,初期支护,排水系统和抗水压衬砌结构4个部分组成.其中:围岩注浆固结圈起控制排水量,加强岩体结构性能,承受水压及保护洞室稳定等作用;排水系统是尽量排除通过围岩注浆固结圈的渗透水;抗水压衬砌结构承受因排水系统不畅而产生的水压力.隧道围岩注浆包括超前预注浆,径向注浆和补充注浆3个部分,并且在不同的地质段各有侧重.在圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区施工时,为保证围岩注浆固结圈的可靠性,在现场超前地质预测预报的基础上,依据揭示的地质结构按施工原则进行注浆施工.现场注浆施工主要分为3种形式.(1)非溶洞区富水地层,其地质构造主要表现为破碎的灰岩,地层中有大量的地下水构造,开挖后可能会造成大量地下水涌出,从而形成危害.(2)非溶洞区含裂隙水地层,其地质构造主要表现为较完整的灰岩结构,地层中含有裂隙水,开挖完成后可能使地下水构造体系发生变化,对于毛坝向斜这样极其复杂的地质构造宜采取开挖后径向注浆的加强措施,限流排放标准为5m/(m?d).(3)溶洞区段,毛坝向斜揭示出了5个溶洞体构造.即DK354+230+290溶洞体,PDK354+255+280溶洞体,PDK354+435+470溶洞体,DK354+460+490溶洞体和DK354+879溶洞体,所揭示的溶洞体位置分布纵剖面和平面图分别如图1,2所示.图1圆梁山隧道毛坝向斜核部溶洞体位置分布纵剖面图Fig.1LongitudinalsectionofdistributionofkarstcaveincoreofMaobasynclineofYuanliangshantunnel量高压富水区善西翼东冀奏幸荤荤荤荤oo荤奏荤荤j了事荤荤搴图2圆梁山隧道毛坝向斜核部溶洞体位置平面分布图Fig.2HorizontalsectionofdistributionofkarstcaveincoreofMaobasynclineofYuanliangshantunnel?1730?岩石力学与工程2005住毛坝向斜区所揭示的溶洞体构造基本上可分成3种类型,即淤泥质溶洞体,粉细砂层溶洞体和硬塑状粘性土溶洞体.这3种类型的溶洞体地质条件差异较大,且由于隧道全断面穿越溶洞体构造,因而应采取不同的注浆加固施工工艺,以取得最佳的注浆加固效果j.2非溶洞区富水地层超前注浆在平导PDK353+580断面的超前钻孔探水结果表明,涌水量基本保持平衡,在超前探水孔施工结束后前期开挖过程中涌水量有减少趋势,但不十分明显.这说明涌水补给源较强,短时间内排完的可能性不大,但涌水有逐渐变清趋势.根据地质资料及现场情况可以推断,该透水层可能是断层破碎带,但由于无法判断断面的涌水范围,因而,不能排除开挖后发生大涌水的可能性.现场决定对涌水状况继续观察测试,平导施工至PDK353+590时,停止开挖待方案确定后,进行下一步工作.平导开挖至PDK353+590,由于涌水量有增大趋势,且施工中出现了原残余炮眼孔冒水现象,随后停止开挖施工.经讨论论证,决定实施全断面超前预注浆堵水.注浆加固范围为开挖轮廓线外3m,注浆材料选用普通水泥一水玻璃双液浆,注浆参数及浆液配比根据现场具体情况确定.由于涌水范围尚未确定,因此注浆设计中将注浆孔设计为一孔两用(注浆孔并探水孔),达到探水,堵水的目的,并继续对涌水量及水压力进行测试.注浆设计如图3所不.图3注浆孔终孔交圈图Fig.3Joincircleoffinalgroutingholes按注浆设计图进行注浆施工,注浆完成后进行了开挖.开挖后,实测该溶洞段涌水量为15rn/h.注浆加固效果较好.其他非溶洞区富水地段也采取了超前堵水注浆施工,注浆施工均取得了较好的效果.3非溶洞区含裂隙水地段径向注浆在平导及正洞一般富水地段,开挖后采取如图4,5所示的径向注浆加固方案进行注浆施工,在平导的径向注浆范围是隧道轮廓线外3in,正洞的注浆范围则为5rn.实施径向注浆后也取得了较好的注浆加固效果.图4平导径向注浆加固设计图Fig.4Radialgroutingholesofparallelleadingtunnel327cm【?-_一I主!旦l图5正洞径向注浆加固设计图Fig.5Radialgroutingholesofmaintunnel4平导PDK354+255-+280溶洞段施工4.1地质预测预报在圆梁山隧道施工中采取4种地质超前预测预r-.-.-,.,.,.,.i一巨u00Eunn0一.gu00一第24卷第10期刘招伟等.圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术?1731报手段,即红外线超前地质预测预报,TSP超前地质预测预报,超前探水孔钻探和地质素描综合判断3-5.根据已开挖的地质状况,结合红外线超前探水预测预报,TSP超前地质预测预报及超前探水孔钻探等技术手段,参照设计部门提供的地质资料,并结合大管棚施工,注浆钻孔施工等状况,经综合分析得出:在圆梁山隧道进口端平导里程为PDK354+255+280地段范围内发育一贯通性强,近EW向,宽l215m的大型溶洞,内含大量淤泥,砾石,富水.地层岩性为泥岩和灰岩的接触带,岩体破碎,裂隙发育,自稳能力较差.根据地层岩性判断,该段地层可能处于吴家坪组地层向长兴组地层过渡的地段.该溶洞在平导横断面及平面的分布如图6,7所示(图6中188为管棚编号).图6溶洞横断面分布图Fig.6Longitudinalsectionofkarstcave图7溶洞平面分布图Fig.7Horizontalsectionofkarstcave4.2现场钻孔注浆施工在探测到溶洞存在后,对于该处大型溶洞及溶洞内填充淤泥质粘土,在具体溶洞范围较难确定的情况下,防止施工过程中发生涌泥应是安全穿越该溶洞的首要问题;其次在穿越过程中强支护手段应是确保安全施工的重要因素.因而针对该大型溶洞,从施工实际出发,宜按超前长管棚支护,小导管注浆加强方案进行施作,以达到安全稳妥,防止突泥的目的.鉴于此,决定采取全断面超前预注浆方案,同时扩大注浆加固范围,以达到固泥堵水,安全施工的目的【oJ.(1)后部加固对已开挖的PDK354+240+255段采取型钢+喷射混凝土进行初期支护,对已开挖的PDK354+245+255泥岩段进行小导管径向注浆加固,加固范围为开挖轮廓线外3m,以达到稳固后方的目的.(2)大管棚施工通过管棚进行注浆加固,一则增加管棚支护刚度,二则通过管棚注浆,加固管棚周围淤泥质粘土,形成连续密闭管棚喇叭桶形支护结构,避免或减少施工期间淤泥和岩溶水通过管棚间隙涌入开挖空间形成危害.大管棚安设及注浆施工共注入双液浆4228.8m.(3)全断面超前预注浆为确保溶洞区的安全施工,进行全断面超前预注浆施工,加固开挖面及开挖轮廓线外58m.首先施工止浆墙,采用水囊式止浆塞进行注浆施工.注浆工艺采取前进式分段注浆,注浆分段长度5m,即钻孔5m,注浆5m,以此循环下去,直到完成整个注浆段.钻孔深度以钻入岩层3m为原则.注浆结束标准以定压为主,注浆终压为水压23MPa,当注浆过程中长时间压力不上升时,应缩短浆液的凝胶时间,并采取间歇注浆措施,同时控制注浆量.(4)小导管超前支护超前预注浆完成后,在进行开挖施工前,应对注浆不足部位或注浆盲区进行小导管补充注浆.注浆结束标准采用定压定量相结合原则,注浆终压为23MPa,单孔注浆量为O.2O.3m.注浆施工过程中应加强监控量测,以防注浆压力过大造成结构变形.?1732?岩石力学与工程2005芷4.3隧道开挖经过注浆并对其效果进行可靠的评价后,决定进行隧道开挖.在试开挖过程中,开挖取样试验及现场观察表明注浆效果极佳,因而采用微弱爆破全断面开挖,在开挖过程中围岩稳定J.在开挖过程中,将开挖揭露的地层和预测预报状况进行对比分析,基本上符合的,因而可以说该段地质的超前预报对该溶洞的正确处理起到了保证作用.4.4注浆效果检查评定注浆效果检查评定是确定开挖施工方案的依据.注浆效果检查评定主要有分析法,钻检查孔法和开挖后取样测试3种方法.(1)注浆施工前后涌水量对比分析注浆前探测过程中涌水量为5070m3/h,在注浆施工过程中也出现了涌水量超过10000m/d的情况,经注浆后,该溶洞段涌水量只有1015111/h,注浆堵水效果是很明显的,堵水率是比较高的.(2)钻检查孔法根据注浆状况,选择注浆范围内可能存在薄弱环节的注浆部位布设检查孔.检查孔垂直于开挖工作面钻设,终孔深度稍短于注浆加固段长度.绘制检查孔注浆P.t,a.t曲线,如图8所示.口吕图8检查孔注浆Pt,at曲线Fig.8P一|andQ一|curvesofgronfingcheckingbole由检查孔注浆Pt,at曲线来看,在注浆施工前期,注浆初压为2MPa,此时注浆速度为15L/min,随着注浆施工的进行,注浆压力和注浆速度基本保持不变,这主要是起到了补充注浆作用,并进一步劈裂强化注浆效果.维持一段时间后,注浆压力突然上升,超过设计注浆终压3MPa,同时注浆速度急剧下降,当注浆压力达到4MPa时,地层基本注不进浆,而此时注浆量远小于设计注浆量,可见检查孔区域已饱和密实,达到了注浆设计要求,满足注浆设计的填充,挤压,劈裂再挤压的堵水固泥的目的.(3)开挖取样分析评定在开挖过程中,观察浆液对地层的加固状况,如图9所示.浆液加固溶洞地层,主要表现为2种方式,即填充挤压方式和剪切劈裂方式.填充挤压方式主要是当粘土孔隙(洞)较大时,浆液直接填充空隙(洞),以达到固结目的,该加固方式主要发生在破碎围岩和粘土的交界面,以及由于涌泥造成的部分空隙率较大的部位.剪切劈裂方式主要是针对未扰动的粘土地层,浆液在较高压力条件下形成劈裂脉,以脉状扩散方式形成网状加固结构,以达到固泥堵水的目的.浆液填充粘土(a)填充挤压方式浆液劈裂粘土(b)剪切劈裂方式图9浆液加固方式图Fig.9Reinforcingmodesofslurry物理力学指标测试结果表明,浆液的固结强度达到0.2MPa左右,这是固结体内压密粘土的抗压强度反映.注浆前地层为软塑状粘土,不能自稳,第24卷第10期刘招伟等.圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水区注浆施工技术?1733注浆后地层抗压强度得到了改善,达到了固泥目的l.注浆前地层含水量为120.3%,地层空隙率为82.8%,注浆后地层含水量降低到15.7%29.1%,地层空隙率降低到18.3%44.2%.注浆后地层的含水量和空隙率均较注浆前有较大幅度降低,这主要是浆液通过填充,挤压,劈裂作用,挤走地层中的一部分游离水份,取而代之,使地层的结构产生了变化,达到了固泥堵水目的Il.溶洞区经注浆加固后,在大管棚和超前小导管及浆液固结体的共同作用下,采取了全断面开挖,开挖后测试围岩变形情况,围岩极其稳定,其水平收敛和拱顶下沉仅为35nlill,可见注浆效果是很好的,这对安全施工及施工后的工程质量有较好的保证作用.5正洞下导DK354+.460-+490深埋填充粉细砂层溶洞段施工5.1地质预测预报超前探孔表明圆梁山正洞下导前方DK354+460+490段为一溶洞区,溶腔内充填大量的水和含粉质的粉细砂.该段地处毛坝向斜核部,地质资料显示向斜西翼核部P【l】及P【2】.层因F02层间断裂和层间滑动等影响,深部局部地段溶绌一构造裂隙相当发育,结合核部附近地质钻孔抽水试验资料.岩溶从上向下呈增强趋势.由于毛坝向斜段存在两层高压承压水,因而推断在向斜核部DK354+400+500存在高压富水区域.根据物探资料,其岩溶和岩溶水相对发育,结合下部隔水层分析,推断该段是向斜东翼最大的蓄水构造.5.2现场钻孔注浆施工结合前方溶洞地质状况,根据超前探孔过程中所暴露出的成孔困难这一特点,从经济性,时效性角度考虑,结合该工程具体实际情况,针对前方出现的溶洞,经过参建参研各单位的共同讨论分析,形成以堵为主的施工原则,制定了固砂堵水,稳定地层的总体施工方案.根据溶洞区工程及水文地质复杂,施工难度大,选用长短结合复式注浆施工方案.如图l0所示,图中I为全断面深孔注浆的区域,II为TSS管注浆而深孔注浆未达到的区域.(1)首先选择采用普通水泥一水玻璃浆液作为注浆材料,采用MKD一5S地质钻机作为钻孔机械,采取后退式分段注浆工艺,实施全断面超前预注浆.(2)针对深埋填充砂层选择采用超细水泥一水玻璃作为注浆材料,采用风钻钻进成孔,采用TSS管,采取后退式分段注浆工艺.实施全断面TSS管超前补充注浆.6结语圆梁山隧道毛坝向斜段高压富水,其岩溶条件极为复杂,施工难度之大为国内外罕见,经过设计,施工以及科研单位的共同努力,目前已顺利贯通.采用各种先进技术手段对溶洞的位置,形态以及充填物状况进行了可靠的预报,经过反复试验,选择了合理的注浆材料并确定了相应的注浆工艺,分别进行了超前预注浆,径向注浆和衬砌背后补充注一下导坑图l0长短结合复式注浆施工方案图Fig.10Implementationofmultiplegrouting?1734?岩石力学与工程2005住浆,实现了对围岩,包括充填物的加固和阻水.不仅保证了施工安全,而且也为日后隧道的运营消除了隐患.参考文献(References):李治国.隧道岩溶处理技术J1l铁道工程,2002,(4):6167.(LiZhiguo.TechnologyoftreatmentforkarstencounteredintunnelconstructionJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,2002,(4):6167.(inChinese)1张顶立,李治国,张民庆.圆梁山隧道高压富水区帷幕注浆及止浆技术J1.中国铁道科学,2004,25(3):2731.(ZhangDingli,LiZhiguo,ZhangMinqing.Curtaingroutingandchokingslurrytechnologyforhigh-pressureandwater-fullareainYuanliangshantunnelJ.ChinaRailwayScience,2004,25(3):2731.(inChinese)CooleyT.EngineeringapproachestoconditionscreatedbyacombinationofkarstandfaultingatahospitalinBirmingham,AlabamaJ.EngineeringGeology,2002,65(2):197204.GabrovsekF?DreybrodtWAmodeloftheearlyevolutionofkarstaquifersinlimestoneinthedimensionsoflengthanddepthJ.JournalofHydrology,2001,240(3/4):206224.CooperAH,SaundersJM.RoadandbridgeconstructionacrossgypsumkarstinEnglandJ.EngineeringGeology,2002,65(1):2l7223.6】VeniGAgeomorphologicalstrategyforconductingenvironmentalimpactassessmentsinkarstareasJ.Geomorphology,1999,31r1/2/3/4):151180.【7SterbaH,BlabA,KatzensteinerK.AdaptinganindividualtreegrowthmodelforNorwayspruceinpureandmixedspeciesstandsJ.ForestEcologyandManagement,2002,159(1/2):101110.8】周书明,陈建军.软流塑淤泥质地层地铁区间隧道劈裂注浆加固J】岩土工程,2002,24(2):222224.(ZhouShuming,ChenJianjan.HydrofracturegroutinginsoftflowingmuckygroundforametrotunnelJ.ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2002,24(2):222224.(inChinese)9】朱晟,顾淦臣,白永年.劈裂注浆改善土坝坝体应力状态研究J1.河海大学(自然科学版),1997,(25):814.(ZhuSheng,GuGanchen,BaiYongnian.ImprovementofstressinearthdambyspfittinggroutingJ.JournalofHohaiUniversity(NaturalSciences),1997,(25):814.(inChinese)1O】葛中华.土体裂缝注浆防渗的临界水力梯度及其防渗机理J1.南京大学(自然科学),1997,33(4):571578.(GeZhonghua.ThecriteriahydraulicgrandientandtheantiseepmechanismoftheinjectionintothesoilfractureJ.JournalofNanjingUniversity(NaturalSciences),1997,33(4):571578.(inChinese)岩石力学与工程2005年第3期被EI收录论文(28篇)(I)(下转第1745页)