圆梁山隧道全断面注浆技术上课讲义

圆梁山隧道全断面注浆技术简介： 圆梁山隧道是渝怀线上最长的铁路隧道，隧道 出口掘进至 PDK355+020 时遭遇岩溶涌水突泥，导致开挖 面被淹，严重 影响 了正常施工，通过地质钻探等综合预测 预报手段并结合涌出物 分析 ，决定采用全断面预注浆技术 进行封堵，有效地堵住了地下水，并对围岩进行了加固，恢 复了正常施工。关键字： 隧道 岩溶 涌水突泥 全断面注浆1 概述： 圆梁山隧道全长 11068m ，是新建铁路渝怀线 上最长的单线隧道，隧道主要穿越毛坝向斜和桐麻岭背斜， 其中毛坝向斜高压富水区总长 2200m ，向斜翼部最大埋深 780m ，核部最小埋深 550m 。该段岩溶和岩溶水异常发育， 岩溶、高压富水是地质难题。根据设计资料，毛坝向斜段正 常涌水量为 55000m 3 /d, ，最大涌水量 83000m 3 /d ，且 洞身处存在 4.6MPa 的高静水压力。毛坝向斜高压富水区大 量排水将会引起地下水位大幅度下降，甚至可能被疏干，直接影响居民的生产、生活用水，也可能引起局部地面的塌陷 或开裂。为了减少隧道修建对周围环境的影响。针对圆梁山 隧道高压富水区采取了 “注浆堵水， 限量排放 ”的施工原则。 2 开挖面超前地质探测及涌出物分析 为确保圆梁山隧道的 安全优质、快速顺利施工，有效地采取施工方案，选择合理 的注浆 方法 ，在圆梁山隧道施工中采取了多种地质超前预 测预报手段，如超前探水孔钻探、红外线、 TSP 地质雷达超 前地质预测预报和地质素描等手段，通过对地质预报信息的 综合分析，可以比较准确地判明前方地质情况。 2.1 探测过 程圆梁山隧道出口端平导掘进到毛坝向斜高压富水区后，独 头掘进达 7133 米，并在 PDK355+058 处开始进行反坡开挖， 为了确保施工安全， 每 30m 进行一次超前钻孔， 以探明前方 地质情况，圆梁山隧道出口端平导开挖至 PDK355+019 时， 于 2003 年 6 月 27 日 6 点开始在掌子面采用 MKD-5S 地质 钻机进行常规超前探测工作。超前探孔布置如图 1 所示。图 1 探水孔横断面布置图 2 注浆段地质情况示意Fig.1 Layout of water-exploring holes Fig.2 Geologic profile of grouting segment在探水孔施作过程中，探 1 在整个钻进过程中，岩粉为深灰色颗粒，有 白色方解石颗粒，有刺激性气体逸出；钻至3m 处为破碎岩层，宽度约0.20.3m，钻孔内有水涌出，涌水量为20m 3/h，充填有黄泥；840.6m 岩粉为深灰色，较坚硬，局部 有破碎灰岩，发生卡钻。探 2 有少量水，钻进过程岩石 破碎。探 3 孔深 30.20 米，当探水孔钻至 15 m 处有 0.3 0.5 m 岩溶管道，有岩溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并含 少量砾石， 6 月 27 日测得钻孔涌水压力为 1.4MPa ，全孔涌 水量实测 100 m 3 /h 左右。于 2003 年 6 月 28 日结束探孔。 通过探孔情况和地质资料分析掌子面前方 3m 处有一宽度较 小的破碎带， 在 15m 处发育一小型岩溶管道。 由于泥砂太多 及停电影响，同时洞外大量降雨，导致探3 # 孔涌水量及水压急剧增大， 7 月 5 日涌水量增大到 200 m 3 /h 左右，由 于此处反坡开挖，抽水设施由于泥砂和停电的影响导致掌子 面大量涌水不能抽出，引起掌子面淹没。后加快抽水，将掌 子面水用两路 150mm 钢管引出，并在掌子面施作了模筑 混凝土封闭掌子面，止浆墙厚 2m ，又因水大混凝土密封困 难改为 3m 。掌子面稳定后又进行了 TSP 地质预测预报和红 外线超前探水等探测和验证。根据以上地质预测预报成果可 判定前方地质条件大致如图 2 所示。 2.2 涌出物分析 2003 年 6 月 29 日现场采集涌出物并对涌出物进行筛分试验，测 试结果图 3、图 4 示。图 3 涌出物成份比例 图 4 涌出物筛 分曲线Fig.3 Proportion of gushed-out materials Fig.4 Sieving curve of gushed-out materials 由图 3 、图 4 来看： 涌出物中粉砂、中砂占 86% ，而粗砂和砾石等占 13.8% ，砾 石长约310mm，说明涌出物在岩溶管道中经过长期迁移 和冲蚀作用下被磨圆和筛选，因而隧道断面内岩溶管道或溶 隙最大直径大于 10mm ，涌出物累计筛余百分率曲线比较平 缓，可见原地层充填物在未受到压力水冲出前，其级配相当 合理，呈较致密结构。从涌出物 86% 为中细砂可以看出，在 岩溶形成过程中，由于地下水的溶蚀作用，泥砂被搬运填充 在灰岩裂隙中，后经不断溶蚀，逐渐形成岩溶管道。一旦超 前钻孔或隧道开挖揭穿岩溶管道容易发生涌水突泥。 2.3 涌 水量及水压测试在超前探测和注浆过程中对平导掌子面涌水 量进行了测试和水压测试如图 5、图 6 所示。由图 5 可见： 在进行顶水注浆前平导掌子面处涌水量是急剧增大的，然后 逐渐趋于稳定，最大涌水量 200m 3 /h ；由图 6 可见：在封 堵掌子面后涌水压力不断上升， 最后稳定在 2.4MPa 。图 5 掌 子面涌水量变化曲线图 6 水压力变化曲线 Fig.5 Curve of water spraying on the face Fig.6 Curve of hydraulic pressure3 注浆设计及施工 3.1 注浆方案的确立根据超前 探孔过程中涌水状况，从安全性、 经济 性考虑，结合该工 程实际情况，针对前方出现的岩溶管道水， 经过反复 研究 ， 制订了 “以堵为主 ”的施工原则，采用了 “ 注浆堵水，封堵 岩溶管道，加固破碎地带 ” 的施工方案。根据溶洞区工程及水文地质复杂， 选用 “深浅孔结合复式全断面注浆 ” 堵水措 施。 3.2 顶水注浆和小导管周边注浆根据二院要求及现场实 际，在掌子面施作2.53m厚砼止浆墙，两个探水孔的孔口 管预埋入止浆墙，然后对其进行顶水注浆。由于砼止浆墙与 开挖面周边密封施做的不够严密，导致顶水注浆时周遍跑浆 严重， 于是决定在止浆墙周边进行小导管注浆。 如图 7 所示。 小导管注浆管长L=3m ,采用32mm焊接钢管。注浆管 前端加工成圆锥状并封死。花管部分长 2m ，在花管段上间 隔30mm40mm，按梅花型布设 46mm 的溢浆孔。 管尾部分采用两道 8mm 的圆型钢筋焊箍，其中一道用于 缠上 60cm 左右的麻丝后用于止浆，另一道采用丝扣和注浆 管连接。 小导管沿隧道开挖轮廓线布置，略向外倾斜，外 插角为 5 0 10 0 。 注浆材料采用水泥 - 水玻璃双液浆和 HSC 浆液，其配比为 W:C=0.8:1 ， C:S=1:1 ，凝胶时间为 30s 3min 。超细水泥 MC 浆， 其水灰比为 1:1 0.6:1 ， HSC 浆液 水灰比为 1:1 0.8:1 ，凝胶时间为 30 min 60min 。注浆结束标准采用定压结合定量的原则，注浆终压为23MPa ，单孔注浆量为 0.20.4m 3 。图 7 顶水注浆和小导 管注浆布置 （单位： mm）Fig.7 Layout of withstand-water grouting and small pipe-grouting3.3 超前预注浆加固全断面超前预注浆是在整个断面上布孔， 通过注浆形成截水帷幕，并加固周围岩体，注浆加固范围为隧道开挖面及开挖轮廓线外5.0m ，注浆段长30m ，即 PDK354+020 9DK355+990。注浆设计如图 8、9 所示。 注浆孔采用 MKD-5S 型钻机成孔。开始用大直径钻头钻进2m后安设$ 108mm 无缝钢管作为孔口管。再改 用$ 90mm 钻头钻至1530m。孔口管长度150cm ,孔口处缠 60cm 的麻丝。 并用 HSC 浆锚固。 钻孔深度以达到钻入岩层 23 为原则， 采用前进式分段钻进和注浆工艺。 在 岩溶管道段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带（少量 水）注浆是以加固地层为目的。因此在浆液配置及单孔注浆 顺序上予以区别对待。 用引水管将水引出后， 封闭掌子面。 注浆时关闭阀门，形成静水压力注浆。 对破碎无水岩层，初始注浆可注入稀浆（ 1.5:1 1:1 ） ,因稀浆中的水泥颗粒在 脉冲压力的作用下对冲开及沟通裂隙能够起到润滑剂的作用 , 一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。 对于涌水量较 大岩层，凝胶时间可适当缩短，使浆液进入地层后能较快凝 固，避免浆液随水流失，达到控制注浆的目的。图 8 超前预 注浆孔位布置 （ 单位 :cm） 图 9 超前预注浆纵断面布置（单位 :cm）Fig.8 Cross section of advanced pre-grouting holesFig.9 Longitudinal section of advanced pre-grouting3.4注浆材料注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥 水玻璃 双液浆（CS）。注浆孔无水时采用普通水泥单液浆，水灰比 W:C=0.8:11:1 ；有水孔则采用单液水泥浆、普通水泥 水 玻璃双液浆（ CS 浆）和超细水泥浆、 HSC 浆，根据水量 大小选择配比和浆液凝胶时间。涌水量小时，水泥 C 浆：水 灰比 W:C=1.:10.8:1 , C:S=1:10.8:1,水玻璃 S浆浓度30Be 。 孔内水 量较大时 ， 水灰 比 W:C=0.8:10.6:1，C:S=1:0.30.6,水玻璃S浆浓度3540Be 当双液注浆压 力上升到 3MPa 左右时，开始注入超细水泥（ MC ）或 HSC 浆，直到达到设计终压 7MPa 。 3.5 注浆工艺采用前进式分 段注浆工艺，钻一段，注一段。分段长度根据钻孔情况确定， 若出现大的涌水或泥砂（ Q10m 3 /h ）则按 1 2m 分段； 若涌水涌泥（砂）较小（ Q10m 3 /h ）或轻微卡钻，则钻孔 注浆段长度可适当加大至 35m 。如无涌水涌泥（砂）和卡 钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行。以保证 注浆质量和减少扫孔作业，增加作业时间和效率。3.6 注浆参数注浆参数主要依据设计加固范围和经验选定，本段注浆 纵向加固长度 30m ，主要参数如表 1 所示表 1 注浆参数表Table 1 Parameters of grouting 参数名称 全断面深孔 超前预注浆 备 注 加固范围 掌子面及开挖轮廓线外 5m 钻孔 深度 15m 30m 浆 液扩 散半 径 2m 凝胶 时 间30s2min30s普通水泥一水玻璃双液浆注浆速度 10100L/min 注浆分段 岩层完整且有水 35m、岩层破碎且 有水 1 2m 根据钻孔情况确定 注浆终压 6 9MPa 单段 注浆量1.13.32m 3 /m 单段注浆量按 Q= n ·R 2 ·L·n·a · B 计算 参 数取值n=0.10.3 a =0.83 =1.13.7注浆顺序注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序 按由外到内，从下往上分三序孔施工。三序孔的设计原则是 水平方向上采取跳孔原则（I序孔采取跳孔，n序孔采取间 隔跳孔，川序孔为余下孔位）,垂直方向上采取隔行跳排原则。 同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔到无水孔 的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情 况而定。 3.8 注浆结束标准采用定量定压相结合方式进行注 浆结束标准控制，当注浆量达到设计注浆量时，而注浆压力 不上升则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措 施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆量达到 设计注浆量的 80% 以上，即可结束注浆。 3.9 效果检查与补 孔注浆根据现场钻孔所揭示的地质状况，结合注浆过程中 P-Q-t 曲线 分析 ，选择可能出现的薄弱环节进行钻孔检查。 检查孔初步布设参见图 9 。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔 涌水量应小于 0.2L/m·min 。若达不到效果则将检查 孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求。必要时可取芯检查。 4 注浆效果评 定 圆梁山隧道出口平导 PDK355+020PDK354+990 岩溶管道裂隙段全断面注浆，自 2003 年 7 月 6 日开始至 8 月 6 日结束， 历经 30 天，注浆完成后， 岩溶管道水被完全封堵， 堵水效果很好， 9 个检查孔均无水无砂，成孔良好。在随后 的开挖中岩壁干燥无水，溶管水得到有效的封堵，破碎带得 到了明显的加固。同时浆液扩散较远，距离平导 30m 的 8 # 通道 YK0+058 处左侧拱顶的一处裂隙水也得到了有效的封 堵，为保证迂回导坑和平导顺利贯通创造了有利的条件，说 明此次注浆堵水和加固是非常成功的。