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        青島海底隧道帷幕注漿施工技術(shù)研究

        2010-01-29 03:10:08逄顯民
        關(guān)鍵詞:海底隧道帷幕注漿

        逄顯民

        (青島市公路管理局,山東青島 266520)

        1 概況

        青島膠州灣隧道位于團(tuán)島和薛家島之間,主隧道長(zhǎng)6 170 m,跨越海域長(zhǎng)度3 950 m,線路等級(jí)為城市快速路,設(shè)計(jì)車速為80 km/h,設(shè)2條三車道主隧道和1條服務(wù)隧道,主隧道中軸線間距55 m。隧道斷面為橢圓形,主隧道開挖斷面高11.2~12.0 m、寬約15.23~16.03 m,隧道縱斷面呈V形,最大縱坡4%,右線路面最低點(diǎn)高程-83.28 m、左線為-83.15 m,海域段主隧道埋深一般為25~35 m,采用礦山法施工。

        海底部分主要以火山沉積巖為主,其間穿插有多條輝綠巖侵入巖巖脈,從而形成多條斷層破碎帶,本工程最大的風(fēng)險(xiǎn)來自于海底這些斷層破碎帶和影響帶,而通過斷層破碎帶的主要方法是帷幕注漿,這是關(guān)系到海底隧道成敗的靈魂性技術(shù)。

        自2007年8月開工以來,經(jīng)過2年多的施工,主要是進(jìn)入海域施工以來,本項(xiàng)目共通過了30余段的注漿段,其間采用了全斷面帷幕、周邊帷幕、局部帷幕等多種注漿方式,從注漿方式選擇、機(jī)械設(shè)備配備方面,注漿工藝參數(shù)確定、注漿檢查標(biāo)準(zhǔn)等方面均形成了適用于青島海底隧道的特有的注漿模式。

        2 隧道海域段地質(zhì)情況分析

        根據(jù)已進(jìn)行的初步地質(zhì)工作,在膠州灣隧道區(qū)域內(nèi),隧道進(jìn)出口存在有海相沖積層,該地層易涌水、坍方。洞身有巖脈不整合接觸帶,特別是有NW向斷裂3條,分別為F3、F4和F5,NE向斷裂3條,分別為F1、F2和F6,主要的大斷裂破碎帶為F3、F2等。

        海域段第四系覆蓋層僅在局部發(fā)育,厚度小于3 m?;鶐r以含晶屑火山角礫凝灰?guī)r、流紋斑巖和安山質(zhì)角礫巖為主,其間穿插多條輝綠巖、石英正長(zhǎng)巖等巖脈。強(qiáng)風(fēng)化帶主要發(fā)育在輝綠巖及破碎巖頂部,最厚處近10 m。弱風(fēng)化帶一般小于5 m,輝綠巖脈及破碎帶內(nèi)可超過15 m;微風(fēng)化基巖頂面埋深一般小于15 m,局部超過25 m。本隧道段埋深多在25 m左右,頂板微風(fēng)化巖層厚度大部超過10 m,局部洞頂以上無微風(fēng)化巖體。破碎帶巖體多為碎裂結(jié)構(gòu),巖質(zhì)軟硬不均,局部為松散結(jié)構(gòu),并夾碎粒和碎粉狀錯(cuò)碎物,透水性可達(dá)中等級(jí);斷裂破碎帶以外的微風(fēng)化巖體為塊狀構(gòu)造或塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu),透水性弱,巖質(zhì)堅(jiān)硬。

        海域段的注漿段落主要集中在各個(gè)斷層破碎帶及其斷層影響帶內(nèi)。

        3 帷幕注漿種類與適用條件

        青島海底隧道所采用的帷幕注漿種類共有3種:全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、局部斷面注漿3種形式,具體采用何種形式,主要依據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果,由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)信息小組人員分析后確定。

        3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

        綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是選擇注漿方式的主要依據(jù),青島海底隧道采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方式主要有如下幾種:

        (1)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào),海域全程進(jìn)行,縱向搭接10 m;

        (2)超前探孔(主線隧道設(shè)3~6個(gè),長(zhǎng)度30 m,搭接8 m);

        (3)地質(zhì)雷達(dá),在需要時(shí)采用;

        (4)紅外探水;

        (5)借鑒先行隧道或者服務(wù)洞的地質(zhì)情況;

        (6)勘測(cè)階段的地質(zhì)資料。

        3.2 帷幕注漿方案選擇依據(jù)

        注漿形式主要根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果來確定,青島海底隧道的注漿主要為巖體裂隙注漿,以劈裂、擠壓注漿為主,滲透注漿為輔。各種注漿形式的適用條件如表1所示。

        表1 注漿形式適用條件

        4 注漿試驗(yàn)

        4.1 注漿試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

        注漿試驗(yàn)的目的如下:

        (1)比較不同注漿方案的適用性;

        (2)不同注漿材料、漿液配比在本工程斷層破碎帶的適應(yīng)性及效果評(píng)價(jià);

        (3)判斷選定的注漿量、注漿壓力的參數(shù)是否合理;

        (4)注漿工藝和注漿設(shè)備的配套;

        (5)確定合理注漿效果的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法。

        4.2 注漿試驗(yàn)程序及內(nèi)容

        注漿試驗(yàn)程序和內(nèi)容包括:

        (1)制定注漿試驗(yàn)方案和實(shí)施大綱、編制注漿試驗(yàn)任務(wù)書和實(shí)施細(xì)則;

        (2)進(jìn)行注漿材料、漿液相結(jié)合的物理、力學(xué)性能試驗(yàn);

        (3)按擬定的注漿工藝進(jìn)行鉆孔、沖洗和注漿試驗(yàn);

        (4)按注漿效果鑒定的標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行注漿質(zhì)量檢驗(yàn);

        (5)對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行整理,對(duì)成果進(jìn)行分析并編制試驗(yàn)報(bào)告。

        5 機(jī)械設(shè)備配備

        針對(duì)海域注漿施工的特點(diǎn),結(jié)合膠州灣海底隧道的實(shí)際情況,參照國(guó)內(nèi)外類似工程的工程經(jīng)驗(yàn),配套選擇專用設(shè)備,注漿施工的主要設(shè)備是鉆孔設(shè)備和注漿設(shè)備及其配套設(shè)備(表2)。

        表2 鉆孔注漿設(shè)備

        鉆孔采用三臂臺(tái)車鉆孔,可大大提高鉆孔效率;另外,三參注漿記錄儀的引用,大大改進(jìn)了長(zhǎng)期以來注漿計(jì)量的難題,很容易實(shí)現(xiàn)注漿過程的動(dòng)態(tài)記錄(主要記錄P、Q、T3個(gè)時(shí)態(tài)曲線),可為下一步的注漿提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。

        由于受海底滲水、腐蝕性較強(qiáng)等因素的影響,在施工期間要注意加強(qiáng)對(duì)鉆灌設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng),保證鉆機(jī)等設(shè)備能夠正常工作。

        6 注漿參數(shù)確定

        注漿參數(shù)主要包括:注漿加固范圍、注漿段長(zhǎng)、注漿孔布置、注漿壓力、注漿速度、注漿量的確定等。

        6.1 基本思路

        采用上半斷面布孔進(jìn)行全斷面帷幕注漿,每循環(huán)確定30 m,開挖25 m,留5 m作為止?jié){巖盤。從工程實(shí)踐來看,止?jié){墻和孔口管的安裝是注漿施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其封閉的效果直接決定了注漿效果,也影響注漿速度,是注漿控制的重點(diǎn)。

        6.2 注漿加固范圍及擴(kuò)散半徑

        注漿加固體的范圍為隧道輪廓線外5 m,孔底間距不大于3.5 m,開孔處環(huán)向間距不小于50 cm,按30 m一個(gè)注漿循環(huán)計(jì)算,其形式如圖1所示。

        圖1 注漿加固體范圍(單位:cm)

        6.3 注漿段長(zhǎng)

        注漿每循環(huán)按30 m考慮,留5 m止?jié){墻,開挖25 m。在成孔效果較好地段,每循環(huán)按37 m施工,留5 m止?jié){段。

        6.4 注漿孔布置

        注漿孔開孔位置全部布置于上半斷面,這樣做一是可以提高注漿效率,二是可以保證安全,較低的操作高度對(duì)安全更為有利,注漿孔布置如圖2所示。

        圖2 帷幕注漿鉆孔布置示意(單位:mm)

        6.5 注漿壓力和速度

        注漿最大壓力控制為4 MPa,特殊情況下,可降低,但最小不小于3 MPa。

        注漿速度確定為50~110 L/min。

        6.6 孔徑選擇與孔口管安裝

        注漿孔徑選擇為56~89 mm均可,可根據(jù)鉆孔設(shè)備情況采用。

        6.7 注漿漿材選擇

        青島海底隧道所有超前注漿采用超細(xì)水泥漿,W∶C=1∶1。

        7 注漿工藝

        帷幕注漿原則上采用分段注漿方式,但如果成孔條件較好,也可采用全孔一次注漿,帷幕注漿工藝流程如圖3所示。

        圖3 分段預(yù)注漿工藝流程

        7.1 止?jié){墻設(shè)置

        止?jié){墻采用C35噴射混凝土,噴射厚度30~50 cm,盡量把掌子面周圍封閉嚴(yán)密,以防漏漿。

        7.2 孔口管

        孔口管采用φ108 mm無縫鋼管,長(zhǎng)度約為2 000 mm,錨入巖體至少1 500 mm以上,與注漿機(jī)連接接口部位用抱箍連結(jié),可實(shí)現(xiàn)快速安裝,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        圖4 孔口管結(jié)構(gòu)(單位:mm)

        7.3 注漿方式

        (1)若成孔情況較好,可采用全孔一次注漿,最大注漿長(zhǎng)度為35 m。

        (2)對(duì)于圍巖較差的情況,可采用前進(jìn)式注漿,分?jǐn)?shù)段進(jìn)行,每段長(zhǎng)度7 m。

        7.4 注漿順序

        注漿時(shí)按B、C、D順序注漿,同一順序中可間隔注漿,后注漿孔可作為前注孔的檢查孔。

        8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)與檢查

        8.1 注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)

        注漿結(jié)束按雙控標(biāo)準(zhǔn),既控制注漿量,又控制注漿壓力的方式。

        (1)注漿量根據(jù)注漿擴(kuò)散半徑和巖層填充率計(jì)算,基本每孔每延米按0.3~0.4 m3計(jì)算,最大注漿量不超過理論計(jì)算的1.5倍;

        (2)終壓標(biāo)準(zhǔn)按4 MPa來控制,注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力的,經(jīng)間歇注漿或二次重復(fù)注漿仍達(dá)不到的,可降低注漿壓力。

        8.2 效果檢查

        注漿效果檢查首先是單孔或全部注漿孔均滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),無漏注現(xiàn)象,然后通過檢查孔法、開挖取樣和物探方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

        8.2.1 檢查孔法

        在隧道輪廓范圍內(nèi)打檢查孔,檢查孔按注漿孔的6%計(jì)算,孔深按本循環(huán)開挖長(zhǎng)度計(jì)算,孔深在25 m以內(nèi),完成后及時(shí)回填,回填注漿壓力為2 MPa。

        對(duì)檢查孔進(jìn)行觀察,察看檢查孔成孔是否完整,是否有涌水、涌砂、涌泥,檢查孔放置一段時(shí)間后是否塌孔,是否產(chǎn)生涌水、涌砂、涌泥,以來定性判斷注漿效果。

        檢查合格的標(biāo)準(zhǔn)是每0.1 L/m.min,若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)及時(shí)加孔補(bǔ)注,直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

        8.2.2 物探法

        通過開挖前后超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料和數(shù)據(jù)的對(duì)比分析、判斷注漿效果。某次注漿前后圍巖力學(xué)參數(shù)分析比較見表3。

        表3 注漿前后圍巖力學(xué)參數(shù)分析比較

        8.2.3 分析法

        分析法是通過對(duì)注漿施工過程中收集的參數(shù)信息進(jìn)行合理整合,采用分析、對(duì)比等方式,對(duì)注漿效果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。圖5為某次注漿的P-Q-T曲線,從此曲線上可以看出,壓力不斷上升,單位時(shí)間內(nèi)的注漿量逐漸減少,至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí),單位時(shí)間內(nèi)的注漿量達(dá)到最小。

        圖5 某次注漿的P-Q-T曲線

        9 異常情況處理

        注漿過程中有注漿中斷、串漿、大量漏失、涌水等,對(duì)異常情況的處理措施如下。

        9.1 注漿中斷處理

        (1)找出注漿中斷的原因,盡快解決,及早恢復(fù)注漿。

        (2)如果不能立即恢復(fù)注漿或灌注濃漿有埋管危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)立即沖洗鉆孔,而后再恢復(fù)注漿。

        (3)若因故不能立即沖洗鉆孔,則應(yīng)松開止?jié){塞,上提注漿管,以免造成埋管事故。待具備沖洗條件時(shí),再進(jìn)行強(qiáng)力沖洗,以恢復(fù)注漿條件。

        (4)沖洗無效時(shí),應(yīng)立即掃孔至孔底,并用壓力水沖洗后,重新開始注漿。

        (5)當(dāng)恢復(fù)注漿后,注入率明顯減少,并在短時(shí)間內(nèi)停止吸漿時(shí),應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

        1.4.2 捕食線蟲真菌的捕器誘導(dǎo) 在體視顯微鏡10~100倍下,利用無菌牙簽以無菌操作技術(shù)轉(zhuǎn)接捕食線蟲真菌單個(gè)分生孢子到留有約1 cm×1 cm觀察室的直徑60 mm CMA平板上,密封后置于26.5℃恒溫箱中培養(yǎng)直至菌絲鋪滿觀察室,然后在觀察室中加入制備好的線蟲懸液200條左右,放置于恒溫箱中培養(yǎng)2~4 d,其間需用體視顯微鏡觀察是否產(chǎn)生捕器及捕器類型,并及時(shí)記錄結(jié)果。

        9.2 串漿處理

        如串漿孔具備注漿條件,可以同時(shí)進(jìn)行注漿,但應(yīng)一泵注一孔,否則應(yīng)將串漿孔用塞塞住,待注漿孔注漿結(jié)束后,串漿孔再行掃孔、沖洗,而后繼續(xù)鉆進(jìn)和注漿。

        9.3 大量漏失

        發(fā)生大量漏漿時(shí),采用以下原則進(jìn)行處理:

        (1)采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿的方法進(jìn)行灌注;

        (2)必要時(shí),可采用砂漿或其他充填材料先堵大空隙再采用方法(1)處理;

        (3)縮短漿液凝固時(shí)間,采用水泥-水玻璃或其他凝速材料,進(jìn)行灌注。

        9.4 涌水處理

        在注漿孔有涌水流出的注漿孔段,注漿前應(yīng)測(cè)量記錄涌水壓力、涌水量,然后根據(jù)涌水情況選用下列綜合措施處理:

        (1)縮短注漿段長(zhǎng)度,提高注漿壓力,采用分段前進(jìn)式注漿方式;

        (2)當(dāng)單孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后,采用濃漿液進(jìn)行屏漿1~24 h后再閉漿,并待凝;

        (3)采用速凝型漿液對(duì)涌水孔進(jìn)行注漿;

        (4)采用壓力注漿封孔;

        (5)對(duì)各種突發(fā)情況應(yīng)準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急方案。

        10 注漿進(jìn)度

        經(jīng)過統(tǒng)計(jì),30 m的注漿循環(huán)需要在13 d左右。

        11 結(jié)語(yǔ)

        膠州灣隧道的帷幕注漿,依據(jù)青島的實(shí)際地質(zhì)情況,在上半斷面進(jìn)行全斷面注漿,并成功改用三臂臺(tái)車鉆孔,相較以往的類似工程,這是一個(gè)重大改進(jìn)。一方面保證了施工時(shí)人員機(jī)具的安全,另外一方面又加快了每循環(huán)注漿的速度(類似工程的每循環(huán)注漿周期為30 d左右,本方法僅需13 d左右),達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的滲漏水標(biāo)準(zhǔn),為后續(xù)施工創(chuàng)造了條件。

        [1]李昌寧.廈門海底隧道施工中重難點(diǎn)分析及技術(shù)措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S2):1-4.

        [2]青島國(guó)信實(shí)業(yè)有限公司.膠州灣隧道施工技術(shù)規(guī)范[Z].青島:2007.

        [3]JTG—D70—2004,公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

        [4]孫 鈞.海底隧道工程設(shè)計(jì)與施工若干關(guān)鍵技術(shù)的商榷[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006(8):1513-1521.

        [5]郭陜?cè)?關(guān)于我國(guó)海底隧道建設(shè)若干工程技術(shù)問題的思考[J].隧道建設(shè),2007(6):1-5.

        [6]曲立清,王全勝,張文強(qiáng).膠州灣海底隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與注漿方案選擇[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009(9):64-68.

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