王曉鋒

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

1 概述

宜萬鐵路是我國在地質(zhì)條件極為復(fù)雜的艱險山區(qū)修建的又一條高標(biāo)準(zhǔn)干線鐵路,集西南山區(qū)鐵路之大成,地質(zhì)條件差、工程風(fēng)險大、科技含量高、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)新。白云山隧道全長6827m,其中四線雙連拱 705m,大跨雙線 182m,燕尾段 366m,其余均為單線隧道。該隧道地質(zhì)情況復(fù)雜,巖溶發(fā)育,溶洞、暗河、落水洞、巖溶洼地等巖溶現(xiàn)象多見。隧道穿越天陽坪區(qū)域斷裂,穿越紙廠灣、猴子洞、耗子洞 3個暗河系統(tǒng),區(qū)內(nèi)發(fā)育 5條斷層,預(yù)測最大涌水量427314m3/d,正常涌水量167354m3/d。多數(shù)地段發(fā)育較大的巖溶腔體或暗河腔體,極有可能發(fā)生突水、突泥等嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害[1]。

針對白云山隧道地質(zhì)條件復(fù)雜性,采取綜合超前地質(zhì)預(yù)報先探明前方地質(zhì)情況,后統(tǒng)籌研究施工方案、采取安全措施開挖、超前帷幕注漿止水等科學(xué)方法施工,有效規(guī)避了風(fēng)險。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報方法的分類

超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)基本采用鉆探和物理勘探2種方法,探明隧道的基本地質(zhì)情況,是保證復(fù)雜巖溶隧道施工安全的一種重要手段。針對白云山隧道的特點(diǎn)、設(shè)備及現(xiàn)場實(shí)際情況,在施工中采用了地震波法、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)、超前炮眼、超前水平鉆和常規(guī)地質(zhì)分析等綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報方法。各種方法有自身優(yōu)點(diǎn)和適用范圍,也有其局限性[2]。

施工超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報方法比較如表1所示。各種預(yù)測預(yù)報手段組合方案如圖1所示。

圖1 各種預(yù)測預(yù)報手段組合方案

表1 施工超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報方法比較

2.2 超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報原則

隧道施工超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報是隧道施工很重要的環(huán)節(jié),本著“地表和洞內(nèi)相結(jié)合、構(gòu)造探測和水探測相結(jié)合、長中短期分階段預(yù)報相結(jié)合”的“三結(jié)合”原則,做到有疑必探、先探后掘[3]。

2.3 超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報效果評價

通過綜合超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù),白云山隧道共發(fā)現(xiàn)溶洞 15個、軟弱地質(zhì)帶 276m,斷層構(gòu)造帶的實(shí)際情況與預(yù)報結(jié)果基本符合。根據(jù)預(yù)報的結(jié)果,提前采取措施,有效規(guī)避了風(fēng)險,保證了隧道施工安全。

3 開挖方案

3.1 超前支護(hù)

超前支護(hù)方式的選擇主要根據(jù)圍巖的性質(zhì)、施工條件、機(jī)械設(shè)備、經(jīng)濟(jì)效益等因素來確定。白云山隧道DK42+187溶洞填充物為軟塑狀黏土夾碎塊石,自穩(wěn)性差。超前支護(hù)采取拱部小導(dǎo)管注漿,四周超前注漿。

(1)超前小導(dǎo)管注漿

超前小導(dǎo)管注漿采用 φ50mm的薄壁鋼管,環(huán)向間距 0.8m,縱向間距 3.5m,搭接長度不小于 1.5m,注漿材料為純水泥漿,配合比為 1∶1。

由于溶洞充填物主要是軟塑狀黏土夾碎塊石,采用手持風(fēng)槍鉆孔時,經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象;打入小導(dǎo)管時,經(jīng)常遇見風(fēng)化碎石,致使打入導(dǎo)管困難。

(2)超前注漿

由于溶洞充填物承載力低,自穩(wěn)性差,在開挖掌子面四周打入一圈 5m超前帷幕注漿,形成厚 3m的固結(jié)圈,然后注入按一定比例配制而成的漿液,滲透擴(kuò)散到破碎帶的孔隙中并快速凝固,與周圍破碎巖塊固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的結(jié)石體,然后開挖。超前帷幕注漿間距為 1m,長度 5m,搭接長度 3m。

3.2 開挖

施工中采用三臺階和四步開挖法施工。上臺階施工是溶洞施工的關(guān)鍵部位,只要上臺階能夠成形、穩(wěn)定,中臺階和下臺階就能順利進(jìn)行。為確保安全,上臺階不宜太長,一般為 6～8m。首先施作超前小導(dǎo)管,并注漿固結(jié),然后采用預(yù)留核心土施工方法,沿開挖輪廓線挖槽嵌入加工好的拱架,拱架與超前小導(dǎo)管焊接牢固。上導(dǎo)坑拱架安裝完畢后,人工配合機(jī)械挖掘核心土,然后立即進(jìn)行噴錨支護(hù),施作臨時仰拱。

上臺階支護(hù)完畢并進(jìn)行徑向注漿加固穩(wěn)定后,開挖中臺階、下臺階并施工臨時仰拱或底板混凝土。中臺階和下臺階施工的工序基本相同,先進(jìn)行超前注漿固結(jié)邊墻,然后人工沿開挖輪廓線挖槽嵌入拱架,開挖核心土,進(jìn)行噴錨支護(hù),施作臨時仰拱。

3.3 初期支護(hù)

白云山隧道 DK42+187溶洞初期支護(hù)鋼架首次設(shè)計采用 I16型鋼架,噴 C20混凝土,厚 20cm。但是在施工中由于受徑向注漿壓力以及雨季的影響,拱部產(chǎn)生下沉,最大沉降量 51cm,兩側(cè)邊墻向內(nèi)側(cè)變形,最大變形量 53cm。噴混凝土產(chǎn)生剝落、掉塊,鋼架變形嚴(yán)重,發(fā)生斷裂。因此,進(jìn)行變更設(shè)計,采用 I18型鋼架,噴混凝土厚度 25cm。為增加鋼架縱向穩(wěn)定性,縱向連接鋼筋采用 φ22mm的螺紋鋼,鋼筋間距 50 cm,鋼架的定位鋼筋采用注漿小導(dǎo)管。

4 帷幕注漿施工

4.1 基本原理[4]

注漿材料在外力作用下滲入到巖土的裂隙中,一般壓力越大,注入的漿液量越多,擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn),加固效果也就越好。但注漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關(guān),如巖土的孔隙率、材料可注性、施工方法等。所以很難使注漿的滲透嚴(yán)格的理論化。因此,為獲得較好的注漿效果,需經(jīng)過多次試驗(yàn),采取科學(xué)施工方法進(jìn)行施工。

4.2 工藝流程

帷幕注漿工藝流程如圖2所示。

4.3 注漿參數(shù)設(shè)計

圖2 帷幕注漿工藝流程

(1)注漿加固范圍:隧道注漿加固范圍按隧道埋深、地下水壓力和漿液固結(jié)體強(qiáng)度來確定,通常拱部為開挖輪廓線外 3～5m,邊墻為開挖輪廓線外 2～3m。

(2)注漿段長:注漿段長一般應(yīng)按鉆孔設(shè)備的工作能力確定,保證注漿后有一定的開挖長度(包括止?jié){墻厚度),并滿足

式中,L為注漿段長,m;D為注漿加固范圍。

(3)止?jié){墻厚度:止?jié){墻厚度(B)應(yīng)滿足注漿壓力的要求,一般按下式確定

(4)注漿孔間距:注漿孔的布設(shè)應(yīng)滿足注漿加固范圍的要求,在帷幕注漿設(shè)計中,注漿孔應(yīng)全斷面布設(shè),注漿孔間距一般應(yīng)滿足下式

式中,a為注漿終孔間距,m;R為漿液擴(kuò)散半徑,m,其值根據(jù)試驗(yàn)確定,一般取 2～4m。

(5)漿液膠凝時間:漿液膠凝時間一般地段為 3 min,富水地段為 30～50s。

(6)注漿終壓:注漿終壓為 1～1.5MPa。

(7)注漿量:一般按注漿范圍內(nèi)圍巖體積的 5%左右考慮,實(shí)注量由鉆孔壓水試驗(yàn)確定。

4.4 主要材料介紹[5]

注漿材料一般選用普通水泥、超細(xì)水泥、超細(xì)水泥+水玻璃等。

(1)超細(xì)水泥

由于超細(xì)水泥比表面積大,有較高的化學(xué)活性,能較快地凝結(jié)固化,可獲得早期和后期強(qiáng)度。同齡期強(qiáng)度相比,比普通水泥高 20%左右。

(2)耐久性水泥-水玻璃漿液(簡稱 C-S漿)

料源廣,價格便宜,結(jié)石強(qiáng)度高,結(jié)石率大,凝膠時間可控,是理想的注漿材料。其缺點(diǎn)是結(jié)石體穩(wěn)定性較差,特別在干燥地層條件下易風(fēng)化崩解,不適用于做永久性堵水加固材料。

漿液配合比:水灰比(W/C)為 0.8;水玻璃稀釋濃度為 25 ～35Be′;雙液體積比 (C/S)為 1∶(0.5～ 0.7)。

(3)超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的配制

根據(jù)預(yù)配制漿液的體積,分別計算出所需要的超細(xì)水泥漿和水玻璃漿的體積,計算公式如下

式中,VMC為超細(xì)水泥漿的體積,m3;VS為水玻璃的體積,m3;V為超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿的體積,m3;m為超細(xì)水泥漿和水玻璃漿的體積比。

4.5 漿液配制

白云山隧道 DK44+500～DK44+586里程為Ⅲ級圍巖,裂隙較發(fā)育,對于堵水,特別是水壓大,流速快的大裂隙,要求漿液的凝結(jié)時間短且具有一定的強(qiáng)度,因此采用水泥 +水玻璃復(fù)合漿液(雙液漿)注漿并摻加磷酸二氫鈉,以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)控膠凝時間,漿液的組成及配制方法見表2。一般情況下,水玻璃濃度減小,凝膠時間縮短,并呈直線關(guān)系;水灰比越小,水泥與水玻璃反應(yīng)越快,凝膠時間越短?？偟膩碚f,水泥漿越濃,膠凝越快;水玻璃則越稀,膠凝越快。

表2 漿液組成配制方法

根據(jù)隧道水量大小,經(jīng)試驗(yàn)得:當(dāng)水泥及水玻璃體積比在 1∶1～1∶0.5,磷酸二氫鈉摻量在 0.01～0.03的凝膠時間最適合施作,試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 注漿材料配合比數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,選用比例 1∶1∶0.9∶0.02的漿液進(jìn)行注漿,當(dāng)隧道內(nèi)出水量發(fā)生變化時,可在表3中根據(jù)所需凝膠時間來選擇所需配合比例配制漿液。

5 帷幕注漿施工

5.1 布孔

在完成現(xiàn)場施工準(zhǔn)備后,用紅漆在掌子面上按注漿設(shè)計畫出鉆孔位置,并標(biāo)注編號。

注漿布孔布置如圖3所示。

圖3 注漿孔布置

5.2 鉆孔

5.2.1 鉆機(jī)鉆具

鉆孔直徑一般為 70～108mm,鉆機(jī)一般采用水平地質(zhì)鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鉆孔臺車或管棚鉆機(jī)鉆孔,這些鉆機(jī)按其機(jī)械動作原理分為旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)和沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)主要用于鉆鑿中硬巖以下的巖石,特別是在土質(zhì)、泥巖、風(fēng)化砂巖等相對軟弱的巖層中。在較硬的巖層中則采用沖擊旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)比較合適。依據(jù)情況可供選擇的鉆具有:螺旋鉆具、潛孔鉆具、通用鉆具等。

5.2.2 止?jié){墻設(shè)置

為保證注漿施工安全,在掌子面設(shè)置 30～50cm厚模筑混凝土止?jié){墻,此后各循環(huán)利用已注漿未開挖的巖體代替止?jié){墻,掌子面用噴射混凝土封閉。每孔孔口套管與孔壁之間用環(huán)氧樹脂或 CS麻絲等充填黏結(jié)防止漏漿。

5.2.3 埋設(shè)孔口管

為保證注漿孔的鉆進(jìn)方向,一般在孔口段安設(shè)鋼套管,套管長 3～6m。孔口管位置、方向檢查準(zhǔn)確無誤后,開始鉆注漿孔。

5.3 下注漿管

(1)在注漿孔按設(shè)計位置、深度完成鉆孔后,打入帶花孔的袖閥套管,再插入帶止?jié){塞的注漿管。袖閥套管兩端應(yīng)安裝橡膠皮套,與孔壁密貼,防止注漿漿液漏出。套管出漿孔處使用橡膠皮套作為單向閥套在套管上,保證漿液不回流。

設(shè)置在掌子面的注漿孔,安裝袖閥套管時應(yīng)采用PVC塑料管,便于隧道掘進(jìn)。

(2)止?jié){塞是實(shí)現(xiàn)分段注漿、合理使用注漿壓力和控制漿液分布范圍、保證注漿質(zhì)量的一種有效設(shè)備,由一組穿在注漿管兩端的橡膠脹塞組成,可用機(jī)械方法或充氣、充水方法使其膨脹?？蛇x用的止?jié){塞有煤炭部門生產(chǎn)的 KWS型止?jié){塞。在缺乏條件的情況下,也可用橡膠圈代替。

注漿結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 注漿結(jié)構(gòu)

5.4 注漿

(1)充水試驗(yàn)

安裝注漿管、注漿泵就位后,先做充水試驗(yàn)。連接注漿管路,用注漿泵先壓水檢查管路是否漏水,設(shè)備狀態(tài)是否正常,爾后再做壓水試驗(yàn),以沖洗巖石裂隙,擴(kuò)大漿液通路,增加漿液充塞的密實(shí)性,核實(shí)巖石的滲透性。

(2)漿液制備

以雙液注漿為例,將準(zhǔn)備好的水泥、水玻璃漿液按比例分別放在 2個容器內(nèi),注入符合比例的水進(jìn)行攪拌,至符合要求。攪拌方式可采用機(jī)械或人工拌制。

(3)注漿作業(yè)

進(jìn)行帷幕注漿加固時,注漿方法有前進(jìn)式注漿和后退式注漿 2種方式。前進(jìn)式注漿主要用于圍巖破碎嚴(yán)重,成孔困難及地層軟弱的地段,后退式主要用于圍巖破碎程度相對稍好的地段。

前進(jìn)式注漿采用分段注漿,每段長度 3～5m,鉆一段注一段,一直鉆孔注漿到設(shè)計深度;后退式注漿,鉆孔至設(shè)計孔深后,插入袖閥套管,再插入帶止?jié){塞的注漿管,接上注漿管路,自孔底到孔口進(jìn)行分段后退式注漿,每段長度控制在 2～3m。

前進(jìn)式注漿施工步驟如圖5所示,后退式注漿施工步驟如圖6所示。

(4)注意事項

①注漿時先開水泥漿液泵,一般 5min后根據(jù)單液進(jìn)漿量的大小確定凝結(jié)時間,再開水玻璃漿液泵。

②注漿漿液應(yīng)按先稀后稠、稀漿與濃漿交替、壓力與注入漿量相結(jié)合的方式進(jìn)行注漿,注漿壓力從低到高逐步增壓,凝結(jié)時間應(yīng)先長后短,但不能小于 30s。

③每環(huán)注漿先注奇數(shù)編號的注漿孔,再注偶數(shù)編號的注漿孔,并以偶數(shù)編號的注漿孔作為檢查孔。待本環(huán)所有注漿孔注完后,根據(jù)壓漿孔的出水量確定局部是否需要補(bǔ)設(shè)注漿孔,一般每延米的出水量大于0.5L/min,追加鉆孔注漿。

圖5 前進(jìn)式注漿施工步驟

圖6 后退式注漿施工步驟

④注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是孔口壓力達(dá)到設(shè)計終壓并維持10～20min,且單位進(jìn)漿量很少。

⑤注漿流量不變,若壓力長時間不上升,漿液應(yīng)調(diào)濃;流量急劇減少,壓力上升很快,漿液應(yīng)調(diào)稀一級。

(5)注漿設(shè)備

注漿泵主要根據(jù)注漿終壓要求和注漿材料種類進(jìn)行選型,額定壓力應(yīng)大于靜水壓的 2.0～2.5倍,雙液漿應(yīng)選擇壓力、流量及配比可調(diào)的雙缸液壓式雙液泵。

5.5 注漿效果檢查

注漿結(jié)束后,鉆孔檢查漿液滲透及固結(jié)狀況,對注漿效果進(jìn)行檢測。為測定地層滲透性,了解注漿效果,以便于提供注漿參數(shù),采取壓水試驗(yàn),可在裂隙沖洗后進(jìn)行,壓力為注漿壓力的 80%,最大 1MPa,試驗(yàn) 20 min,每 5min測讀 1次流量,取最后的流量值作為計算值,結(jié)果以透水率表示,按下式計算

q=Q3/L×1/P3

式中 q——試段透水率;

L——試段長度,m;

Q3——第三階段的計算流量,L/min;

P3——第三階段的試段壓力,MPa。

計算得透水率為 93.9%,可注性良好。

當(dāng)孔內(nèi)出水量小于每延米 0.15L/min,巖體的物理力學(xué)指標(biāo)有明顯提高時,即可進(jìn)行下一輪注漿施工。如果注漿效果達(dá)不到設(shè)計要求,應(yīng)補(bǔ)充注漿直至符合要求。

6 結(jié)論

在白云山隧道每個軟弱圍巖及富水地段,根據(jù)地質(zhì)預(yù)測預(yù)報結(jié)果結(jié)合實(shí)際采取科學(xué)方法進(jìn)行綜合治理。施工實(shí)踐證明,軟弱圍巖地段采用注漿固結(jié)方法、管道和裂隙水地段采用帷幕注漿止水及疏排的方法,并對隧道本體結(jié)構(gòu)采取結(jié)構(gòu)防水和加固措施是較為可行的施工方法。無論是疏排,還是封堵,有效地對地下水進(jìn)行控制,準(zhǔn)確的地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報探明前方地質(zhì)情況起到關(guān)鍵性作用,注漿施工時應(yīng)采用安全支護(hù)措施并控制好注漿壓力,防止巖爆,認(rèn)真做好每次注漿記錄,積累經(jīng)驗(yàn),防止坍方、突水、突泥隱患事故發(fā)生。

[1] 鐵道第四勘察設(shè)計院.新建鐵路宜昌至萬州段長大復(fù)雜隧道施工地質(zhì)匯報材料[Z].武漢:2004.

[2] 宜萬鐵路建設(shè)指揮部.宜萬線復(fù)雜隧道施工地質(zhì)實(shí)施細(xì)則(施行)[S].湖北恩施:2004.

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