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        中天山隧道TBM施工破碎圍巖段新型注漿加固技術(shù)

        2014-12-25 02:11:50王盡忠王玉鎖曾宏飛唐建輝
        鐵道建筑 2014年3期
        關(guān)鍵詞:節(jié)理天山漿液

        王盡忠,王玉鎖,曾宏飛,楊 超,唐建輝

        (1.烏魯木齊鐵路局吐庫(庫阿)二線鐵路建設指揮部,新疆庫爾勒 841001;2.西南交通大學峨眉校區(qū),四川 峨眉 614202)

        中天山特長隧道為南疆鐵路吐魯番至庫爾勒段二線的附屬工程,隧道進口端左右線采用兩臺TBM同時掘進。進口端施工以來,經(jīng)過了變質(zhì)砂巖、角斑巖和花崗巖地段。其中DK146+473—DK148+380段為花崗巖,圍巖完整性變化頻繁,局部地段存在構(gòu)造破碎帶和節(jié)理密集帶。最大單位體積節(jié)理數(shù)可達22條之多,節(jié)理主要為微張節(jié)理,風化物填充,圍巖穩(wěn)定性較差,彈性波速4.9 km/s左右,單軸抗壓強度82~109 MPa,埋深超過1 600 m,受較高的地應力場和交叉切割的作用,極易發(fā)生圍巖松弛坍塌等現(xiàn)象。從而導致TBM掘進機卡機的事故。

        如隧道左線TBM機在掘進至DK148+178里程時,由于圍巖節(jié)理發(fā)育,圍巖完整性較差,圍巖開始出現(xiàn)連續(xù)掉塊、塌落現(xiàn)象,造成TBM機掘進速度減緩,支護難度增大。當隧道掘進至DK148+200里程時,隧道左上拱頂出現(xiàn)較大連續(xù)坍塌,坍塌部位最大深度約4 m,環(huán)向長約6 m,并隨圍巖暴露時間增加而持續(xù)坍塌掉塊,且裂隙水較發(fā)育,總長度約9 m。同時TBM機護盾后側(cè)支護開始發(fā)生較大變形,拱架侵限現(xiàn)象嚴重,最終造成TBM機護盾被卡而停機。

        針對地質(zhì)因素所引起的隧道圍巖坍塌或圍巖變形過大,最有效的解決措施就是圍巖注漿。鑒于目前我國TBM施工隧道較少,其相關(guān)圍巖注漿技術(shù)也未有成熟經(jīng)驗可循,因此,為防止中天山隧道節(jié)理密集段圍巖坍塌或軟巖段變形過大,避免再次發(fā)生卡機事故,以提高中天山隧道施工效率,特對中天山隧道圍巖注漿技術(shù)進行了相關(guān)研究。內(nèi)容主要包括注漿材料、注漿設備、注漿工藝、注漿效果等。

        1 注漿材料選擇

        為選取合適的注漿材料,現(xiàn)場分別針對3種注漿材料進行了試驗研究,3種注漿材料分別為普通硅酸鹽水泥單液漿(P.O32.5R)、普通硅酸鹽水泥(P.O32.5R)—水玻璃雙液漿、新型杰夫萊雙組分化學漿液。各種注漿材料的試驗配比如表1。

        表1 各種注漿材料試驗配合比

        針對上述選取的注漿材料,對其相關(guān)性能進行測試,測試項目主要包括流變性、凝結(jié)時間、結(jié)石抗壓強度等。

        通過試驗對上述各種材料性能測試指標進行匯總,結(jié)果如表2。

        從表2可知,與其它注漿材料相比,新型化學漿液具有流動性好、凝結(jié)時間可調(diào),強度增長快,最終強度高等優(yōu)點,更加適合中天山隧道圍巖注漿要求,故可采用新型化學漿液進行。

        表2 各注漿材料測試指標性能匯總

        2 注漿設備

        新型化學注漿設備為專用的3ZBQS-12/20氣動注漿泵。此設備施工操作簡便易行,可以實現(xiàn)自動封孔技術(shù)。注漿施工時使用人力較少,一般注漿操作3人便可進行,節(jié)省人力資源。施工設備輕便(140 kg),配套的注漿泵為固定進料配比(1∶1體積比),自動混料和輸出,輸出壓力20 MPa以上,輸出流量最大12 L/min;基本參數(shù)如表3。此設備注漿操作簡單,分別向兩組分材料桶中插入吸料管,連接好出料管路,開啟進氣閥門便可注漿,只要施工位置有氣動風源,施工準備時間僅需要15 min,施工速度快。

        專業(yè)設計的灌注施工配件,封孔不必安裝閥門、澆筑或安裝注射嘴等,換孔便捷,打孔完畢即可注漿無需等待??蓪崿F(xiàn)準確計量,不用現(xiàn)場復雜配料,科學性、規(guī)范性強。配套技術(shù)先進成熟。

        表3 氣動注漿泵基本參數(shù)

        3 注漿工藝

        3.1 施工工藝流程

        現(xiàn)場施工采用超前自進式錨桿注化學漿液施工,其施工工藝流程如圖1所示。

        3.2 施工方法

        3.2.1 鉆孔

        在TBM刀盤隔倉內(nèi)搭設簡易作業(yè)架,利用刮渣孔空間,對掌子面前方圍巖進行鉆孔。鉆孔采用風動鑿巖機施鉆,外插角為20°,偏差不超過3°,鉆孔深度為3 m。其斷面布置如圖2所示。

        圖1 超前自進式錨桿注化學漿液施工工藝流程

        圖2 TBM超前注漿錨桿施作示意

        鉆桿采用φ25 mm自進式注漿錨桿,其同時作為注漿管,由于刀盤內(nèi)作業(yè)空間狹小,鉆桿長度不易過長,因而選用單節(jié)長1 m的注漿錨桿,采用聯(lián)結(jié)套連接套打。即第一節(jié)前端套上鉆頭,當一節(jié)錨桿鉆進后,在其尾部套上聯(lián)結(jié)套連接后一節(jié)錨桿,直到每根錨桿鉆到需要長度。注漿錨桿樣式如圖3所示。

        圖3 超前自進式注漿錨桿大樣

        3.2.2 注漿

        通過快速注漿接頭將錨桿尾端與注漿泵相連,注漿泵采用配套的專用于化學漿液的氣動注漿泵,漿液按照化學漿液配比要求(A、B兩類材料按1∶1配合)現(xiàn)場進行配制,注漿壓力根據(jù)TBM刀盤前面掌子面漿液滲透情況確定,一般為2~4 MPa?;瘜W注漿示意如圖4。

        圖4 化學注漿示意

        4 注漿效果

        現(xiàn)場使用過程中能清楚地感知到,新型化學漿液具有滲透性強、固結(jié)時間快等特點。在注漿前的試驗中,試驗檢測出在40 s時間,漿液出現(xiàn)固結(jié)。在1個注漿孔注漿,2 m外的裂隙中有漿液滲出,并在適當?shù)乜刂谱{壓力后,溢出裂隙的漿液能快速固結(jié),不會出現(xiàn)大面積的漿液滲出現(xiàn)象?,F(xiàn)場注漿后的效果如圖5所示。

        圖5 新型化學注漿使用效果照片

        根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)統(tǒng)計,一般每分鐘注漿量在5~8 kg,拱部90°范圍一循環(huán)注漿時間為3~5 h,拱部150°范圍一循環(huán)注漿時間為5~7 h。注漿完成后,即可進行TBM掘進,此時推力能達到90 MPa,且皮帶出渣中,所含大石塊數(shù)量減少,掌子面也未出現(xiàn)大面積坍塌,且周邊掉塊也有明顯減少,以致圍巖支護及仰拱塊鋪設清渣等作業(yè)工程量隨之減少,TBM作業(yè)效率有了明顯提高。再加上徑向注漿對圍巖的二次加固,圍巖收斂變形得到了有效的控制,各工序可正常開展,TBM掘進進度有了大幅提升,在花崗巖節(jié)理密集帶月進度由原來15~60 m/月提升到120 m/月以上。

        5 結(jié)論與建議

        通過上述研究可知,新型化學漿液具有流動性好、凝結(jié)時間可調(diào)、強度增長快、最終強度高等優(yōu)點,因此與其它注漿材料如普通水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿相比,更加適合中天山隧道安全快速施工要求。

        通過中天山隧道采用新型化學漿液注漿實踐表明,節(jié)理密集帶處經(jīng)注漿后,效果良好,其施工進度由原來15~60 m/月提升到120 m/月以上,達到了預期目標。

        但需要指出的是,新型化學漿液價格較為昂貴,因此可對其它注漿材料的適用性情況進行更深一步研究,以提高隧道圍巖注漿的經(jīng)濟性。

        [1]黃海.中天山隧道深鉆孔及孔內(nèi)綜合測試研究[J].北方交通,2010(5):140-142.

        [2]黃海.中天山隧道地應力測量及巖爆預測研究[J].國防交通工程與技術(shù),2011(5):45-48.

        [3]朵生君.中天山隧道大埋深高水壓節(jié)理密集帶涌水處理[J].鐵道標準設計,2013(6):101-104.

        [4]楊文國,王才高,付廷達.秀山隧道(出口)防涌水突砂施工配套技術(shù)[J].鐵道建筑,2011(6):78-80.

        [5]肖永忠.采用復合內(nèi)襯壁后注漿法加固既有線隧道施工[J].鐵道建筑,2013(3):58-60.

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