涂富強(qiáng)

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管棚結(jié)合局部帷幕注漿穿越隧道破碎帶施工技術(shù)

涂富強(qiáng)

中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司

摘 要：本文介紹了某隧道施工在通過(guò)某斷層松散塊狀破碎帶時(shí)，采用管棚為主，超前局部帷幕注漿為輔，兩者結(jié)合的施工工藝成功穿越了該地質(zhì)斷層帶。該施工方法減少了注漿量，并利用了跟管管棚一次成孔的優(yōu)點(diǎn)，降低了作業(yè)成本，減少了施工工序，加快了施工進(jìn)度，得到了很好的技術(shù)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：隧道；帷幕注漿；管棚；鉆孔；注漿

1.工程簡(jiǎn)介

新建贛龍鐵路復(fù)線工程觀音山隧道全長(zhǎng)4778m，位于贛縣江口鎮(zhèn)、吉埠鎮(zhèn)范圍內(nèi)，觀音山隧道進(jìn)口洞口里程為DK31+470，地處贛縣江口鎮(zhèn)，在里程DK31+769～DK31+812段圍巖為原設(shè)計(jì)F1斷層影響帶，處于溝谷，埋深62m，上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖至DK31+797時(shí)，開(kāi)挖揭示巖層為松散塊狀破碎帶，巖石破碎，巖塊間隙大，類似由碎巖塊堆積而成，涌水較大，巖性為寒武系中統(tǒng)（∈2）變質(zhì)砂巖夾板巖，青灰色，弱風(fēng)化，厚層狀構(gòu)造。采用TSP-203對(duì)掌子面前方地質(zhì)進(jìn)行長(zhǎng)距離超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，再結(jié)合超前地質(zhì)鉆和地表探孔進(jìn)行鉆探取芯驗(yàn)證，破碎帶長(zhǎng)度43m，開(kāi)挖施工時(shí)易塌方、突水突泥，施工難度極大。

2.施工方案的選擇

在穿越隧道不良地質(zhì)斷層帶時(shí)最合理的施工方法有地表預(yù)注漿加固法、超前帷幕注漿法和長(zhǎng)管棚法。因該段隧道埋深較大，如采用地表預(yù)注漿加固法，無(wú)疑效率底，成本高。超前帷幕注漿具有可靠、高效的優(yōu)點(diǎn)，但要保證施工效果，至少要施工105個(gè)孔，絕大部分孔要采用前進(jìn)式注漿，施工時(shí)各種工序投入量大 ，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)。洞身管棚具有施工快、安全性高、工期短等優(yōu)點(diǎn)，但在堆積巖塊內(nèi)鉆進(jìn)容易卡鉆，難以成孔，并且采用雙液注漿時(shí)容易堵管，注漿效果難以保證。為了能安全、順利、快速的穿過(guò)DK31+769～DK31+815斷層影響帶，將超前帷幕注漿和管棚法優(yōu)化結(jié)合使用，并分3個(gè)循環(huán)進(jìn)行施工，每個(gè)循環(huán)長(zhǎng)度20m。

2.1超前帷幕注漿方案優(yōu)化

全斷面帷幕注漿鉆孔多，每個(gè)孔的外插角不一樣，而且要求注漿孔有效擴(kuò)散半徑2.5m，施工難度大。根據(jù)掌子面地質(zhì)分析，只要保證隧道拱部的圍巖穩(wěn)定，把拱部圍巖加固加強(qiáng)，再采用合適的開(kāi)挖方法就能成功穿越該斷層影響帶。在此采用超前帷幕注漿，只需將隧道拱部周邊圍巖進(jìn)行預(yù)加固，并在管棚施工的下方形成半封閉截水圈，為管棚施工創(chuàng)造條件即可。施工中項(xiàng)目部對(duì)超前帷幕注漿進(jìn)行優(yōu)化，在開(kāi)挖輪廓線以內(nèi)水平鉆孔，成孔后采用后退式注雙液漿，快速對(duì)開(kāi)挖輪廓線周邊圍巖加固并形成半封閉截水圈，以保障管棚鉆孔的順利實(shí)施和防止管棚漿液流失。

通過(guò)以上優(yōu)化，采用超前局部帷幕注漿，避開(kāi)了全斷面帷幕注漿施工難度大，耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，降低了整個(gè)施工成本和工期。

2.2管棚施工工藝的優(yōu)化

在破碎帶中施工管棚，最常見(jiàn)的問(wèn)題就是卡鉆，雖然施工管棚前已采用超前局部帷幕注漿對(duì)開(kāi)挖輪廓線附近的巖體進(jìn)行了加固，但是在鉆機(jī)鉆頭強(qiáng)大的沖擊作用下，部分巖塊容易產(chǎn)生松動(dòng)，如采用先打孔，后送管的施工工藝，容易形成卡管現(xiàn)象。為了避免這個(gè)問(wèn)題出現(xiàn)，施工中采用了根管施工工藝。跟管工藝采用兩個(gè)鉆頭施工，內(nèi)鉆頭沖擊圍巖鉆進(jìn)，外鉆頭連接管棚同步跟進(jìn)，使用高壓風(fēng)和少量高壓水將鉆渣從管棚內(nèi)部排出。成孔后將內(nèi)鉆頭鉆桿從管棚中間退出，無(wú)需再進(jìn)行清空送管，即保證了管棚的成孔率，又節(jié)約了頂管的時(shí)間。

3.超前局部帷幕注漿施工方案

3.1孔位布置

在拱部150°距開(kāi)挖輪廓線內(nèi)50cm布置一圈注漿孔，孔距50cm，孔數(shù)41個(gè)，孔徑Φ110，水平孔，孔深23m，每環(huán)搭接3米，施工3循環(huán)，如下圖1和圖2所示。

3.2鉆孔

在滿足注漿要求的前提下，帷幕注漿孔可選用較小的鉆頭，以節(jié)約鉆孔時(shí)間，施工中使用Φ110鉆頭一次成孔。鉆孔時(shí)作好鉆孔記錄，包括孔號(hào)、進(jìn)尺、起止時(shí)間、巖石裂隙發(fā)育情況、出現(xiàn)涌水位置、涌水量和涌水壓力。鉆進(jìn)時(shí)盡量使用球齒摩擦鉆頭旋轉(zhuǎn)摩擦鉆進(jìn)，牢固巖石部分采用風(fēng)動(dòng)沖擊鉆進(jìn)，避免出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

3.3注漿

3.3.1注漿材料

帷幕注漿孔注漿的目的是快速對(duì)開(kāi)挖輪廓線周邊圍巖加固并形成半封閉截水圈，以保障管棚鉆孔的順利實(shí)施和防止管棚漿液流失，因此注漿采用水泥-水玻璃漿液最適合，水泥-水玻璃漿液具有如下優(yōu)點(diǎn)：凝結(jié)時(shí)間可控制在幾秒到幾分鐘范圍內(nèi)；材料豐富，價(jià)格便宜；在動(dòng)水條件下注漿，被水沖走、稀釋的程度小，堵水效果明顯；漿液結(jié)石率高達(dá)100%，結(jié)石體強(qiáng)度高，可達(dá)10～20Mpa；結(jié)石體的滲透系數(shù)為10-3cm/s，防滲性能較好；對(duì)地下水和環(huán)境無(wú)污染。

3.3.2漿液配合比：水灰比為1∶1～0.8∶1；漿液比為1∶1；水玻璃濃度控制在30°Be′～35°Be′，模數(shù)2～3。

圖1、止?jié){環(huán)和管棚孔位圖

圖2、止?jié){環(huán)和管棚縱斷面圖

3.3.3注漿方法

該地質(zhì)圍巖松散松動(dòng)，如采用前進(jìn)式注漿耗時(shí)較多，工序繁雜?，F(xiàn)場(chǎng)采用鉆桿后退式注漿，分段長(zhǎng)度1-2m。施工時(shí)注漿孔一次性成孔，成1根注一根。

雙液注漿最容易產(chǎn)生的問(wèn)題是漿液容易在注漿管內(nèi)凝結(jié)堵管，施工中采用的鉆桿為雙層鉆桿，通過(guò)注漿管將水泥漿和水玻璃漿分別送到雙層鉆桿內(nèi)，漿液通過(guò)內(nèi)外層流至鉆桿端頭，從噴槍中噴出之后通過(guò)鉆桿旋轉(zhuǎn)立即在地層中混合，先充填鉆桿和孔壁之間的空隙，然后再滲透到巖層中，如下圖3和圖4所示。

圖3、雙層管鉆桿后退注漿法示意圖 圖4、鉆桿端頭噴槍大樣圖

3.3.4注漿參數(shù)

注漿壓力：1～2MPa，；雙液漿膠凝時(shí)間：經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，膠凝時(shí)間控制在60～90s，孔間距為50cm，只需保證漿液擴(kuò)散半徑37.5cm即可。施工順序由兩側(cè)底部向拱部施工。

4.跟管管棚施工方案

4.1管棚施工參數(shù)

1）鋼管規(guī)格：外徑121mm，壁厚6mm；2）管距：環(huán)向間距40cm；3）傾角：外插角2～4°為宜，可根據(jù)實(shí)際情況作調(diào)整，盡量減小角度；④設(shè)置范圍：拱部150°范圍；⑤長(zhǎng)度與根數(shù)：23m，根數(shù)49根，施工3循環(huán)。管棚布置圖如圖1和圖2所示。

4.2無(wú)管棚工作室施工

1）常規(guī)洞身大管棚施工時(shí)需要為鉆機(jī)設(shè)備預(yù)留操作空間50-80cm，使管棚打設(shè)在隧道開(kāi)挖輪廓線外面，以防止管棚侵限。而開(kāi)挖工作室在不良地質(zhì)附近出現(xiàn)大變形等事故的風(fēng)險(xiǎn)幾率非常高，有些掌子面突發(fā)事件必須要施工管棚時(shí)又沒(méi)有條件開(kāi)挖工作室。根據(jù)這種情況，既要保證管棚設(shè)備有操作空間不侵限又要保證不需要擴(kuò)挖工作室增加風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)與一些老師傅研究和以往經(jīng)驗(yàn)，使用開(kāi)孔器鉆孔充當(dāng)導(dǎo)向管的方法就可解決這一問(wèn)題。

導(dǎo)向孔開(kāi)孔采用自制φ150金剛石鉆頭開(kāi)孔器開(kāi)孔，將掌子面的初支和止?jié){墻鉆進(jìn)2m左右，將鋼架鉆透，直至沒(méi)有拱架位置，這樣就為管棚鉆機(jī)創(chuàng)造了良好施工環(huán)境，如下圖5和圖6所示。

圖5、φ150金剛石取芯鉆頭

圖6、導(dǎo)向孔施工

4.3 跟管管棚施工工藝

施工工藝見(jiàn)圖7所示

圖7、跟管管棚施工工藝流程圖

管棚施工先施工奇數(shù)孔再施工偶數(shù)孔，施工順序是由兩邊拱腳向中間。為了避免鋼管同步搭接，Φ121*6無(wú)縫鋼管分4.5米和3米兩種規(guī)格， 4.5米的為主管，3米的用于錯(cuò)開(kāi)相鄰兩條管的接頭，每條管一端為外絲口，另一端為內(nèi)絲口，采用矩形螺絲，絲扣長(zhǎng)度≥50mm；管棚注漿段管壁四周鉆φ10mm注漿孔，注漿孔間距15cm，每環(huán)一對(duì)，交錯(cuò)布置。

4.4 管棚注漿

管棚的注漿材料及注漿參數(shù)為：灌注漿液為水泥漿；水泥漿配合比為1：1（質(zhì)量比）；注漿壓力：初壓0.5～1.0MP，終壓1～1.5MP，壓力逐漸由小加大。

注漿原則：奇數(shù)孔快，偶數(shù)孔慢，這樣有利于漿液在有效區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散；注漿量、壓力控制原則是先控量，后控壓，即奇數(shù)孔以定量為原則，偶數(shù)孔以壓力控制為先決；隔孔跳孔施工，互為檢查孔原則，即偶數(shù)孔施工時(shí)通過(guò)鉆孔情況，判斷奇數(shù)孔注漿效果。

管棚注漿結(jié)束后，再對(duì)每個(gè)孔進(jìn)行補(bǔ)注漿一次，保證管棚注漿效果。

5.施工效果的檢驗(yàn)

管棚注漿結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注漿效果進(jìn)行了檢查，采用了鉆孔取芯和壓水試驗(yàn)的方法，結(jié)果都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，下圖8和圖9為掌子面開(kāi)挖后的照片。根據(jù)圖片顯示，管棚的數(shù)量、角度和注漿效果都非常理想，比各種注漿效果檢查更有說(shuō)服力。

圖8

圖9

6.結(jié)束語(yǔ)

在隧道松散塊狀破碎帶地層中使用局部帷幕注漿封堵拱圈巖層空隙，再結(jié)合大管棚注漿施工來(lái)加固拱部地層的方法成功穿越了隧道松散塊狀破碎帶，此方法利用了帷幕注漿的特點(diǎn)和大管棚的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)施工，是一次非常成功的案例，而且在施工中又使用了雙層鉆桿后退式注漿法和無(wú)管棚工作室導(dǎo)向孔施工法的新技術(shù)，使本次施工更加順利，節(jié)約了大量的金錢和時(shí)間，產(chǎn)生了良好的社會(huì)效益，為今后類似的工程提供了非常寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

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作者簡(jiǎn)介：

涂富強(qiáng)，男，生于1982年，工程師。