李 彬, 羅發(fā)勝, 肖海苑
(保利長大工程有限公司, 廣州 511400)
隨著我國高速公路不斷向山區(qū)發(fā)展,山嶺隧道的長度和埋深不斷有新的突破,特長隧道往往是項(xiàng)目的控制性工程,隧道在開挖過程中隨著埋深的不斷增加,加之地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,尤其是在富水地層,難免會(huì)遇到突涌水情況[1],如何成功穿越高壓涌水段落,是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和保障項(xiàng)目順利通車的重要因素,也是急需解決的技術(shù)難題。
超前帷幕注漿技術(shù)其本質(zhì)就是通過對破碎帶內(nèi)的孔隙、裂隙壓注水泥漿,使之在隧道開挖輪廓線外形成一個(gè)加固圈,將承壓水排擠在加固圈外,減少后期滲漏水處理難度和處理費(fèi)用,并加固圍巖,減小后期開挖、支護(hù)過程中的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。隨著注漿技術(shù)的不斷發(fā)展和更新,很多學(xué)者有了更深的研究。汪綱領(lǐng)[2]依托大瑤山隧道對超前帷幕預(yù)注漿的理論和施工工藝進(jìn)行了介紹;李術(shù)才等[3]對隧道突涌水機(jī)理與治理進(jìn)行了深入的研究;康志鵬等[4]提出了超前帷幕注漿、局部注漿、徑向注漿3種方式的對比;楊云等[5]依托廈門過海隧道優(yōu)化了超前帷幕注漿設(shè)計(jì)方案;張民慶等[6]比較了全斷面帷幕注漿、帶水作業(yè)、周邊注漿的施工效率和效果;鄧川[7]依托中天山隧道對帷幕注漿范圍、止?jié){墻計(jì)算、注漿方式及參數(shù)進(jìn)行了介紹;唐亮[8]探討了水平冷凍技術(shù)在富水淺埋隧道中的應(yīng)用。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn),一般隧道堵水注漿施工較為常見,技術(shù)應(yīng)用也相對成熟,但對大于4 MPa的高壓涌水在廣東省內(nèi)屬首次出現(xiàn),在全國也不多見,這方面的應(yīng)用實(shí)例也不多見。未來我國深埋特長隧道將越來越多,環(huán)保與水保要求也越來越嚴(yán)格,因此針對高壓涌水注漿堵水技術(shù)的研究愈發(fā)重要。本文以在建隧道高壓涌水全斷面超前帷幕注漿施工為例,結(jié)合已有的研究成果和施工經(jīng)驗(yàn),介紹了高壓涌水寬張斷層裂隙帶地層注漿堵水的相關(guān)技術(shù),并在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果,以期給類似高壓涌水隧道的注漿堵水施工提供參考。
某隧道位于梅州市豐順縣與五華縣交界地段,為雙向4車道分離式隧道,設(shè)計(jì)車速為100 km/h。隧道右洞長6 350 m,左洞長6 336 m,最大埋深739.9 m,為廣東省第二長公路隧道。右線隧道開挖至K91+169進(jìn)行超前探水遇高壓涌水,最大涌水量為1 650 m3/h,靜水壓力為4.3 MPa;左線隧道開挖至ZK91+163進(jìn)行超前探水遇高壓涌水,最大涌水量為1 050 m3/h,靜水壓力為4.8 MPa。超前探孔(Φ130 mm)出水呈霧狀噴射,噴射距離約為17 m,如圖1所示。
圖1 隧道高壓涌水情況
勘察地質(zhì)資料顯示,隧道穿越蓮花山斷裂帶、蓮花山斷裂伴生北西向斷裂、桐子洋復(fù)向斜褶皺影響帶,隧道開挖至K91+169(ZK91+163)受F4-5和 F2-6斷層破碎帶影響,出現(xiàn)高壓涌水。其中F4-5斷層為張性正斷層,斷裂面不規(guī)則,多呈陡直狀,傾向多變有扭轉(zhuǎn),斷層組成物主要為斷層角礫巖,局部見塊狀石英脈、碎裂巖、硅化破碎火山巖等。F2-6斷層硅化帶裂面不規(guī)整,整體為北東走向(約25°),傾向南東114°,傾角83°,南西段傾向扭轉(zhuǎn)為北西,傾角86°,屬張扭性斷層,影響帶寬約6 m~15 m,斷層組成物為塊狀石英脈、碎裂巖等。
根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料,隧道K91+000~K91+300段左側(cè)約440 m~550 m為飛泉水庫,該水庫壩底高程約為686 m,最大蓄水深度約32 m,最大庫容約為25×104m3。水源主要來源于上游溪溝的地表水。該段隧道設(shè)計(jì)高程約為270 m~277 m,高程差約440 m。連通試驗(yàn)也證明了飛泉水庫與鉆孔XSZK21 之間存在明顯的導(dǎo)水通道。飛泉水庫與XSZK21及隧道空間關(guān)系示意如圖2所示。
圖2 飛泉水庫與水文鉆孔XSZK21及隧道空間關(guān)系示意
針對隧道穿越高壓涌水破碎帶地層,為確保施工安全,考慮生態(tài)環(huán)境保護(hù)和隧道長期運(yùn)營安全,隧道左、右線涌水遵循“以堵為主、排堵結(jié)合、限量排放”的處治原則,對右線(K91+169~K91+245)、左線(ZK91+163~ZK91+235)段落采用全斷面超前帷幕預(yù)注漿方案[9-13]。
注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示,注漿設(shè)計(jì)示意如圖3所示。
表1 全斷面高壓帷幕注漿設(shè)計(jì)參數(shù)[14-15]
2.2.1 施工準(zhǔn)備
1) 注漿材料備料
考慮到注漿材料用量大,且不可預(yù)估,現(xiàn)場應(yīng)提前準(zhǔn)備充足的注漿材料,同時(shí)和材料供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)調(diào),保證及時(shí)供應(yīng)。
2) 消耗性材料備料
(1) 孔口管、堵頭板:提前加工好30~40根孔口管以及配套的堵頭板。
(2) 高壓閘閥、球閥、法蘭盤、鋼墊片按每孔一套準(zhǔn)備。
(3) 鉆桿:Φ76 mm鉆桿2.0 m×30根,配套用的連接絲扣40個(gè)。
(4) 沖擊器:Φ98 mm 2個(gè),Φ79 mm 2個(gè)。
(5) 鉆頭:Φ130 mm 6個(gè),Φ90 mm 60個(gè)。
(6) 風(fēng)管、電纜、水管引至注漿站。
3) 機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)
對施工所需的主要設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù),如鉆孔設(shè)備、空壓機(jī)、注漿機(jī)、攪拌機(jī)等。
2.2.2 施工工藝流程
超前帷幕預(yù)注漿施工工藝流程如圖4所示。
2.2.3 注漿材料參數(shù)試驗(yàn)及選擇
注漿材料采用普通硅酸鹽水泥單液漿+HPC為主,水泥水玻璃雙液漿為輔。
1) 單液漿+HPC
試驗(yàn)情況如表2、圖5所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明,水灰比1∶1,添加18%的HPC的普通硅酸鹽水泥結(jié)石率最高,達(dá)到99.6%,強(qiáng)度也明顯增高,最終選取第3組試驗(yàn)配合比參數(shù)。
2) 雙液漿
雙液漿由水泥漿(水灰比1∶1)+水玻璃(35波美度,模數(shù)為2.83)組成,試驗(yàn)情況如表3、圖6所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明,體積比為1∶3時(shí)膠凝時(shí)間最短,體積比為1∶1時(shí)終凝時(shí)間最短,最終選取第4組試驗(yàn)配合比參數(shù)。
2.2.4 突水孔引水
接好導(dǎo)水管,將水從導(dǎo)水管全部導(dǎo)出,是封堵突水的技術(shù)關(guān)鍵。在突水孔位置頂水安裝Φ108 mm導(dǎo)水管,導(dǎo)水管長度約2 m,用添加HPC的膠泥封管,注漿管周邊套絲,通過接管方式將水引致施工平臺外,外端安裝法蘭盤及Φ100 mm高壓閘閥,并保持閘閥敞開,如圖7所示。
2.2.5 止?jié){墻施工
止?jié){墻采用C30混凝土澆筑,厚2 m,周邊施作3 m長錨桿,錨桿嵌入止?jié){墻50 cm,澆筑完成后需在止?jié){墻拱部60°范圍內(nèi)采用風(fēng)槍鉆孔安設(shè)Φ42 mm小導(dǎo)管,并進(jìn)行注漿錨固。錨固完成后在止?jié){墻面上打設(shè)約30個(gè)孔口管,通過掃孔注漿將止?jié){墻與前方10 m的圍巖聯(lián)成整體,全部加固后,再進(jìn)行關(guān)水測壓工作[16-17]。
2.2.6 孔口管制作與安裝
孔口管采用Φ108 mm、δ=6 mm無縫鋼管加工,
(a) 帷幕注漿
(b) 帷幕注漿開孔
圖4 超前帷幕預(yù)注漿施工工藝流程
其外側(cè)采用Φ6 mm盤條焊接3道保護(hù)箍,外壁纏繞50 cm~80 cm長的麻絲成紡錘型,如圖8所示??卓诠懿捎勉@機(jī)沖擊安設(shè),外露20 cm,采用水泥漿(添加HPC)錨固以保證孔口管安設(shè)牢固不漏漿,待凝12 h以上再進(jìn)行下一步鉆孔。
2.2.7 鉆孔
采用德國寶峨KR805-2多功能地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔,先按照設(shè)計(jì)給定孔位的坐標(biāo)進(jìn)行放樣,并用油漆標(biāo)注開孔編號,再通過調(diào)整鉆桿的角度來控制鉆孔方向。
2.2.8 注漿
在止?jié){墻后方約30 m位置布置注漿站,漿液攪拌時(shí)間不少于120 s,并確保漿液均勻。注漿終壓為水壓的2~3倍,可根據(jù)具體情況調(diào)整。
2.2.9 前進(jìn)式注漿鉆孔分段原則
水量在0~10 m3/h時(shí),鉆孔10 m后進(jìn)行注漿;水量在10 m3/~30 m3/h時(shí),鉆孔5 m后進(jìn)行注漿;水量大于30 m3/h或因鉆孔孔內(nèi)水壓超過鉆桿風(fēng)壓(2 MPa),鉆機(jī)無法鉆進(jìn)時(shí),立即停止鉆進(jìn),實(shí)施注漿[18]。
2.2.10 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)
實(shí)行注漿壓力和注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最低值后,若注漿速度大于30 L/min,則繼續(xù)注漿,注漿壓力可適當(dāng)提高;若注漿速度小于30 L/min,則注漿結(jié)束。
表2 HPC參配比例試驗(yàn)記錄
受水泥漿液固結(jié)收縮的影響,帷幕注漿完成后,隧道洞內(nèi)仍會(huì)出現(xiàn)大面積淋雨和滲漏水情況,為此,通過以下2種方式提高圍巖裂隙漿液填充效果和改善隧道開挖后圍巖滲漏水現(xiàn)象。
1) 添加HPC外加劑縮短水泥漿初凝時(shí)間,提高結(jié)石率。
2) 加大注漿壓力,使原有裂隙有所擴(kuò)大,注漿后擴(kuò)大的裂隙回縮,能使裂隙完全封閉,對漿液的排水固結(jié)特別有效。
本次全斷面超前帷幕預(yù)注漿共設(shè)計(jì)有165個(gè)注漿孔+1個(gè)引水孔,縱向加固長度為40 m(右洞第一循環(huán)為41 m),鉆孔、掃孔工程量大,帷幕注漿布孔完成后情況如圖9所示,采取以下3種方式可提高掃孔效率。
(a) 結(jié)石率曲線
(b) 強(qiáng)度曲線
(c) 初凝時(shí)間曲線
(d) 終凝時(shí)間曲線
表3 水玻璃參配比例試驗(yàn)記錄
(a) 膠凝時(shí)間曲線
(b) 終凝時(shí)間曲線
圖7 突水孔引水
圖8 孔口管
圖9 帷幕注漿完成后的情況
1) 優(yōu)化終孔順序
注漿順序按“由深到淺、由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進(jìn)行,并根據(jù)鉆孔以及圍巖情況作適當(dāng)調(diào)整。具體順序由圖4(a)上原來的A號→B號→C號→D號→E號→F號→G號調(diào)整為D號→E號→A號→B號→C號→F號→G號。將鉆孔遇高壓涌水的概率集中在D號和E號孔,減少其余孔處理高壓涌水的次數(shù),從而減少掃孔次數(shù),加快施工進(jìn)度。
2) 調(diào)整鉆孔分段長度
根據(jù)現(xiàn)場情況可對前進(jìn)式注漿鉆孔分段長度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,按照以上終孔順序,水量在大于30 m3/h或因鉆孔孔內(nèi)水壓超過鉆桿風(fēng)壓(2 MPa),鉆機(jī)無法鉆進(jìn)時(shí),立即停止鉆進(jìn),實(shí)施注漿,否則將繼續(xù)鉆進(jìn)直至孔底后注漿。
3) 改善鉆孔設(shè)備配置
(1) 采用高頻快沖沖擊器。
(2) 更換合金鉆頭,由原來的球齒型鉆頭更換為尖牙型鉆頭,可以提升鉆孔效率30%。
1) 堵管:雙液漿膠凝時(shí)間短,注漿時(shí)容易發(fā)生堵管,可通過在堵頭板處安裝2個(gè)注漿閥門,將水泥漿和水玻璃匯合的位置由管道匯合變?yōu)檎谱用鎯?nèi)部匯合。
2) 串漿:若A孔注漿,B孔串漿,則在A孔注單液漿,B孔注雙液漿,使單液漿、雙液漿在B孔孔口位置匯合,匯合區(qū)的水泥-水玻璃體積比由1∶1稀釋為3∶1,可縮短雙液漿的膠凝時(shí)間,達(dá)到快速封堵B孔孔口的目的。
3) 單孔漏漿:由于止?jié){墻的施工縫、止?jié){墻與巖壁的裂隙、附近巖盤破碎及裂隙發(fā)育,在高壓漿液(大于5 MPa時(shí))的作用下導(dǎo)致各種縫隙有所張開,從而引發(fā)漏漿。通過在該孔內(nèi)放入2根套管,1根深入孔底注單液漿,1根深入掌子面前方5 m~10 m注雙液漿,使單液漿和雙液漿在孔口匯合,稀釋雙液漿體積比,快速封堵孔口防止漏漿;或者可采用放置1根套管至孔底,直接注雙液漿,將孔底封堵后再重新掃孔,采用前進(jìn)式注漿再次進(jìn)行注漿處理。
4) 孔口嚴(yán)重滲漏水:首先將Φ50套管深入孔底將水引出,再插入Φ32套管約8 m進(jìn)行雙液漿注漿,待孔口漿液膠凝后再進(jìn)行該孔注漿。
5) 間歇性注漿技術(shù):發(fā)生串漿、漏漿時(shí),使?jié){液在巖層裂隙中有相對停留時(shí)間,以便凝膠,但停注時(shí)間不能超過漿液凝膠時(shí)間。
6) 當(dāng)遇到水壓較大、裂隙發(fā)育段落,長時(shí)間單液漿注入后不能及時(shí)凝結(jié)時(shí),可采用水泥水玻璃雙液漿,待注漿壓力上升后切換為單液漿。
為檢驗(yàn)注漿效果和保證隧道安全開挖,每循環(huán)在注漿過程中發(fā)現(xiàn)的地層薄弱部位設(shè)置3個(gè)檢查孔檢查出水量,如表4所示。
表4 檢查孔出水量
隧道開挖后,寬張裂隙被有效填充,注漿堵水效果良好,僅局部出現(xiàn)滲滴水,實(shí)現(xiàn)了高壓涌水寬張斷層裂隙帶的安全施工,證明單孔出水量小于15 L/min,孔內(nèi)涌水量小于0.5 L/min·m,開挖是安全的。
隧道止水效果良好,開挖面漿脈清晰、漿液填充飽滿密實(shí),效果如圖10所示。
圖10 隧道裂隙漿液填充效果照片
1) 隧道穿越高壓涌水寬張裂隙帶注漿施工,采用了止水墻止水技術(shù)、水泥漿+HPC單液漿注漿技術(shù)、水泥-水玻璃雙液漿注漿技術(shù)、間隙注漿技術(shù)、超前帷幕預(yù)注漿技術(shù),在公路隧道穿越復(fù)雜水文地質(zhì)條件地層中,成功地封堵了高壓突水,實(shí)現(xiàn)了良好的注漿效果,總結(jié)了一套成熟的施工工藝,為以后同類隧道超前帷幕預(yù)注漿施工積累了成功經(jīng)驗(yàn)。
2) 通過總結(jié)一系列注漿常見問題的處理方案,按照注入單液漿(初凝時(shí)間42 min)、雙液漿(體積比1∶1,膠凝時(shí)間28 s)以及單、雙液漿同時(shí)注入(體積比1∶0.3,膠凝時(shí)間20 s)3種方式,調(diào)整水泥漿液與水玻璃的比例,控制漿液的膠凝時(shí)間,再通過漿液流動(dòng)的路徑長短和時(shí)間來選擇以上一種注漿方式,達(dá)到控制注漿的目的,提高施工效率,為今后類似高壓帷幕注漿堵水施工提供參考。
3) 止?jié){墻是超前帷幕注漿成敗的重要因素,應(yīng)重視止?jié){墻的設(shè)計(jì)厚度和施工質(zhì)量,確保安全有效。
4) 優(yōu)化后的注漿終孔順序和注漿分段長度以及鉆孔設(shè)備的改善,可大大提高總體掃孔的效率。