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        粘度時變漿材在巖溶地區(qū)公路隧道堵水中的應(yīng)用

        2020-05-18 11:05:26范明明袁進科
        黑龍江交通科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:掌子面助劑巖溶

        范明明,倪 濤,袁進科

        (成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

        1 工程概況

        銀百高速城口(陜渝界)至開縣段旗桿山隧道斜井位于重慶市城口縣境內(nèi),區(qū)內(nèi)高山縱橫,屬于中山構(gòu)造剝蝕地貌區(qū)。隧道區(qū)洞身地形陡峭,地表植被發(fā)育,主要以灌木叢林為主。并且,遂址區(qū)一帶有斷裂構(gòu)造,其走向與隧道走向斜交,夾角為71°~82°,斷層傾向為15°~26°。隧道全長1 860 m,最大埋深820 m,主要巖層為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r,風(fēng)化層厚度較大,巖體較為破碎,力學(xué)性質(zhì)差異大。其中,出現(xiàn)涌水問題的掌子面位于XK1+165m,為T1d2、T1d3灰?guī)r,中厚層狀構(gòu)造,巖質(zhì)較硬,呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu),巖溶中等發(fā)育,以巖溶溝槽為主,為中等透水中等富水巖組,地下水類型為碳酸鹽裂隙溶洞水。該掌子面于2019年3月13日出現(xiàn)涌水狀況,實測涌水壓力0.30~0.36 MPa,涌水量達(dá)到260~450 m3/h(6 000~10 000 m3/d),且涌水壓力一直未見減小,在注漿封堵加固前,由三臺型號為100WQ100-15-7.5的污水潛水泵持續(xù)往洞外排水。

        根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)、TSP、鉆探等手段獲得的超前地質(zhì)預(yù)報資料,掌子面及其前側(cè)皆以灰?guī)r為主,節(jié)理裂隙發(fā)育,此外,掌子面的左上方發(fā)育有一定規(guī)模的溶蝕空腔,局部裂隙充填有黃棕色黏土,掌子面前2~15 m范圍內(nèi)為巖溶集中發(fā)育區(qū),裂隙通道連通性較好。

        2 涌水原因分析

        (1)在斷層牽引的作用下,拱部圍巖體變得破碎,由中厚層狀構(gòu)造變成薄層狀構(gòu)造,層間夾有黃泥,遇水軟化,具有微膨脹性,造成軟硬相間,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。

        (2)遂址區(qū)地層以灰?guī)r為主,在具有侵蝕性的流水作用下,灰?guī)r被逐漸侵蝕,形成溶蝕裂隙通道,并具有較好的連通性。

        (3)該隧道突涌水地段處于高山底部,埋深近300 m,在地質(zhì)構(gòu)造及流水沖刷作用下,山體之間形成多條河流。在外界河流及雨季雨水的補給下,溶蝕裂隙中充滿著水體,當(dāng)掌子面出現(xiàn)鉆孔時,源源不斷的水匯集鉆孔中,從掌子面涌出。

        3 注漿堵水加固方案設(shè)計

        3.1 注漿堵水加固原理

        在壓力作用下,漿液以一定的方式被泵送到巖層裂隙中,發(fā)生凝結(jié)、固化,對裂隙產(chǎn)生封堵、加固作用。在本工程中,由于斷層破碎帶及溶蝕裂隙發(fā)育,溶蝕空腔內(nèi)部分充填黏土,擬采用以充填為主,滲透、劈裂為輔的聯(lián)合注漿方式進行治理。首先,漿液在壓力作用下,克服涌水壓力,向鉆孔周圍擴散,充填裂隙、空腔,并向破碎巖體中滲透,當(dāng)注漿壓力大于夾層泥的強度時,即產(chǎn)生劈裂作用,漿液進入泥層中,實現(xiàn)堵水加固效果。

        3.2 漿液設(shè)計

        施工方原設(shè)計使用水泥-水玻璃雙液注漿的治理方法,二者體積比1∶0.8,水灰比0.6,凝結(jié)時間為2 min,試驗孔共注漿80余方,但由于涌水壓力高、水量大,注入的漿液未能及時充填裂隙并凝結(jié),造成漿液流失量大,堵水加固效果不理想,大大增加治理成本。

        后改用為筆者團隊研制的粘度時變型漿液,該漿液是由1#、2#灌漿料、水泥及水按照一定的配合比配制而成,該灌漿料是由蓖齒篙、改性纖維以及硅鈣類無機物組成,具有摻量小、效果顯著等特征。配制成的漿液具有初始流動性好、凝結(jié)時間可控、早期強度高等優(yōu)點。其中1號助劑起“緩凝”作用,使水泥顆粒的水化作用更充分徹底;2#助劑主要是調(diào)節(jié)水泥水化的反應(yīng)速度和反應(yīng)程度。在實際應(yīng)用過程中,通過改變不同助劑摻量,調(diào)整漿液性能。依據(jù)掌子面涌水現(xiàn)狀及相關(guān)工程經(jīng)驗,確定粘度時變漿液配合比及基本性能如下表1所示。施工所用水泥為32.5#復(fù)合硅酸鹽水泥。

        表1 施工所用漿液配合比

        圖1 助劑1#對漿材基本性能的影響

        不同助劑摻量對漿液性能的影響如圖1、2所示。從圖中可以看出,當(dāng)2#助劑的摻量保持不變時(1.8%),隨著助劑1#的增加,漿液的流動性、可泵期以及初終凝時間均有所增加,但并非呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。而當(dāng)1#助劑摻量保持不變時(0.6%),隨著助劑2#的增加,漿液的流動性、可泵期以及初終凝時間均有所減小。在實際施工中,需要1#、2#助劑配合使用,以調(diào)整漿液的流動性及凝結(jié)時間,達(dá)到最好的效果。該堵水加固工程中,助劑1號的摻量為0.6%,助劑2#的摻量為2.2%,漿液的可泵期為10 min。

        圖2 助劑2#對漿材基本性能的影響

        3.3 注漿孔孔位布置

        依據(jù)掌子面實際地層概況,結(jié)合涌水現(xiàn)狀,采用“周密中疏、梅花型”的布孔原則,初步設(shè)計注漿孔35個,孔徑90 mm,孔深20 m,設(shè)計孔加固范圍為掌子面前方20 m,開挖輪廓線外5 m,因此,對于靠近輪廓線的孔,采用外傾角的設(shè)計,原則上傾角不大于25°,而對于掌子面中間的孔,孔距1.0~1.5 m。設(shè)計注漿堵水分別采用上、下傾角的設(shè)計,傾角不大于20°。

        3.4 注漿參數(shù)設(shè)計

        一般情況下,對于突涌水的巖溶地層,注漿量很難確定,可根據(jù)漿液擴散半徑、注漿壓力及巖層孔隙率等相關(guān)參數(shù)進行估算。計算公式如下:

        Q=πr2Hna(1+β)

        式中:Q—注漿量,m3;r—漿液擴散半徑,m,取1.0 m;H—注漿斷長度,m,取20 m;n—巖層裂隙率或巖溶率,取15%;a—有效灌注系數(shù),一般為0.6~1.0,取0.8;β—漿液的損耗系數(shù),一般取0.1~0.4,取0.2。

        按照上式估算得出單孔注漿量9 m3,總注漿量為315 m3,水泥使用量315 t。

        3.5 孔口密封裝置

        本工程采用自發(fā)研制的雙管雙路孔口密封裝置,該裝置可有效分離漿、水,減少流水對漿液的沖刷作用,保證其凝結(jié)效果,提高堵水加固效果。整個裝置結(jié)構(gòu)簡單,易于操作,主要有進漿管接頭、內(nèi)漿管、排水管、排水閥門及孔口壓力表組成。其中內(nèi)漿管與鉆孔內(nèi)注漿管相連,通過孔內(nèi)注漿管將漿液直接送到指定位置;排水管具有一定的錐度,提高與孔壁的貼合度,主要用來排除鉆孔內(nèi)的空氣和水體。在實際應(yīng)用中,可在其表面纏繞一定厚度的土工布并固定,重錘打入鉆孔中,實現(xiàn)孔口密封。

        3.6 注漿施工工藝

        超前注漿根據(jù)注漿方式分為一次性注漿和分段式注漿,分段式注漿又可分為前進式注漿和后退式注漿。該工程中鉆孔深20 m、孔徑90 mm,設(shè)計采用一次性灌注,而當(dāng)鉆孔內(nèi)出現(xiàn)巖溶裂隙發(fā)育或溶蝕空腔時,則采用前進式分段鉆進、分段注漿的方式進行堵水加固。

        施工工藝流程為:鉆孔定位→開孔→安裝空口密封裝置→壓水試驗→配制漿液→注漿→結(jié)束注漿→關(guān)閉孔口管,清洗注漿設(shè)備。

        3.7 結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn)

        采用兩項技術(shù)指標(biāo)控制注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn),一是最終注漿量,當(dāng)注漿量達(dá)到設(shè)計值時,即可終止注漿;二是當(dāng)注漿壓力達(dá)到最大設(shè)計壓力時,吃漿量不大于10 L/min,維持10 min即可結(jié)束灌漿。一般情況下,綜合考慮兩項控制指標(biāo)來決定是否結(jié)束注漿。

        4 現(xiàn)場注漿堵水加固效果

        在水泥-水玻璃漿液無法達(dá)到理想治理效果的情況下,改用粘度時變漿液進行注漿封堵,經(jīng)現(xiàn)場試驗,當(dāng)1#孔注漿完成后,掌子面的涌水情況得到了有效的緩解,僅掌子面右上角止?jié){墻與圍巖的交界部位存在小股線狀流水。待設(shè)計孔位全部注漿完成后,掌子面已基本無流水,呈干燥狀態(tài)。共注入該粘度時變漿液280 m3,使用水泥280 t。

        根據(jù)設(shè)計方案,在掌子面的拱頂和左右邊墻分別鉆孔檢查注漿封堵加固效果,共布設(shè)檢查孔5個,鉆進參數(shù)見下表2。從檢測結(jié)果來看,檢查孔整體完整、無塌孔現(xiàn)象,拱頂檢查孔出現(xiàn)線狀滴水,涌水量<10 L/h,注漿堵水加固達(dá)到了預(yù)期效果,在開挖線外5 m范圍內(nèi)封堵了裂隙通道,形成了一道注漿加固圈,提高了圍巖的整體穩(wěn)定性,大大降低了襯砌所承受的外水壓力。

        表2 檢查孔鉆進參數(shù)及檢查結(jié)果

        5 結(jié) 論

        (1)銀百高速城口至開縣段旗桿山隧道斜井XK1+165 m處掌子面涌水主要是由斷層破碎帶引起的,加上遂址區(qū)巖溶作用強烈并存在一定規(guī)模的溶腔,及復(fù)雜的補給系統(tǒng),因此產(chǎn)生較大的涌水壓力和涌水量。

        (2)粘度時變型漿液具有初始流動性好、凝結(jié)時間可控、早期強度等特點。通過旗桿山隧道斜井XK1+165m處掌子面涌水注漿封堵加固工程,表明該漿液對斷層破碎帶、巖溶作用發(fā)育形成的大涌水量、高涌水壓力地層具有較好的治理效果,成功解決了普通水泥漿與水泥-水玻璃漿液灌不滿、流失量大的難題。

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