火成岩性隧道群高压富水段关键施工技术.doc

火成岩区深埋性隧道群高压富水段机理分析及相应关键施工技术1 引言火成岩性隧道群高压富水段关键施工技术的研究与应用，在经济上，安全上，后期运营上及环保、民生上都具有重大的经济成本意义，安全质量意义，社会责任意义。1）经济合理性的要求由于长大山岭隧道穿过不同的地质单元体，从而不可避免地会遇到各类涌水，突泥，岩爆，瓦斯，断层，溶洞等储多不良地质。尤以隧道涌水最为普遍和严重，近年来每开挖一方，抽排水成本要占到4%5%，有的甚至要抽排几十吨水才能开挖一方，如果是长大反坡，抽水成本更要上升到10%20%，要达到开每挖一方抽水70吨。因此选用正确的堵排施工技术措施是高压富水隧道经济合理性的关键。2）隧道施工安全的保障隧道开挖，使地下水的排泄有了新的通道，破坏了原有的补给排泄循环系统的平衡，加速了径流循环，也加剧了地下水对岩体的改造作用。特别是围岩等级较低，或有结构面存在时，在富水条件下使隧道失稳。主要原因在于：隧道开挖引起围岩结构的破坏，裂隙水渗透的静水压力和动水压力使围岩的裂隙扩张，动水压力引起的土颗粒转移，导致岩体渗透系数和空隙率的增大，使岩体的给水，透水能力增加，贮水能力降低。对于深埋隧道来讲，由于水头压力高，这种力学改造的作用更为明显，因此在裂隙水连续性被破坏的情况下，必然导致裂隙水不断流入隧道，如不及时采取措施，在动水压力下，必然会造成突水、突泥及隧道塌坍。因此正确的注浆施工方案是隧道施工安全的可靠保障。3）隧道施工运营的“百年大计”基础无论是隧道工程、桥梁工程和路基工程，都存在工程干扰力，岩体地应力及地下水渗透力之间的相互影响，相互作用，相互耦合。据统计90%以上的边坡失稳与地下水渗透有关，60%以上的隧道塌方事故与水的作用有关，3040%的水电工程大坝失事是由渗透作用引起的。因此合理的注浆、引排、降压、释能等施工技术措施是施工中不会发生灾难性事故，隧道在后期的运营中不会发生大病害的可靠基础。4）隧址区域地表的环保和民生保护强抽强排造成的环境后果：造成地下水位大幅下降，破坏地表植被及农作物，给当地人畜饮水带来巨大困难。地表破坏，形成大的塌陷。破坏地下水资源，水源流失，水质恶化。因此正确的高压富水段的施工技术措施是防止对当地环保和民生破坏的重要保护。2 工程及地质水文概况2.1 向莆铁路FJ-5B标山岭隧道群工程概况中铁二局施工FJ-5B标段工程工程位于福州市永泰县境内；标段全长30.322km，包含7座正线隧道、4座斜井及1座平导，隧道正线总长27.05km（双洞隧道仅计左线长度），占标段总长的89.2%，斜井及平导总长11.18km，累计隧道长度48.2km。高盖山隧道和金瓜山隧道为全线控制性重点工程。高盖山隧道长17587m（右线17605m），我部施工进口段9882m(右线9898m)及3座斜井；金瓜山隧道长14097m，我部施工进口段7106m及斜井和平导。此外洋门隧道长6339m，我部施工出口3169m。南洋隧道长4053m，梨壁山隧道1133m，南洋2#隧道602m，下楼隧道1175m，由我部施工。2.2 自然地理概况2.2.1 气象特征福建省福州市永泰县由于受地形影响,全县各地气温悬殊较大，实测多年平均气温为1519.5,极端最高气温为40.9,极端最低气温为5.4，而高山地区的盖洋、盘谷往往出现更低值。实测多年平均风速1.32.1m/s，最大风速20m/s。流域内多年平均降雨量1600mm，年径流深975mm，不但年际间变化较大，而且年内分配亦不均匀，据统计49月的降雨量占全年的73.7%。本区域气象灾害较频繁，沿海地区主要为台风侵袭（可产生大风、雷暴、强降雨、风暴潮等）。2.2.2 地质情况标段内地质以侏罗系上统白垩系下统的凝灰岩、凝灰熔岩、熔结凝灰岩为主，中仙附近出露二叠系、侏罗系的砂岩、砂砾岩、粉砂岩、泥质砂岩及煤层、煤线，零星出露燕山期花岗岩和三叠系砂岩、砂砾岩。剥蚀中、低山区构造发育，受构造影响，岩体节理、裂隙较发育；沿线大量分布火山岩脆性岩石，局部存在危岩、崩坍、落石、错落以及由于崩坍或冲洪积形成的堆积体等不良地质。滨海平原和冲积阶地主要为第四系全新统覆盖，最大厚度超过50m，为冲积、海积或混合型成因，岩性以淤泥、淤泥质黏性土、黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、卵砾石为主，下伏南园组凝灰岩和燕山期花岗岩。黏性土软塑至流塑状，具有高压缩性和低承载力等特点，部分砂类土具振动液化、软土具有震陷特性，土层工程地质条件差。2.2.3 水文地质特征沿线地下水类型主要有孔隙潜水、基岩裂隙水，局部地段存在岩溶水；第四系砂、卵、砾石类土为主要赋水层。除第四系冲洪积层孔隙潜水、岩溶水、断层带裂隙水较发育外，一般地下水不发育。永泰境内的地表水绝大部分有溶出型弱中等侵蚀性，地下水均有溶出型弱侵蚀性，局部地段还具硫酸型弱侵蚀性。2.2.4 地震参数根据GB18306-2001中国地震动参数区划图，测区地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.45s。3 高压富水治理观念及产生的条件高压富水隧道施工中存在极高的安全风险，经常要面临突涌水涌泥防治，围岩稳定性控制和衬砌高压水的处理。通过注浆在隧道周边形成注浆圈可以起到加固围岩的作用，保证开挖面的稳定，有效控制隧道涌水量。3.1 高压富水四个历史阶段的治理观念四个历史阶段治理观念：“堵排结合，以排为主”，“堵排结合，以堵为主”，“以堵为主，限量排放”，“释能降压，限能排放”。过去大多以“以排为主”，但随着环保意识的增强，由于排水，诱发的地质灾害的增多，铁路施工技术水平和运营设备的提高，必须要强调“堵水”的作用。近年来，随着铁路干线的技术标准提高，长大山岭隧道得到了突飞猛进的发展，经过的长大、深埋高压富水的区域比过去多而严重，使得隧道结构物承载能力已不能满足高水头的压力，通过宜万线，乌梢岭，锦屏电站的工程实践，隧道工程界提出了：“释能降压，限能排放”的高压富水段施工设计新理念，不能单纯的谈“强堵，强排”，要将地下水位的势能降低到抗水压衬砌和帷幕注浆能抵抗的范围内作为关键，如果隧道自身的堵排无法解决的情况下，通过增加泄水洞，排水管沟等排水泄压降能措施，保证铁路在运营过程中的安全。3.2 高压富水产生的条件、机理及危害1）宏观上看，从隧址的断层规模与地表区域的联系程度来判识高压富水程度和突涌水外部补给条件：级结构面，一般延展数十公里，为地下水与地面的联系提供了较大概率，级结构面，一般延展长度1公里以上，与地面水力联系有一定的概率，包括逆掩断层或层间错动。级结构面延展长度一般为50m300m，具有一定的开口宽度并充填软弱高物质的结构面，往往作为大气降水通道的概率较高。级结构面为50m左右的节理、风化及部分卸荷裂隙。2）微观上分析，从隧道围岩的岩性结合产状来辨识裂隙水渗透的类型，以确定是否具有突涌水的特征。裂隙是地下水渗流的唯一通道，其裂隙发展规律与围岩特性较强相关。大量的调查统计表明，脆性围岩（砂岩，石英岩，凝灰岩）中裂隙的发育程度远比塑性围岩（粘土岩，页岩）大。因此脆性围岩的渗透性远大于塑性围岩，构成透（含）水层，塑性围岩多构成相对隔水层。断裂构造带是影响裂隙发育的重要因素，在断裂两侧发育裂隙密集带，从而形成一个渗透性较强的带状区域。较大规模的断裂带多发育有低渗透性的断层泥等物质，从而在断裂带的横向结构上形成一定的阻隔水层。此外风化卸荷、岩浆岩脉浸入及岩溶发育对围岩的渗透性影响都比较大。围岩渗透结构可分为五种：散体状渗透（浸入岩体的全风化带岩体构成，透水性较强是大气降水的主要入渗和滞缓排泄的介质，赋存其中的潜水是基岩裂隙水的或其它含水层的补给来源），层状渗透（透水层与隔水层相互互层缓倾岩层），带状渗透（产状倾角较陡的相互互层的透水层与隔水层，若是碎裂结构的岩体，可使地下水具有承压和半承压，作为大气降水主要入渗通道，具有集水和蓄水的构造），网络状渗透（主要产生在沉积岩，地下水渗流为网脉型），管道状渗透（主要产生在灰岩，地下暗河，暗潭赋存）。3）从裂隙水的赋存条件来分析高压、富水程度，有四种类型： 成岩裂隙水，多发生在岩浆岩或浸入岩中，当有补给来源时，易形成承压水。 构造裂隙水，又分为节理裂隙水及断层裂隙水，节理裂隙分布较均匀，面积较广，大大小小断层及其影响带提供地下水自由运行的通道。 风化裂隙水，赋存于岩体风化壳中，深度往往在10m100m之间，具有埋藏浅，含水层厚度不大，有较为统一的地下水位。 岩溶裂隙水，是贮存与循环在岩溶地层中的地下水。4）裂隙水对岩体的力学作用及其强度影响机理裂隙水对岩体的力学作用：有三种体积力，即平行节理的粘结切向力，垂直于节理面的静水压力、动水压力或渗透压力，这些对岩体强度及围岩稳定都起消极作用。其中静水压力和渗透压力的影响最为显著，也是主要的力学影响因素。其主要原理：一是地下水的存在，使岩体与裂隙的摩擦系数f和粘结力c变小，特别是裂隙内有充填物或页岩、泥岩、粉砂岩等具有膨胀性的岩石，地下水会使充填物、岩石软化，f和c值减小更多，岩石的抗剪强度更低。二是地下水降低了岩体裂隙间的有效正应力，裂隙的抗剪强度也随之降低。5）隧道工程干扰力在高压富水段围岩施工影响及其塌坍分析隧道洞室开挖后，渗流应力耦合作用下，渗透场及应力场都发生了变化，除了卸荷回弹及应力重新分布外，还有水循环系统的重新分布。洞室开挖后，围岩周边最大压应力或拉应力的部位开始发生塑性变形或破坏，并向围岩内部发展，其结果在围岩周边形成松动圈或松动带，表面形成应力降低区，而高压力区向围岩内部转移。围岩表面的低压力区又迫使贮存于高压力区的裂隙水向围岩表面转移，对表面造成较大的裂隙动水压力，如果岩性具有吸水膨胀性，对松动圈形成更大的围岩压力，极易发生塌坍。4 高压富水段处治的几种施工作业方法选择的合理性及科学性不同的地质情况、富水特点，施工中采取不同的处治方式，合理的选择施工作业方法，确保安全、快速、高效通过高压富水段。不同富水、地质条件采用的处理方法作业方法工程实例涌水特征及地质情况工程施工概况具体处理措施达到的效果排放作业金瓜山隧道水量大、时间短洞内积水，无法施工暂停工，集中力量抽排抽排后无持续出水，可顺利开挖绕避作业高盖山隧道1#斜井工区水量大、返坡施工接近2#斜井工区，适合采取绕避形式施工经2#斜井反向开挖贯通，涌水流向2#斜井，由原有设备抽排避开了涌水段，节约了抽排水设备，且为延误施工带水作业高盖山隧道3#斜井涌水量大、持续时间长，围岩较稳定关键线路，工期紧，不能耽误加大抽排水资源，加强排水，强行开挖通过顺利带水开挖通过，大大缩短了工期延误顶水作业高盖山隧道3#斜井F29断层断层带围岩破碎，有断层泥，涌水量大影响隧道顺利贯通的最大一个难关封闭掌子面，进行帷幕注浆，再开挖通过，施做抗水压衬砌顺利通过断层，整体稳定，渗水量大幅减少改造作业南洋隧道涌水量较大，围岩破碎，有坍腔施工过程中发生坍塌，不及时封闭处理，坍塌体会继续扩大对坍腔体进行混凝土回填改造，人造围岩再开挖通过顺利通过坍腔洞段5 高压富水段处治的几种关键技术和关键控制点高压富水的处治主要进过前期预测、中期排放、后期治理等阶段，主要技术包括：地质预测预报技术、返坡排水技术、动水注浆技术、静水注浆技术、富水段开挖技术、围岩再造技术、抗水压衬砌技术、隧道防排水技术等。5.1 地质预测预报技术及时、准确、有效的地质预测预报，为隧道施工安全提供重要依据，按预测距离可分为长、中、短距离预报，如下表：表5.1-1 地质预测预报手段分类表预报距离预报手段预报频次探测特点达到效果长距离地质调查前期进行，对有疑问地段补充调查判定构造走向，预测隧道内地质状况提前预估地质条件，辅助其他探测手段TSP超前预报设计断层带前后200m全程覆盖，搭接长度不小于30m探测距离长，占用时间长，可探测出围岩岩性变化、断层破碎带、含水带等不良地质可以大体判定前方围岩情况中距离地质雷达断层带前后50m，每次搭接长度不小于5m探测距离20m，效率高，可探测出围岩岩性变化、断层破碎带、含水带等不良地质较详细的判定围岩情况超前水平钻孔断层带前后50m或TSP探测异常带前30m，搭接长度不小于8m最直接、有效的探测方法，长度3050m，必要时可取芯，配合孔内成像等可直观判定围岩情况、含水情况短距离超长炮孔全程进行，孔深不小于5m每次开挖钻孔过程中施做数个超长钻孔，判定短距离内围岩变化及含水情况可有效避免突发地质灾害地质素描全程进行，每次开挖后对隧道开挖面及洞身进行全程素描，判定地质走向根据素描预测前方或相邻洞室围岩类别5.2 反坡排水施工技术高盖山3座斜井工区，金瓜山斜井工区分别发生了多次突涌水，水量大、返坡落差大，距离长，以下简述各个工区突涌水情况以及对应的抽排水布置：1）高盖山隧道1#斜井工区1#斜井长1202m，综合坡度-10.1%，承担排水总长3119m，布置管路为150及200，各3000m，总长6000m。该工区通过设计断层F14、F17、F18、F19、F20、F22、F23共7条，共计发生以DK467+863为代表的较大渗水及涌水7次，施工期间总排水量192万方，各次涌水水量如下：表5.2-1 高盖山隧道1#斜井涌水情况统计表序号出水时间出水里程初始水量（m/h）12009-7-12X1DK0+3585822010-7-9DK467+0867032010-7-13YDK467+0947342011-3-6DK467+7536752011-3-24YDK467+7804862011-4-2DK467+87018972011-4-27YDK467+880153根据1#斜井涌水情况，制定返坡排水方案，具体布置见以下图表：表5.2-2 高盖山隧道1#斜井返坡排水设备配置表水仓参数数量（台）变压器（KVA）发电设备(Kw)功率流量（m3/h)扬程（m)1号90KW19111458006002号90KW1911145800600图5.2-1 高盖山隧道1#斜井返坡排水设备示意图2）高盖山隧道2#斜井工区2#斜井长1902m，综合坡度-9.59%，承担排水总长3650m，布置管路为150（10176m）及200（15264m），总长25440m。设计仅2斜井身通过F22一条断层，正洞施工段均为级围岩。但正洞在 DK469+525、YDK469+513.5处分别于2010年10月10日、9月22日发生突涌水，最大涌水量分别为772m3/h、190m3/h，造成淹井，四方会勘决定2#斜井工区配足24000m3/d的反坡抽排能力。2斜井施工期间共5处较大出水，总排水量388万方，各次涌水水量如下：表5.2-3 高盖山隧道2#斜井涌水情况统计表序号出水时间出水里程初始水量（m/h）12009-6-5 X2DK1+3477622010-3-21 YDK468+5084332010-5-27 DK468+9803742010-9-22YDK469+51312152010-10-10DK469+523772根据2#斜井涌水情况，制定返坡排水方案，具体布置见以下图表：表5.2-4 高盖山隧道2#斜井返坡排水设备配置表水仓参数数量（台）变压器（KVA）发电设备(Kw)功率流量（m3/h)扬程（m)190KW191114101000600290KW191114101000600390KW191114101000600490KW191114101000600图5.2-2 高盖山隧道2#斜井返坡排水设备示意图3）高盖山隧道3#斜井工区3#斜井长2566m，综合坡度-9%，井口与井底高差231m，承担排水总长5396m，布置管路为150（13796m）、200（15996m）及300（2666m），总长32458m。该工区设计通过F22、F24、F26、F27、F28、F28-1、F30、F29等8条断层，预测总涌水量4051m3/d，实际突涌水总量61920 m3/d（未堵水情况下），为预测总量的15倍。3#斜井工区施工过程中共计发生了以X3DK0+404、YDK469+856、 DK469+869、 DK470+422、 DK470+478、 YDK470+860、 YDK472+234、 DK472+219为代表的19次较大涌水，其中最严重一次为2011年9月YDK472+234 处，由于F30断层前移造成突泥突水。2010年3月25日，经业主、设计、监理、施工四方会勘决定3#斜井工区配足28000m3/d的反坡抽排能力。目前，3斜井工区正洞通过斜井已抽排水约875万方。各次涌水水量如下表所示：表5.2-5 高盖山隧道3#斜井涌水情况统计表序号出水时间出水里程初始水量（m/h）12009.10.9X3DK0+40460022010.2.26YDK469+85630032010.3.10DK469+7685042010.3.16DK469+8698052010.6.13DK4707.2YDK470+20510072010.8.23YDK470+45112082010.8.31YDK470+47828092010.9.9DK470+422280102010.10.1DK470+480120112010.10.7DK470+49550122010.10.9YDK470+54780132010.10.20DK470+528200142010.11.4DK470+561100152010.12.14YDK470+860200162011.4.25YDK471+54080172011.5.7DK471+54590182011.9.9YDK472+234600192011.9.20DK472+21950根据3#斜井涌水情况，制定返坡排水方案，具体布置见以下图表：表5.2-6 高盖山隧道3#斜井返坡排水设备配置表水仓参数数量（台）变压器（KVA）发电设备(Kw)功率流量（m3/h)扬程（m)190KW19111410900600290KW19111410900600390KW19111410900600490KW19111410900600590KW191114109001200图5.2-3 高盖山隧道3#斜井返坡排水设备示意图4）金瓜山隧道斜井工区金瓜山隧道斜井1445m，斜井综合纵坡为8.21%，井口与井底高差为119.75m。2009年5月25日，金瓜山隧道斜井XDK0+805，涌水量280m3/h，平导FPDK512+125，突涌水射程达到12米，涌水量280m3/h。此外，斜井施工任务通过F4、F5、F6及F19断层。金瓜山隧道斜井工区承担排水总长5413m，布置管路为150，总长4380m，施工期间，反坡排水总量约300万方。表5.2-7 金瓜山隧道斜井返坡排水设备配置表排水类型水仓名称参数数量（台）总功率（KW）总流量（m3/d)变压器（KVA）备注功率(kW)流量(m3/h)扬程(m)正常梯级排水1号水仓75KW150115215070501000排水设备75KW1501152备用2号水仓75KW15011521507050排水设备75KW1501152备用1集水井/2集水井11KW150121111499排水设备11KW150121备用3集水井37KW100801371499排水设备37KW100801备用合计3337470501000排水设备图5.2-4 金瓜山隧道斜井返坡排水设备示意图5.3 动水注浆施工技术为了确保工期，在围岩稳定性可以保障的条件下，采取带水开挖作业通过涌水段后，由于涌水点完全结露，采取动水注浆技术进行封堵。工程实例：高盖山隧道3#斜井X3DK0+404处以及其余16处涌水，均采取带水开挖通过，再经注浆治理的方式，使涌水量大幅度减小，达到限量排放的目的。以下以3#斜井注浆方案为例，介绍动水注浆技术。通过四个循环注浆止水施工，目前3#斜井X3DK0+354+414段完成注浆止水作业，该段涌水量由400m/h，降至12m/h左右，堵水效果明显。实际考虑缓解外水压力，留数个引排水管未封堵限量排放，实际流量为30m/h。5.3.1 施工工艺流程地下水封堵灌浆处理是综合工程、系统工程，必须综合考虑施工场地、环境、区域水文地质情况，切忌就出水点处理出水点。地下水封堵灌浆的指导思路是“堵排结合、先排后堵、深排浅堵、远排近堵、择机收口、局部补强”。地下水处理的主要流程为“先表面封堵出水段，再深层加固围岩形成一定厚度均一固结圈，对集中涌水点进行封堵试验，最后集中出水点封堵”四个步骤按顺序进行，具体如下： 表面封堵对表面的散水进行表面封堵灌浆，使得出水逐步集中到预留的排水管中流出，为下一步施工提供条件。 加固灌浆对出水范围内全洞段进行系统径向灌浆加固，形成固结圈，使得破碎的岩层能够承受外水的压力。 封堵试验完成前面两步工作后，进行封堵灌浆试验，如果在实验过程中不出现新的涌水点，便进行第四步；如果出现新的涌水点，便回到第一步重新开始做，直到不再出现新的涌水点。 封堵完成封堵试验后，用0.5：1的纯水泥浆液灌注集中出水点，直到停止吸浆。封堵灌浆施工流程如下图所示：第一步 表面封堵灌浆第二步 加固灌浆第三步 封堵试验灌浆地下水封堵灌浆失败第四步 封堵成功图5.3-1 地下水封堵灌浆施工流程图5.3.2 临建施工场地布置 制浆系统制浆站就近搭设灌浆平台、空压机平台、材料堆放平台等在施工作业面的两边进行搭设（在不影响交通的情况下）；针对施工作业点、面合理布置制浆站。制浆站包含制浆水泥堆放平台、制送浆平台。灌浆采用袋装水泥，制浆站占地面积约80m2，制浆站示意见图4-1。根据主要工程量和初步工期安排，按同步开展4个工作面考虑。配置一个临时制浆站。制浆站内配置有2台200L高速制浆机，每台制浆能力为2000L/h，实际使用时制浆能力为1000L/h，能满足3台灌浆泵同时灌浆。配置送浆泵2台；储浆搅拌机2台。图5.3-2 制浆站示意图 排架搭设隧道内地下水灌浆施工作业平台采用脚手架搭设形成，考虑行车需要，脚手架的搭设留行车通道，挂设警示标识。 通风、排水设施布置利用已有通风系统供风，保障灌浆止水作业面空气流通；利用隧道内原有排水系统进行排水。 供水、供电布置采用隧道内原有系统供水、供电设施。 供风系统采用20m3的空压机进行钻孔用风的供应。5.3.3 施工方案1）设备及灌浆材料 设备选用采用2台MD-100风动潜孔钻机、2台YT28凿岩机及地质钻机进行钻孔施工。采用2台黑旋风3SNS高压变频灌浆泵、2台双液灌浆泵及1台华式泵作为灌浆的主要设备。详见表5-1、5-2。表5.3-1 使用钻机指标及适用范围钻孔设备纯钻功效钻孔方式拟用范围钻孔孔径岩石电钻0.280.32米/分钟回转钻进边顶拱灌浆孔42mm80mm风动潜孔钻机0.81米/分钟风动钻进42mm110mm地质钻机0.30.4米/分钟回转钻进底板灌浆孔42mm150mm空压机20m3供风表5.3-2 使用灌浆泵指标及适用范围设备排量工作方式适用浆液最大压力3SNS高压灌浆泵0200L/min活塞式纯水泥浆、添加一定外加剂的水泥浆、低浓度砂浆12Mpa双液灌浆泵0120L/min活塞式水泥-水玻璃浆液8Mpa华式砂浆泵(HSB-15)0250L/min螺旋挤压高浓度特种浆液4Mpa 灌浆材料普通水泥：水泥强度等级不低于42.5；水泥细度要求通过80mm方孔筛，其筛余量不大于5%。灌浆用的水泥必须符合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175-1999规定的质量标准。水：灌浆用水符合JGJ63-89第3.0.4条的规定，制浆用水的温度不得高于40。砂：质地坚硬的天然砂或人工砂，细度模数不大于2.0，最大粒径不大于2.5mm，S03含量小于1，含泥量小于3%，有机物含量小于3。遇特殊情况可考虑添加天然砂。添加材料：水玻璃：浓度2040波美度，模数2.43.4；特种堵水添加材料：为拓展公司自行研发的堵水添加材料、主要作用为加强浆液抗冲刷及抗扩散能力，尚处于技术保密阶段。2）施工组织 施工顺序施工顺序：临建施工表面堵水灌浆加固灌浆封堵灌浆试验进一步加固灌浆处理封堵灌浆拆除脚手架等临建设施，退场。 工艺流程单孔施工工艺流程见图5.3-3、图5.3-4。下一孔施工开孔钻进膜袋安装孔口管钻进至目的孔深纯压式灌浆结束放线定孔位图5.3-3 堵水灌浆单孔施工工艺流程图下一孔施工开孔钻进至目的孔深膜袋安装孔口管纯压式灌浆结束随机定孔位图5.3-4 随机孔单孔施工工艺流程图3）钻孔施工 布孔形式 根据以往地下水封堵灌浆处理经验，以及现场出水实际情况及施工条件等因素，表面封堵采用随机布孔，孔深控制在36m范围内。加固灌浆采用系统规则布孔的方式，孔深610m，间排距2.0 X 2.0 m，并根据封堵的情况进行局部加密。 钻孔参数采用YT28凿岩机和D-100风动潜孔钻机进行钻孔施工；钻孔开孔孔径为50150，终孔孔径不小于42；孔向一般垂直于洞壁，当遇到岩体结构面时，钻孔尽可能与岩体结构面相交；孔深为610m不等；当施工中遇到集中渗（涌）水段时可根据堵水灌浆效果适当加深孔深。 孔口管镶铸堵水灌浆孔采用60150金刚石和合金钻头开孔，镶铸50150、L=1.01.5m的耐压无缝地质钢管，孔口管外露10cm。孔口管安装可采用特种水泥掺入速凝材料、模袋、特种灌浆材料、纯水泥浆固定镶铸，对出水量和水压力较大的孔可采用孔口管专用封水装置。5.3.4 灌浆施工 灌浆压力地下水封堵灌浆采用的最大压力为6MPa，灌浆孔分段长度及压力对应值见表5.3-3。表5.3-3 灌浆孔段长度和灌浆压力对照表灌浆孔深分段长度灌浆压力（MPa）备注19m孔口段01m0.50.5镶铸孔口管灌浆段110m36灌浆压力的升幅和升速，根据孔内吸浆量的情况而定，对于注入率较大的孔段，采取限流限量的方式。 灌浆方法采用孔口封闭纯压式灌浆法进行全孔一次性灌注。 浆液比级灌浆主要采用水灰比为1：10.5：1的纯水泥浆，添加砂、水玻璃、专用堵水添加材料等进行灌注，水泥浆与水玻璃双液浆中水玻璃的加入量为10%50%（质量比）；水泥:砂比为 1：10.8：1；专用堵水添加材料添加比例为51%。 浆液拌制a、拌制纯水泥浆液时，按配合比先将计量准确(重量误差小于5)的水加入高速搅拌机中，再将袋装水泥(不得使用受潮结块的水泥，重量误差小于5)倒入高速搅拌机中进行搅拌，搅拌时间大于30s，搅拌均匀后送到直立式双层低速搅拌机中，最后通过灌浆泵进行灌注。浆液在使用前过筛，浆液温度应保持在540，从开始制备至用完的时间宜小于4小时。b、双液浆的拌制，当需要采用水玻璃、水泥双液浆灌注时，在注浆泵灌注时先输入纯水泥浆，再通过另外一个入浆孔输入水玻璃，通过入浆口控制浆液配比，双浆液在注浆管中混合后进入注浆孔，当注入量小于1L/min时要结束注浆。c、特种材料添加，在纯水泥浆进入低速搅拌机后，按设计配比添加特种材料，搅拌后进行注浆。 浆液变换标准主要参照2001灌浆施工技术规范及裸岩灌浆施工经验，灌浆过程中执行的变浆标准如下：当灌浆压力保持不变，注入率持续减少，或当注入率不变而压力持续升高时，不改变水灰比；当某级浆液注入量已达300L以上或灌浆时间超过30min，而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级水灰比；当注入率超30L/min时，根据具体情况越级变浓。当采用最大浓度浆液施灌，注入率很大而不见减少时，采用间歇灌浆法灌注。 灌浆结束标准堵水灌浆结束标准：在最大设计压力下，在注入率不大于1 L/min后，继续灌注10min即可结束灌浆。双液灌注时，一旦注入量小于1L/min，即可结束，避免管路堵塞。在灌注过程中不能灌注结束的孔段，可根据具体情况待凝后扫孔复灌，直至达到结束标准。 特殊情况处理针对特殊大耗浆孔段首先采用低压、浓浆、限流、限量、间歇等的处理措施，并控制灌浆压力与注入率，采用0.5:1的浓浆，限流30L/min左右进行灌注，若还无明显变化，则进行待凝后复灌，直至灌浆正常结束。 冒浆、漏浆灌浆过程中，发现冒浆、漏浆时，采用嵌缝、表面处理、低压、浓浆、限量、间歇灌浆、待凝及双液（水泥-水玻璃）控制灌浆技术进行灌注，待表面漏浆已达到控制后，在进行灌浆直至满足灌浆结束标准。 串浆灌浆过程中发生串浆时，如串浆孔具备灌浆条件，可一泵一孔同时进行灌浆。否则，塞住串浆孔，待灌浆孔灌浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，而后继续钻进或灌浆。 灌浆中断灌浆须连续进行，若因故中断，按下述原则处理：a、尽快恢复灌浆，否则立即冲洗钻孔，而后恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效，则扫孔后复灌。b、恢复灌浆时，使用开灌比级的水泥浆灌注，若注入率与中断前的相近，采用中断前的比级水泥浆灌注，如注入率较中断前减少较多，则逐级加浓浆继续灌注；如注入率较中断前减少很多，且在短时间内停止吸浆，则采取适当提高灌浆压力等补救措施。 涌水孔段孔口有涌水的灌浆孔段，根据涌水情况，综合选用提高灌浆压力、浓浆、闭浆、待凝双液灌浆等措施处理。5.3.5 灌浆过程 施工情况自从2010年3月开始进行地下水封堵灌浆开始，到2010年7月30日停止施工为止；历时4个多月、克服重重困难、集思广益；历经4个循环；终于把出水量由400m/h减小到12m/h（打开引排管为30 m/h）。 总体施工过程出水点引排表面出水处理加固灌浆封水灌浆实验第二次加固灌浆第二次封水试验第三次加固灌浆第三次封水试验第四次加固灌浆第四次封水试验封堵。图5.3-5 施工过程结构图5.3.6 注浆效果 完成情况本次地下水封堵灌浆从 2010年 1月 2日开始施工，2010年 7月 29日正式结束灌浆，投入20多个人的专业堵水灌浆队伍，新购一批堵水灌浆专业设备，采用成熟的施工工艺，特种堵水灌浆材料，历时7个月，经过四个循环施工，共钻孔1577孔，累计长度10671m；灌注水泥1475吨，水玻璃172.8吨，特种材料12.8吨，孔口钢管1425m，圆满完成本次斜井堵水灌浆任务。 达到效果 水量减小情况：400 m/h（原始）240 m/h（第一循环）100 m/h（第二循环）50 m/h（第三循环）12 m/h（第四循环）。见图7-1。图5.3-6 四个循环水量Q-T变化折线图 3#斜井段，原来的大面积出水得到封堵，通过引排水管限量排放，洞内环境得到改善，抽排水压力大大缓解，抽排水的用电消耗压力得到缓解。 拱架变形：没有（第一循环）有点变形（第二循环）变形严重（第三循环）变形严重（第四循环）。5.3.7 总结分析 通过5个月的堵水处理，该段总涌水量减少90%，总体来说是成功的，并对该区域地下水处理积累了重要的第一手资料。 地下水封堵造成该段拱架变形，说明该处地下水封堵后，水位上升快，最终形成的围岩外水压力较高，处理过程还存在认识不足，故建议在以后的处理前还应加强围岩拱架支护，处理过程中还应加强系统固结灌浆施工，加深钻孔深度，以保证围岩固结圈厚度。 为使地下水封堵更有针对性，建议正洞内要进行地下水处理的部分暂不要挂设防水布和网喷支护。 高盖山隧道3#斜井X3DK0+354+414段地下水处理已基本达到目的。5.4 静水注浆施工技术静水注浆技术主要指帷幕注浆，遇到围岩软弱，开挖容易坍塌的洞段，不可采取带水开挖的作业方式，需要先对围岩进行帷幕注浆，稳固软弱围岩，再开挖通过的方式。工程实例：高盖山隧道左洞DK472219、右洞YDK472234经地表勘查及相关地质专家分析认为F30断层提前。原设计F30断层及影响带宽度约65m，地表表现为花岗斑岩岩脉填充，稳定性差，易坍塌、渗水，弹性波速为2491m/s，地下水较发育，预测最大涌水量为641 m3/d，属强富水。经地表勘查，该段落处有6条深切的冲沟，地表汇水面积大，水量丰富。该处隧道埋深500m，当隧道掘进到YDK472+234和DK472+219处，因上部高压水头的作用，隧道拱部左侧岩壁被击穿，产生突发性突泥、突水。5.4.1 帷幕注浆总体施工方案对断层带采用帷幕注浆加固措施，隧道掌子面退后10m施做3m厚止浆墙封闭，进行帷幕注浆预加固（帷幕注浆长度30m，加固圈厚5m），施做40m长大管棚超前支护，开挖时采取超前小导管支护，三台阶预留核心土法开挖，及时施做型钢拱架封闭成环，开挖25m后，进行超前水平钻探明前方地质情况，再进行下一循环帷幕注浆及开挖，直至通过断层带。5.4.2 帷幕注浆施工措施1）止浆墙施工为防止掌子面角砾状堆积体进一步坍塌造成拱顶空腔扩大，首先在左右洞堆积体边沿各设置2m宽、1.5m高C25混凝土拦砟墙一道，墙体嵌入围岩深度不小于50cm，并设置22锚固筋（间距50cm，锚固深度不小于5m），安设高压带阀排水管。拦砟墙施工的时候，同步对堆积体及坍腔内的松散体进行注浆固结，固结灌浆完成，在挡砟墙的基础上施做3m厚止浆墙，止浆墙施作位置在掌子面退后10m处，止浆墙采用分级浇筑，第一级浇筑高度3.5m，第二级浇筑到顶，分级浇筑完成，墙背后空腔采用C15混凝土进行回填，在线路两侧边墙分层次预埋68组200泄水钢管，并配止水闸阀。止浆墙墙施工示意图如图1所示（右线同左线）。2）钻孔布置参考“向莆施图（隧）95-（3）-13-1、2、3”，结合现场实际情况，隧道开挖轮廓线按照Vb（1MP抗水压）衬砌类型开挖边界线，结合拟采用的钻机设备(德国宝峨钻机KR-805)的作业空间及操作旋转灵活性，并充分考虑到隧道四周加固圈及注浆扩散半径的对称性，采用在隧道上半断面开孔辐射至隧道全断面加固圈的方式布孔，以Vb（1MP抗水压）型衬砌拱顶开挖轮廓线以下250cm为基准圆心进行布置，其孔口布置图如图5.4-1所示。图5.4-1 止浆墙施工结构图图 5.4-2开孔布置图根据扩散半径及设计终孔间距34m的要求，终孔布置均按照隧道轮廓线外5m并与之同心的圆环进行布置，计算孔口与孔底坐标，并以此为依据计算其钻孔时隧道轴向水平偏角与立角。钻孔布置纵断面图如图5.4-3所示，各序钻孔如图5.4-4所示：图 5.4-3 钻孔纵断面图图 5.4-4 各序钻孔终孔布置图3）钻孔注浆工艺流程 钻孔注浆工艺流程如图5.4-5所示。 不好不好分段前进式注浆脚手架搭设测量放线泄水钢管安装止浆墙施工多功能钻机就位配制浆液补孔注浆钻设91孔5-10m第一分段注浆第二个分段钻孔第二分段注浆好继续注浆整体注浆效果检查单孔注浆效果检查好下道工序施工参建四方检查评估配制浆液图 5.4-5 钻孔注浆工艺流程图 钻孔 止浆墙采用C25素混凝土，首先钻进130孔并安装孔口管。 调整钻杆的仰角和水平角，移动钻机，将钻头对准孔口管方向； 利用多功能钻机角度控制器对钻杆角度进行调整。 采取分段前进式注浆，每段长度为510m，并根据钻孔揭示地质围岩状况进行调整，当在钻孔过程中发生高压突水等复杂地质情况时，立即暂停止钻进，采集静水压力等参数，为注浆终压提供科学依据，并采用微型摄像头探录已钻孔孔壁地质情况，并根据探明的情况调整钻孔参数，采取注浆封孔，然后扫孔钻下一段的方式进行，直至设计孔深； 钻孔按先外圈，后内圈，先下部后上部，由近到远的顺序进行。外圈孔，可先钻底层孔，之后钻上层孔，内圈钻孔与外圈孔一样先下后上。后序孔可检查前序孔的注浆效果。逐步加密注浆。一方面可根据钻孔的情况，调整注浆参数；另一方面如果钻孔情况证明注浆效果已达到设计要求，即可进行下一圈孔的钻进，减少钻孔的工作量，加快施工进度。 钻机开钻时，开孔要低压低速钻进，成孔后压力可逐步上升。遇破碎带和溶腔充填体时，改为低压钻进，谨防卡钻。 注浆根据高盖山隧道溃腔的性质，注浆的原则是：a、在岩层破碎带以填充渗透注浆为主。b、在溃腔充填物中以先填充注浆、后高压劈裂注浆、再以渗透注浆为主。正式注浆前，先进行注浆试验，以掌握浆液填充率、注浆量、浆液配比、浆液凝结时间、浆液的扩散半径、注浆终压等参数，为后续注浆提供科学依据，确保注浆质量。 分段前进式注浆分段前进式注浆工艺是针对成孔困难、涌水量很大等特殊地质条件下的一种可行性较高的注浆技术，遇水即注浆，再扫孔，再注浆，直至设计孔深。如图5.4-6所示。图5.4-6 分段前进式注浆示意图 注浆准备工作a、注浆管路连接：注浆管路连接见下图5.4-7所示。图5.4-7 注浆管路连接示意图b、检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求，如不能保证连续注浆要求，则要等备足材料后才能注浆。c、要对注浆系统进行压水检查，压水压力一般为设计注浆压力的1.2倍。以检查各注浆机具的密封性和完好性，同时检查搅拌机运行状况，发现问题立即解决，以避免在注浆过程中因机械故障而造成注浆中断。d、如果采用止浆塞注浆时，必须检查止浆塞的磨损程度，若发现止浆塞不能有效密封止浆，应立即更换，以免从止浆塞返浆，凝固后使注浆芯管无法拔出，影响正常施工。e、安装止浆塞在一般水压的钻孔中，止浆塞采用人力或通过机械帮助能够送入孔中的情况下，尽可能采用机械膨胀式止浆塞。当静水头很高时，普通的止浆塞难以送入孔中，必需选用小直径高膨胀水压式或气压止浆塞。止浆塞的耐压强度应大于6MPa，安装时用钻机送入孔中止浆位置，加力膨胀。通过中心管向地层注浆。f、压水试验注浆系统检测合格后，立即转入压水试验。按一个压力阶段进行全孔压水试验，压力零点为静水压力（在有涌水的情况下）。先观察静止水压，一分钟一次，当连续三次压力变化幅度均小于压力平均值的1%时，则最后一次即为静水压。然后进行试验，试验时每2分钟同时记录一次压入水量和压力值，直至达到稳定，稳定标准为连续4次观测值的变化幅度均小于平均值的1%。压水试验过程应按规定格式详细纪录，根据地层的渗透性能确定注浆配合比。压水试验结束后即打开泄浆阀，将水放出，准备注浆。 浆液配制a、单液水泥浆先在搅拌机内放入定量清水进行搅拌，然后放入水泥，连续搅拌3分钟即可。b、双液浆水泥浆的配制同上，水玻璃浆的配制方法是先在搅拌桶内放入浓水玻璃，然后再加入清水，采用波美度计进行测试，将浓水玻璃配制为40Be,的标准浓度水玻璃液，在加水的同时不断的搅拌。两种浆液通过注浆机在混合器处混合后进入地层。水泥水玻璃双液浆中水泥浆越浓，水泥浆与水玻璃浆的比值越大，则凝胶时间越短，一般在几秒到数分钟；若要缩短或增长凝胶时间，可加入速凝剂或缓凝剂，可调范围十几秒至几十分钟。其胶凝时间与水泥品种、水泥浆水灰比、水玻璃溶液浓度、水玻璃溶液与水泥浆的体积比等因素有关，如表5.4-2和图5.4-8所示。表5.4-2 水泥-水玻璃浆液不同条件下的胶凝时间（M=3.0）水玻璃浓度(水泥浆：水玻璃)Be,=30Be,=35Be,=40W:C(重量比)1：0.527”29”34”0.6：11：1.050”56”107”1：0.531”37”42”0.8：11：1.056”112”132”1：0.550”47”52”1.0：11：1.0112”126”152”图5.4-8 水泥浆与水玻璃浆液不同体积比的胶凝时间关系图根据现场试验数据统计结果显示，在保证浆液可灌性和有效扩散距离前提下，应根据渗漏水情况、节理裂隙发育情况合理选用浆液配比，并同时在实际施工中根据吸浆量和注浆压力适时做以调整。c、制浆注意事项为保证浆液质量，配料时制浆材料必须计量准确，水泥等固体材料采用重量称量法，水、水玻璃等液体材料采用体积称量法，其中水、水泥、超细水泥、水玻璃称量误差不应大于5%。严格按顺序加料，有外加剂的浆液中，外加剂未完全溶解，不得加入水泥，搅拌时不得将绳头、纸片等杂物带入搅拌机内，搅拌后的浆液必须经筛网过滤后方可进入注浆机。搅拌时间不得少于3min，以免浆液搅拌不匀。双浆液的制浆量应保证