（岩土工程专业论文）象山隧道注浆方案、材料、参数及工艺的研究和应用.pdf

西华大学硕士学位论文第6 4 页 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的。论文成 果归西华大学所有，特此声明。 唔 留。访刀 够吮f黼午 南易 利耀 西华大学硕士学位论文第1 页 象山隧道注浆方案、材料、参数及工艺的研究和应用 岩土工程 研究生高艳君指导教师王泽云教授 近二十年来，随着世界经济的发展，隧道及地下工程迅猛发展。为了解决 交通和能源问题，公路隧道、铁路隧道、地铁区间隧道、暗挖车站和引水隧洞、 地下厂房等地下工程正在大规模兴建。在隧道及地下工程的施工和使用过程中， 时刻都受到地下水的危害。多年来，人们在与地下水长期斗争中，积累了丰富 的经验，总结出了“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理 的隧道和 地下工程防水原则，使隧道和地下工程防排水技术有了较快的发展。数量多、 长度大、大断面、大埋深，是未来特长隧道发展的总趋势。随着隧道长度的增 加、埋深加大，地质灾害的超前预报与治理是未来深埋特长隧道勘察设计及施 工中面临的主要难题。其中深埋特长隧道施工涌水是隧道施工中所面临的最主 要地质灾害。隧道施工涌水不仅降低围岩稳定性，而且给施工带来很多不良影 响，特别是在有大量高压涌水的情况下，常常酿成重大事故。另一方面，为了 解决地下水灾害问题，采用过量排放又会给隧道经过地段带来生态环境问题。 本文总结了国内外现有深埋特长隧道施工涌水处理技术与成功经验的基础 上，就龙厦铁路象山隧道施工涌水技术及可能采用的方案进行分析与研究，。主 要通过现场试验，针对不同的地质条件，研究和确定高压、富水、岩溶隧道的 堵水注浆方案，并通过室内试验和现场试验，选择出凝结时间可控、抗分散性 能好、强度高、耐久性好、无毒、无污染，价格适中的注浆材料。并对注浆压 西华大学硕士学位论文 第2 页 力、注浆量、浆液扩散半径及主要注浆方式进行研究，以达到高效封堵地下水 的目的。 关键词：深埋特长隧道注浆注浆材料注浆压力注浆量浆液扩散半径 西华大学硕士学位论文第3 页 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no nx i a n g s h a n t u n n e l sg r o u t i n gp r o p o s a l ，m a t e r i a l ，p a r a m e t e r a n dt e c h n o l o g y g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：g a oy a n - j u n t u t o r s ：w a n gz e y u n i nt h el a s t2 0y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c s ，t u n n e l sa n du n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n sa r ed e v e l o p i n g i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so ft r a f f i ca n de n e r g y r e s o u r c e s ，t h eh i g h w a y - t u n n e l ，t h er a i l w a y - t u n n e l ，t h es u b w a y - t u n n e l ，t h ec o n c e a l e d s t a t i o n ，t h ew a t e r - g u i d i n gt u n n e l ，t h eu n d e r g r o u n df a c t o r yb u i l d i n g s ，a n ds oo n ，a r e b u i l d i n go n al a r g es c a l e i i lt h ep r o c e s so f b u i l d i n ga n du s i n gt h et u n n e l sa n d u n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n s ，t h ed a m a g e o ft h eg r o u n d w a t e ro c c u r sa ta n yt i m e i nt h e p a s t ，p e o p l ea c c u m u l a t e dm a n ye x p e r i e n c e so nf i g h t i n gt h eg r o u n d w a t e ra n d s u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l e sw h i c hi s t oc o m b i n et h ep r e v e n t ，b l o c k i n ga n dc u t t i n g t o g e t h e r , t os u i tt h em e a s u r et ol o c a lc o n d i t i o n s ，a n dt ot r e a tp r o b l e m s c o m p r e h e n s i v e l y t op r e v e n tt h et u n n e l sa n du n d e r g r o u n d c o n s t r u c t i o n s g r o u n d w a t e r , w h i c hm a k e t h et e c h n i q u eo f p r e v e n t i n gt h et u n n e la n du n d e r g r o u n d s g r o u n d w a t e r h a v ea g o o dd e v e l o p m e n t “m u c h 、l o n g 、h u g e 、d e e p w i l lb et h e g e n e r a ld e v e l o pt r e n do fe x t r a - 1 0 n gt u n n e l a l o n gw i t ht h el e n g t ha n dd e p t ho f t u r m e l i n c r e a s e d ，t h ef o r e c a s t sa n dd i s p o s a lo fg e o l o g i c a ln a t u r a lc a l a m i t yb e c o m et h e b i g g e s to b s t a c l ei nr e c o n n a i s s a n c e 、d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nd e e pa n de x t r a - l o n g t u n n e li nf u t u r e o n eo ft h eb i g g e s tg e o l o g i c a lc a l a m i t i e si nt h ec o n s t r u c t i o no fd e e p a n de x t r a - l o n gt u n n e li sw a t e ri n f l o w w a t e ri n f l o w si nt u n n e l sc o n s t r u c t i o nn o to n l y d e c r e a s et h es t a b i l i t yo fw a l lr o c k ，b u ta l s ob r i n gm u c hb a da f f e c t i o nt ot h et u n n e l s 西华大学硕士学位论文第4 页 c o n s t r u c t i o n e s p e c i a l l yi nt h ec a s eo fag r e a td e a lo fh i g hp r e s s u r ew a t e ri n f l o w e x i s t si nc o n s t r u c t i o n ，i tw i l lt a k ef e t a la c c i d e n t su s u a l l y o nt h eo t h e rh a n d ，a d o p t i n g m u c hd r a i n a g et os o l v et h eg r o u n dw a t e rc a l a m i t yp r o b l e mw o u l db r i n gt h e e n v i r o n m e n tp r o b l e ma ts e c t i o nt h a tt h et u n n e lg o e st h r o u g h t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ed e w a t e r i n gt e c h n i q u ea n ds u c c e s s f u le x p e r i m e n t s i nd o m e s t i ca n do v e r s e a sc o n s t r u c t i o no fd e e pa n dl o n gt u n n e l ，o nt h i sb a s e ，t h i s p a p e ri nt u n n e lc o n s t r u c t i o na n dt h ep l a nt h a tm a y b ea d o p t e di nx i a n gs h a nt u n n e l o fl o n gx i ar a i l w a y i nt h el i g h to ft h ed i f f e r e n tg e o l o g yc o n d i t i o n s ，m a i n l yt h r o u g h t h ef i e l dt e s t st or e s e a r c ha n dd e c i d et h eh i g hp r e s s u r e ，a b u n d a n tw a t e ra n dk a r s t s t u n n e l sg r o u t i n gp r o p o s a l ，a n dt h r o u g ht h er o o mt e s t sa n df i e l dt e s t st oc h o o s et h e c o a g u l a t e dt i m es u r e l yc o n t r o l l e d ，h a v i n gg o o du n - d i s p e r s e dp r o p e r t i e s ，h i g hs t r e n g t h ， h a v i n gg o o de n d u r i n gp r o p e r t i e s ，n op o i s o n ，n op o l l u t i o n ，p r i c em o d e r a t e sg r o u t i n g m a t e r i a l a n ds t u d yg r o u t i n gp r e s s u r e ，a m o u n t ，e x t e n d i n gr a d i u sa n dm a i nw a y st o a c h i e v et h ea i mo fw e l lb l o c k i n gt h eg r o u n d w a t e r k e yw o r d s ：d e e pa n dl o n gt u n n e l ，g r o u t i n g ，g r o u t i n gm a t e r i a l ，g r o u t i n gp r e s s u r e ， g r o u t i n ga m o u n t ，g r o u t i n ge x t e n d i n gr a d i u s 西华大学硕士学位论文第9 页 1 绪论 1 1 国内外研究现状 国内外在高压、富水区修建深埋特长大隧道都不同程度地遇到了涌水，突 泥现象，在溶岩地区更加严重，高压涌水、突泥给施工和环境保护都带了了巨 大的困难和安全隐患，地质和隧道专家认为，在高水压、富水区修建长大隧道 是一种具有挑战性的世界难题。例如，位于日本的东海道的旧丹那隧道1 ，长 7 8 4 k ，1 9 1 8 年开工后曾遇到6 次大规模的高压涌突水，最大的一次高压涌突 水达到3 3 m 3 s ，水头压力高达1 4 m p a ，贯通时隧道总涌水量达到1 6 8m 3 s ，致 使该隧道历时1 6 年之久才建成。日本青函隧道全长5 3 8 5 k m ，海底段长2 3 3 k m ， 隧道在海面下最大埋深2 4 0 m ，埋深最浅处距海底1 0 0 ，其中水深1 4 0 m 左右， 隧道顶部岩层平均厚度1 0 0 。隧道通过地层主要为受到很大扰动的火山质岩石 和中新统沉积岩，本州侧火山岩类安山岩等约占1 3 ，其它为凝灰岩、沉积岩占 2 3 。岩石抗压强度，本州侧较坚硬为7 0 m p a ，北海道侧较软地段为2 0 m p a ，较 硬地段为8 0 m p a 。地下水为基岩裂隙水，突然涌水与断层有关，并与海水有一定 的水力联系，水压力值为2 4 m p a 2 6 m p a ，共有1 0 多条大断层和1 0 0 0 多条小 断层，大断层的影响大，近断层处的破碎带海水易灌入，施工过程中曾遇到四 次大的突水、涌泥。例如：1 9 7 4 年1 月8 日，吉冈作业坑最大涌水量达1 5 8 4 0m 3 d ， 采用注浆堵水法直接通过，处理时间为3 6 2 天；1 9 7 6 年5 月6 日，吉冈作业坑 又发生1 0 0 8 0 0 m 3 d 的涌水，采用遇回导坑法通过，处理时间为1 6 2 天，给施工 造成了很大损失。青函隧道的灌浆材料主要为矿渣胶体水泥和( s ) n o 1 水玻璃 浆，相对比较单一，灌浆最高压力为8 m p a 左右，基本上采用全孔一次性灌注， 其完工时的漏水量为4 5 m 3 s ，现在还有2 8 m 3 s ，每年的排水费用高达3 0 0 0 万目 西华大学硕士学位论文第l o 页 元。黎巴嫩阿瓦里引水隧洞，施工中突如其来的地下水和流砂涌出，将已开挖 的3 2 0 0 m 隧道全部淹没堵塞，隧道的最大涌水、流砂达到6 m 3 s ，使工程不得不 暂时停工，在流砂发生时，伴随着响声和气流冲击，这种突然发生的流砂事故， 给隧道施工带来了严重的危害。经国际有关技术专家鉴定，一致确任这一事态 的特殊性和严重性，经多方研究提出的处理方案是：( 1 ) 补充勘探，改变线路 方向，以最短的距离穿越这层具有特殊性的砂岩，而从完整的侏罗纪地层中穿 过，( 2 ) 采用法国专家的建议，对岩层灌注硅酸盐和水泥浆进行加固和堵水，( 3 ) 对涌砂采取分段设置拦砂堰和坚固密闭的拦砂门，然后在被泥砂淹没的隧道中 排除长距离的积砂，以后施工证实这种处理方法是成功的。 大瑶山隧道全长1 4 2 9 5 k m ，f 。断层全长4 6 5 m ，以灰岩和砂岩为主，该处 隧道埋深5 0 0 m 。施工过程中，平导和正洞遇到了十多处充填饱和砂粘土的溶孔、 溶洞，并发生了多次岩溶水引起的涌水、突泥事故，而且地表出现了多处陷坑， 给环境带了了不利影响。斑古坳竖井位于d k l 9 9 4 + 9 6 0 4 8 ，井深4 3 3 2 m ，1 9 8 2 年1 月6 日开工，1 9 8 3 年2 月2 2 日开挖到底，1 9 8 4 年4 月1 9 日当由竖井向f 。 断层( d k l 9 9 4 + 6 0 0 d k l 9 9 5 + 0 6 5 ) 方向施工的平导开挖到d k l 9 9 4 + 2 1 3 时，揭穿 溶洞，发生涌水，初期涌水量达到2 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m 3 d ，涌水中泥砂含量为1 5 ， 造成竖井被淹，这样，f 。断层的主攻方向就由“以斑古坳竖井”为主改为以“出 口端为主，并根据出口端能顺坡排水的有利条件，将“以堵为主，堵排结合 治水原则调整为“以排为主，堵排结合”。出口端在施工过程中，也发生多次涌 水突泥。大瑶山隧道f 9 断层( d k 4 + 6 0 0 d k 5 + 0 6 5 ) 为区域性大断层，其上盘为 挤压破碎富水的石英砂岩，富水，地下水位高出洞顶4 0 0 m ：下盘为强烈片理化、 千枚化并受强烈切割的灰岩；核心带为具4 0 m 宽的膨胀性的断层泥。1 9 8 8 年6 月11 日，d k l 9 9 4 + 8 5 0 处发生涌水，其正常涌水量为1 5 0 0 0 2 8 0 0 0 m 3 d ，峰值涌 水量高达4 2 0 0 0 m 3 d ，造成正洞2 0 0 余米淹没，水深达1 4 m ，淤泥淤积厚度1 0 m ， 被迫停工清淤。主要原因是，隧道内的地下水不仅以垂直岩溶管道形式和地面 西华大学硕士学位论文 第1 i 页 水有水力联系，而且还通过各种裂隙、孔道使断层上盘与下盘发生水力联系。 大瑶山隧道班古坳竖井突水淹井，直接经济损失几百万元；针对这一情况，在 洞内采用了周边浅孔预注浆，径向注浆和围截堵水注浆等地层加固方法使隧道 顺利通过。南岭隧道全长6 1 k m ，埋深灰岩占总长的9 5 ，是典型的岩溶隧道， 隧道最大埋深8 0 m 。南岭隧道洞身通过5 处较大的溶蚀洼地，横下垅、矛山里、 岭白塘、生潮垅、下连溪，岩溶洼地区域隧道2 0 6 0 m 。洞身岩溶发育，断裂、 裂缝交错，岩溶洞穴串连成网状分布，雨季洞内总涌水量达8 7 1 1 1 0 3 3 m d ，溶 槽内充填大量软塑状粘泥。施工过程中洞内发生突水涌泥2 4 次，地表陷坑5 2 处，属国内罕见，1 9 8 4 年6 月1 1 日，平导施工至d k l 9 3 5 + 7 4 5 4 时，在线路右 侧的炮眼中突水、涌泥，喷射距离为1 5 m ，涌水量为3 6 0 0 m 3 d ，当继续放炮掘进 时，突然涌泥2 5 0 0 m 3 ，平导淹没1 7 0 m ，其中靠近掌子面7 0 m 被泥砂充满。6 月1 4 日下午，地表d k l 9 3 5 + 6 4 0 6 7 6 出现了较大的陷坑。该隧道主要通过全断面注 浆、地面注浆及大管棚注浆和支护通过该地层。隧道建成通车后，局部地段又 出现了比较严重的衬砌开裂和翻浆冒泥现象，在病害整治和运营维护方面投入 费用较高。 我国正在修建的宜万铁路，线路总长度3 8 6k m ，沿线穿越位于鄂西长江与 清江分水岭的中高山半坡地区，山高壁陡，河谷深切，岩溶、顺层、滑坡和断 层破碎带等不良地质现象分布广泛，将建成隧道1 2 7 座，计1 9 9 3k m ，隧道 总长占线路长度的5 1 6 。，其中：齐岳山、野三关、堡镇三座隧道均穿过高压、 富水、岩溶区，长度都在1 0k m 以上，最长的野三关隧道长达1 3 8k m ，施工难 度很大，工程任务艰巨。 从国内外的隧道施工现状及发展趋势看，高水压、富水、岩溶地段修建特 长隧道的技术还不成熟，地层加固和堵水及岩溶的处理技术有待发展，在岩溶 水的堵、排方面还存在着不同的看法，充填型溶洞的注浆理论需要不断探索， 注浆材料、注浆方式、注浆参数仍需进一步试验和研究。因此针对象山隧道高 西华大学硕士学位论文 第1 2 页 水压、富水、岩溶的特点，结合周围环境条件，深入开展高水压、岩溶特长隧 道注浆堵水技术研究具有重要的意义。 1 2 注浆技术和理论研究成就 1 2 1 注浆材料 水泥浆液具有强度高，耐久性好，价格低，以及无毒等优点，一直是基础 灌浆中最为广泛使用的材料。同时，水泥浆材具有一些明显的缺点，如，粒径 较大而进入细微裂隙的能力低；因易于析水沉积而稳定性差，硬化后的结石体 积收缩，甚至产生裂缝而构成渗漏等。八十年代以来，许多国家为此进行了研 究工作，中国也研制出不同种类的超细水泥浆材、改性浆材和膏状浆材，并且 在实践中取得成功。例如，利用超细水泥加固弱风化的岩体，获得成功；利用 改性水泥注浆可以在浆体硬化过程中产生微膨胀，可以调节浆体凝结时间和膨 胀稳定性，并提高硬结浆体的早期强度。膏体水泥浆液在压力作用下，水分不 会被挤出，且在灌浆过程中具有触变性，这种浆体具有高稳定性，使用这种浆 液，能够饱满地充填裂隙结石强度高，抗化学溶蚀能力强。 化学浆液具有某些水泥浆液所不具有的特性：粘度低，可以灌入微细裂 隙；凝结时间可以准确控制；固结体可以是适用于补强用的塑料体、应变 形的橡胶体、或止水用的凝胶体等，因而可以满足工程的多种要求。但是化学 浆材的成本高，配方比水泥浆液复杂，所以一班情况下，尽量先采用水泥浆材， 若不能奏效，才起用化学浆液。在近四十年里，我国研制并应用的化学浆材品 种多样，包括环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、 木质素类、脲醛类，以及水玻璃( 硅酸盐) 类。 环氧类材料的粘结力强、强度高、耐化学腐蚀性能好，可作为对混凝土裂 缝进行 补强加固的材料。但是它们的粘度大，可灌性差、亲水性也差。为改善这 西华大学硕士学位论文第1 3 页 些缺点，可加入活性亲水性的稀释剂，如糠醛一丙酮体系。国内已研制出多种 型号的低粘度环氧浆液，如中化- - 7 9 8 ，可以渗入渗透系数为1 0 6 1 0 一8 c i s 的介质。它的固结体强度可以达到5 0 - 8 0 m p a 。 聚氨酯类材料具有一个突出的特性，就是能够与水反应而固化。所以，它 的浆液不会被水稀释而流失。由于这一特性，它极其适合用于防渗堵漏的处理。 另外的一个特性是其固结体有多种形态，包括强度高的塑性体、延伸率大的橡 胶体、水膨胀性弹性体、含水凝胶体。国内已研制出众多品种，如油溶性聚氨 酯、水溶性聚氨酯和炭性聚氨酯等。油溶性聚氨酯浆材遇水后会发泡，产生二 次扩散，然后固结，水溶性聚氨酯遇水后先分散乳化，进而固结。弹性聚氨酯 具有优良的粘结性能，固化后的伸长率达到2 0 0 - - - - 3 0 0 。 丙烯酰胺类浆液是中国科学院广州化学研究所叶作舟研制的。丙烯酰胺灌 浆材料在上世纪六十年代被誉为“二十世纪魔水 。这类浆液的特点是粘度低， 为1 2 x1 0 3 p a s ，可以注入微细裂隙。同时它的凝胶时间可以准确调节，因而 利用它的速凝性可以用于封堵集中渗漏。但这种材料的缺点是固化后强度低， 会干缩，单体有毒性等。 丙烯酸盐类材料粘度低，抗挤出能力强。此外还有一个突出优点，就是单 体毒性甚微。 木质素类材料以造纸过程中的废液为原料，所以成本低。它的主要缺点是 作为凝胶剂的重铬酸盐有毒，从而可能引起环境污染。 水玻璃类材料价格低廉，广泛地被用于许多方面，如软弱土层或砂层建筑 物基础地加固，矿井和砂砾石层地地面预注浆，井壁防渗堵漏等。此外，水玻 璃和水泥浆组成双液浆常用于松散破碎岩体地堵水加固。 总之，注浆使用的材料多种多样，性能迥异，各有利弊。采用时需要根据 不同的地质情况和灌浆目的要求，认真地进行选择方可。 西华大学硕士学位论文第1 4 页 1 2 2 注浆理论 注浆理论研究浆液在岩土缝隙中的流动规律，揭示地质调节、浆材性质和 工艺技术之间的相互关系，为灌浆设计和现场施工提供科学的依据。 地下浆体力学与地下水力学同属一个科学范畴，但前者相关因素更多，难 度更大，因为许多浆液都属宾汉( b i n g h a m ) 流体而不是牛顿流体( n e w t o n i a n f l u i d ) ，且粘度会随灌浆时间的增加而增长，当采用粒状浆材时，不稳定悬浮浆 液在一定条件下会在缝隙中发生颗粒沉淀，从而使浆液的渗流规律大大改变。 传统的灌浆工艺是以“渗入性理论”为基础，灌浆时只采用相对较低的注 浆压力，使浆液在孔隙或缝隙中扩散时不致破坏岩土的原有结构。近年来人们 逐渐认识到，利用水力劈裂原理，可人为地制造或扩大岩土的缝隙，使低透水 岩土层的可灌性和注浆量提高，从而获得更为满意的灌浆效果。此外，还有压 密灌浆理论和电动化学灌浆理论。 渗透灌浆使指在压力作用下使浆液充填土的孔隙和岩石的裂隙，排挤出 孔隙中存在的自由水和气体，而基本上不改变原状土的结构和体积，所用的灌 浆压力相对较小。这类灌浆一般只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。 代表性的渗透灌浆理论有球形扩散理论、柱形扩散理论和袖套管法理论。 劈裂灌浆是指在压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引 起岩石和土体结构的破坏和扰动，使其沿垂直于最小主应力面上发生劈裂，使 地层中原有的裂隙或孔隙、浆液的可灌性和扩散距离增大，而所用的灌浆压力 相对较高。其中，对于砂和砂砾石地层，可按照有效应力的库仑一莫尔破坏标 准计算灌浆压力；对于粘性土层，水力劈裂将引起土体固结及挤出现象，在只 有固结作用的条件时，可计算注浆量。 压密灌浆时指通过钻孔在土中灌入极浓的浆液，在注浆点使土体压密， 在注浆管端部附近形成浆泡。经研究证明，向外扩张的浆泡将在土体中引起复 杂的径向和切向应力体系，紧靠浆泡处土体遭到严重破坏和剪切，并形成塑性 西华大学硕士学位论文 第1 5 页 变形区。在此土体密度可能因扰动而减小；离浆泡较远的土体则基本上发生弹 性变形，因而土的密度有明显的增加。压密灌浆常用于中砂地基，粘土地基中 若有适宜的排水条件也可以采用。 电化学灌浆使指在施工时将带孔的注浆管作为阳极，滤水管作为阴极， 将溶液由阳极压入土中，并通以直流电，在电渗作用下，孔隙水由阳极流向阴 极，促使通电区域中土的含水量降低，并形成渗浆通路，化学浆液也随之流入 土的孔隙中，并在土中硬结。电化学注浆适用于渗透系数小，只靠一般静压力 难于使浆液注入土的孔隙，此时需要用电渗透的作用使浆液进入土中。因而电 动化学灌浆是在电渗排水和灌浆法的基础上发展起来的一种加固方法。 1 3 高压富水岩溶深埋特长隧道的施工特点 象山隧道是新建龙岩至厦门铁路的头号重点工程，左、右正线分别长1 5 8 9 8 米。象山隧道设计为单线双洞方案，平面上左、右线隧道中线间距1 3 7 5 9 m 一 5 0 9 0 2 m ，由进口一出口变化。纵断面上隧道采用单向坡，由进口向出口均为下 坡。象山隧道共设辅助施工斜井5 座，其中1 撑、5 撑斜井为无轨运输斜井，2 ， 3 群，群斜井为有轨运输斜井。隧道穿越区域不良地质主要有：煤矿采空区、煤 层瓦斯、岩溶、高地温、高地应力及岩爆、大变形、断层及其影响带。 2 撑斜井位于龙岩市新罗区适中镇新祠村，位于线路前进方向右侧。斜井 井身与隧道右线线路中线的交点里程为y d k 2 5 + 0 0 6 0 ，斜井与隧道采用斜交单 联方式连接，井身与线路小里程方向夹角为3 9 。2 6 7 2 2 ”。 2 撑斜井井身全长约5 0 8 米，主倾角为2 2 。，主要开挖断面面积为4 4 6 7 m ：， 初期支护后净空7 1 ( 宽) 母6 2 1 m ( 高) 。2 斜井承担正洞右线施工长度2 9 8 6 米， 左线2 6 2 1 米。 2 群斜井施工段围岩地质条件复杂，在洞内最大涌水量超过1 0 0 0 0 立方米 天，还有瓦斯、煤矿采空区、断层等不良地质，施工难度极大。 西华大学硕士学位论文 第1 6 页 1 4 主要研究内容 本文根据国内外注浆技术的发展现状，结合象山隧道的水文地质特征，对 象山隧道的防排水注浆技术进行以下方面内容的研究。 ( 1 ) 注浆堵水方案的研究和制定 ( 2 ) 注浆材料的选择和试验研究 ( 3 ) 注浆参数的研究 ( 4 ) 注浆工艺研究 象山隧道毛坝向斜一般富水区为节理、裂隙及溶隙发育地层，高水压、富 水区岩溶的发育形式主要为大型、高压、富水、深埋型、充填型溶洞及岩溶管 道，其充填物主要为高压、富水、致密的淤泥质粘土、粘砂土、粉细砂、砂粘 土及硬塑状粘土，在此种条件下，必须采用多种注浆方案，实行渐进式注浆， 所选材料必须具有良好的可注性、耐久性，抗分散性、并且具有早强、高强、 凝结时间可控且对环境基本无污染等特性。从现场注浆的情况来看，在一般富 水区的节理、裂隙及溶隙地层采用普通水泥浆和水泥一水玻璃浆即可，而在高压、 富水淤泥质粘土和粉细砂充填型溶洞中进行注浆，情况却复杂得多，首先是此 类地层的可注性极差，一般颗粒性注浆材料很难渗透，其次是较低压力下的挤 密注浆作用范围非常有限，难以封堵高压水，无法消除薄弱环节的流砂、涌水、 突泥问题，而化学浆液由于其强度较低，耐久性较差，成本高、工艺复杂、对 作业环境及地下水有污染，很难大规模推广应用，因此必须选择早强、高强、 耐久性好的超细材料，采用高压、劈裂、密孔、反复注浆的方式，在地层中形 成尽量多的浆脉，提高地层的强度，降低地层的渗透系数，最终解决高压、富 水、粉细砂层的注浆堵水问题。化学浆液由于存在着不同程度的污染问题，不 宜大量采用。根据超前注浆、径向注浆、局部和补充注浆四种注浆方案，并综 合分析水泥系浆液的优缺点，现场实际注浆选用了普通水泥浆、普通水泥一水玻 璃浆、超细水泥浆、超细水泥一水玻璃浆，h s c 浆、t g r m 浆，室内对这几种注浆 西华大学硕士学位论文 第1 7 页 材料进行了物理力学性能试验，并对注浆参数和工艺进行了深入研究 2 注浆方案研究 注浆方案主要取决于地质条件和设计要求及施工的具体条件，象山隧道地 质条件比较复杂，主要包含可溶岩与非可溶岩接触地带，断层破碎带、节理、 裂隙发育带、软岩大变形地带及高压、富水岩溶地层，在高压、富水、填充型 溶洞地段必须采用全断面超前预注浆方案，在溶管和溶隙发育及出水较大且携 带泥砂的地段也应进行全断面超前预注浆，在岩体破碎、节理、裂隙或溶隙比 较发育且水量或水压较大地段也应采用超前注浆方案，在岩体完整、节理、裂 隙或溶隙不太发育地层中，局部出水或渗漏水地段可采用径向注浆及局部和补 充注浆方案。象山隧道毛坝向斜设计原则为以堵水主，限量排放，对隧道防水 要求很高，因此必须依据地层、岩性、岩体结构和构造、水量和水压大小、涌 水、突泥的危险程度等条件确定注浆方案 2 1 注浆方案的选择依据 2 1 1 地质条件及地质超前预测、预报成果 考虑到象山隧道水量大、水压高、岩溶发育、岩溶形态复杂的特点，施工 中采用了综合地质预测、预报技术，即首先采用t s p 2 0 2 初步判断掌子面前方 2 0 0 m 的异常构造( 结构面、断层破碎带等) ，然后采用l o o m 的长距离钻探基本确 定掌子面前方l o o m 的地质情况及结构面和含水体位置，从宏观掌握掌子面前方 的地质情况，主要是宽度较大的异常构造( 结构面、断层破碎带、含水体等) 、 岩性、大型溶洞、溶洞充填物及水量、水压情况；然后采用红外线探水、地质 雷达、h s p 及c t 等技术和中长距离的多孔钻探比较准确地预报掌子面前方3 0 m 西华大学硕士学位论文第1 8 页 的地质情况，并进行水量和水压预测，准确判断岩体结构和构造、结构面宽度、 岩溶发育形态、规模及岩溶充填物、并进行隧道水压和涌水量测试，判断水的 方向及涌水、突泥的危险程度，研究注浆堵水方案；最后采用掌子面地质素描、 5 m 短距离的风枪超前钻孔等技术进行每个开挖循环的跟踪探测，主要判断岩溶 突出的危险及岩溶充填物的成份及颗粒组成，选择并实施注浆方案。通过设计 地质资料分析，地质超前预测、预报及开挖观察，象山隧道的主要地质情况如 下t 地质构造复杂：隧道穿越的主要地质构造为毛坝向斜和桐麻岭背斜及其 伴生和次生断裂构造，隧道最大埋深7 8 0 m ，深孔钻探表明，地下暗河和岩溶十 分发育，属于典型的深埋岩溶隧道； 岩性变化大：隧道通过的地层以灰岩石为主，存在多处可溶岩非可溶岩接 触带及断层破碎带，对隧道开挖安全和稳定影响较大； 隧道的涌水量大：毛坝向斜可溶岩地段长度2 2 0 0 m ，最大涌水量可达 2 4 1 0 4 3 m d 。 水压大，毛坝向斜预测最大水压力为4 6 m p a ，实测水压力超过3 o m p m 高压、富水、深埋、充填型溶洞和岩溶管道发育，隧道涌水、突泥可能 性极大； 岩溶水主要受大气降雨补给，并和地下暗河具有一定的水力联系，暴雨 季节，隧道涌水量会突然增大、水压高、破坏力强。 针对以上地质条件，依据设计原则，在高压富水区隧道应采用大范围、高 压、密孔、多种材料注浆堵水、加固技术，在不同区段选用不同的注浆方案，提 高地层的堵水率，防止涌水、突泥的发生。 2 1 2 掌子面涌水量测试及预测 掌子面探孔涌水量测试对于确定注浆方案非常重要，掌子面水量可以采用 西华大学硕士学位论文 第1 9 页 直接测试和钻孔预测的方法。 超前注浆开始的标准： 超前探孔涌水量控制标准 第一种方法是，在掌子面上安装排水管，测出排水管中水的流速v ，然后测 出排水管中的过水断面a ，即可计算出探孔涌水量： q = v 水a ( 3 1 ) 从现场施工情况看，对于含有泥砂岩溶水，在顺坡施工的地段，如果单孔 涌水量q 2 0 m 3 h ，将对施工造成一定的影响，在反坡施工的地段，如果单孔涌 水量q 1 0 m 3 h ，将对施工造成一定的影响，并且隧道可能发生大的涌、突水， 需采取超前预注浆方案。 掌子面总的涌水量 如整个断面上出水部位较多，很难用多根排水管进行测试，断面总的涌水 量一般采用水沟测试，即通过测试水沟中水的流速和水沟的过水断面，即可计 算出隧道整个涌水量。 从现场施工情况看，一般情况在对于含有泥砂的岩溶水，在顺坡施工的地 段，如果整个断面的涌水量q l o o m 3 h ，将对施工造成一定的影响，在反坡施 工的地段，如果整个断面的涌水量q 5 0 m 3 h ，将对施工造成一定的影响，需采 取超前预注浆措施。 初期支护表面渗漏水量控制标准 依据地下工程防水技术标准( g b 5 0 1 0 8 - 2 0 0 1 ) ，为了达到一级防水标准， 当初期支护结构出现渗漏或湿渍，应进行径向和局部注浆；为了达到二级防水 标准，当初期支护结构表面总湿渍面积大于总防水面积的6 1 0 0 0 或任意l o o m 2 防水面积上的湿渍超过4 处或单个湿渍的面积大于0 2m 2 ，应进行径向和局部 注浆。参考国内外地铁车站和区间的防排水标准，当隧道初期支护结构表面的 渗水量大于0 21 m 2 d 时，应进行径向和局部注浆。 西华大学硕士学位论文 第2 0 页 2 1 3 水压测试及预测 水压力可用直接测试方法，也可用间接估算方法。 直接测试方法 用混凝土将开挖面封闭，在止浆墙上安装排水管，在排水管安装压力表， 待止浆墙达到一定强度后，关闭出水阀们，每隔1 0 , - 一3 0 分读取压力表读，根据 压力表读数，可采用回归分析的方法预测总的水压力。 间接估算方法 根据管嘴流量和压力水头的关系可估算水头高度，参考有关文献，公式如 下： 肚南 ( 3 _ 2 ) 式中：h ：压力水头高度； q ：管嘴或钻孔流量； g ：重力加速度； a ：管嘴断面面积； 雠僦躲热舻赢 q ：过流断面上的速度分布，般流动取1 0 5 1 1 0 ，实际计算时一 般取1 0 ： 毛。：管口局部损失系数，如表3 - 1 所示。 西华大学硕士学位论文第2 1 页 表3 - 1 管嘴出流局部损失系数 t a b l e 3 1p i p em o u t ho u t f l o w sp a r t i a ll o s ec o e f f i c i e n t 截面a l _ 如 突然 a 2 a 1o o lo 1o 20 30 4o 50 6o 7o 80 91 0 缩小u1 ：厂一” 0 50 4 50 4 00 3 50 3 00 2 50 2o 1 5o 1 0o 0 50 o o 渐d l - 一j 2 d 2 d l o 00 1o 20 3 0 4 0 50 60 7o 80 91 0 管廿1 ：7 v 0 50 4 5 0 4 2o 3 9o 3 60 3 30 2 8o 2 2o 1 5o 0 60 o o l ld 2 d 渐d l ，r 一 ) 1 11 21 41 61 82 02 53 0 扩_ ，j 0 1 管 u1 1 00 0 30 0 4o 0 6o 0 7o 0 70 0 7o ，0 8o 0 8 陋毛半 2 00 1 0o 1 6o 2 30 2 60 2 8o 2 9o 3 00 3 1 3 00 1 6o 2 5o 3 6o 4 2o 4 40 4 50 4 80 4 8 4 00 1 9o 3 1o 4 40 5 00 5 40 5 6o 5 80 5 9 0 2 04 56 0 9 0 1 2 0 0 1 53 03 56 09 0 多逛， 圆方 管 0 0 50 1 80 3 70 9 91 8 6 管 o 0 30 1 1o 2 60 4 91 2 通过水压力的测试和估算并结合岩溶发育形式，可以确定注浆压力。注浆 压力一般为水压力加上管道阻力再加上( 2 - - 一3 ) m p a 。 西华大学硕士学位论文第2 2 页 2 1 4 涌出物成份分析 涌出物成份分析是通过分析涌出物的组成成份、颗粒粒径、含泥、含砂量、 水的同位素测定等研究地下水补给关系、年龄、连通情况、排水对环境的影响， 从而确定注浆方案和注浆材料。 对于对砂层进行注浆时，可按j c k i n g 判式对粉体粒径进行选择，通过现场 试验，分析可注性及注浆效果。j c k i n g 判式如下： ：丝1 5 ( 3 - 3 ) g 8 5 式中：n 注入比； d 1 ，砂层筛分曲线上筛余率为1 5 所对应的颗粒粒径； g 。，粉体材料筛分曲线上筛余率为8 5 的颗粒粒径，通常采用注浆材料 颗粒的8 5 粒径作为注浆材料的“最大代表粒径”。 2 2 注浆方法的选择标准 根据地质条件、设计的堵水要求及防排水等级，通过现场试验，象山隧道 主要选用了4 种主要注浆方法，如表3 - 2 所示。 西华大学硕士学位论文第2 3 页 表3 - 24 注浆方法及注浆开始标准 t a b l e 3 2f o u rg r o u t i n gm e t h o d sa n dt h e i rs t a r t i n gs t a n d a r d s 注浆 加固范围注浆开始标准 方案 可溶岩与非可溶岩接触带，溶管及溶洞充 全断面超前预注浆：注浆有 填物； 效加固范围为：正洞为挖轮 地质预报判断可能发生严重突水、突泥等 方法1 地段； 廓线外8 m ，平导开挖轮廓线 探水孑l 流水量q 2 0 m 3 h ； 外5 m ，同时包括开挖工作面。 探水孔水压p 1 0 m p a ； 探水孔泥砂量s 1 0 。 全断面超前预注浆：注浆有 岩层接触带，物探电阻异常带； 效加固范围为：正洞为挖轮 地质预报判断可能发生比较严重突水、突 方法2廓线外5 m ，平导为开挖轮廓 泥等地段； 线外3 m ，包括开挖工作面部 探水孔流水量为1 0m 3 h q 2 0 m 3 h ； 探水孔水压0 5 m p a p i 0 m p a ； 分。 探水孔泥砂含量5 s 1 0 。 一般富水取或节理、裂隙发育地段地段； 开挖后全断面径向注浆：正岩体完整，探水孔流水量2 m 3 h q 洞注浆加固范围为隧道开挖 1 0 m 3 h ， 方法3 轮廓线5 m ，平导为开挖轮廓 开挖后大面积渗漏水； 线外3 m 。 探水孔水压0 1 m p a p 0 5 m p a ； 探水孔泥砂含量2 s 5 。 局部注浆和补充注浆：局部开挖过程中的局部出水地段； 注浆根据情况确定，可以进岩体完整，探水孔流水量q 2 m 3 h 且水压 行超前预注浆，也可进行径力p 0 1 m p a ， 向注浆，补充注浆加固范围探水孔泥沙含量s 8 0 0 6 0 0 4 0 0 1 0 超细水泥+ 水玻璃d 不合格不合格合格 c s = 1 ：l t g r m 灌注浆w c 1 0 d ：。合格合格合格 h s c 超细水泥w c 1 0d 。合格合格合格 w c 1 0 普通水泥+ 水玻璃d ：o 不合格不合格合格 c s = 1 ：l 表3 - 8 几种材料的侵蚀试验 t a b l e 3 8s o m em a t e r i a l s e r o s i o nt e s t s 指标 侵蚀液泡( 强度比) 备注 材岔 配合比 n a 2 s i 0 3 m g s o ；( 5 0 )n a c l ( 5 9 6 ) m g s o t ( 5 9 6 ) 普通水泥w c = 1 ：1 0 1 2 损坏 0 2 40 3 6 超细水泥w c = 1 ：1 0 6 70 2 10 8 20 5 4 h s c 水泥w c = 1 ：1 1 1 31 1 4