岩溶地区隧道工程注浆堵水技术_李蓉.pdf

1宜万铁路隧道工程注浆堵水技术 1 1岩溶地区灾害的分类及特点 新建宜万铁路全长约 386 km 隧道总长约 215 km 全线约 70 的隧道位于灰岩地区 岩溶十分发 育 部分隧道位于岩溶水的垂直循环带和水平循环带 内 岩溶构造十分复杂 补给水源丰富 给设计和施工 带来极大的困难 其分类及特点为 1 伴生溶腔的大型富水断层 工程特点是断层富 水 规模大 介质松散 整体胶结差 伴生溶腔高压 富 水 含泥 2 富水 高压大型溶腔 工程特点是规模宏大 高 压 富水 充填物稳定性差 常与地下暗河相连 3 富水岩溶管道 溶槽 工程特点是富水 水压 高 常与大型溶腔相连 4 贫水充填 半充填溶腔 工程特点是充填物松 散 自稳能力差 易滑塌 基底承载力不足 1 2岩溶地区溶洞 溶槽 暗河的处理原则 1 以排为主 尽量不改变岩溶水的径流与渗 流路径 保持地下水的原始循环和储存状态 2 排堵结合 根据隧道内涌水量的大小 所含 泥砂程度 将堵水与排水结合起来决定处理方案 3 因地制宜 综合治理 根据隧道的工程地质 条件和水文地质条件 周边环境条件等 采取多种方 法进行综合治理 4 准确的地质预报是成功处理岩溶的前提条件 1 3岩溶治理主要技术措施 1 高压深孔帷幕注浆技术用于易发生突发性涌 水 涌泥地段的岩溶处理 注浆范围是隧道周边外延 5 10 m 注浆长度在 20 30 m 2 管棚支撑和小导管注浆技术常用于破碎地带 隧道开挖 注浆加固范围一般为隧道开挖轮廓线外 0 5 1 0 D D 为隧道直径 3 径向注浆技术主要用于治理岩溶水引起的隧 道周边大面积渗漏水 1 4适用于岩溶注浆的材料研究 1 4 1注浆材料的要求 浆液流动性好 可注性好 易注入地层中 凝胶 时间可调可控 浆液稳定性好 结石体透水性低 具 岩溶地区隧道工程注浆堵水技术 李蓉 李伟 赵胜杰 中国中铁西南科学研究院 四川 成都 610031 摘要 结合在宜万铁路重点控制性工程的注浆技术研究项目 提出了在溶洞等岩溶地区中注浆加固堵漏的工艺 材料以及作 用机理等研究成果 为岩溶条件下隧道修建注浆堵漏技术的提 高提供了技术保障 关键词 岩溶地区 隧道工程 注浆 堵漏 文章编号 1007 497X 2009 10 0025 05 中图分类号 TU761 1 1 文献标识码 B Grouting for water blocking of tunnel construction in karst region Li Rong Li Wei Zhao Shengjie Abstract On the basis of Grouting for water blocking used in Yi wan railway this paper introduces the process materials and mechanism of grouting for water blocking in karst region Key words karst region tunnel construction grouting water blocking 地下与隧道防水 中国建筑防水252009 10 表 1承压涌水型注浆材料凝胶 凝结 时间测试 双液体积比 A B 凝胶时间 s 凝结时间 min 初凝终凝 1 1401218 0 8 1381320 1 0 8451116 水的流速 m s 浆材留存率 0 3100 0 6100 1 0100 1 290 表 2承压涌水型注浆材料的抗水流冲刷性能 表 3承压涌水型注浆材料的抗压强度 水料比 W C 双液体积比 A B 抗压强度 MPa 1 h 0 51 12 8 0 50 8 12 6 1 d3 d28 d 1617 235 6 13 016 137 4 0 51 0 83 017 321 232 1 0 61 12 110 613 025 2 0 60 8 11 89 813 128 8 0 61 0 82 313 515 726 0 W C 0 8 1 0 10 min20 min30 min 40 min 1 h 12 h1 d 0 2 0 5 1 3 5 7 8 0 1 0 3 0 6 1 5 3 5 6 5 龄期 7 d 12 8 28 d 20 13 表 4双液型 TGRM 注浆料不同龄期下的抗压强度MPa 有一定强度 大水流 高流速条件下早期强度高 抗水 流冲刷能力强 材料来源广 施工操作程序简单 不会引起公害及对操作人员无损害等 1 4 2用于宜万线岩溶注浆材料的初步选择 根据以往工程经验以及宜万铁路的具体工程情 况 课题组共选择了 3 种注浆材料进行研究和分析 HSC 水泥基快凝抗流失特种注浆材料 TGRM 水泥基注浆材料 马丽散注浆材料 1 4 3HSC 水泥基特种注浆材料性能研究 1 特点 可双液注浆也可单液注浆 单 双液的凝结时 间均可控可调 流动性 抗分散性 可注性好 早 期强度高 后期强度不倒缩 耐久性好 抗硫酸盐侵 蚀 对环境无污染 2 分类及适用范围 含水细沙型特种注浆材料 适用粉细沙层 淤 泥质软土层及高应力软弱破碎围岩的堵漏加固 承压涌水型特种注浆材料 适用硬岩及强约束地层大 涌水堵漏 在 0 8 m s 流动水中 3 min 的留存率为 80 凝结时间可在 30 s 到十几分钟调整 帷幕加 固堵水型特种注浆材料 适用于一般软弱围岩 寒区 围岩和城市地下工程堵水 早强防水加固型特种 注浆材料 适用于低流速或静止水的快速充填堵漏 3 高水压条件下性能研究 上述承压涌水型特种注浆材料适用于高水压条 件下的注浆 其特点为 可在流动状态堵水 注入地 层空隙的均匀性好 既速凝 又抗大涌水冲刷 因此 堵水效率高 在水中与在空气中的凝结时间 结石率 相差不大 堵水可靠性高 早期强度高 30 min 强度 达 1 6 MPa 材料固化时微膨胀 补偿收缩 后期强度 不倒缩 承压涌水型特种注浆材料的凝胶 凝结 时间测 试见表 1 抗水流冲刷性能试验见表 2 抗压强度试验 见表 3 1 4 4TGRM 水泥基注浆材料 该材料为双组分注浆材料 按照材料的细度可以 分为普通双液型和超细双液型 普通型粒径较大 一 般只能渗入宽度大于 0 2 mm 的裂缝 超细双液型可 以渗入宽度大于 0 05 mm 的裂缝 粒径 D50 3 0 m D90 10 0 m S比表面 2 5 m2 g 其他性能指标与普通 双液型相同 双液型 TGRM 注浆料抗压强度与龄期 的关系见表 4 双液型 TGRM 水泥基复合注浆料施工环境要求 在 0 以上 若环境温度降低 浆体的储浆时间和凝 结时间就会延长 强度增长减慢 环境温度高于 30 时 建议 90 min 内注浆完毕 地下与隧道防水 26CBW2009 10 表 5马丽散注浆材料基本性能 应用温度 最初的黏度 mPa s 反应时间 min 膨胀比 1525 450250 5540 22 压力 MPa 35 35 粘合力 MPa 5 5 1 4 5马丽散注浆材料 马丽散为膨胀型有机材料 凝胶时间可调 其堵 水机理是浆液注入地层后 没有凝胶前会保持低黏度 状态 可以在岩体裂隙中渗入扩散 且可渗入细小的 裂缝 浆液凝胶后 体积膨胀 并与岩石粘结在一起形 成整体 从而有效地加固围岩和堵水 其基本性能见 表 5 注浆堵水机理及特点 黏度低 能渗入到细小的裂缝中 有较好的粘合 力 有良好的柔韧性 能承受较大的围岩位移 能固结 地层 提高围岩稳定性 可四季施工且无污染 适用范围 加固裂隙和不稳定地面 岩石锚杆的密封 封闭 水流入口 封闭地层 软弱围岩超前加固 2工程应用 应用本课题研究成果在宜万线岩溶隧道注浆的 工程实例有 五爪观隧道上部溶洞暗河注浆 齐岳山 隧道溶洞注浆 高压裂隙水注浆 大支坪隧道溶洞注 浆 岩溶异常体注浆 2 1五爪观隧道上部溶洞暗河注浆堵水 1 工程概况 五爪观隧道全长 3 531 m 进口附近向南发育五 爪观暗河 以悬挂泉的形式溢出 五爪观风景区的主 要景点 且为五爪观水电站常年发电用水 隧道外 拱顶距暗河底板最小厚度约 0 95 m 岩堆体和暗河 河床在隧道内通过 暗河河流湍急并在岩堆体底部和 岩溶裂缝处通过 在线路中线右侧发现一较为集中的 暗河流水通道 暗河溶腔与隧道相互影响情况复杂 使暗河处理和隧道施工难度相当大 2 治理方案 因隧道属于地下工程 暗河处理应充分考虑工 程的不可逆转性和不可预见性 应做到一次根治 不 留后患 暗河下游为五爪观水电站 下游 2 km 为 漂流风景区 暗河处理应维持既有水系及流量 不对 生态环境造成危害 暗河处理措施应力求稳妥 技 术可行 确保施工安全及运营安全 3 注浆设计 清理暗河堆物到设计标高后 将暗河水流导向 隧道进口端 然后分段施作出口端钢筋混凝土底板 底板厚 50 cm 底板向暗河下游做成 2 的引水纵坡 在钢筋混凝土底板上预留注浆孔 在暗河上游狭窄处修建挡水坝 挡水坝基底采 取注浆堵水 注浆孔深 10 22 m 间距 1 5 m 注浆材 料采用 HSC 水泥基双液快凝抗流失注浆材料 采用 前进式 跳孔 分段的注浆方式 挡水坝修建完毕 将分散漫流的暗河水流导入 排水渠 再施作进口端钢筋混凝土底板 同时可进行 钻孔注浆加固 止水帷幕施工 注浆孔深 10 22 m 到 达基岩面 1 0 m 以下 暗河上游端两排注浆孔压注 HSC 水泥基双液快凝抗流失注浆材料和水泥 水玻 璃浆液 余孔压注水泥浆液 暗河处理完毕后对洞内开挖 采用 8 76 m 超 前管棚注浆超前支护 初期支护采用 工 字钢架加 强 开挖过程中视渗漏水情况可采用径向注浆加固堵 漏 基底采用钢管桩注浆加固 4 岩溶封堵注浆处理效果 五爪观隧道暗河段岩溶注浆封堵采用上述设计 技术方案施工 顺利通过了岩溶暗河地段 现已进入 铺轨阶段 2 2齐岳山隧道注浆堵水 齐岳山隧道地处湖北省利川市城外西偏北 23 km 处 全长 10 523 m 洞身最大埋深 670 m 整个隧 道为单面坡 下坡 齐岳山隧道存在着岩溶 岩溶塌 陷以及断层破碎带等地质问题 较为典型的有 齐岳 地下与隧道防水 中国建筑防水272009 10 表 6齐岳山隧道正洞溶腔帷幕预注浆材料及浆液配比 注浆材料浆液配比 普通水泥单液浆W C 0 6 1 1 0 1 5 水泥砂浆W C 0 45 1 0 5 1 掺砂量为水泥质量的 20 水泥 水玻璃双液浆W C 0 6 1 1 5 1 C S 1 0 3 1 1 HSC 系列特种浆材W C 0 6 1 1 5 1 山隧道 DK362 060 富水溶槽 齐岳山隧道正洞 DK362 271 289 溶腔 齐岳山隧道出口 DK366 300 DK365 450 段高压裂隙水等 2 2 1富水溶槽注浆封堵处理 1 岩溶灾害情况 TSP 超前预测预报揭示该段节理裂隙发育 局 部有水 采用超前探孔探测时 由探孔中射出水流 射 程 4 m 超前探测还表明 在隧道前方自左上向右下 发育一富水溶槽 宽度为 0 7 0 1 m 溶槽中充满水 经测试 水压力为 0 1 MPa 2 主要工程措施 端部加强 开挖段采取 5 m 径向注浆 加固该 段破碎围岩 防止帷幕注浆时产生破坏 顶水注浆 对超前水平探孔进行顶水注浆 将水顶回到原来的流 水通道 超前帷幕注浆 采取开挖轮廓线外 3 m 超 前帷幕注浆 形成注浆截水帷幕 超前大管棚 开 挖轮廓线外布设 108 mm 超前大管棚 形成刚性支 护体系 径向注浆 该段开挖后进行 5 m 径向注浆 提高溶槽段的注浆加固效果 3 注浆封堵效果 工程完工较长时间后 经开挖观察 原富水溶槽 被浆液充填饱满 注浆效果较好 满足了安全开挖要 求 2 2 2正洞溶腔注浆工程 1 治理措施 溶腔内松散体注浆固结 超前帷幕注浆 DK362 272 290 注浆段长 18 m 开挖后局部 补注浆 DK362 277 5 290 注浆材料及配比见 表6 2 注浆封堵效果 超前地质预测预报情况 TSP203 地质超前预 报在 DK362 265 275 段整体性较好 无水 红外 探测结果显示 DK362 274 前方场强降低 地质发生 异常 经掌子面钻多孔检查 孔内无涌水 淤泥塌孔 现象 成孔较好 注浆固结效果良好 说明对该溶腔 的处理获得了良好的堵水加固效果 2 2 3出口段高压裂隙水 该段主要为长石砂岩夹煤线和泥质灰岩夹钙质 页岩互层 其中煤层和钙质页岩软弱破碎 该段水量 大 水压高 补给范围广 实测水压高达 3 2 MPa 单 孔最大涌水量约 1 000 m3 h 钻孔射水达 60 m 呈水 雾状 针对工程特点 根据本课题和高压力条件下支 护结构型式及施工方法的研究成果 采取了 8 m 超 前帷幕注浆和 K1 0 加强型复合式衬砌结构措施 顺 利完成了该段施工 2 3大支坪隧道注浆堵漏加固技术 2 3 1出口段岩溶注浆 1 工程概况 根据地质情况 正洞岩溶发育段位于 P1m q 的 灰岩与石英砂岩接触带附近 充填流塑的黏土夹小卵 石及砂 分析溶洞为古暗河 现充填 该溶洞的地表 为 S54 号大泉 与该溶洞处于同一灰岩中 可能存在 水力联系 日涌水量 5 万 m3左右 溶洞探孔初始最大 涌水量 6 600 m3 d 现正常涌水量 1 700 m3 d 2 治理措施 注浆方案 DK135 375 367 段采用衬砌外 5 m 全断面径向注浆 加固该段围岩 避免由于 DK135 367 超前预注浆堵塞水路后 掌子面后方水 压增大带来的隐患 DK135 367 330 段采用超前 帷幕预注浆 注浆范围为衬砌外 8 m 3 注浆材料 注浆材料首选水泥单液浆 必要时采用特殊浆 地下与隧道防水 28CBW2009 10 注浆材料浆液配比 普通水泥单液浆W C 0 6 1 0 8 1 HSC 超细水泥浆W C 0 6 1 0 8 1 表 7大支坪隧道出口段岩溶注浆材料配比 注浆材料浆液配比 普通水泥单液浆W C 0 6 1 0 8 1 HSC 超细水泥浆W C 0 6 1 1 1 水泥 水玻璃双液浆W C 0 6 1 1 1 C S 1 0 3 1 1 表 8大支坪隧道进口段岩溶注浆材料配比 材 注浆材料配比见表 7 2 3 2进口段岩溶注浆 1 工程概况 IIDK132 913 921 段隧顶发育溶腔 溶腔垂直 隧道 横向延伸 沿隧道纵向宽 4 7 m 泥砂充填 I IDK132 921 930 段岩溶裂隙发育 裂隙间充填黏 土 岩层破碎 围岩级别调整为 V 级 隧道开挖会造 成溶腔充填物下滑 应采取超前预加固堵水措施 2 治理方案 利用平导及横通道喇叭口进行正洞轮廓外 8 m 径向注浆预加固 注浆段落长 12 m 利用平导 IIDK132 912 处止浆墙对 IIDK132 912 930 段进行 8 m 超前帷幕注浆预加固 同时对 该段平导内的淤积体进行注浆固结 注浆段落长 18 m 采用一次成孔前进式注浆 3 注浆材料设计 注浆材料首选水泥单液浆 必要时采用水泥 水 玻璃双液浆或其它特殊浆液 材料配比见表 8 3结语 宜万铁路隧道工程在处理岩溶灾害工程中遇到 了诸多困难 针对岩溶灾害的注浆封堵做了大量的科 研工作 利用科研成果采取上述注浆堵水方案和辅助 措施 顺利地完成了注浆施工 取得了