关角隧道涌水问题的应对措施设计.doc

关角隧道涌水问题的应对措施设计杨健（陕西铁路工程职业技术学院 渭南 714000）摘要：关角隧道地层岩性复杂，地下水发育，岩体节理、裂隙发育，并且灰岩中有古岩溶发育，富水性好，在隧道施工中可能产生涌水。本文针对关角隧道可能出现的涌水问题，本着“以堵为主，堵排结合，限量排放”的原则，对其的应对措施进行设计。关键词 隧道 涌水 注浆封堵1 前言关角隧道位于既有青藏铁路西格段天棚车站与察汗诺车站之间，全长32.645km，为两座平行的单线隧道。通过勘察，关角隧道区内地下水发育，特别是三叠系、二叠系砂岩、灰岩及石炭系变质砂岩，灰岩中有古岩溶发育，富水性好，并且岩体节理、裂隙发育，为地下水的运移、富集提供了条件，在隧道施工中可能会产生突、涌水。隧道涌水是由于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变，以至地下水体所储存的能量以流体（有时有固体物质伴随）高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏现象。1能否很好的解决涌水问题对保证施工安全、确保工期及建成使用的安全运营具有重要意义。2 应对措施设计目前隧道涌水的处理方法主要有注浆法，降(排)水法、冻结法和压气法。2其中注浆封堵是处理隧道施工中涌水问题最常用的手段，它通常适用于水量较大、水压中等、涌水对环境破坏较为严重的情况下。关角隧道的涌水问题应对措施本着“以堵为主，堵排结合，限量排放”的原则进行设计，采用隧道帷幕注浆和径向注浆对涌水进行封堵，并配合超前管棚支护、排水等其他辅助措施进行涌水的处理。2.1帷幕注浆设计帷幕注浆处理涌水的关键是将涌水归流后设立止浆墙并进行顶水注浆，然后根据顶水注浆效果，采用注浆的方式将隧道开挖轮廓面一定范围固结，形成一个隔水体，来保证隧道的正常开挖和安全通过。2.1.1注浆材料注浆材料的选择本着安全可靠、经济实用的目标，根据涌出物及地层情况进行选用，本隧道的堵水注浆材料设计采用普通水泥浆和普通水泥水玻璃双液浆。普通水泥浆凝胶时间长，具有较长的可注期和较长的固结体强度，来源丰富，价格低廉，但浆液初、终凝时间相对较长，不能准确控制，容易流失，结石率低，一般适用于宽度不大于0.2mm的裂隙岩体注浆及断层破碎带注浆；普通水泥水玻璃双液浆胶凝时间短，注浆体结石率高，并具有一定的强度，对于堵水特别是水压较高，水流速度较快，以及当填充宽度较大的岩溶裂隙时经常采用。2.1.2止浆墙止浆墙主要是指在进行超前预注浆时，为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求而采取的止浆模式。3主要根据涌水点的状况、涌水量的大小、注浆终压及涌水点的位置，结合采用的材料和工程经验来确定止浆墙的形式和厚度。本设计中止浆墙的厚度根据经验法取4m。2.1.3帷幕厚度有效的帷幕厚度是保证注浆质量，确保施工安全的必要措施。注浆帷幕固结体主要承受外部静水压力，其厚度按厚壁筒公式，并按第四强度理论计算:式中：B1为帷幕厚度（m）；为围岩固结体允许抗压强度（MPa）；Pw为最大静水压力（Mpa）；D为隧道开挖等效直径（m）。帷幕厚度主要取决于最大静水压力，现场施工根据静水压力对厚度进行适当调整。2.1.4注浆段落长度及注浆孔的布置注浆段落长度指注浆加固的纵向范围。根据目前的施工机械水平现状，结合圆梁山隧道、齐岳山隧道施工经验，注浆段落长度一般宜选择2030m。本设计中，每一循环注浆长度采用27m。在注浆过程中，应遵从“注浆一段、开挖一段、余留一段，段段推进、稳扎稳打”的施工理念。注浆加固完成后，为确保掌子面的稳定，以及下一循环的止浆，应余留一段作为下一循环注浆时的止浆岩盘。止浆岩盘一般取0.20.3倍的注浆长度。帷幕注浆就是要使浆液扩散到注浆帷幕范围内的所有岩层裂隙中，所以注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则，据此以隧道中线为中心呈伞形分布，隧道周边帷幕注浆和全断面帷幕注浆示意图分别如图1、图2所示。 注浆孔布置图 注浆纵断面图图1正洞周边帷幕注浆示意图 注浆孔布置图 注浆纵断面图图2正洞全断面帷幕注浆示意图2.1.5 浆液注入量的计算帷幕注浆单孔注入量，按假设浆液在地层中均匀扩散公式为:式中:Q为单孔注浆量（m3）；R为浆液扩散半径（m）；L为注浆孔长（m）；n为地层的裂隙（%）;为浆液在岩石裂隙中的有效充填系数，视岩石情况取0.60.9；为浆液消耗率（取1030）。2.1.6注浆参数设计根据地质勘察资料，针对关角隧道的可能涌水情况，并综合以往隧道帷幕注浆设计经验，本隧道的帷幕注浆参数设计如表1所示。现场注浆施工中，注浆参数应根据情况进行动态调整优化。 正洞帷幕注浆参数设计表 表1序 号参数名称周边帷幕注浆全断面帷幕注浆1帷幕厚度开挖轮廓线外6m开挖轮廓线外4m2扩散半径2.5m2.5m3注浆管直径110mm110mm4孔底间距3m3m5水泥浆水泥标号425525普通硅酸盐水泥425525普通硅酸盐水泥6水泥浆浓度1：11：0.61：11：0.67速凝剂水泥用量的2水泥用量的28水泥水玻璃双液浆水泥标号425525普通硅酸盐水泥425525普通硅酸盐水泥9水玻璃浓度35Be35Be10水泥浆浓度1.25：10.8：11.25：10.8：111水泥浆与水玻璃体积比1：11：0.61：11：0.612缓凝剂掺量（Na2HPO4）水泥用量的22.5；水泥用量的22.5；13浆液初凝时间12分钟12分钟14注浆终压46MPa46MPa2.2径向注浆设计实施全断面超前预注浆要占用掌子面，这样掌子面就没有开挖进度，影响施工进度。而实施开挖后径向注浆基本不会对掌子面开挖形成影响，因而当地质条件适合径向注浆时应选择径向注浆措施。径向注浆起到加固堵水和抗水压的作用，其注浆材料的选用应综合考虑注浆材料的耐久性、高强性以及收缩性和无污染性，在本隧道设计中，注浆材料采用普通水泥单液浆（加速凝剂），现场注浆困难时可选用水泥水玻璃双液浆。注浆花管沿正洞周边衬砌结构面径向布置，环向布设间距75155cm，纵向布设间距2.2m，孔深4.5m，按梅花形布置，径向注浆示意图如图3所示。注浆工艺实施全孔一次性注浆。注浆顺序按由外圈到内部，由下到上，并采取跳排跳孔的约束型注浆为原则进行注浆控制。注浆参数设计如表2所示，现场注浆施工中，注浆参数应根据情况进行动态调整优化。 正洞径向注浆参数设计表 表2序 号参数名称径向注浆1加固范围开挖轮廓线外4.5m2扩散半径1.5m3注浆管直径42mm4孔底间距2.2m5水泥浆水泥标号425525普通硅酸盐水泥6水泥浆浓度1：10.6：17速凝剂水泥用量的28水泥水玻璃双液浆水泥标号425525普通硅酸盐水泥9水玻璃浓度35Be10水泥浆浓度1.25：10.8：111水泥浆与水玻璃体积比1：11：0.612缓凝剂掺量（Na2HPO4）水泥用量的2；13注浆终压1.52MPa 注浆加固横断面图 注浆终孔展开加固模式图图3 正洞径向注浆示意图2.3超前管棚支护设计超前管棚支护包括超前小导管支护和大管棚支护。设计超前小导管采用42mm的钢管加工成花管，长3.5m，环向间距为40cm，纵向搭接长度不小于1m；大管棚采用89mm的热轧无缝钢管，壁厚5mm，长20m，环向间距为40cm，纵向搭接长度不小于3m。管棚布设后，应采取注浆封堵，其注浆参数与帷幕注浆类似。3涌水应对措施选择原则隧道涌水存在不确定性，施工过程中应采取如超前钻、红外探水等多种手段，及时掌握前方的地质情况及地下水的发育位置、富集特点、规模、水压力、水量等，根据具体情况按以下原则选用有效措施对地下水进行封堵，以达到注浆堵水的目的。（1）当隧道通过较大的断层破碎带或节理密集带（构造带宽20m），岩层极破碎或为断层泥，以及地下水发育（涌水量100m3/md），在开挖后围岩可能突水、突泥、塌方，会严重威胁施工安全和施工进度，段内应采取周边帷幕注浆，以有效堵水并加固围岩，以保证施工安全，浆液采用水泥浆，并配以2榀/m的型钢钢架，加强初期支护喷混凝土的厚度。当掌子面在开挖后无法自稳时，应采取全断面帷幕注浆，浆液以水泥浆为主，必要时可使用双液浆。根据超前地质预报，当段内为块状围岩，裂隙水发育（涌水量100m3/md），应加大施工抽水能力，同时对开挖面前方实施周边帷幕注浆。（2）当段内为块状围岩，裂隙水较发育（涌水量50m3/md），涌水段落较长时，地下水对围岩稳定没有影响，应以保证施工进度为主，配备足够的抽水能力，全断面掘进。在不影响正洞施工进度的前提下，根据该段具体的涌水情况，为了减轻排水压力，涌水段落比较集中时，实施径向注浆；当为局部集中涌水时，实施局部注浆。（3）当段内为块状围岩，裂隙水发育（涌水量50m3/md），地下水对围岩稳定没有影响，而大量的地下涌水会较大的影响施工进度，应加大施工抽水能力，同时对涌水段落进行径向注浆。（4）超前管棚支护一般适用于较小的断层破碎带或节理密集带，（涌水量50m3/md）现场施工时，根据岩层的破碎程度、涌水量的大小、开挖后围岩的稳定情况等决定采用超前小导管还是大管棚。为确保施工安全，超前管棚支护配合型钢钢架使用。4 结语关角隧道的可能涌水问题是隧道施工中的主要问题之一，应对措施设计以注浆堵水为主要手段，辅助于其他措施对其进行处理。现场施工时可根据工程的实际情况确定合适的处理技术，以保证施工安全，确保工期。参考文献1刘高，杨重存，梁收运，韩文峰，宋