隧道注浆和防排水技术

1,隧道注浆施工与防排水技术,李治国中铁隧道集团有限公司技术中心2010年11月22日咸阳,2,内容提要一、概述二、注浆和防排水技术的现状及发展趋势三、隧道防排水存在的主要问题四、隧道和地下工程防排水的有关标准和规定五、隧道注浆技术六、隧道结构防排水技术七、基底翻浆冒泥的处理八、工程实例九、降水十、认识和体会,3,2010年前，我国新建铁路客运专线7000公里，2020年前，建成铁路客运专线12000公里，实现主干线的客货分离。在“四纵”客运专线中，京沪高速铁路（北京上海）已于2008年4月18日全线开工建设，线路全长1318公里，设计时速350公里，是目前世界上一次建成线路里程最长、运行速度最快的高速铁路，已经完成全线铺轨，2012年将建成通车，北京到上海将实现小时到达。,一概述,4,2010年底，铁路营业里程将达到9万公里，根据2007年10月国务院常务会议原则通过的综合交通网中长期发展规划，到2020年，我国铁路运营里程将达到12万km。因此未来十年，将要建设3万公里的铁路，任务依然十分艰巨。,5,随着我国铁路建设事业的迅速发展，修建和运营隧道的数量也越来越多，有关资料显示，截至2005年底，我国已成功修建了7500座、总延长4300多公里，隧道数量和总长度均居世界前列，“十一五”期间，我国将修建超过3000公里的铁路隧道，其中客运专线隧道超过1000公里。目前我国已经投入运营的最长的铁路隧道是石太客运专线上的太行山隧道,正在修建的最长隧道是西格二线关角隧道。,6,太行山隧道是目前我国最长的山岭隧道，为双洞单线，穿过太行山山脉主峰越霄山，左线全长27.839公里，右线全长27.848公里。,7,青藏铁路西格（西宁格尔木）二线重点控制性工程关角隧道为两条平行的单线隧道,全长32.605km，是目前国内在建的海拔最高、最长的高原隧道，施工难度极大。关角隧道总投资约25亿元，预计2012年4月竣工。,8,9,2010年15日位于瑞士中部阿尔卑斯山区的戈特哈德铁路隧道全线贯通，这条全长57km的隧道是目前全世界最长的铁路隧道。隧道工程1999年正式动工戈特哈德隧道造价近98亿瑞士法郎(1美元约合0.95瑞士法郎)，是目前在建的连接德国、瑞士与意大利的高速铁路的一个重要工程。2017年该铁路通车后，从瑞士苏黎世到意大利米兰将仅需2小时40分钟，较目前缩短1小时，每天将有至少300次列车通过戈特哈德隧道，客运列车平均时速将达250公里，货运列车时速可达160公里。,10,大批工人见证隧道贯通的重要时刻,11,12,13,14,15,隧道防排水主要分为施工防排水和结构防排水。施工防排水主要包括施工过程中的降水、注浆、冷冻、抽排水、初期支护径向注浆等，结构防排水主要包括防水板、排水盲管、二次衬砌防水混凝土及施工缝、变形缝处理、排水沟(管）、防寒泄水洞、二次衬砌背后回填灌浆等。,16,我国客运专线要求隧道不渗、不漏，需达到一级防水标准；同时，客运专线由于线型和线位要求，部分隧道为深埋长大隧道，地质条件复杂，常年位于地下水位以下，水量丰富，水压较高，属于高水压、富水隧道，在施工和运营过程中不同程度地受到地下水的影响，很容易发生涌水突泥和渗漏，为此，需要进一步提高客运专线隧道及地下工程的注浆和防排水的设计和施工水平。,17,术语,1隧道防水:防止隧道渗漏水而采取的工程措施。2隧道排水:在隧道内外设置排水设施，排放、疏干或减缓隧道内地下水的工程措施。3预注浆:工程开挖前使浆液预先充填围岩裂隙，达到堵塞水流、加固围岩目的所进行的注浆。可分为工作面预注浆（即超前预注浆）、地面预注浆（包括竖井地面预注浆和平巷地面预注浆）等。4钻孔排水:从开挖面向围岩深度钻孔以排放围岩中地下水或处理涌水的方法。,18,5降水施工:在隧道开挖中为降低地下水位的辅助施工法，主要有洞内轻型井点降水、洞外管井降水等等。6冷冻法：通过人工降低地层温度，提高地层强度和稳定性，并隔断地下水。主要要盐水冻结和液氮冻结。7防水板:采用由工厂生产的具有一定厚度和抗渗能力的高分子薄板，一般铺设在初期支护与二次衬砌之间作为隔水层。8防水混凝土:防水混凝土是以调整混凝土的配合比，掺外加剂、掺合料或使用新品种水泥等方法提高自身的密实性、憎水性和抗渗性，并采用相应的施工工艺使其抗渗等级不小于P8。,19,9胶凝材料:用于配制混凝土的水泥与粉煤灰、磨细矿渣粉和硅灰等活性矿物掺和料的总称。10水胶比:混凝土配制时的用水量和胶凝材料总量之比。11施工缝:施工中由于混凝土不连续灌注工艺而出现的缝隙。12变形缝:为消除混凝土结构由于温度变化、不均匀沉降、地震等因素引起的附加应力所设置的构造缝。,20,考虑的工程安全、质量、工期、造价、环境等因素，隧道防排水应注意以下点：（1）水量小、水压低和清水（泥砂含量小）应首先考虑排放，但应考虑对施工和环境的影响。（2）水量大、水压高和混水（泥砂含量大）应首先考虑注浆封堵，但应选择合理的方法和工艺。尤其是岩溶水。（3）埋深小于50m（左右）的隧道，可以考虑地面注浆和降水。（4）富水的粉细砂层应优先考虑降水和冷冻。,21,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定：砾砂：粒径大于2mm颗粒的质量占总质量的255%。粗砂：粒径大于0.5mm颗粒的质量超过总质量的50%。中砂：粒径大于0.25mm颗粒的质量超过总质量的50%。细砂：粒径大于0.075mm颗粒的质量超过总质量的85%。粉砂：粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%。,22,二隧道注浆和防排水技术的现状及发展趋势（1）注浆和防排水要求越来越高，有关规范和标准的规定越来越细，检验标准越来越严格。（2）综合注浆和防排水方法和理念逐渐被人们接受。（3）防排水新技术、新材料、新工艺、新方法不断涌现和发展（4）防排水和环境保护的联系越来越密切。,23,1、隧道注浆现状及发展趋势,注浆技术的历史大致可分为四个阶段：原始粘土浆液阶段（年）、初级水泥浆液注浆阶段（年），中级化学浆液注浆阶段（年），现代注浆阶段（年以后）。注浆技术应用于建筑工程已经有200多年的历史，最早在1802年由法国的查理士-柏利尼用木制冲击泵注入黏土和石灰浆液加固迪普港的砖石衬砌开始的。,24,1826年英国研制发明硅酸盐水泥后，灌浆材料发展以水泥浆液为主，1864年注浆法首次应用于阿里因普贝瑞硬煤矿的一个井筒里，此后在比利时、法国、西德也使用水泥注浆法，1884年化学浆液在印度问世，并用于建桥固砂工程。18871909年，德国和比利时先后获得水玻璃灌浆材料和双液单系统灌浆法专利。,25,1920年乔斯顿发明水玻璃、氯化钙灌浆的“乔斯顿灌浆法。20世纪40年代，灌浆技术的研究和应用进入一个鼎盛时期，各种水泥浆材和化学浆材相继问世，尤其是60年代以来，无机、有机高分子化学浆材及工艺、设备得到迅速的发展，已经成为一种重要的地基加固技术。,26,我国铁道、煤炭、冶金、水电等部门早在20世纪50年代就采用注浆方法克服地下水，并取得良好的效果。1959年我国开始进行高分子化学注浆材料的研究，在高分子科学和高分子工业迅速发展的推动下我国高分子化学注浆材料从实验室的研制到投入生产和实际应用取得了很大的成绩，解决了过去用水泥、黏土、沥青等传统注浆材料无法解决的工程难题，但化学浆液对环境有污染，工程中一般不轻易采用。水玻璃类浆液系指水玻璃在固化剂作用下产生凝胶的一种注浆材料。,27,由于水玻璃来源丰富、价格低廉，各种新的固化剂不断出现，所以水玻璃类浆液在我国应用非常广泛。20世纪70年代以来，CS浆液广泛应用于山岭隧道堵水加固，对山岭隧道断层破碎带堵水加固取得了良好效果。注浆工艺和注浆设备有了新的发展,我国已形成一套比较完整适合于各类地下工程和隧道防水的注浆工艺，如地面帷幕注浆、工作面预注浆、固结注浆、回填注浆等。注浆设备从钻机、注浆泵、注浆孔口装置及相应的注浆管路等都能立足于国内，基本满足了注浆施工的需要。,28,2、隧道防排水现状及发展趋势,目前，复合式衬砌中间防水层主要采用喷涂防水法和薄板（膜）防水法。喷涂防水法是将可自然固结的液态防水材料喷涂在一次衬砌的基面上，形成一层连续的防水层，以达到防水的目的。有的在喷层间放入纤维织物层，增加防水层强度。,29,20世纪80年代我国也进行了喷涂防水技术的研究，京广线大瑶山隧道进行的喷涂防水层试验和在整治既有隧道渗漏水方面取得了一定效果。喷涂法的优点是对一次衬砌的基面凹凸不平适应性强，防水膜之间没有接缝，重量轻，施工操作较灵活。缺点是基面有渗漏水时，不能与基面粘结，不易形成防水膜，每次喷涂厚度薄，要分多次喷射，间隔时间长，回弹损耗较多，对施工环境有污染等。,30,中间防水隔离层是在初期支护与衬砌结构之间敷设的永久防水措施，成为国内外隧道结构防水的重要手段。如瑞士、奥地利等使用薄板防水法较早，但目前日本使用的最多，从六十年代日本的兴建新干线隧道、海底、山岭隧道以及城市地铁等，凡采用现浇混凝土结构，多以薄板防水作为主要手段来考虑。我国从大瑶山隧道开始进行薄板防水的研究开发与应用，至今已在城市地铁、铁路、公路隧道以及水工隧洞广泛推广应用，所引进和开发的常用防水材料有LDPE、EVA、PVC、PE、HDPE等系列产品。,31,LDPE：低密度聚乙烯，它是一种塑料材料，它适合热塑性成型加工的各种成型工艺，成型加工性好。,32,EVA：是一种塑料物料由乙烯(E)及乙烯基醋酸盐(VA)所组成。这两种化学物质比例可调较从而符合不同的应用需要，乙烯基醋酸盐(VAcontent)的含量越高，其透明度，柔软度及坚韧度会相对提高。,33,PVC,全名为Polyvinylchlorid，主要成份为聚氯乙烯，另外加入其他成分来增强其耐热性，韧性，延展性等。这种表面膜的最上层是漆，中间的主要成分是聚氯乙烯，最下层是背涂粘合剂。它是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。它的全球使用量在各种合成材料中高居第二。,34,PVC材料在实际使用中经常加入稳定剂、润滑剂、辅助加工剂、色料、抗冲击剂及其它添加剂。具有不易燃性、高强度、耐气侯变化性以及优良的几何稳定性。PVC对氧化剂、还原剂和强酸都有很强的抵抗力。,35,PE：聚乙烯，是结构最简单的高分子有机化合物，当今世界应用最广泛的高分子材料，由乙烯聚合而成，根据密度的不同分为高密度聚乙烯、中密度聚乙烯和低密度聚乙烯。,36,HDPE：高密度聚乙烯，是一种结晶度高、非极性的热塑性树脂。原态HDPE的外表呈乳白色，在微薄截面呈一定程度的半透明状。PE具有优良的耐大多数生活和工业用化学品的特性。某些种类的化学品会产生化学腐蚀，例如腐蚀性氧化剂（浓硝酸），芳香烃（二甲苯）和卤化烃（四氯化碳）。,37,在国内外尽管多采用复合式防水结构，但结构主体自防水技术仍然被首要关注，因为结构主体自防水是防水效果的重要依赖和基础。我国地下工程防水技术规范（GB501082008）中，对防水混凝土原材料、配制、设计、施工等都做了明确规定。目前，德国、荷兰、日本等国比较重视混凝土结构自防水，德国制订了工业标准级配曲线。如慕尼黑地铁复合衬砌，已取消塑料板防水层，改成防水混凝土衬砌，并已取得成功。这样不仅减少了工程量，而且降低了造价。日本将混凝土结构自防水称为躯体防水，它是以,38,提高混凝土的阻水截面、延长水的渗透通路，也就是增加混凝土结构厚度来提高自身抵抗压力水的渗透能力，而对混凝土本身的防水性能并不提出过多要求。因此，日本地下工程结构厚度比较大，有的甚至高达1m以上。随着外加剂的迅速发展，日本采用防水剂配制防水混凝土，使日本躯体防水增加了品种。近年来又发展在混凝土表面喷涂无机浸透性防水剂，进一步提高了结构自防水的能力。美、英等国虽然较倾向卷材防水，但近年也开始重视混凝土结构自防水的发展，对地下工程的混凝土自身提出了抗渗要求。由此可见混凝土结构自防水是国内外防水技术领域中一个发展方向。,39,变形缝防水向来是隧道结构防水最为关键的地方。因此，国内外在缝的防水处理方面诸如材料、工艺技术方面日新月异。虽然目前国内外缝防水材料品种繁多，规格各异，但综合起来常用的主要有三大类，其一为以水止水的膨胀类止水条，其二为橡胶或塑料类止水带，其三为变形缝所用的嵌缝密封膏。近年来，针对施工中存在的问题，又研制出的缓凝型膨胀止水条、可注浆型止水带、可卸式止水带等具有优良防水性能的止水材料。可以说，目前市场上的缝防水材料大部分都有其优越的性能，只要使用得当，均可达到其应有的防水目的。,40,将地下水完全封堵于隧道结构之外，这是人们的良好愿望，但并非总是如人所愿。经验告诉我们，地下工程一旦出现渗漏往往是此堵彼漏，最终大多回归到排的路子上来。这就是为什么不管国内还是国外，对现浇混凝土结构均设置必要的排水系统，进行适量的引排，给地下水以出路。日本在隧道结构防水设计时考虑的较为充分，它们在隧道两侧墙脚位置设纵向排水盲管，将拱墙地下水通过防水板后的无纺布和环向、纵向盲管引入侧沟、中心排水盲、防寒泄水洞等。,41,这样隧道的衬砌结构之外就形成了“四通八达”的排水系统，从而减少了地下水对结构的压力。目前存在的主要问题使排水系统堵塞，使泄水孔失去其排水作用，导致支护结构背后水压力升高，造成结构开裂和破坏。日本的排水系统中心水沟一般设置在隧道铺底混凝土以下，一般不会造成地下水对结构的侵害，同时有完善的检查和维修的考虑，其效果比较好。,42,三、隧道防排水存在的主要问题（一）结构防排水(1)防水材料的耐久性及与混凝土耐久性匹配隧道的有关规范、标准、规程对混凝土的坍落度、泌水率、含气量、抗裂性、抗压强度、电通量、弹性模量、抗冻性、耐磨性、抗渗性等物理、力学指标的检验和试验方法进行了明确的规定，可以对混凝土的耐久性进行评价，但大部分工程对防水材料的使用年限没有明确的规定，也没有规定其耐久性的有关检验指标和建立有关的评价体系，因此防水材料一旦失效，对混凝土的耐久性将产生不利的影响，同时防水体系耐久性和二衬混凝土耐久性是否匹配也是一个值得探讨的问题。,43,(2)防水混凝土抗渗试验方法也需要改进根据有关规范规定，混凝土的抗渗标号是以混凝土抗渗试验中，每组6个试件中4个试件未出现渗水的最大水压力进行计算，其计算公式为：P=10H-1式中：P抗渗标号；H第3个试件顶面开始有渗水时的水压力（MPa）。该试验方法存在两个方面的问题：第一，6个试件允许3个渗水，说明在此水压力下，混凝土有可能渗水，且渗漏的概率为50%，再加上现场灌注的混凝土质量很难达到室内试验的条件，因此此标号难以保证相应水压下的抗渗能力；第二，试验时间相对较短，抗渗试验一般每8个小时加压0.1MPa，如对抗渗标号为P8的混凝土来讲，其试验时间一般为64个小时左右，因此难以保证水压力较长时间作用下混凝土不渗不漏。,44,(3)提高防水板抗水压性能指标关于防水板的防水性能，地下工程防水技术规范（GB50108-2008）规定，防水板的抗渗性能指标为在0.3MPa的水压力作用下保持2小时不透水，即可认为合格，而对于高压、富水隧道其水压力远大于0.3MPa，且作用时间有可能远远超过2小时，因此防水板很可能在高水压下破坏，起不到应有的防水作用，此外由于初期支护表面凹凸不平，防水板在混凝土灌注过程中局部受力过大，容易出现破损；钢筋绑扎过程中钢筋容易将防水板刺穿，引起渗漏。因此，在高压、富水隧道中，应考虑其他更有效的防水方法。例如采用双层防水板、薄钢板等形式。,45,(4)解决排水盲管堵塞变形问题不同状态下，排水盲管的渗透系数、排水量及能够通过排水盲管滤布的泥砂最大粒径是排水盲管选用是必须考虑的问题。排水孔泥砂含量过大，排水盲管容易堵塞失效。另外，排水盲管应具备足够的抗压能力，保证在灌注混凝土时变形较小，基本不影响过水断面。在软弱破碎围岩地段，由于地下水含有大量的泥砂，排水系统很容易发生堵塞失效。,46,(5)止水条、止水带及嵌缝密封材料在高压、富水隧道，由于水压力比较大，且受外界季节和环境变化的影响，水压力可能发生变化，在高水压力的反复作用下，止水条、止水带及嵌封密封材料和混凝土的粘接强度会逐渐降低，其抗水压能力也不断降低，且有的止水条很容易崩解变形、老化失效。因此高压、富水区施工缝和变形缝所采用的止水条、止水带及嵌缝密封材料，而应该根据防水要求，规定相应的耐久性技术指标，必要时可采用橡胶钢板止水带、铜板或钢板止水带，目前，一些新型的止水条和止水带中间预留有注浆管，施工后可进行注浆，以提高施工缝、变形缝的防水效果。,47,(6)防排水工程的质量检验、验收大量的工程实践证明，虽然采用了多道防线的防水体系，有的隧道依然发生渗漏。因此对防排水工程的各个环节、各道工序应严格进行检验，并制订相应的评价体系和标准，防排水工程除按有关的国家、行业标准检验和验收。,48,（7)防排水机械设备和施工工艺的创新防水板自动铺设及焊接设备的研发目前，防水板一般采用人工铺设和焊接，由于工作量大，劳动强度高，焊接的有毒气体对操作人员的健康有一定的影响；此外，由于操作人员技术水平和工作责任心的差异，造成防水板铺设质量有很大的差别，很容易出现漏焊、虚焊等薄弱部位，导致隧道渗漏。因此，为了提高防水板的铺设和焊接水平，应致力于自动化铺设和焊接设备的研制，通过先进设备的应用，改进施工工艺，提高施工质量。,49,瑞士伯尔尼-奥尔藤之间的干线Mattstetten-Rothrist段新线的厄恩茨堡隧道为双线隧道，全长3160m，采用双层管片衬砌，895m采用明挖法施工，2265m采用外径12.36m的混合盾构掘进，采用2m宽聚烯烃塑料薄膜防水，敷设时采用了自动铺设机和热熔焊特殊工艺，并取得了良好的防水效果。,50,解决模板台车灌注混凝土震捣问题采用模板台车进行大体积混凝土灌注存在的主要问题是混凝土的震捣问题，目前采用的主要方法是人工震捣和附着式震捣器震捣相结合，人工震捣存在的缺陷是隧道拱部混凝土往往难以震捣，附着式震捣器震捣存在的问题是：一方面过程中容易跑模，另一方面一个震捣器工作往往引起整个台车的震动，对其他部位灌注后产生初凝的混凝土产生不利的影响，影响混凝土的强度和抗渗能力。,51,（二）施工防排水1、隧道施工过程中涌水突泥（1）日本青函隧道由3条隧道组成，主隧道全长53.85km，其中海底部分23.3km，陆上部分本州一侧为13.55km，北海道一侧为17km，该隧道是当前世界上最长的海底铁路隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来，隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，隧道在海面下最大埋深240m，埋深最浅处距海底100m，其中水深140m左右，隧道顶部岩层平均厚度100m。,52,青函隧道为铁路双线隧道，采用钻爆法施工，主隧道宽11.9m，高9m，断面80m2。除主隧道外，还有两条辅助坑道：一是调查海底地质用的先导坑道；二是运送材料和土石的作业坑道，这两条坑道高4m、宽5m，均处在海底。隧道建成后，先行导坑道用于换气和排水。漏到隧道的海水会被引到先行导坑的集中井，然后再用高压泵排出地面。作业坑道则用作列车修理和轨道维修的场所。,53,青函隧道施工过程中曾遇到4次大的突水、涌泥。例如：1974年1月8日，吉冈作业坑最大涌水量达15840m3/d，采用注浆堵水法直接通过，处理时间为362天；1976年5月6日，吉冈作业坑又发生100800m3/d的涌水，采用遇回导坑法通过，处理时间为162天，给施工造成了很大损失。该隧道1964年开挖导洞，1970年开挖试验隧道，1988年贯通通车，前后历时24年。,54,55,56,青函隧道,57,58,注浆效果的判定则根据钻设的几个检查孔的涌水量，按以下规定值进行判定:（1）硬岩地段：钻孔的涌水量在0.4L/（minm）以下或涌水地点的涌水量在10L/（min个）以下。（2）破碎带地段：钻孔的涌水量在0.2L/minm以下或涌水地点的涌水量在10L/（min个）以下。对于不符合此标准的区域，要增加钻孔，再次压注，直到达到要求为止。,59,（2）南岭隧道位于京广铁路衡广复线郴州与坪石之间。隧道全长6.06km，灰岩占总长的95%，是典型的岩溶隧道，隧道最大埋深80m。南岭隧道主要穿越南岭山脉，洞身通过地段存在5处较大的溶蚀洼地，横下垅、矛山里、岭白塘、生潮垅、下连溪，岩溶洼地区域隧道埋深2045m。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8.711104m3/d，溶槽内充填大量软塑状粘泥。自1979年9月开工至1988年11月主体工程竣工，洞内发生突水涌泥24次，涌出稀泥和砂子近30000m3。因洞内大量突泥涌水，共发生地表大小陷穴多处，最深达20m。,60,1984年6月11日，平导施工至DK1935+745.4时，在线路右侧的炮眼中突水、涌泥，喷射距离为15m，涌水量为3600m3/d，当继续放炮掘进时，突然涌泥2500m3,平导淹没170m，其中靠近掌子面70m被泥砂充满。6月14日下午，地表DK1935+640+676出现了较大的陷坑。该隧道主要通过地表注浆、洞内全断面注浆及大管棚注浆和小导管支护通过该地层，但运营过程中，受地下水的影响，出现道床翻浆冒泥，进行了多次病害治理。,61,62,（3）圆梁山隧道全长11.070km，是渝怀线最长的单线电化铁路隧道，最大埋深780m。隧道通过地层岩性主要为灰岩、灰岩夹煤系地层、泥岩、泥灰岩、白云质灰岩和灰质白云岩，岩溶十分发育，其主要工程地质问题为高水压、富水及岩溶，隧道洞身处存在P1q+m层段4.6MPa和P2w+C层段4.42MPa的高静水压力。共有断层11条，毛坝向斜发育三组大规模溶洞，溶洞充填物为淤泥质粘土、粉细砂、块石等，施工中发生了多次涌水、突泥，最大涌水量达24104m3/d，施工十分困难。,63,64,隧道大规模涌水突泥,65,2002年9月10日，正洞超前中导坑施工至三号溶洞DK354+879处时，掌子面突然爆裂并发出巨响，发生大规模突泥，溶洞中填充的硬塑可塑状粘土和岩块砂瞬时喷出，塞满DK354879635计244m的下导坑空间，一次涌泥量4200m3。给工程施工带来很大危害。该隧道2001年1月开工，2005年11建成通车，2、3号溶洞的处理整整花费了2年时间。该隧道对高水压、富水、充填型溶洞的堵水加固处理主要采用了全断面超前预注浆、局部和补充注浆、径向注浆等多种方式，并通过高位排水洞的泄水降压、抗水压衬砌等多项措施成功地进行了溶洞处。,66,（4）我国正在修建的宜万铁路，2002年开工建设，线路总长度377km，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，共有隧道159座，计199.3km，隧道总长占线路长度的52.86%。，其中：野三关、大支坪、云雾山、马鹿菁、齐岳山五座隧道均穿过高水压、富水、岩溶区，施工过程中发生了多次涌水突泥，为极高风险隧道，施工难度很大。宜万线上最长的野三关隧道线全长13.833km,最大埋深684m，且岩溶极其发育，地质条件十分复杂。,67,2007年4日21时，野三关隧道线掌子面DK124+602实施爆破后，组织出碴，8月5日凌晨1时，该掌子面发生涌水突泥事故，涌水量为50000m3h，涌泥石量为53500m3，距离突水位置498m隧道斜井与正洞交叉口DK125+100处淤泥厚达2m左右，给施工带来了很大困难。这五座隧道主要通过注浆加固、堵排结合、释能降压等措施进行溶洞和地下水的处理，2009年12月完成所有隧道施工任务，2010年11月试通车，前后历时5年。,68,69,2、隧道衬砌渗漏水该现象在高压、富水隧道中比较常见，主要原因是高水压长期作用，混凝土不密实或存在裂缝、防水系统和施工缝、变形缝存在缺陷，排水系统堵塞、材料老化等。,裂缝和结构厚度的关系为:如果h0.1H，为表面裂缝；如果0.1Hh0.5H，为浅层裂缝；如果0.5Hh1.0H，为纵深裂缝；如果h=1.0H，为贯穿裂缝。,70,3、隧道结冰和冻胀处于寒冷地区的隧道，冬天隧道内温度降低到零度以下时，渗漏水结冰后，体积膨胀，堵塞隧道背后排水系统，可能产生冰荷载和膨胀压力，导致隧道支护结构破坏。另一方面，形成冰柱和冰溜子，侵入限界，危及行车安全，此外，造成排水沟堵塞，无法正常排水，道床结冰，严重时影响行车，气温升高，冰融化后可能造成道床翻浆冒泥。,71,牙林线岭顶隧道：1962年冻害使隧道不能继续使用。牙林线翠岭二号隧道：1973年泄水洞结冰堵塞，造成隧道内结冰。七十年代，青藏线西格段关角隧道：道床冬季冻胀上鼓洞内结冰侵限，基底翻浆冒泥，影响行车。七十年代，南疆线吐库段奎先隧道：冬季发生边墙结冰侵冻胀开裂等现象，严重影响了行车安全。,72,四、隧道和地下工程防排水的有关标准和规定,1、我国地下工程防水技术规范(GB50108-2008)防水等级规定,73,2、英国隧道防水等级划分,74,3、新加坡地铁系统规定:隧道结构内表面每小时每平方米的渗水量控制在5ml的容许值。任意10m区间不得大于10ml,如换算成每天允许的渗水量则为:0.12L/d.m2。4、匈牙利布达佩斯地下铁道设计规定：隧道渗漏量小于0.12L/d.m2,并且无集中渗漏水,即满足防水要求。5、德国慕尼黑地下铁道设计规定：渗漏量为0.070.2L/d.m2。,75,不同防水等级的适用范围,76,地下工程防水技术规范（GB5018-2008）的规定(1)单孔单段注浆结束标准预注浆孔段均达到设计终压并稳定10min,且进浆速度为开始进浆速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80%。衬砌后回填注浆及围岩注浆达到设计终压；其他各类注浆，满足设计要求。（2)注浆检查评价标准预注浆和衬砌后围岩注浆结束后，应在分析资料的基础上，采用钻孔检查取芯发对注浆效果进行检查，必要时进行压（抽）水试验，当检查孔的吸水量大于1.0L/min.m时，必须进行补充注浆。,77,地下工程防水一般规定3.1.1地下工程必须进行防水设计，防水设计应定级准确、方案可靠、施工简便、经济合理。3.1.2地下工程必须从工程规划、建筑结构设计、材料选择、施工工艺等全面系统地做好地下工程的防排水。3.1.3地下工程的防水设计，应考虑地表水、地下水、毛细管水等的作用，以及由于人为因素引起的附近水文地质改变的影响。单建式的地下工程应采用全封闭、部分封闭防排水设计；附建式的全地下或半地下工程的防水设防高度，应高出室外地坪高程500mm以上。3.1.4地下工程的钢筋混凝土结构，应采用防水混凝土，并根据防水等级的要求采用其他防水措施。,78,3.1.5地下工程的变形缝、施工缝、诱导缝、后浇带、穿墙管(盒)、预埋件、预留通道接头、桩头等细部构造，应加强防水措施。3.1.6地下工程的排水管沟、地漏、出入口、窗井、风井等，应有防倒灌措施，寒冷及严寒地区的排水沟应有防冻措施。3.1.7地下工程防水设计，应根据工程的特点和需要搜集有关资料：1最高地下水位的高程、出现的年代，近几年的实际水位高程和随季节变化情况；,79,2地下水类型、补给来源、水质、流量、流向、压力；3工程地质构造，包括岩层走向、倾角、节理及裂隙，含水地层的特性、分布情况和渗透系数，溶洞及陷穴，填土区、湿陷性土和膨胀土层等情况；4历年气温变化情况、降水量、地层冻结深度；5区域地形、地貌、天然水流、水库、废弃坑井以及地表水、洪水和给水排水系统资料；6工程所在区域的地震烈度、地热，含瓦斯等有害物质的资料；7施工技术水平和材料来源。,80,81,82,1、注浆的目的注浆就是在一定的压力下，将可凝固的液体压入地层中，充填凝固，从而达到改良地层性能，降低地层的含水量、空隙率和渗透系数，提高地层强度和整体性，起到加固、堵水的目的。2、注浆的原理浆液注入土体的过程，一般总是先渗透，当通道被阻，浆液渗透困难，即对周围地层进行压密，当压力继续升高，在土体中产生劈裂现象，浆液顺裂缝进一步扩散。渗透、压密和劈裂互相影响、互相补充。,五、隧道注浆技术,3、主要注浆方法及适用范围,84,注浆方案选择原则,不同的注浆方案所要求的资源配置、注浆工艺和占用作业面的时间等是不同的，会产生不同注浆效果。施工过程中，影响注浆方案选择的因素主要有：隧道地质条件（地层岩性、地下水情况等）、注浆要求（堵水、加固、堵水及加固）、工程工期和工程造价等。选择原则大致可归纳为以下几点：1、安全性原则。注浆方案必须保证施工和结构安全，当确认前方有发生涌水突泥等危险时，必须选用超前全断面帷幕注浆方案。2、经济性原则。注浆材料、器材等在保证质量和使用功能的前提下，选择宜选用价格低的产品。3、快速施工的原则。考虑工程工期和综合成本，注浆方案应保证快速通过不良地质段。4、环保的原则。所有的注浆材料，应无毒、无污染、符合环保要求。方案应满足堵水的目标，减小对地表环境的影响。,85,4几种注浆方案的特点,全断面超前预注浆1、加固隧道前方核心区及轮廓线外约58m范围内的围岩，防止地下水、泥等从隧道周边和前方突入隧道内，并加固隧道围岩；2、每循环加固段长(2030m）、钻孔和注浆量大、作业周期长；注浆时，工作面其他作业无法进行。3、一般需设置专门的混凝土止浆墙，以抵抗浆液压力和水压力；4、通常采用分段前进式注浆，也有利用钻杆采用后退式注浆的，注浆顺序一般是从外圈到内圈依次进行。,86,周边帷幕预注浆1、以加固隧道待开挖段周边的岩体，防止岩体从隧道上方坍塌为主。2、每循环加固长度2030m，注浆时，掌子面其他作业停止。3、通常采用分段前进式或分段后退式注浆，条件允许时采用全孔一次性注浆，多圈孔时，先注外圈孔，再注内圈孔，最后依次注中间圈孔。,87,局部注浆和顶水注浆以封堵围岩裂隙（或管道）股状流水为主，通过注浆减小地层水向隧道内的排泄量。,88,径向注浆1、隧道开挖后，洞壁渗漏水较大时，或支护后围岩软弱，支护结构变形较大时，通过径向注浆达到堵水减排和加固围岩、限制变形的目的。2、根据加固厚度，钻孔可采用气腿式风钻（5m以下）或风动潜孔钻机（510m），隧道底部也可采用地质钻机钻孔。径向注浆时，前方工作面仍可平行作业。3、通常采用全孔一次性注浆，分序加密进行。,89,超前小导管注浆周边预注浆的一种特殊型式，在注浆孔中安设小导管，导管与支护钢架连接在一起，注浆加固的同时起到管棚的作用。,90,5、对注浆材料的要求,流动性好，浆液粘度低，易注入细小裂隙和细砂层中。浆液凝胶时间可在几秒到几小时范围内随意调节，并能准确控制，浆液一经凝胶，则在瞬间完成。浆液稳定性好，在常温常压下长期存放不变质，不发生化学和物理变化。,91,浆液无毒无臭，不污染环境，对人体无害，非易燃易爆物品。对管路系统、砼、橡胶制品等无腐蚀性，且易清洗。固化时收缩小，结石体的抗压抗拉、抗折强度较高，结石体与岩石、砼、砂等有较高的胶结强度，且抗渗性能较好，抗冲刷性能好。耐久性较好。源广价廉，配制方便，配比操作容易，且易于运输和贮存。,92,6、各种浆材的适用范围,93,对于水泥类注浆材料来讲，浆材的细度对浆液的可注性影响很大，浆材的细度通常用比表面积表示，它是指重量1g的颗粒材料中的颗粒总表面积，量纲为cm2/g或m2/kg。,94,7、浆液的主要性能浆液的比重、浆液的流动度、浆液的粘度、浆液的凝胶时间等。凝胶时间，是指化学浆液从全部成分混合后至凝胶体形成的一段时间，凝胶时间再细分可分为：初凝时间-浆液凝胶至部分失去塑性所经历的时间；终凝时间浆液凝胶体已达到最终固有的性质，化学反应已终止。,95,化学浆液凝胶时间可同凝胶时间测定仪测定。凝结时间，是指水泥浆液水化反应所需的时间。由于水化反应缓慢，水泥浆液的凝结时间较长，水泥浆的凝结时间可用试锥稠度仪测定。,96,注浆过程中，当希望浆液渗透或扩散半径（或距离）较远时，要求浆液的凝结时间或凝胶时间应足够长，当有地下水运动时，防止浆液过分稀释或被冲走，要求浆液在注入过程中速凝。另外，在加固工程中，为减少沉降，也希望缩短水泥浆液的凝结时间。浆液的凝胶时间和凝结时间可以通过改变浆液组合比例或加入附加剂来调节其长短。,97,维卡仪,98,初凝时间测定：测定时，将试模放到试针下，降低试针与浆液的表面接触。拧紧螺丝1s-2s后，突然放松，使试杆垂直自由地沉入浆液中。观察试针停止沉入时指针的读数。当读数为4mm1mm时，为浆液达到初凝状态。,99,终凝时间测定在终凝针上安装一个环形附件，在完成初凝时间测定后，立即将试模连同浆液以平移的方式从玻璃板下翻转180度，当试针沉入试件0.5mm时，即环形附件开始不能在试件上留下痕迹时，为水泥达到终凝状态。,100,浆液的粘度粘度是量度浆液粘滞性大小的物理量，它表示浆液在流动时由于相邻之间流动速度不同而发生的内摩擦力的一种指标。,101,适合试验室使用的黏度计有回转式黏度计；Brookfield黏度计及B型黏度计。而适用于车间生产过程中对黏度测定的黏度计有漏斗式黏度计，日本产小型转筒式黏度计。从原理上分：1、回转型：包括回转式黏度计，Brookfield黏度计；B型黏度计以及小型转筒式黏度计。回转式黏度计以同轴圆柱体型最为普遍、其原理是将转子放入储有浆液的圆桶中，转子仿等速旋转，带动粘附在其表面的浆液发生旋转，转子所受到的阻力矩足浆液黏度的函数、此类黏度计对浆液黏度测量比较适用.,102,2、压出型：流出型黏度计，包括恩氏黏度计及漏斗式黏度计。压出型中目前使用最广泛的是漏斗式黏度计。20世纪50年代起用于测定浆液黏度的仪器是恩氏黏度计，其原理是将浆液的黏度与水的黏度之比，称为比黏度或相对黏度，即：相对黏度r/0式中：浆液黏度；0水的黏度。,103,恩式黏度计测黏度的具体条件：E8585浆液流出小孔所需时间（s）同体积20蒸馏水流出小孔所需时间（s）带有小孔的试验容器的容积为200mL。恩氏黏度计适用于黏度较小的浆液。漏斗式黏度计的原理与恩氏黏度计相同，而且有四种不同大小的孔眼，测定黏度范围较大，故可取代恩氏黏度计。,104,浆液的流动度一定配比的浆液在规定振动状态下的扩展范围。测定方法：在两块平行的圆玻璃片间加入定量浆液并在定温定时条件下测定浆液铺展直径。,105,流动度测定仪,106,浆液的比重浆液的重量与其体积的比值。,107,浆液的抗压强度测定取出试件，以成型时侧面为上下受压面，试件中心与压力机几何对中，当试件接近破坏而开始迅速变形时，应停止调整试验机，直至试件破坏，记下破坏极限荷载F(N）。,108,水泥胶砂搅拌机,109,NYL-30材料试验机,水泥比表面积测试：勃氏法Blaine透气仪主要由透气圆筒、压力计、抽气装置等三部分组成。,8、五种常用水泥系浆液配比表,9水玻璃浆液,水玻璃主要成份为Na2O.nSIO2水玻璃模数=SIO2克分子数/Na2O克分子数，水玻璃模数一般为2.43.4；水玻璃波美度Be=145-145/,113,10、聚胺脂灌浆材料及性能聚氨酯灌浆材料是由聚氨酯预聚体与添加剂(溶剂、催化剂、缓凝剂、表面活性剂、增塑剂等)组成的化学浆液。分单液型和双液型等。其主要成分是过量二异氰酸酯(或多异氰酸酯)与聚醚多元醇反应而制得的端异氰酸酯基(NCO)预聚体。也可以是双液型,即由预聚体与固化剂(及促进剂)组成。在灌浆过程中,把聚氨酯灌浆材料注入缝隙或疏松多孔性地基中时,这种预聚体的端NCO基与缝隙表面或碎基材中的水分接触,发生扩链交联反应,最终在混凝土缝隙中或基材颗粒的孔隙间形成有一定强度的凝胶状固结体。,114,聚氨酯固化物中含有大量的氨基甲酸酯基、脲基、醚键等极性基团,与混凝土缝隙表面以及土壤、矿物颗粒有强的粘接力,从而形成整体结构,起到了堵水和提高地基强度等作用。并且,在相对封闭的灌浆体系中,反应放出的二氧化碳气体会产生很大的内压力,推动浆液向疏松地层的孔隙、裂缝深入扩散,使多孔性结构或裂缝完全被浆液所,115,填充,增强了堵水效果。浆液膨胀受到限制越大,所形成的固结体越紧密,抗渗能力及压缩强度越高。聚氨酯化学灌浆材料可分为水溶性(亲水性)和油溶性(疏水性)两大类。这两类聚氨酯预聚体材料虽然都能用于防水、堵漏、地基加固,但两者也有差别。通常,油溶性聚氨酯灌浆材料的固结体强度大,抗渗性好,多用于加固地基和结构补强;水溶性聚氨酯灌浆材料亲水性好,包水量大,适用于潮湿裂缝的灌浆堵漏、动水地层的涌水快速封堵等。,116,在我国，自上世纪七十年代就开始了聚氨酯化学灌浆材料的研究，目前应用是非常普遍的，已形成了水溶性、非水溶性(亦称油溶性)及弹性聚氨酯三大类灌浆材料。主要用来封堵细小裂隙或空隙中的渗漏水。（1）浆液遇水后自行分散、乳化、发泡，立即进行化学反应，形成不透水的弹性胶状固结体，有良好的止水性能。（2）反应后形成的弹性胶状固结体有良好的延伸性、弹性及抗渗性、耐低温性，在水中永久保持原形。,117,（3）与水混合后粘度小，可灌性好，污染小。（4）浆液遇水反应形成弹性固结体物质的同时，释放CO2气体，借助气体压力，浆液可进一步压进结构的空隙，使多孔性结构或地层能完全充填密实。具有二次渗透的特点。（5）浆液的膨胀性好，包水量大，具有良好的亲水性和可灌性，同时浆液的粘度、固化速度可以根据需要进行调节。,水溶性聚氨酯灌浆材料一般是单组分低黏度液体,其主要成分是端NCO基预聚体,它是由特种亲水性聚醚多元醇与多异氰酸酯制成的预聚体为主剂,加入助剂(稀释剂、增塑剂和其他助剂)配制而成的。为使聚氨酯浆材有良好的水分散性,一般选择EO含量较高的EO/PO共聚醚。通过调节具有不同EO/PO比例的亲水性聚醚,或EO聚醚与普通PPG型聚醚的混合比例,可以制得不同亲水程度的灌浆材料。NCO：异氰酸酯基团,水溶性聚氨酯浆液的固化时间通过加入促凝剂(催化剂)或缓凝剂,可在几秒钟到十几分钟范围内调节。国外某公司的水溶性聚氨酯浆材性能为:固含量77%83%,黏度(21)6001200mPas,相对密度1.04,固化物拉伸强度0.130.3MPa,伸长率150%300%。,120,油溶性聚氨酯化学灌浆材料油溶性聚氨酯灌浆材料国内俗称“氰凝”,是由低分子质量聚氧化丙烯多元醇(如N303、N204)与多异氰酸酯(TDI甲苯二异氰酸酯、MDI二苯甲烷二异氰酸酯、PAPI多亚甲基多苯基多异氰酸酯)反应制得的预聚体为基料,以有机溶剂为稀释剂制备的溶剂型单组分或双组分浆材。,121,一种氰凝浆液参考配方为:聚氧化丙烯三醇与2TDI反应加聚醚(NCO28%)100份,溶剂1020份,水溶性硅油1份,催化剂0.33份,增塑剂010份。浆液黏度一般在几十到几千mPas范围。这类灌浆材料固结后形成坚固的弹性体,体积可膨胀数倍,氰凝的NCO含量高,所以固结物弹性差。,油溶性聚氨酯灌浆材料的性能值范围也较大。氰凝还具有耐化学介质性能和耐高低温性能,因此它不仅可用作堵漏,而且还可用于补强加固,还可用作涂层剂,具有较好的防渗防腐蚀性能.国外一种聚氨酯灌浆材料的主要技术指标为:外观浅琥珀色液体,固含量82%88%,黏度(21)300600mPas,相对密度1.15,拉伸强度0.550.62MPa,伸长率700%800%,收缩率18%.,123,11、隧道超前预注浆主要设计参数（1）加固范围的确定，和地质条件及隧道断面有关，一般为隧道开挖轮廓线外(0.51)D，国内大部分工程为35m，特别复杂、重要工程及大断面应为510m。（2）注浆压力的经验公式：P=P水+（1.02.0)MPa（3）C20混凝土止浆墙厚度的经验公式：B=(0.51.0)P式中：P的单位为MPa，B的单位为m。,124,（4）注浆段长的确定，通常段长是2030m，成孔困难的软弱破碎地层中比较经济合理的注浆段长应为2025m。（5）扩散半径的确定，和注浆材料和地层空隙率有关，岩石地层一般扩散半径R在1.52m；土层R一般0.51.0m。,125,（6）开孔间距，应根据断面形式结合钻孔注浆的方便性加以考虑，同时开孔位置和终孔位置应尽量保持在同一区域和部位，避免钻孔偏角过大。根据断面大小，开孔间距一般为0.51.0m。（7）终孔间距主要根据加固范围和扩散半径确定，一般为（1.51.732）R，并保证相邻注浆孔的加固圈应能相交。（8）为了减小纵向加固盲区，一般纵向每10m左右增加一个补充断面，每个段长的距离根据情况确定。（9）高压富水区钻孔时，一定要在孔口设置高压球等防突装置，防止钻孔过程中涌水突泥。,126,12、主要注浆工艺（1）全孔一次性注浆：孔口管注浆和花管全长注浆。（2）分段前进式注浆（3）分段后退式注浆：袖阀管注浆和TSS管注浆（4）钻杆后退注浆：单管注浆和双管注浆。,127,13、主要注浆设备,小型钻机,大型液压履带钻机,128,双液注浆泵,129,单液注浆泵,化学注浆泵,砂浆泵,搅拌机,130,机械式止浆塞,气囊式止浆塞,131,现场注浆施工,132,14、注浆效果检验（1）钻孔取芯：测试取芯率和试件强度；（2）出水量测定：钻孔不塌孔、不涌泥沙，出水量小于0.2l/min.m。（3）压水试验：试验压力应不小于1MPa,地层单位吸水量小于24Lu（0.020.04l/min.m.m)。（4）钻孔成像：在检查孔内进行连续拍照，观察注浆效果。（5）物探法：依靠物探手段，探测注浆前后地层完整性和物性指标的变化。(a)电法（高密度电法等）(b)电磁法(地质雷达等)(c)地震波及声波法(负视速度法、TSP203等）(d)声波CT等。,133,（1）钻孔取芯的方法钻孔取芯主要可测试钻孔的取芯率及对于岩芯进行强度试验。依次判断注浆前后地层的完整性和岩体强度变化。对于水泥系注浆材料，注浆后，由于胶结体达到较高的强度，一般需要3天左右的时间，为了快实现快速施工，一般注浆后1天左右就要开挖，注浆1天后往往很难取得完整岩芯，此外对于注浆胶结体进行试验也需要较长的时间，因此要实现注浆效果的快速检测是十分困难的。但通过取芯可以观察到岩芯中浆液充填的饱满和均匀程度，以次来分析和判断注浆效果。,134,（2）出水量测试出水量测试主要是测试一定长度的钻孔在单位时间的涌水量，对比注浆前后钻孔的出水量变化，可以判断注浆效果，出水量的测试是比较快的注浆效果检查方法之一。参照压水试验方法，可以制订钻孔出水量测试方法。首先在掌子面需要钻检查孔位置安装孔口管和止水阀门，然后采用地质钻机沿孔口管钻至设计深度，钻孔直径一般为100mm，退出钻机后，在孔口管上安装流量计，当钻孔涌水量稳定后，开始进行测试，每隔10min读数一次，连续读数4次，其最大值和最小值之差应小于最终值的10%。当流量逐渐减小，连续4次读数的最终值应。,135,小于0.2l/min.m。当流量逐渐增大，连续4次读数不再有增大趋势。现场通常采用简易的方法，当探水孔涌水量小时，可采用秒表和水桶直接进行测试，当涌水量大时，流速可采用水柱射程进行近似计算，然后再利用孔口管断面及水头高度，计算流量，流量计算如公式。式中：Q：出水口涌水量；V：出水口速度流速；L：水喷射的水平距离；H：出水口距离地面的高度,136,（3）压水试验