隧道全断面注浆技术

1、圆梁山隧道全断面注浆技术摘 要：圆梁山隧道是渝怀线上最长的铁路隧道，隧道出口掘进至PDK355+020时遭遇岩溶涌水 突泥，导致开挖面被淹，严重影响了正常施工，通过地质钻探等综合预测预报手段并结合涌出物分析，决定采用 全断面预注浆技术进行封堵，有效地堵住了地下水，并对围岩进行了加固，恢复了正常施工。关键词 ：隧道 岩溶 涌水突泥 全断面注浆1 概述圆梁山隧道全长 11068m，是新建铁路渝怀线上最长的单线隧道，隧道主要穿越毛坝向斜和桐麻岭 背斜，其中毛坝向斜高压富水区总长2200m，向斜翼部最大埋深 780m，核部最小埋深 550m。该段岩溶和岩溶水异常发育，岩溶、高压富水是地质难题。根据设计

2、资料，毛坝向斜段正常涌水 量为 55000m3/d ，最 大涌水量 83000m3/d ，且洞身处存在 4.6MPa 的高静水压力。毛坝向斜高压富水区大量排水将会引起地下水位大幅度下降，甚至可能被疏干，直接影响居民的生产、生活用水，也可能引起局部地面的塌陷或开裂。 为了减少隧道修建对周围环境的影响。针对圆梁山隧道高压富水区采取了“注浆堵水，限量排放”的施工 原则。2 开挖面超前地质探测及涌出物分析 为确保圆梁山隧道的安全优质、快速顺利施工，有效地采取施工方案，选择合理的注浆方法，在圆 梁山隧道施工中采取了多种地质超前预测预报手 段，如超前探水孔钻探、红外线、 TSP地质雷达超前地 质预测预报和

3、地质素描等手段，通过对地质预报信息的综合分析，可以比较准确地判明前方地质情况。2.1 探测过程圆梁山隧道出口端平导掘进到毛坝向斜高压富水区后，独头掘进达7133m，并在 PDK355+058处开始进行反坡开挖，为了确保施工安全，每 30m进行一次超前钻孔，以探明前方地质情况，圆梁山隧道出口端平导开挖至 PDK355+019时，于 2003年 6月 27日 6点开始在掌子面采用MKD-5S地质钻机进行常规超前探测工作。超前探孔布置如图 1 所示。图 1 探水孔横断面布置 图 2 注浆段地质情况示意Fig.1 Layout of water-exploring holes Fig.2 Geolog

4、ic pro grouting segment在探水孔施作过程中，探 1 在整个钻进过程中，岩粉为深灰色颗粒，有白色方解石颗粒，有刺激性气体逸出； 钻至 3m处为破碎岩层， 宽度约 0.2 0.3m，钻孔内有水涌出， 涌水量为 20m3/h ，充填有黄泥；8 40.6m 岩粉为深灰色，较坚硬，局部有破碎灰岩，发生卡钻。探2 有少量水，钻进过程岩石破碎。探 3孔深 30.20m，当探水孔钻至 15 m处有 0.3 0.5 m岩溶管道，有岩溶水涌出，充填有泥砂和粘土，并 含少量砾石， 6月27日测得钻孔涌水压力为 1.4MPa，全孔涌水量实测 100 m3/h 左右。于 2003年6月 28 日结

5、束探孔。 通过探孔情况和地质资料分析掌子面前方3m处有一宽度较小的破碎带， 在 15m处发育一小型岩溶管道。由于泥砂太多及停电影响，同时洞外大量降雨，导致探3#孔涌水量及水压急剧增大，7 月 5日涌水量增大到 200m3/h 左右，由于此处反坡开挖， 抽水设施由于泥砂和停电的影响导致掌子面大量涌水不能抽出，引起掌子面淹没。后加快抽水，将掌子面水用两路150mm钢管引出，并在掌子面施作了模筑混凝土封闭掌子面， 止浆墙厚 2m，又因水大混凝土密封困难改为 3m。掌子面稳定后又进行了 TSP地质预测 预报和红外线超前探水等探测和验证。 根据以上地质预测预报成果可判定前方地质条件大致如图2 所示。2.

6、2 涌出物分析2003 年6月29日现场采集涌出物并对涌出物进行筛分试验，测试结果图 3、图 4示。200m3/h；由图6 可见：在封堵掌子面后涌水压力不断上升，最后稳定在2.4MPa。图 3 涌出物成份比例图 4 涌出物筛分曲线Fig.3 Proportion of gushed-out materialsFig.4 Sieving curve of gushed-out materials由图 3、图 4 来看：涌出物中粉砂、中砂占 86%，而粗砂和砾石等占 13.8%，砾石长约 3 10mm，说 明涌出物在岩溶管道中经过长期迁移 和冲蚀作用下被磨圆和筛选，因而隧道断面内岩溶管道或溶隙最大

7、 直径大于 10mm，涌出物累计筛余百分率曲线比较平缓，可见原地层充填物在未受到压力水冲出前，其级 配相当合理，呈较致密结构。从涌出物 86%为中细砂可以看出，在岩溶形成过程中，由于地下水的溶蚀作 用，泥砂被搬运填充在灰岩裂隙中，后经不断溶 蚀，逐渐形成岩溶管道。一旦超前钻孔或隧道开挖揭穿 岩溶管道容易发生涌水突泥。2.3 涌水量及水压测试在超前探测和注浆过程中对平导掌子面涌水量进行了测试和水压测试如图5、图 6 所示。由图 5 可见：在进行顶水注浆前平导掌子面处涌水量是急剧增大的，然后逐渐趋于稳定，最大涌水量图 5 掌子面涌水量变化曲线 图 6 水压力变化曲线Fig.5 Curve of w

8、ater spraying on the face Fig.6 Curve of hydraulic pressure3 注浆设计及施工3.1 注浆方案的确立 根据超前探孔过程中涌水状况，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对前方出现的岩 溶管道水，经过反复研究，制订了“以堵为主”的 施工原则，采用了“注浆堵水，封堵岩溶管道，加固 破碎地带”的施工方案。根据溶洞区工程及水文地质复杂，选用“深浅孔结合复式全断面注浆” 堵水措 施。3.2 顶水注浆和小导管周边注浆根据二院要求及现场实际， 在掌子面施作厚 2.5 3m砼止浆墙，两个探水孔的孔口管预埋入止浆墙， 然后对其进行顶水注浆。 由于砼

9、止浆墙与开挖面周边密封施做的不够严密， 导致顶水注浆时周遍跑浆严重， 于是决定在止浆墙周边进行小导管注浆。如图7 所示。小导管注浆管长 L=3m，采用 32mm焊接钢管。 注浆管前端加工成圆锥状并封死。 花管部分长 2m， 在花管段上间隔 30mm 40mm， 按梅花型布设 4 6mm的溢浆孔。管尾部分采用两道 8mm的圆型钢筋 焊箍，其中一道用于缠上 60cm 左右的麻丝后用于止浆，另一道采用丝扣和注浆管连接。小导管沿隧道开挖轮廓线布置，略向外倾斜，外插角为50100。注浆材料采用水泥 -水玻璃双液浆和 HSC浆液，其配比为 W:C=0.8:1 ，C:S=1:1 ，凝胶时间为 30s 3mi

10、n。超细水泥 MC浆，其水灰比为 1:1 0.6:1 ，HSC浆液水灰比为 1:1 0.8:1 ，凝胶时间为 30 min 60min。注浆结束标准采用定压结合定量的原则，注浆终压为2 3MPa，单孔注浆量为 0.2 0.4m3。Fig.7 Layout of withstand-water grouting and small pipe-grouting3.3 超前预注浆加固全断面超前预注浆是在整个断面上布孔， 通过注浆形成截水帷幕， 并加固周围岩体， 注浆加固范围 为隧道开挖面及开挖轮廓线外 5.0m，注浆段长 30m，即 PDK354+0209DK355+990。注浆设计如图 8、9 所

11、 示。注浆孔采用 MKD-5S型钻机成孔。 开始用大直径钻头钻进 2m后安设 108mm无缝钢管作为孔口管。 再改用 90mm钻头钻至 15 30m。孔口管长度 150cm，孔口处缠 60cm的麻丝。并用 HSC浆锚固。钻孔深度以达到钻入岩层 23 为原则，采用前进式分段钻进和注浆工艺。 在岩溶管道段注浆是以堵水加固为目的，在岩石破碎带（少量水）注浆是以加固地层为目的。因 此在浆液配置及单孔注浆顺序上予以区别对待。用引水管将水引出后，封闭掌子面。注浆时关闭阀门，形成静水压力注浆。对破碎无水岩层，初始注浆可注入稀浆（ 1.5:1 1:1）, 因稀浆中的水泥颗粒在脉冲压力的作用 下对冲开及沟通裂隙

12、能够起到润滑剂的作用 , 一旦裂隙冲开后即进入正常的双液浆注浆。对于涌水量较大岩层， 凝胶时间可适当缩短， 使浆液进入地层后能较快凝固， 避免浆液随水流失， 达到控制注浆的目的。图 8 超前预注浆孔位布置 （ 单位 :cm）Fig.8 Cross section of advanced pre-grouting holes3.4 注浆材料注浆材料采用普通水泥单液浆或普通水泥水玻璃双液浆（CS）。注浆孔无水时采用普通水泥单液浆，水灰比 W:C=0.8:11:1 ；有水孔则采用单液水泥浆、普通水泥 水玻璃双液浆（ C S浆）和超细 水泥浆、 HSC浆，根据水量大小选择配比和浆液凝胶时间。涌水量小

13、时，水泥 C浆：水灰比 W:C=1. :10.8:1 ，C:S=1:1 0.8:1,水玻璃 S浆浓度 30Be。孔内水量较大时，水灰比 W:C=0.8:10.6:1 ，C:S=1:0.3 0.6, 水玻璃 S 浆浓度 35 40Be，当双 液注浆压力上升到 3MPa 左右时，开始注入超细水泥（ MC）或 HSC浆，直到达到设计终压 7MPa。3.5 注浆工艺 采用前进式分段注浆工艺，钻一段，注一段。分段长度根据钻孔情况确定，若出现大的涌水或泥砂 （Q10m3/h）则按 1 2m分段；若涌水涌泥（砂）较小（ Q10m3/h）或轻微卡钻，则钻孔注浆段长度可适 当加大至 35m。如无涌水涌泥（砂）和

14、卡钻的情况发生，则可采用全孔一次性注浆方式进行。以保证注 浆质量和减少扫孔作业，增加作业时间和效率。3.6 注浆参数注浆参数主要依据设计加固范围和经验选定，本段注浆纵向加固长度30m，主要参数如表 1 所示表 1 注浆参数表Table 1 Parameters of grouting参数名称全断面深孔超前预注浆备注加固范围掌子面及开挖轮廓线外 5m钻孔深度15m 30m浆液扩散半径2m凝胶时间30s2min30s普通水泥水玻璃双液浆注浆速度10 100L/min注浆分段岩层完整且有水 3 5m、岩层破碎且有水 1 2m根据钻孔情况确定注浆终压69MPa单段注浆量1.1 3.32m3/m单段注浆

15、量按 Q=R Ln 计算 参数取值 n=0.1 0.3 =0.8 =1.13.7 注浆顺序注浆顺序原则上先施作短孔，再施作长孔，最后施作检查孔。注浆孔顺序按由外到内，从下往上分 三序孔施工。三序孔的设计原则是水平方向上采取 跳孔原则（序孔采取跳孔，序孔采取间隔跳孔， 序孔为余下孔位），垂直方向上采取隔行跳排原则。同时结合涌水水源点位置和水流方向，按由有水孔 到无水 孔的顺序施工，检查孔施工顺序待注浆孔注浆结束后视现场情况而定。3.8 注浆结束标准采用定量定压相结合方式进行注浆结束标准控制， 当注浆量达到设计注浆量时， 而注浆压力不上升 则调整浆液配比，缩短凝胶时间，并采取间歇注浆措施，控制注浆量。或注浆压力达到设计终压，且注浆 量达到设计注浆量的 80%以上，即可结束注浆。3.9 效果检查与补孔注浆根据现场钻孔所揭示的地质状况， 结合注浆过程中 P-Q-t 曲线分析， 选择可能出现的薄弱环节进行 钻孔检查。检查孔初步布设参见图 9。检查孔应不坍孔、不涌砂，单孔涌水量应小于0.2L/m min。若达不到效果则将检查孔作为注浆孔进行注浆，注浆结束后再钻检查孔进行效果检查，直至达到设计要求。必要 时可取芯检查。4 注浆效果评定圆梁山隧道出口