富水砂层隧道围岩止水施工技术

1、富水砂层隧道围岩止水施工技术张帆(中铁十二局第二工程公司 ,山西 太原030032 )摘要 : 用止水帷幕 、降水井、多头搅拌水泥土防渗墙及地表化学注浆等措施 ,防止富水砂层段地下水侵入隧道 ,提高围岩稳定性 ,保证施工安全及质量。关键词 : 止水帷幕 ;降水井 ;洞内深孔注浆中图分类号 : U 45文献标识码 : A 文章编号 : 1006 3226 ( 2005 ) 01 0099 041 工程概况深圳地铁香蜜湖 车公庙区间隧道位于深南大道的中央及北侧的绿化带下 ,全长 1 101138 m。线路 两侧建筑物较少 ,地下各种管线、管道纵横交错 ,地面交通繁忙 。线路设计为线间距 1312

2、m 的两条并行 单线 ,覆土厚度为 817 1019 m ,断面为马蹄形 ,复合式衬砌 ,宽 6136 m ,高 6166 m。区间采用暗挖法施 工。区间中有三段长约 642 m 洞顶为较厚的富水砂层段 。地层自上至下分别为人工堆积层素填土冲积、海积层粘性土混砂砾 ,夹薄层砂 ;冲积 、海积层砂类土 , 松散至中密 ,局部密实 ,结构松散 ,含水丰富 ,工程地质条件极差 ;残积层 、花岗岩全风化带结构松散 ,扰动 后结构破坏 ,遇水易软化 ,强风化带扰动后遇水成砂砾状 。本工程地下水主要受大气降水补给。第四系孔隙潜水主要赋存于第四系冲积 、海积粘性土、砂层及 残积砾质粘性土中 ,承压水头高 0

3、12114 m。粘性土及残积层中含水量较少 ,具弱透水性 ;砂层中地下水丰富 ,为主要含水层 ,具有中等 强透水性。基岩裂隙水主要赋存于花岗岩风化层中 ,含水量较少 。地下 水埋深 113918 m ,水位高程 21431218 m ,地下水位变幅 12 m。2 止水帷幕及降水井施工整个区间段含水丰富 ,地下水位高 ,大部分地段拱顶为较厚的富水砂层 ,围岩软弱 ,自稳性差 ,含水开 挖极易形成涌水涌砂的险况 ,甚至导致通天大塌方。为保证施工的顺利进行 ,止水是关键 。故施作止水 帷幕和降水井作为主要施工止水手段。区间隧道施工前先在该段施做格构式止水帷幕 ,并在其内进行井点降水。帷幕总延长 2

4、13711 m ,平均注浆段长 1613 m。止水帷幕设在距结构外缘 2172 m 处 ,沿线路方向约 30 m 设一横向隔断。施作帷幕 后地层渗透系数达到 10 - 5 cm / s。区间共设 71根管井和 49 个观测孔 ,管井开孔直径 700 mm ,井管采用 400 mm 的钢筋笼 ,镀锌铅丝包网 ,外裹一层尼龙网。井管外 150 mm 厚及井底 500 mm 高度内充填粒径3115 mm 圆形、亚圆形砂卵石滤料 ,井口 1 500 mm 深用粘土回填夯实 。管井深至结构底板以下 6 m ,平均井深 2716 m ,观测孔平均孔深 2516 m。由于止水帷幕段地下管线复杂 ,施工干扰比

5、较大 ,在地下管线段进行渗透注浆 ,而在没有地下管线段 进行多头搅拌双排水泥土防渗墙 。211 渗透式注浆止水帷幕施工帷幕为 115 m 厚的垂直浇地式注浆帷幕 ,注浆范围为砂层上下各 215 m。采用地质钻机 ,垂直于地面收稿日期 : 2004 04 30作者简介 :张帆 男1977年出生助理工程师石家庄铁道学院学报第 18卷100成孔 ,将注浆管下到孔内 ,采用水泥 - 水玻璃双液浆分段渗透注浆 ,使得浆液在压力条件下 ,较均匀地渗入地层 ,降低地层的渗透能力 ,提高地层的抗压 、抗剪能力 ,在隧道两侧形成帷幕 ,挡住两侧地下水 。21111 注浆孔布置及注浆材料采用三排注浆孔 ,三角形布

6、置 ,浆液扩散半径设计为 014 m。注浆原材料用 425#普通硅酸盐水泥 ,加40 °B e水玻璃 ( M 为 7311 ) 。用磷酸氢二纳 (氢氧化钙 )作缓凝剂水泥水灰比 (质量 ) W C = 018 ,水泥 水玻璃体积比 : C S = 1 018;水玻璃浓度 : 33 °B e;磷酸氢二 钠 (缓凝剂 )掺加量 : 1 % 3 % 。21112 施工艺及施工技术要求选用地质钻机钻成 70 mm 的孔 ,孔深穿过砂层不小于 215 m ,钻进中对不同深度的地层变化进行记 录。钻孔终孔后即插入塑料阀管到设计深度 ,并在阀管内加入水 ,以减少阀管的弯曲 ,并及时进行封

7、孔处 理 ,浇注套壳料 。待套壳料凝固后 ,在塑料阀管中插入注浆芯管由下向上逐段进行注浆 ,每段注浆压力达 到设计压力值并稳压 10 m in后提芯管 50 cm ,重复注浆直至设计受灌段顶部 。注浆完毕后 ,用清水冲洗塑 料阀管中的残留液 ,以利下次注浆。注浆流量为 710 L /m in,注浆压力 013 015 M Pa。注浆施工顺序原则上采取由外到内的方式 ,有效控制浆液扩散区域 ,确保注浆后形成完整的止水帷 幕。通过渗透式注浆止水帷幕施工 ,确保了帷幕管线段的闭合 ,加固了管线段的土体 ,保证了管线段的安全 ,而且固结了砂层段的塑状流砂 ,控制了地下水最重要的补给来源 。212 多头

8、搅拌水泥土防渗墙施工21211 技术参数根据目前的机械设备能力和经验 ,墙体有效厚度可取 190 450 mm ,成墙深度一般不超过 2215 m 最 大不超过 25 m。根据本工程的水文地质情况采取搅拌头直径 410 mm ,墙体有效厚度 300 mm ,搅拌机每 次步进 222 mm ,二次步进成墙。回化剂采用 425#普通硅酸盐水泥或矿碴水泥 ,水泥掺入量 (质量比 )一般为 8 % 12 % ,每加固 1 m3土体掺入水泥约 110 160 kg,水灰比一般采用 015 210 ,掺入量和水灰比可根据试验初步确定 ,然后再 根据现场施工情况修正 。21212 施工工艺及技术要求多头搅拌

9、机就位 ,机身垂直度偏差不超过 013 % ,桩位对中偏差不超过 50 mm。通过主机的双驱动力 装置 ,带动主机上的多个并列的钻杆转动 ,并以一定的推进力使钻杆的钻头向土层推进到设计深度。速 度为 0138 0175 m /m in。在上述过程中 ,通过水泥浆泵将水泥浆由高压输浆管输进钻杆 ,经钻头喷入土 体中 ,在钻进和提升的同时使水泥浆和原土充分拌合。速度为 013 015 m /m in。桩机横移就位调平 ,多 次重复上述过程形成一道防渗墙主要设备采用双动力多钻杆工程钻机、深层搅拌桩记录仪、水泥浆计量泵 ;渗透注浆采用 XY - 100钻机、注浆泵。通过多头搅拌水泥土防渗墙施工 ,使帷

10、幕基本成型 ,多头搅拌水泥土防渗墙止水效果好 ,穿透力强 ,象防洪堤坝一样形成坚固的闭合防水体 ,保证了隧道的顺利进行 。213 降水井施工钻机成孔及钢笼安装填放滤料场按一般降水井施工工艺认真细微地进行。水井检查合格后 ,立即进行洗孔 ,使用 12 m3 空压机自上而下洗至清水 ,井底不存在泥砂为止 ,洗井后 除进行单井试抽外必要时当需进行群进试抽降水。214 效果分析通过止水帷幕及降水井的施工 ,有效抑制了隧道区间开挖大面积涌流情况 ,稳定了地下管线及周边 环境 ,但是止水帷幕及降水井的联合防水体系并非牢不可破 ,其缺点如下 :渗透式注浆止水帷幕对于砂层止水效果良好 ,但由于注浆压力所限 ,

11、浆液无法渗入结构致密的砾质粘性土层形成固结防水体 ,而砾质粘性土层并非不透水层 。多头搅拌水泥土防渗墙对于均匀软基的加固及防水效果良好 ,香车区间为不均匀 地质 ,钻头下钻遇颗粒较大的砾石或倾斜分界地层中易钻杆分叉 ,无法完全咬合 ,遇砾石含量高的地层无第 1 期张帆 :富水砂层隧道围岩止水施工技术101法钻进。降水井在帷幕效果甚佳的情况下才能发挥最大的效果 ,如帷幕有缺口 ,地下水渗流快 ,水头差补给快就无法达到预期效果。综上所述 ,对局部渗水地区制订了一些辅助加强措施 ,包括用地表化学注浆、洞内深孔注浆、洞内超 前小导管注浆来联合止水。3 辅助降水措施311 地表化学注浆加固本区间右线 S

12、K11 + 134段施工时出现大面积涌水涌砂险情 ,虽对掌子面进行了封堵 ,但无法掘进 ,且 通过监测 ,地面有一定沉降 ,为保证隧道的顺利开挖 ,拱顶地层不至于流空产生空洞导致大的沉降 ,影响 行车及周边管线 ,决定进行隧道拱顶部位双液注浆止水施工。其中注浆孔 78个 ,钻孔总长度 663延米 ,注 浆长度累计 234 延米 ,改造土体约 640 m3 (长 9156 m ×宽 11116 m ×厚 6 m ) 。本方案拱顶加固有效厚度 设定为约 3 m。洞体两侧加固厚度按经验公式应大于 2 m 以上 ,故设定有效厚度 214 m。本施工方案是在地面通过钻机将注浆管打入所

13、需改良土体范围内 ,通过外界压力将水玻璃和高效固 化剂分两条管路注入土层 ,在压力的作用下渗入到土体的孔隙或基岩的裂隙中 ,使土粒子间的水被强行 排挤出改良范围之外 ,并将土体粒子间的间隙压缩 、挤密 ,从而可以提高土体粘接强度 ,降低透水率 ,水玻璃和高效固化剂混合之后 ,能很快凝结固化 ,能起到防渗和提高土体粘聚力的作用 。通过改变配方 ,添加 不同的固化材料 ,能够控制不同的浆液凝结时间 ,填充性能和注入后土体的强度。此外 ,以水玻璃为主材 的浆液具有很好的可灌性 ,适用于多种地层的止水加固工程。注浆技术要求及技术参数如下 :扩散有效半径 : 0175 018 m。改良后砂层的渗透系数达

14、到 0101 m / d 量级。改良后 ,土体和砂层的 粘结力 C值不小于 50 kPa。配方 , A 液 :水玻璃 (波美度 39 °45 °) , B 液 :固化剂 ,以无机材料和交联材料为主材 。A、B 液的比例以采用的凝结时间为控制手段。注浆压力 : 300500 kPa;浆液的固化时间 : 30 120 s;注浆流量 ,控制在15 ±5 L /m in;每段 015 m 注浆量 0120125 m3 。双液的注入比例为 017 110 ,在实际操作中 ,根据地层的 情况控制双液混合后凝结时间控制在 30120 s,由此调节双液的注入比例。本工程为梅花状布

15、孔 ,注浆孔纵向设为 8 排 ,排距为 110 m ,每排设 8个孔 ,孔间距为 112 m 钻孔深度为 1710 m。成孔后开始注浆 ,注浆厚度为 610 m。注浆时采用先施工外侧两面三刀排 ,后施工中间三排的 工艺进行 。通过地表化学注浆加固 ,注浆后三天开始进行洞内开挖施工 ,洞内掌子面滴水不漏 ,已施作初 期支护面未见任何湿渍 ,开挖顺利。312 洞内深孔化学注浆区间左线 SK11 + 528538 ,右线 SK11 + 518528计 20 m 段砂层分布于上台阶底部到拱顶以上 ,该 段开挖水土流失少 ,掌子面封堵及时 ,但依然无法掘进 ,从节约成本 ,该段地质情况分析 ,决定采用洞

16、内深 孔化学注浆加固 ,在开挖上台阶拱部形成环状固结体 ,切断涌水通道 ,使开挖顺利进行 。洞内深孔化学注浆加固掌子面孔位布置分两环布设 ,从掌子面通过两次定位钻机呈发散状布置 ,孔位末端孔间距 115 m 排 ,间距 115 m。内圈布设 13个眼 ,孔深 6 m;外圈布设 11个眼 ,孔深 12 m。 注浆加固砂层技术要求。每一循环洞内加固土体的有效长度 : 10 m; 注浆孔扩散有效半径 : 0175 110 m;有效加固土体宽度超过洞体两侧开挖线各 215 m 以上 ;注浆改良后土体的渗透系数达到 0101 m / d量级 ;注浆改良后土体的粘接力 C值不小于 50 kPa。 洞内注浆

17、加固按先外侧后内侧的顺序施工 ,采用后退式注浆工艺。因注浆加固范围较大 ,主要涉及砾砂及残积土等 ,特别是涉及到土层界面的注浆时 ,注浆参数应根据实际情况进行调整。注浆速度 ,按 10 20 L /m in 控制 ,注浆时间 : 按回抽 ( 015 m ) 10 m in 左右控制 ,注浆 压力 ,考虑承压水及流动水 ; 注浆压力应适当加大 ,注浆压力控制范围在 012 110 M Pa 范围内 ,注入浆量 ,与土层的性质 、范围等有关 ,如按扩散半径 0175 m 计算 ,实际注入浆量约为 0135 m3 /m。石家庄铁道学院学报第 18卷102注浆所用材料为 :水玻璃 :波美度为 38 &

18、#176;41 ° 乙二醛 : 淡黄色液体 ; 酸剂 : 无色液体。注浆液配合比为 : A 液 : 200 L ,其中 ,水玻璃 : 100 150 L ,水 : 50100 L; B 液 : 200 L ,其中 ,乙二醛 : 1040 L;酸性材料 : 28 L ,剩余为水 。A、B 液的注入比例为 017110 ,在实际操作时 ,根据地层的情况控制双液混合后凝结时间控制在 30120 s,由此调节 A、B 液的注入比例。注浆施工中 ,为避免浆液的流失 ,注浆区间段附近的降水措施应全部停止 ,第一次注浆时 ,靠近洞内 开挖界面的土体应事先用网喷砼 10 cm 进行加固封堵 ,以免临

19、界面的浆液流失 。注浆后洞内开挖时 ,应预 留 2 m 做为支撑面 ,以避免千万坍塌等现象发生 。通过洞内深孔化学注浆加固 ,有效改良了土质 ,拱顶形成了胶状物固结体 ,掌子面只有小股水渗流 ,保证了正常的施工。313 洞内超前小导管注浆支护洞内超前小导管注浆为每循环必备的施工手段 ,通过局部拱顶超前注浆支护 ,有利于每一循环的及 早成形 ,加快了施工进度 ,更加有利于拱顶土层的稳定。小导管采用 42 mm 普通钢管 ,壁厚 4 mm ,环向间距 30 cm ,倾斜角 15 °,管头为 30 °的锥体 ,预留止浆 段长 1 m ,花管部分钻有 8 mm 注浆孔 ,梅花型布置

20、 ,间距 20 cm。注浆压力 013015 M Pa,注浆材料采用水泥 水玻璃浆液 ,配合比为 :水泥浆 水玻璃 = 1 018 (体 积比 ) ;水泥浆 (质量比 ) W /C = 1 1。材料要求 :水玻璃原材料应选用 45 °B e,模数大于等于 218 ,配合比中水玻璃浆为 30 °B e。 注浆机械为 KB Y50 /70型注浆泵 。4 结束语通过对香车区间进行以止水帷幕 ,降水井为主 ,地表化学注浆、洞内深孔注浆、洞内超前小导管注浆 为辅的施工手段来联合治水止水 ,取得了很好的效果 ,既保证了质量 ,又没有延误工期 ,为初期支护 ,二次 衬砌的顺利施工做了前期保证 ,达到了预期的效果 。参考文献 1 赵奎银. 大跨度高边墙地下工程施工技术 J . 铁道建筑技术 , 2004 ( 4 ) : 3436W a ter - stopp in g T