注浆加固块石堆积体在野三关隧道中的应用

注浆加固块石堆积体在野三关隧道中的应用 注浆加固块石堆积体在野三关隧道中的应 用 ? 隧道/地下工程? 注浆加固块石堆积体在野三关隧道中的应用 李庚许 (中铁十六局集团第四工程有限公司北京101400) 摘要以宜万铁路野三关隧道DK124+602大型富水溶腔的注浆加固为例,从注浆加 固的方案制定到注浆材料 的选择,配合比的选定,注浆压力的选择及注浆效果评定等方面详细介绍了溶腔体 的注浆原理和过程,为类似工程 的施工提供了宝贵的经验. 关键词注浆加固配合比效果评定 中图分类号U455.49文献标识码B文章编号1009—4539(2010)1O—o047—06 ApplicationofGroutingStoneAccumulationBodiesinYesanguanTunnel LiGengxu (ChinaRailway16BureauGroupCo.Ltd.,Beijing101400,China) AbstractTakinggroutingofDK124+602largewater— richrocksaltcavityinYiwanRailwayYesanguanTunnelasallex— ample,thisarticleintroducesthegroutingprinciplesandprocessesoftherocksaltcavityfromt heaspectsofgrouting scheme,groutingmaterialsselection,mixingratio,andgroutingpressureselection,aswellas groutingeffectappraise— ment,whichcanbevaluableexperienceforsimilarprojectconstruction. Keywordsreinforcinggrouting;mixingratio;effectappraisement 1工程概况 宜万铁路野三关隧道位于恩施州巴东县碗 口河和支井河之间,全长13833m,为宜万铁路 全线第一长隧道,线路纵坡为人字坡,前期为单 线隧道+平行导坑,后扩挖为隧道正线,线间距 30m,在隧道中部线路左侧设置斜井,井长 1844.5In. 隧道穿越三叠系大冶组,嘉陵江组,二叠系,石 炭系,泥盆系,志留系地层,区内发育岩溶管道流5 条,发育12条断裂,其中孙家垭断裂(F18)对隧道 影响最大,孙家垭断裂切割,连通3号暗河,存在较 大规模突水突泥的可能. 2大型溶腔情况 2007年8月5日凌晨1:00,I线隧道施工至 收稿日期:2010—07—22 DK124+602处时,掌子面附近发生大规模突水,并 伴有大量泥沙,块石(最大粒径约2m)涌出,峰值突 水持续约半小时,至2:30时涌水量恢复正常,峰值 总突水量约15.1万m,突泥石量约5.35万m;突 水点附近约200m洞身基本被突出的块石,泥沙充 满,距突水点500m处淤积泥沙厚度约3m,向大里 程方向淤积泥沙厚度逐渐减薄,最大雍水高度约 7m;峰值突水后,每半小时涨落一次,涨落幅度约3 , 5cm,8月6日隧道出口涌水量降至26万m/d (见图1). 2.1水文地质背景 野三关隧道区内共发育地下暗河6条,其中? 号暗河与"+602溶腔"密切相关.?号暗河发育 于石马坝背斜核部二叠系茅口栖霞组的灰岩层 中,两侧受二叠系吴家坪组页岩的阻隔,呈带状分 布.暗河起于石马附近的旺碑冲洼地,在苦桃溪 中排出,暗河出口标高1050m,高于隧道250m. 47 ? 隧道/地下工程? 暗河呈南西走向,在隧道上方斜穿隧道,长5km 左右,总体水力坡度6%,7%.暗河主要接收大 气降水补给,暗河水的流量动态与降雨关系密切, 对降雨的反应非常敏感,一般在中,大雨后10h, 流量开始增长,3d左右地下水流量达到峰值.苦 桃溪斜井工区在隧道开挖过程中,揭示的主要涌 水点有33个,突水点1个(DK124+602),隧道突 水疏干了?号暗河. 窖 突水位置 薹霎暮I线隧道芸DK124602/凸, \逃 蔓II线隧道善v,+ 迂回导坑T昌 H 凸凸0 皇昌 图1"+602溶腔"突水突泥突石平面 2.2溶腔突石溃口情况 根据前期"+602溶腔",排水支洞多次突水突 泥释能降压及水文观测情况综合分析,野三关隧道 "+602溶腔"是一横跨I线及排水支洞的大型断层 破碎带拌生岩溶的充填体系.2009年5月16日强 降雨后,由于溶腔充填物经过几个月的不断搬运及 构造破碎带塌落,使溶腔充填物不断抬升堵塞各排 泄释能通道,造成溶腔大量迅速的补给水排泄不畅 产生水压积聚,造成"+602溶腔"I线上部DK124 +583,DK124+590,下部DK124+581,DK124+ 597已贯通双层初支溃破,溶腔突出物主要为破碎 灰岩块石.6月17日通过排水支洞设置的高位排 水洞在I线DK124+600处洞顶上7.5In成功揭示 溶腔,通过大量的清石排水降压,高位排水洞涌水 量逐步加大,正洞各涌水点水量逐渐变小,通过对 各涌水点及突出物观测,表明DK124+583溶腔I 线,排水支洞和高位排水洞相互连通.为下步正洞 溶腔处理提供了重要条件. 3加固方案选定 根据目前的施工现状,在确保溶腔充填物不抬 升及高位排水洞,泄水支洞排水畅通的前提下,按 照"排水降压,注浆加固,管棚支护,两面夹击"的施 48 工方案,对602溶腔溃口坍塌段段进行处理 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方 案如下. 3.1止浆墙 (1)DK124+578.5工作面(反向)止浆墙施工. 清理工作面,在DKI24+578.5,DK124+580.5段 施工2nq厚C30模筑混凝土止浆墙,清理平整下台 阶DK124+578.5一DK124+568.5段,台阶表面敷 设50cnl厚混凝土,并加设一层钢筋网,形成净空 4.2In,长10m的钻机作业平台. (2)DK124+597工作面(正向)止浆墙施工. 清理工作面,在DK124+595一DK124+597段施工 2m厚C30模筑混凝土止浆墙,清理下台阶坍塌物, 根据MK一5钻机施工的作业要求,完成作业平台 施工. (3)为了保证止浆墙稳定,止浆墙周边径向及 底部布设2排长2ITI的25mm砂浆锚杆,环向间 距1.5m,排距0.8m,嵌人围岩1m;止浆墙浇筑过 程在周边预埋1m长的2mm导管,管口紧贴初 支面,止浆墙浇筑完成后,通过导管进行注浆对止 浆墙与初支护问的裂隙进行封堵,形成封闭体. 3.2注浆加固范围 (1)DK124+578.5(反向)工作面注浆加固范 围为DK124+578.5,DK124+597纵向长18.5m, ? 隧道/地下工程? 注浆施工作业. 3.6设计注浆量 该段设计注浆量约为1300m,注浆量可根据 现场注浆情况进行动态调整,做好记录. 3.7结束标准 3.7.1单孔注浆以定量定压相结合 (1)定量标准:注浆量根据地层围岩孔隙率 20%计,当单孔注浆量达到设计4.0m/m时,采取 调整浆液配比,缩短凝胶时问或进行问歇注浆等措 施,注浆量达到设计量1.5倍时,压力仍然不上升, 可结束该孔注浆. (2)定压标准:在设计注浆量范围内达到注浆 终压可结束该孔. 3.7.2全段结束标准 (1)设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准, 无漏注现象. (2)按总注浆孔的10%设计检查孔,检查孔满 足设计要求. 4注浆施工 4.1钻孔情况 由于"+602溶腔"溃口处有大量的拱架及螺纹 钢埋设在止浆墙内,在工作面的中上部注钻孔过程 中都需穿越多榀拱架(最多单孔穿越拱架及螺纹钢 7次),钻孔难度较大,制约施工进度.其次在前期 钻孔过程中,钻孔卡钻,塌孔现象严重,成孔性较 差,随着注浆的进行,堆积体得到充填,地层也进一 步密实,钻进速度较前期有所提高. 4.2注浆情况 本循环超前注浆加固施工,严格按照方案设 计要求,采取前进式分段注浆施工工艺施工,按照 由下向上,由外向内,间隔跳孔分区注浆施工 作业. 在前期注浆注浆过程中,由于止浆墙周边,注 浆操作平台端头,正向止浆墙等多处未封闭,前期 注浆过程中跑浆,漏浆现象较为严重.在注浆过 程中通过不断的调整注浆材料和浆液配比对漏浆 处进行封堵,注浆过程中以定量,定压相结合 控制. 50 在中,后期注浆过程中,工作面底部和左半 部的所有注浆孑L的注浆压力都能达到设计标准, 且泄水洞未出现较明显的跑浆,漏浆现象.在溃 口处注浆过程中,泄水洞有明显的跑浆现象,注 浆过程不断采取措施,一旦出现串浆,将采用普 通水泥一水玻璃双液浆,小流量,且通过缩短步距 重复扫孔注浆对溃口处进行加固,泄水洞跑浆现 象逐渐减小,直至不跑浆,且终孔注浆都能达到 设计标准. 4.3单孔注浆情况 根据钻孔注浆过程中分析各孔吸浆量及加固 区域横断面内浆液填充分布情况. 反向断面注浆量分布如图4所示,正向断面注 浆量分布如图5所示. ?4o以上020~40020 图4反向注浆量分布(单位:m.) ?40v'A.L020"40e20 图5正向注浆量分布(单位:m.) 从图中可以看出:吸浆量较大的区域主要分 布在加固工作面的右下部,左上部和溃口处;工作 面右下部和左上部的孔为前期施作的注浆孔,孔 ? 隧道/地下工程? 内吸浆量相对较大,这部分浆液主要填充工作面 及注浆平台的块石堆积体.而溃口处的注浆孔吸 浆量相对较大(A5孔和内圈的B4孔注浆量分别 是84m和59m).这部分浆液主要是加固溃口 处及周边情况围岩.从溃口的外圈孑L施作完成 后,内圈孔的吸浆量较外圈孔明显减少,说明通过 外圈孔施工完成后主要的块石堆积孔隙已被有效 的填充,堆积体胶结,地层得到有效填实,在内圈 孔施作过程中地层吸浆量明显减小,达到了预期 的束约性注浆效果,且注浆孔的注浆压力都能达 到设计标准. 在注浆过程中,对前期出水较大孔进行水压测 量,实测水压为0MPa.且在注浆过程中泄水洞流 水始终保持畅通,除外界的降雨影响泄水洞涌水量 变大外,泄水洞的正常用水量为1200,1500m/ h,且在注浆过程中,注浆工作面水位不断上升,最 终工作面得涌水沿泄水洞流走,高位泄水洞起到排 水降压作用. "+602溶腔"加固注浆从9月16日正式开始, 截止l0月17Et,反向完成注浆孔21个;引水及顶 水注浆孔6个,检查孔兼补充注浆孔6个,注浆942 方.正向共完成注浆孔13个,注浆292方. 5注浆效果评定分析 5.1分析法 5.1.1单孔吸浆量分析 根据加固注浆施工过程单孔吸浆量绘制地层 吸浆量随时间变化如图6所示. 一 8O 蠢604O 蠼20 O蛋JJL-I.1.1._J.I.-.1.1._JJ.-.1.1.-...1.乏《OO兰兰三兰薹詈菡盈i笛《《乏乏乏《乏 乏《??《《??? 孔号 图6地层吸浆量随时间效应 从图6可以看出,各单孔的地层吸浆量存在一 定的差异,最先施工的5个底部注浆孔最大单孔吸 浆量达到87m(A9孔),平均单孔吸浆量为75m., 在前期孔底部孔施作完成后,除溃口处的个别注浆 孔的吸浆量较大(A5和134),剩余的外圈孔的平均 吸浆量为42m.,说明随注浆的进行,堆积体大的空 隙得到填充加固,地层逐步密实,吸浆量较前期明 显减小;在溃口处内圈孔5个注浆孔施工过程中平 均地层吸浆量为19m,说明由下到上,由外到内间 隔跳孔的施作顺序注浆加固效果较为明显,浆液的 有效填充空隙率大大提高. 5.1.2工作面出水情况分析 在止浆墙施作完成后,止浆墙的周边及引水管 的总水量约为50m/h,但在正向止浆墙施作完成 后,水量增大到120m/h.在前期施作的注浆孔孔 内平均约有10m/h的涌水.但随着注浆不断进 行,纵向水位不断上升,后期注浆孔大部分都为无 水.由此可知,加固注浆使大的透水孔隙都已封 堵,前期的涌水都沿泄水洞流走.图7为注浆孔的 涌水随时间的变化曲线. ,., 20 16 毛12 8 4 0 ?II.I.I_l_.1.-?_一?--一乏乏翌手兰薹雪基譬乏笛《《《i乏ii《乏《i《??《??? 孔号 图7注浆孔的涌水随时间变化效应 5.1.3p—q—t曲线 "+602溶腔"加固注浆施工过程,注浆量和注 浆压力随注浆时间变化情况绘制P—q—t曲线,主 要表现为2种形式,见图8. 根据本循环钻孔注浆施工过程,注浆量和注浆 压力随注浆时间变化情况绘制P—q—t曲线,主要 表现为2种形式. 图8I为注浆过程中前期施作的注浆孔和溃口 处的注浆孔以定量控制充填较大块石堆积体的孔 隙为主所表现出来的P—q—t曲线.一般初试注浆 压力脉冲压力位0.5MPa,经过相对较长的注浆期 压力和流量保持不变,当地层孔隙充填到一定密实 度后,注浆流量随注浆压力上升迅速减小,达到设 计结束标准. 5】 ? 隧道/地下工程? 图8?为后期完成的外圈孔和溃口处内圈孔 注浆过程表现出来的P—q—t曲线.表现前期注 浆压力上升较慢,当注浆压力达到1,2MPa时, 大的孔隙被充填,压力随注浆流量下降随即上 升,注浆压力快速上升达到设计终压,即停止 注浆. 图8加固注浆过程中P—q—t曲线 5.2浆液填充率分析 对于坍塌堆积的孔隙率按20%理论计算,野 三关隧道"+602溶腔"处理按注浆体的体积为 6500m,则理论设计注浆量为1300m,从目前 正,反面注浆合计注浆量约为1234m,考虑到有 部分浆液在注浆过程中流失,损失率为10%,其浆 液的充填率达到90%,满足设计要求. 5.3检查孔 注浆孔注浆结束后,根据该段钻孔注浆施工过 程地层吸浆量分布情况,全断面布设6个检查孔兼 补充注浆孔,并重点对工作面右侧溃口范围进行检 查,检查孔的终孔左侧为为开挖轮廓线外3m处,右 侧溃口处为开挖轮廓线外4m处,纵向长度为 18.51TI,底部的两个检查孔孔深至基岩.管棚兼做 顶部和溃口处的检查孔兼补充注浆孔,检查孔终孔 位置如图9所示. 52 Y { 二f .. 图9检查孔的终孔布置 检查孔的钻设及注浆情况见表4. 表4检查孔各段钻孔和注浆情况 钻进速终孔出 孔号度/(m?水量/(L/下锚注浆是否备注 杆/m量/m达标h1 mln?mJ 检113.70l8O.92是 进速度:为钻孔 检2l3.2O181.8O是净速度,钻孔时 检3l2.1O101.2是间出去穿越拱 架和螺纹钢及 检412.60.005141.15是上下钻杆时间 检5l3.2O18O.92是正常钻孔速度 为l3—16m/h 检613.80l80.8是 (1)从设计的6个检查孔钻设情况分析,检查 孔在钻设过程中,钻速较快且均匀,正常,未出现卡 钻现象,终孔除检4有微量水外,其他孔都为无水, 满足设计要求. (2)每个检查孑L钻设完成后,下入玻璃锚杆,除 检3和检4孔局部有塌孔,其他都能下入相对应孔 深的玻纤锚杆,说明注浆加固结束后,地层成孔效 果良好,无塌孔现象. (3)检查孔检查结束后进行注浆,单孔的吸浆 量较小,注浆过程中泄水洞未出现跑浆现象且注浆 压力都能达到设计标准,地层较为密实;图10为检 查孔P—q—t的注浆曲线,注浆流量在短时间内随 着注浆压力上升逐渐减小,压力上升到2MPa后,注 浆压力产生明显突变,迅速上升达到设计终压,注 (下转第65页) ? 隧道/地下工程? 进行三次观测,即在回弹标埋设完成后进行初始值 的观测,在基坑开挖至设计标高后监测一次,在底 板混凝土浇筑前监测一次.这是因为回弹监测采 用水平高程的监测方法,需要对回弹标进行挂尺操 作,这在基坑开挖过程中测量实施非常困难.因此 基坑回弹指标也往往被用来验证设计,用于工程经 验积累和科研方面,对指导施工没有太大的意义. 采用临时立柱的方法时,因隆沉监测点安装在临时 立柱的顶部,可以根据工程需要进行频次调整进行 监测,基坑回弹量的监测数据可以帮助施工人员在 基坑开挖过程中对基坑稳定状态的评估,并对支护 结构进行及时调整. (3)监测精度高 传统方法采用水准观测,因为挂尺等监测设 备的局限性,其监测精度很难达到很高,但采用高 精度全站仪和固定式反光棱镜,可以采用强制对 中等监测方法,可以使监测数据精度满足工程监 测需要. (4)经济性 ? +??+??+一+一+一+一+一+"+一+??+——一+一+"+"+-.+一+一 (上接第52页) 浆流量降低到5,10L/rain结束检查控注浆,检查 孔的平均吸浆量为1.12m. 注浆终压/ . q-t 霹. 曾 秣 燃. ? 图10检查孔注浆P—q,t曲线 5 4 s室 2 l (4)鉴于检3和检4孔局部有塌孔情况现象, 等大管棚补充注浆结束后,再在检3,检4孔周围布 设一个检查孔,对溃口薄弱环节进行再次检查. 6综合效果评定意见 综合以上几种效果检查及评定方法分析, " +602溶腔"加固注浆施工过程中所有注浆孔终孔 与传统的方法相比,l时立柱的监测方法主要 增加了临时立柱本身的材料,安装成本,这个费用. 但在深大土层基坑开挖过程中,基坑支护系统的稳 定性需要,在施工过程中需设立临时立柱,这样就 可以利用这些临时立柱进行基坑回弹监测,反而比 传统方法节约了费用. 5结论 (1)由于本文所涉及的工程实例没有通过埋设 回弹标的方法进行基坑回弹量的监测,文中中工程 实例仅通过本实例的工程计算结果进行对比,两者 中的差异及折算方法没有提及,这也需要以后的工 程实践中积累相关的监测数据,并对该结论进行检 验或修正. (2)通过本文的分析,初步可以认为通过埋设 临时立柱,并在基坑开挖过程中对立柱顶端进行 隆沉监测,该隆沉值可以从工程应用的角度来代 替基坑回弹值进行基坑稳定状态的评估,指导工 程施工. 都能达到设计的注浆压力,随着由外及内的注浆施 工,单孔吸浆量明显的减小,坍塌空隙得到有效填 充胶结,松散地层也得到改良,泄水洞在注浆初期 跑浆现象严重,但通过不断间歇注浆封堵,在后期 注浆孔和检查孔注浆过程中未出现较明显的跑浆 现象,从泄水洞的加固情况看加固范围达到7m以 上,保证了加固厚度. 在检查孔钻设过程中钻进速度较快,未出现卡 钻现象,且检查孔出水量都达到设计标准,成孔性 较好,注浆对坍塌地层起到很明显的固结改良,满 足开挖施工要求,可以按照设计要求进行开挖施工. 野三关隧道"+602溶腔"体注浆加固的顺利完 成,为整个溶腔体的处理提供了强有力的安全保 障,全体参建人员在异常艰苦的环境下,不畏艰险, 科技攻关,精心组织,科学施工,采取了"探","堵", "排","迂","防"等综合创新施工技术手段和措 施,巧妙地解决了高压富水溶腔突水突泥等恶劣地 质条件带来的施工难题,为今后类似复杂岩溶隧道 治理提供了宝贵的经验. 65