朱望瑜

0 引言

土石分界土层隧道的施工,由于其岩体石质较差,风化严重并且还经常夹有泥层或泥砂层,自稳能力差。尤其是在土石分界处,地下水一般较为丰富,特别是风化岩与粘性黄土分界处,从现场经常可以看到,在不透水层风化岩斜面上有股状水出现,水的存在减少了土石之间的摩擦系数,同时由于局部地下水补给充分,土体吸水饱和,土体软化,围岩自身的承载能力大大降低。特别是对于大跨度隧道,极易发生局部塌方;对于拱顶落在黄土中、拱脚和仰拱位于基岩的大跨度隧道,拱顶部经常发生严重塌方,施工极其困难,施工安全受到严重威胁。

同时由于土石分界处裂隙水发育,处理不当,将对围岩和支护结构产生不良影响,危及结构和运营安全。

太中银铁路陕西段穿越黄土高原丘陵区,地形起伏,冲沟发育,不良地质广泛分布,尤其是部分隧道穿越土石分界线,穿越地层包括粉质粘土及含水砂层、粉质粘土及含水砂层与白垩系全～强风化砂岩交接区域,同时由于围岩呈水平层状,透水性强,开挖过程中往往导致地下水的大量涌出,在太中银铁路隧道的施工过程中,水的问题始终是一个困扰施工安全、质量和进度的关键性问题,隧道的开挖全过程始终都遇到不同程度的裂隙水问题,给施工造成极大困难,施工安全风险及压力极大,工程成败在某种程度上就决定于对水的处理是否成功。

本文结合太中银铁路土石分界土层隧道施工的实践,对注浆技术在治理裂隙水问题中的应用进行了分析与总结,以期对类似工程的设计、施工有一定的借鉴意义。

1 土石分界地层隧道裂隙水的分布形式及特点

土石分界地层中地下水的存在主要以孔隙水基岩裂隙水两种方式存在。孔隙水在砂性土中相对较丰富,接受大气降水补给,但由于径流排泄不畅,水量相对贫乏。裂隙水以碎屑岩裂缝水为主,接受大气降水、地表水和其他水源的补给,水力梯度大,排泄运移速度快。

太中银铁路土石分界地层隧道开挖成洞后,裂隙水主要以“渗水”“线水”“股水”3种方式涌出。“渗水”的水量一般均较小,在初期支护时采用喷射混凝土即可以封闭;“线水”与“股水”采用喷射混凝土的方式一般均无法封闭,是注浆止水的主要对象。

“股水”多数为基岩裂隙水或岩层接触带处的层中水,水头一般较高,但均较为集中;“线水”分布较为零散,没有集中的水源,治理的面积较大,堵水过程中存在一定的困难。

2 处理原则

针对以上裂隙水的分布形式及特点,结合设计在施工中采取以堵为主,堵排结合的原则。

在隧道通过集水富水地段(地下水状态为Ⅱ,Ⅲ级及以上)时,隧道采用超前注浆、径向注浆等堵水措施,以确保施工安全、防止地下水大量流失。

堵的基本原则为:先两头,后中间,先堵小水,后堵大水;先拱部,后边墙。采用“抢堵”和“固堵”两种堵水方法:“抢堵”主要针对“股状”先期止水,“固堵”主要是对“股状”水先期止水成果的巩固及对“线水”“渗水”的封堵。

注浆堵水后,地下水状态应达到无水或小于地下水状态Ⅰ级时进行隧道衬砌施工。

3 涌水量的预测及注浆方案的选择

3.1 涌水量的预测

掌子面涌水量和初期支护表面渗漏量测试对于确定注浆方案非常重要,掌子面水量一般采用直接测试和钻孔预测的方法。

1)超前探孔涌水量控制标准。

第一种方法是,在掌子面上安装排水管,测出排水管中水的流速V,然后测出排水管中的过水断面A,即可计算出探孔涌水量:

反坡施工的情况下,单孔涌水量 Q≥2 m3/h(Ⅳ级围岩以上),Q≥1 m3/h(Ⅴ级围岩以下),将对施工造成一定的影响,需采取超前预注浆措施。

2)掌子面总的涌水量控制标准。

如整个断面上出水部位较多,很难用多根排水管进行测试,断面总的涌水量一般采用水沟测试,即通过测试水沟中水的流速和水沟的过水断面,即可计算出隧道整个涌水量。

反坡施工的情况下,如果整个断面的涌水量 Q≥5 m3/h(Ⅳ级围岩以上),Q≥5 m3/h(Ⅴ级围岩以上),将对施工造成一定的影响,需采取超前预注浆措施。

3.2 注浆方案的选择

注浆方案的选择主要参考依据有地质勘探资料、超前地质预报成果、涌水量大小和以往类似工程经验等。一般来说,在节理裂隙比较发育且水量或水压较大地段也应采用超前预注浆方案;在岩体完整、节理、裂隙不太发育地层中,局部出水或渗漏水地段采用开挖后径向注浆及局部注浆方案。

太中银铁路土石分界地层中隧道地质条件比较复杂,存在砂岩、泥岩互层,节理层理发育等不良地质问题,施工中根据不同情况分别采用了超前注浆、径向注浆等措施。

4 径向注浆

根据超前地质预测预报方案,当判析前方地层自稳性较好,只是存在着裂隙水,而裂隙水的总涌水量基本可以确定,能保证开挖施工安全,并确定在开挖施工完成后沉降较小,能够对涌水量进行控制时,可采取开挖后径向注浆。

径向注浆堵水一般在完成爆破出渣后进行,先在渗漏水下方距底板约1 m～1.5 m高的边墙上钻设集中导水孔进行导水,导水孔深度比注浆孔深约1 m～2 m,以 10°～20°的夹角上插,并在导水孔周围钻设3个～4个分流孔进行分流降压,使渗漏水集中排放,达到排水降压的目的,然后对拱部渗漏水注浆封堵,采取先浅后深的原则,即先加固3 m范围内围岩形成止浆墙,后加固5 m范围内围岩,先小水后大水的注浆顺序进行注浆,并对围岩及支护变形情况和其余孔内水量、水压进行实时监测,以动态调整注浆参数,最后对边墙上的导水孔和分流孔进行注浆封堵,如图1所示。

1)堵水注浆孔的布设。

在拱部渗漏水处钻孔进行注浆封堵,先钻注3 m深孔加固3 m范围内围岩并以此作为止浆墙,再钻注5 m深孔加固5 m范围内围岩,注浆孔位采取梅花形布置,间距 50 cm(环向)×50 cm(纵向),采取先大水、后小水的原则,先封堵线状、股状水,后封堵面状渗漏水。

2)注浆管材。

太中银铁路土石分界地层隧道出现的风化砂岩大量存在砂岩和泥岩互层情况,如果小导管注浆采用普通钢花管,那么在顶入过程中,泥砂容易沿管子上的孔眼进入钢管,堵塞管路,影响注浆效果。为了解决这个难题,针对该区段地质的特点,采用小导管分段反复注浆装置进行注浆堵水,小导管分段反复注浆装置如图2所示。

3)钻孔注浆工艺。

采用风钻钻孔至设计孔深,退出钻杆,将小导管装入钻孔内,用速凝水泥将管口外壁和钻孔内壁之间的空隙封住,将带有皮碗式止浆塞的注浆芯管进入小导管内到设计位置,注浆芯管后端与进浆管、注浆泵连通进行注浆,浆液从注浆芯管前段的出浆孔溢出,进入小导管与注浆芯管之间,在压力作用下位于出浆孔前后两侧的止浆塞膨胀扩张,顶紧小导管内壁,将小导管与注浆芯管外壁之间封闭,浆液将小导管溢浆孔上的橡胶塞冲开,由溢浆孔进入地层完成该段注浆;停止注浆后,皮碗式止浆塞泄压内收恢复原状;向后拉动注浆芯管到下一段注浆位置,进行注浆,如此反复后退分段注浆直到该孔注浆结束,退出注浆芯管进行下一孔注浆施工。分段反复注浆使浆液扩散比较均匀,注浆质量容易得到保证。并可根据地层变形情况,反复多次对地层进行加固,获得更好的注浆效果。

4)注浆材料。

在土石分界地层采用HSC,MC等多种新型注浆材料的注浆工艺进行现场试验,施工中结合土石分界地层围岩软弱和裂隙发育的地质特点,注浆材料选用普通水泥—水玻璃双液浆(C—S浆)为主,普通水泥单液浆为辅,采取单双结合的方式进行注浆。

普通水泥浆水灰比 W∶C=0.6∶1～1∶1,双液浆体积比 C∶S=1∶(0.6～ 1.0),水玻璃浓度 30 Be′～ 35 Be′。具体浆液配比根据施工实际加以调整。

5)注浆终压及注浆结束标准。

根据施工经验和地质情况,注浆终压取2 MPa。

单孔注浆压力达到设计终压,继续注浆10 min以上或单孔进浆量小于10 L/min,即可结束本孔注浆。

6)注浆质量检查。

注浆结束后24 h,观察漏水裂缝是否已经被堵塞,若不渗漏水表示注浆质量良好,若仍有渗漏则应重新补孔注浆,直至基本没有渗漏。

7)注浆施工中的注意事项。

a.注浆中随时根据实际情况调整浆液的水灰比。b.控制注浆压力不得超过设计终压。c.在注浆堵水过程中要加强对围岩稳定性的量测工作。

5 超前预注浆

根据超前地质预测预报方案,在节理裂隙比较发育且水量或水压较大地段也应采用超前预注浆,超前预注浆采用前进式注浆工艺。

1)注浆孔布置。

超前预注浆孔间距一般为注浆扩散半径的1.5倍～1.75倍,即L=(1.5～1.75)R,注浆扩散半径一般由地质条件和注浆压力确定。注浆孔可根据注浆加固范围、注浆扩散半径均匀布置。一般按以下原则进行:

a.注浆带为片状渗漏水,应考虑每个注浆孔的扩散半径,尽量密布孔,使注浆孔贯通更多的细小裂隙。孔与孔之间采用三花眼或五花眼排布,使得每个孔的浆液扩散范围充分交圈,孔间距以1.0 m～2.0 m为宜。

b.条状裂缝,沿缝挖补布孔,孔间距可稍大。

c.集中突水点,利用现有突水点顶水布孔,并打止浆墙止水止浆。

d.大股涌水裂隙,当水流方向与裂隙平行,在裂隙两侧等距布置泄水孔,兼作注浆孔。当水流方向与裂隙垂直时,在其来水方向一侧布孔。封堵裂隙水,注浆孔要与裂隙相交。

e.壁后空洞连通性好,孔间距可加大;连通性差,孔间距缩小,一般取3 m～5 m。

2)注浆孔排列。

在已划分的注浆段范围内,合理设计布孔,确定注浆孔数目,在达到注浆目的、封堵突水的重要环节,要使浆液扩散到开挖断面及开挖轮廓线外一定距离,所以,注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则,以隧道中轴为中心呈伞形进行布置。

布孔方式一般有梅花形布置和环形布置,根据扩散半径设计终孔间距和位置,从而设计注浆孔的开孔坐标、终孔坐标、倾角、立角、长度等参数。注浆孔布置如图3所示。

3)分段长度:在超前预注浆中,一般采用分段前进式注浆,所以应设计分段长度,分段长度根据地层的不同而不同,太中银铁路土石分界地层隧道分段长度一般为3 m～6 m。

4)注浆速度:注浆速率主要取决于地层的吸浆能力(即地层的孔隙率)和注浆设备的动力参数,考虑到多种因素,建议注浆速率范围取5 L/min～110 L/min,施工中可根据实际情况进行调整。

5)注浆结束标准以定压为主,注浆终压理论上为水压+2 MPa～4 MPa,当注浆过程中长时间压力不上升时,应缩短浆液的凝胶时间,并采取间歇注浆措施,同时控制注浆量。

6)注浆效果检查评定。

注浆效果检查评定是决策开挖施工方案的依据,一般将注浆段注浆前后涌水量进行对比,涌水量显著减小,且满足设计要求,则说明注浆堵水效果是明显的,堵水率是比较高的。反之,应进行补充注浆。

6 结语

在太中银铁路土石分界地层隧道施工中,研究和提出了适合土石分界地层的综合注浆技术。在风化砂岩裂隙水发育区段,提出了“堵”“排”结合的方法,达到了较好的治水效果。施工中通过“抢堵+固堵”的办法,有效的隔断了地下水的渗流路径,确保了施工的顺利进行,为相似工程积累经验且具有重要意义。

在土石分界地层的隧道施工过程中,要求各工序衔接紧凑,各个环节紧密配合,以便根据地质情况及时修正设计、调整支护参数,采取相应的工程措施,以确保施工安全。但鉴于土石分界地层地质情况的高度复杂性,在日后的隧道设计、施工中还应尽量绕避该地层,以降低工程风险。

[1]肖同刚.隧道软弱围岩—支护系统安全性分析评价及其工程应用[D].上海:同济大学,2007.

[2]边 翔.大跨度隧道施工方法数值模拟与动力响应分析研究[D].武汉:武汉理工大学,2005.

[3]李 军.大跨度公路隧道动态施工围岩稳定性数值分析[D].南京:河海大学,2006.

[4]骊亚军.乌鞘岭隧道F7断层段支护结构安全性分析[D].成都:西南交通大学,2006.

[5]权县民.复杂地质黄土隧道新奥法施工技术[J].铁路建筑技术,2004(6):32-34.

[6]杨哲峰,高 勇.地下隧道新奥法施工综述[J].水利规划与设计,2004(4):40-48.

[7]宫建岗.大跨度山岭公路隧道施工[J].石家庄铁道学院学报,1999(12):27-30.

[8]李海洋.高速公路软弱围岩隧道大变形数值模拟与应用研究[D].北京:中国地质大学,2007.