青島海底隧道帷幕注漿施工技術(shù)研究

逄顯民

(青島市公路管理局,山東青島 266520)

1 概況

青島膠州灣隧道位于團(tuán)島和薛家島之間,主隧道長(zhǎng)6 170 m,跨越海域長(zhǎng)度3 950 m,線路等級(jí)為城市快速路,設(shè)計(jì)車速為80 km/h,設(shè)2條三車道主隧道和1條服務(wù)隧道,主隧道中軸線間距55 m。隧道斷面為橢圓形,主隧道開挖斷面高11.2～12.0 m、寬約15.23～16.03 m,隧道縱斷面呈V形,最大縱坡4%,右線路面最低點(diǎn)高程-83.28 m、左線為-83.15 m,海域段主隧道埋深一般為25～35 m,采用礦山法施工。

海底部分主要以火山沉積巖為主,其間穿插有多條輝綠巖侵入巖巖脈,從而形成多條斷層破碎帶,本工程最大的風(fēng)險(xiǎn)來自于海底這些斷層破碎帶和影響帶,而通過斷層破碎帶的主要方法是帷幕注漿,這是關(guān)系到海底隧道成敗的靈魂性技術(shù)。

自2007年8月開工以來,經(jīng)過2年多的施工,主要是進(jìn)入海域施工以來,本項(xiàng)目共通過了30余段的注漿段,其間采用了全斷面帷幕、周邊帷幕、局部帷幕等多種注漿方式,從注漿方式選擇、機(jī)械設(shè)備配備方面,注漿工藝參數(shù)確定、注漿檢查標(biāo)準(zhǔn)等方面均形成了適用于青島海底隧道的特有的注漿模式。

2 隧道海域段地質(zhì)情況分析

根據(jù)已進(jìn)行的初步地質(zhì)工作,在膠州灣隧道區(qū)域內(nèi),隧道進(jìn)出口存在有海相沖積層,該地層易涌水、坍方。洞身有巖脈不整合接觸帶,特別是有NW向斷裂3條,分別為F3、F4和F5,NE向斷裂3條,分別為F1、F2和F6,主要的大斷裂破碎帶為F3、F2等。

海域段第四系覆蓋層僅在局部發(fā)育,厚度小于3 m?；鶐r以含晶屑火山角礫凝灰?guī)r、流紋斑巖和安山質(zhì)角礫巖為主,其間穿插多條輝綠巖、石英正長(zhǎng)巖等巖脈。強(qiáng)風(fēng)化帶主要發(fā)育在輝綠巖及破碎巖頂部,最厚處近10 m。弱風(fēng)化帶一般小于5 m,輝綠巖脈及破碎帶內(nèi)可超過15 m；微風(fēng)化基巖頂面埋深一般小于15 m,局部超過25 m。本隧道段埋深多在25 m左右,頂板微風(fēng)化巖層厚度大部超過10 m,局部洞頂以上無微風(fēng)化巖體。破碎帶巖體多為碎裂結(jié)構(gòu),巖質(zhì)軟硬不均,局部為松散結(jié)構(gòu),并夾碎粒和碎粉狀錯(cuò)碎物,透水性可達(dá)中等級(jí)；斷裂破碎帶以外的微風(fēng)化巖體為塊狀構(gòu)造或塊碎狀鑲嵌結(jié)構(gòu),透水性弱,巖質(zhì)堅(jiān)硬。

海域段的注漿段落主要集中在各個(gè)斷層破碎帶及其斷層影響帶內(nèi)。

3 帷幕注漿種類與適用條件

青島海底隧道所采用的帷幕注漿種類共有3種：全斷面帷幕注漿、周邊帷幕注漿、局部斷面注漿3種形式,具體采用何種形式,主要依據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果,由現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)信息小組人員分析后確定。

3.1 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是選擇注漿方式的主要依據(jù),青島海底隧道采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方式主要有如下幾種：

(1)TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào),海域全程進(jìn)行,縱向搭接10 m；

(2)超前探孔(主線隧道設(shè)3～6個(gè),長(zhǎng)度30 m,搭接8 m)；

(3)地質(zhì)雷達(dá),在需要時(shí)采用；

(4)紅外探水；

(5)借鑒先行隧道或者服務(wù)洞的地質(zhì)情況；

(6)勘測(cè)階段的地質(zhì)資料。

3.2 帷幕注漿方案選擇依據(jù)

注漿形式主要根據(jù)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果來確定,青島海底隧道的注漿主要為巖體裂隙注漿,以劈裂、擠壓注漿為主,滲透注漿為輔。各種注漿形式的適用條件如表1所示。

表1 注漿形式適用條件

4 注漿試驗(yàn)

4.1 注漿試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

注漿試驗(yàn)的目的如下：

(1)比較不同注漿方案的適用性；

(2)不同注漿材料、漿液配比在本工程斷層破碎帶的適應(yīng)性及效果評(píng)價(jià)；

(3)判斷選定的注漿量、注漿壓力的參數(shù)是否合理；

(4)注漿工藝和注漿設(shè)備的配套；

(5)確定合理注漿效果的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法。

4.2 注漿試驗(yàn)程序及內(nèi)容

注漿試驗(yàn)程序和內(nèi)容包括：

(1)制定注漿試驗(yàn)方案和實(shí)施大綱、編制注漿試驗(yàn)任務(wù)書和實(shí)施細(xì)則；

(2)進(jìn)行注漿材料、漿液相結(jié)合的物理、力學(xué)性能試驗(yàn)；

(3)按擬定的注漿工藝進(jìn)行鉆孔、沖洗和注漿試驗(yàn)；

(4)按注漿效果鑒定的標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行注漿質(zhì)量檢驗(yàn)；

(5)對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行整理,對(duì)成果進(jìn)行分析并編制試驗(yàn)報(bào)告。

5 機(jī)械設(shè)備配備

針對(duì)海域注漿施工的特點(diǎn),結(jié)合膠州灣海底隧道的實(shí)際情況,參照國(guó)內(nèi)外類似工程的工程經(jīng)驗(yàn),配套選擇專用設(shè)備,注漿施工的主要設(shè)備是鉆孔設(shè)備和注漿設(shè)備及其配套設(shè)備(表2)。

表2 鉆孔注漿設(shè)備

鉆孔采用三臂臺(tái)車鉆孔,可大大提高鉆孔效率；另外,三參注漿記錄儀的引用,大大改進(jìn)了長(zhǎng)期以來注漿計(jì)量的難題,很容易實(shí)現(xiàn)注漿過程的動(dòng)態(tài)記錄(主要記錄P、Q、T3個(gè)時(shí)態(tài)曲線),可為下一步的注漿提供詳細(xì)的參考數(shù)據(jù)。

由于受海底滲水、腐蝕性較強(qiáng)等因素的影響,在施工期間要注意加強(qiáng)對(duì)鉆灌設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng),保證鉆機(jī)等設(shè)備能夠正常工作。

6 注漿參數(shù)確定

注漿參數(shù)主要包括：注漿加固范圍、注漿段長(zhǎng)、注漿孔布置、注漿壓力、注漿速度、注漿量的確定等。

6.1 基本思路

采用上半斷面布孔進(jìn)行全斷面帷幕注漿,每循環(huán)確定30 m,開挖25 m,留5 m作為止?jié){巖盤。從工程實(shí)踐來看,止?jié){墻和孔口管的安裝是注漿施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其封閉的效果直接決定了注漿效果,也影響注漿速度,是注漿控制的重點(diǎn)。

6.2 注漿加固范圍及擴(kuò)散半徑

注漿加固體的范圍為隧道輪廓線外5 m,孔底間距不大于3.5 m,開孔處環(huán)向間距不小于50 cm,按30 m一個(gè)注漿循環(huán)計(jì)算,其形式如圖1所示。

圖1 注漿加固體范圍(單位：cm)

6.3 注漿段長(zhǎng)

注漿每循環(huán)按30 m考慮,留5 m止?jié){墻,開挖25 m。在成孔效果較好地段,每循環(huán)按37 m施工,留5 m止?jié){段。

6.4 注漿孔布置

注漿孔開孔位置全部布置于上半斷面,這樣做一是可以提高注漿效率,二是可以保證安全,較低的操作高度對(duì)安全更為有利,注漿孔布置如圖2所示。

圖2 帷幕注漿鉆孔布置示意(單位：mm)

6.5 注漿壓力和速度

注漿最大壓力控制為4 MPa,特殊情況下,可降低,但最小不小于3 MPa。

注漿速度確定為50～110 L/min。

6.6 孔徑選擇與孔口管安裝

注漿孔徑選擇為56～89 mm均可,可根據(jù)鉆孔設(shè)備情況采用。

6.7 注漿漿材選擇

青島海底隧道所有超前注漿采用超細(xì)水泥漿,W∶C=1∶1。

7 注漿工藝

帷幕注漿原則上采用分段注漿方式,但如果成孔條件較好,也可采用全孔一次注漿,帷幕注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 分段預(yù)注漿工藝流程

7.1 止?jié){墻設(shè)置

止?jié){墻采用C35噴射混凝土，噴射厚度30～50 cm,盡量把掌子面周圍封閉嚴(yán)密,以防漏漿。

7.2 孔口管

孔口管采用φ108 mm無縫鋼管,長(zhǎng)度約為2 000 mm,錨入巖體至少1 500 mm以上,與注漿機(jī)連接接口部位用抱箍連結(jié),可實(shí)現(xiàn)快速安裝,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 孔口管結(jié)構(gòu)(單位：mm)

7.3 注漿方式

(1)若成孔情況較好,可采用全孔一次注漿,最大注漿長(zhǎng)度為35 m。

(2)對(duì)于圍巖較差的情況,可采用前進(jìn)式注漿,分?jǐn)?shù)段進(jìn)行,每段長(zhǎng)度7 m。

7.4 注漿順序

注漿時(shí)按B、C、D順序注漿,同一順序中可間隔注漿,后注漿孔可作為前注孔的檢查孔。

8 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)與檢查

8.1 注漿結(jié)束控制標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束按雙控標(biāo)準(zhǔn),既控制注漿量,又控制注漿壓力的方式。

(1)注漿量根據(jù)注漿擴(kuò)散半徑和巖層填充率計(jì)算,基本每孔每延米按0.3～0.4 m3計(jì)算,最大注漿量不超過理論計(jì)算的1.5倍；

(2)終壓標(biāo)準(zhǔn)按4 MPa來控制,注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到設(shè)計(jì)壓力的,經(jīng)間歇注漿或二次重復(fù)注漿仍達(dá)不到的,可降低注漿壓力。

8.2 效果檢查

注漿效果檢查首先是單孔或全部注漿孔均滿足注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),無漏注現(xiàn)象,然后通過檢查孔法、開挖取樣和物探方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

8.2.1 檢查孔法

在隧道輪廓范圍內(nèi)打檢查孔,檢查孔按注漿孔的6%計(jì)算,孔深按本循環(huán)開挖長(zhǎng)度計(jì)算,孔深在25 m以內(nèi),完成后及時(shí)回填,回填注漿壓力為2 MPa。

對(duì)檢查孔進(jìn)行觀察,察看檢查孔成孔是否完整，是否有涌水、涌砂、涌泥,檢查孔放置一段時(shí)間后是否塌孔,是否產(chǎn)生涌水、涌砂、涌泥,以來定性判斷注漿效果。

檢查合格的標(biāo)準(zhǔn)是每0.1 L/m.min,若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)及時(shí)加孔補(bǔ)注,直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

8.2.2 物探法

通過開挖前后超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料和數(shù)據(jù)的對(duì)比分析、判斷注漿效果。某次注漿前后圍巖力學(xué)參數(shù)分析比較見表3。

表3 注漿前后圍巖力學(xué)參數(shù)分析比較

8.2.3 分析法

分析法是通過對(duì)注漿施工過程中收集的參數(shù)信息進(jìn)行合理整合,采用分析、對(duì)比等方式,對(duì)注漿效果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。圖5為某次注漿的P-Q-T曲線,從此曲線上可以看出,壓力不斷上升,單位時(shí)間內(nèi)的注漿量逐漸減少,至達(dá)到設(shè)計(jì)壓力時(shí),單位時(shí)間內(nèi)的注漿量達(dá)到最小。

圖5 某次注漿的P-Q-T曲線

9 異常情況處理

注漿過程中有注漿中斷、串漿、大量漏失、涌水等,對(duì)異常情況的處理措施如下。

9.1 注漿中斷處理

(1)找出注漿中斷的原因,盡快解決,及早恢復(fù)注漿。

(2)如果不能立即恢復(fù)注漿或灌注濃漿有埋管危險(xiǎn)時(shí),應(yīng)立即沖洗鉆孔,而后再恢復(fù)注漿。

(3)若因故不能立即沖洗鉆孔,則應(yīng)松開止?jié){塞,上提注漿管,以免造成埋管事故。待具備沖洗條件時(shí),再進(jìn)行強(qiáng)力沖洗,以恢復(fù)注漿條件。

(4)沖洗無效時(shí),應(yīng)立即掃孔至孔底,并用壓力水沖洗后,重新開始注漿。

(5)當(dāng)恢復(fù)注漿后,注入率明顯減少,并在短時(shí)間內(nèi)停止吸漿時(shí),應(yīng)采取補(bǔ)救措施。

1.4.2 捕食線蟲真菌的捕器誘導(dǎo) 在體視顯微鏡10～100倍下，利用無菌牙簽以無菌操作技術(shù)轉(zhuǎn)接捕食線蟲真菌單個(gè)分生孢子到留有約1 cm×1 cm觀察室的直徑60 mm CMA平板上，密封后置于26.5℃恒溫箱中培養(yǎng)直至菌絲鋪滿觀察室，然后在觀察室中加入制備好的線蟲懸液200條左右，放置于恒溫箱中培養(yǎng)2～4 d，其間需用體視顯微鏡觀察是否產(chǎn)生捕器及捕器類型，并及時(shí)記錄結(jié)果。

9.2 串漿處理

如串漿孔具備注漿條件,可以同時(shí)進(jìn)行注漿,但應(yīng)一泵注一孔,否則應(yīng)將串漿孔用塞塞住,待注漿孔注漿結(jié)束后,串漿孔再行掃孔、沖洗,而后繼續(xù)鉆進(jìn)和注漿。

9.3 大量漏失

發(fā)生大量漏漿時(shí),采用以下原則進(jìn)行處理：

(1)采用低壓、濃漿、限流、限量、間歇注漿的方法進(jìn)行灌注；

(2)必要時(shí),可采用砂漿或其他充填材料先堵大空隙再采用方法(1)處理；

(3)縮短漿液凝固時(shí)間,采用水泥-水玻璃或其他凝速材料,進(jìn)行灌注。

9.4 涌水處理

在注漿孔有涌水流出的注漿孔段,注漿前應(yīng)測(cè)量記錄涌水壓力、涌水量,然后根據(jù)涌水情況選用下列綜合措施處理：

(1)縮短注漿段長(zhǎng)度,提高注漿壓力,采用分段前進(jìn)式注漿方式；

(2)當(dāng)單孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后,采用濃漿液進(jìn)行屏漿1～24 h后再閉漿,并待凝；

(3)采用速凝型漿液對(duì)涌水孔進(jìn)行注漿；

(4)采用壓力注漿封孔；

(5)對(duì)各種突發(fā)情況應(yīng)準(zhǔn)備相應(yīng)的應(yīng)急方案。

10 注漿進(jìn)度

經(jīng)過統(tǒng)計(jì),30 m的注漿循環(huán)需要在13 d左右。

11 結(jié)語

膠州灣隧道的帷幕注漿，依據(jù)青島的實(shí)際地質(zhì)情況，在上半斷面進(jìn)行全斷面注漿，并成功改用三臂臺(tái)車鉆孔，相較以往的類似工程，這是一個(gè)重大改進(jìn)。一方面保證了施工時(shí)人員機(jī)具的安全，另外一方面又加快了每循環(huán)注漿的速度(類似工程的每循環(huán)注漿周期為30 d左右，本方法僅需13 d左右)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的滲漏水標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)施工創(chuàng)造了條件。

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