水下隧道破碎帶地層注漿參數(shù)確定方法研究

李 敏 鄭清君

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，我國水下隧道工程越來越多，破碎帶地層、地質(zhì)復(fù)雜是鉆爆法隧道施工技術(shù)發(fā)展的方向，而施工中注漿技術(shù)關(guān)系到整個(gè)工程的成敗，特別是在水下破碎地層中鉆爆法隧道施工，給予了我們更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

關(guān)于水下隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下注漿技術(shù)，文獻(xiàn)[1］～[4］進(jìn)行了分析研究，本文針對(duì)水下隧道破碎帶地層主要注漿參數(shù)確定方法進(jìn)行了研究。

1 注漿主要參數(shù)

注漿主要參數(shù)包括注漿加固范圍、注漿壓力、漿液擴(kuò)散半徑、注漿孔終孔間距、注漿量和注漿速度。

2 注漿加固范圍

確定注漿加固范圍主要考慮兩方面:注漿后加固圈的承載力和抗?jié)B性要求。若加固范圍過小，承載力或抗?jié)B性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或預(yù)期效果，一般都會(huì)影響開挖施工，并造成滲漏水，嚴(yán)重時(shí)危及施工及環(huán)境安全;若加固范圍過大，又浪費(fèi)材料、增加投資、延長工期，故合理確定隧道注漿加固范圍十分重要，其確定方法主要通過計(jì)算并結(jié)合有關(guān)經(jīng)驗(yàn)來確定，一般而言要求注漿后圍巖的承載力達(dá)到200 kPa以上，滲透系數(shù)小于10-4cm/s。

注漿加固圈厚度的確定方法主要有以下4類。

2.1 工程類比法

據(jù)我國水電部門的資料統(tǒng)計(jì)，加固注漿厚度一般為0.5倍～2.0倍隧洞半徑;我國煤炭部門巷道注漿加固厚度為2m～3m。前蘇聯(lián)在巷道注漿加固帶的厚度取3m～5m。

根據(jù)山嶺隧道和海底、水下隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)隧道直徑為D，在一般富水的節(jié)理、裂隙地層，注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外(0.5～1.0)D;在高壓富水地區(qū)和巖溶特別發(fā)育地區(qū)，注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外(1.0～2.0)D;日本青函隧道注漿時(shí)考慮到海底涌水的危險(xiǎn)及地層的不良原因，注漿加固范圍設(shè)計(jì)為隧道開挖輪廓線外(0.5～1.0)D，廈門翔安海底隧道主洞注漿加固范圍設(shè)計(jì)為隧道開挖輪廓線外(0.6～0.8)D。

隨著注漿新材料的不斷開發(fā)及性能的改進(jìn)，注漿技術(shù)不斷取得進(jìn)步，注漿質(zhì)量也不斷提高，現(xiàn)在超前預(yù)注漿和徑向注漿加固范圍都有縮小的趨勢(shì)，考慮到水底隧道地質(zhì)條件、施工難度及工程成本，側(cè)重于安全考慮，水下隧道超前預(yù)注漿加固范圍取開挖輪廓線外(0.5 ～1.0)D。

2.2 通過圍巖松動(dòng)圈大小確定

對(duì)裂隙巖體中的圓形橫斷面隧道，注漿加固圈厚度根據(jù)圍巖松動(dòng)圈厚度確定。圍巖松動(dòng)圈的厚度通過多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)得，也可用聲波測(cè)試儀測(cè)得;若無以上兩種資料，可按修正的芬納式進(jìn)行計(jì)算。

其中，Rp為塑性區(qū)半徑;a為隧洞半徑;c，φ分別為圍巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角;p為圍巖應(yīng)力;pb為支護(hù)抗力。

在松動(dòng)圈內(nèi)注漿會(huì)形成一個(gè)外殼支護(hù)層而具有較大的承載能力，支護(hù)層—巖體共同作用，改變加固圈的半徑可使加固巖石環(huán)的承載力不小于作用于外殼上的壓力，見式(1)。

其中，RG為注漿加固邊界的半徑;a為隧洞半徑;σG為注漿加固巖石的強(qiáng)度;qG為加固巖石環(huán)的承載力。

2.3 通過力學(xué)分析確定

采用厚壁圓桶的彈性力學(xué)析解方法進(jìn)行檢算，將隧道看成厚墻圓桶，其外部作用有水壓力P1和土壓力P2，隧道半徑為r0，注漿加固圈半徑為r1，水壓力和土壓力均勻作用于注漿加固圈周圍，忽略重力影響，按厚壁圓桶的彈性力學(xué)軸對(duì)稱問題進(jìn)行分析，距離隧道圓心某一距離處的r處的應(yīng)力表達(dá)式如下:

其中，P為外荷載;r0為隧道半徑;r1為注漿加固圈半徑;σr為徑向應(yīng)力;σφ為切向應(yīng)力;τrφ為剪應(yīng)力。

假定注漿加固圈半徑，計(jì)算出 σr，σφ，σrφ，通過室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試出注漿加固體的物理和力學(xué)指標(biāo)，再通過強(qiáng)度理論或變形理論檢驗(yàn)注漿加固體厚度是否滿足要求。

2.4 通過隧道允許的滲水量估算

估算隧道注漿后的滲漏水量采用式(5)。

其中，Q為隧道每秒的滲漏水量，m3/s，m;Ki為注漿圈的滲透系數(shù)，m/s;K為注漿區(qū)外巖體的滲透系數(shù)，m/s;h為水頭高度或隧道埋深，m;R為隧道半徑，m;t為注漿圈厚度，m;ζ為與隧道周邊壓力降有關(guān)的表面系數(shù)，從-4～9變化，一般取2～7。

3 注漿壓力

注漿壓力充當(dāng)漿液在地層裂隙中擴(kuò)散、充填、壓實(shí)脫水的動(dòng)能，是注漿設(shè)計(jì)和施工中主要注漿參數(shù)之一，對(duì)提高注漿質(zhì)量和保證注漿效果起較大的影響作用。

若選擇的注漿壓力過小，則漿液不能充滿地層縫隙和進(jìn)行有效擴(kuò)散，達(dá)不到加固巖層和阻斷地下水的效果，輕則會(huì)造成開挖后滲漏水，達(dá)不到限制排放和封堵的標(biāo)準(zhǔn)，增加后期處理費(fèi)用;重則會(huì)危及施工安全，釀成施工事故。

若選擇的注漿壓力過大，則容易導(dǎo)致地層縫隙擴(kuò)大或增加，增大漿液擴(kuò)散范圍，造成材料浪費(fèi)，同時(shí)還可能因注漿擊穿水底覆蓋巖而造成新的危害。因此水下隧道注漿壓力選擇研究的主要目的是保證漿液有效擴(kuò)散堵水和加固地層，同時(shí)防止注漿擊穿海底覆蓋層而造成新的危害。

注漿壓力主要和隧道埋深、水壓力及地層巖性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、注漿材料等因素有關(guān)，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)選用，并經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。對(duì)于可注性差、水壓力高、節(jié)理裂隙不發(fā)育、空隙率小的地層，注漿壓力應(yīng)選大值，擴(kuò)散半徑應(yīng)選小值;對(duì)于可注性好、水壓力小、節(jié)理裂隙發(fā)育、空隙率大的地層，注漿壓力應(yīng)選小值，擴(kuò)散半徑應(yīng)選大值。

目前隧道與地下工程注漿施工中，注漿壓力的選擇通常有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、工程類比法、經(jīng)驗(yàn)公式法和數(shù)值模擬法等，采用經(jīng)驗(yàn)公式確定注漿壓力的方法主要有以下幾種:

1)以靜水壓力為依據(jù)，一般情況注漿終壓為靜水壓力的3倍或略大于3倍，而日本青函海底隧道按公式p=(2～4)MPa+p0計(jì)算注漿終壓，其中，p0為靜水壓力，MPa。

2)以靜力平衡條件確定，常用于地面預(yù)注漿和大壩基巖注漿中壓力的確定，經(jīng)驗(yàn)公式如下:

其中，p為注漿壓力，105Pa;γ為巖石密度，g/cm3;D為注漿段止?jié){巖盤厚度，m;K為系數(shù)，一般為1～5。

4 漿液擴(kuò)散半徑

根據(jù)現(xiàn)有理論公式，對(duì)于牛頓流體和賓漢姆流體型的兩種漿液，在設(shè)計(jì)注漿壓力為3mPa～4mPa、注漿孔半徑為5cm和注漿時(shí)間為1 800 s～3 600 s時(shí)，漿液的擴(kuò)散半徑為2m～3m。

根據(jù)注漿壓力在裂隙內(nèi)衰減數(shù)值分析表明，在注漿壓力3mPa～4mPa下，漿液可擴(kuò)散至3m～4m的距離，而在多裂隙條件下，可擴(kuò)散至2m～3m的距離。

對(duì)多個(gè)隧道進(jìn)行試驗(yàn)表明，漿液的擴(kuò)散距離和鉆孔所揭穿的裂隙開度、裂隙稠密度、裂隙迂曲度等有關(guān)，當(dāng)裂隙發(fā)育時(shí)，漿液擴(kuò)散距離較遠(yuǎn)，基本上都能達(dá)到2m，個(gè)別孔漿液甚至能擴(kuò)散到3m～4m的地方。

通過以上分析可以確定，在設(shè)計(jì)壓力下，根據(jù)地質(zhì)情況，漿液擴(kuò)散半徑可取2m～3m。

第三、銀器“收驚”習(xí)俗。收驚，屬于道教儀式之一，儒教、齋教或佛教亦有相近儀式。90年代左右，收驚仍散見于閩東鄉(xiāng)村之中，已成為民間傳統(tǒng)療法之一，民間還流傳著《收驚文》、《收驚咒》等。明中后期以來，閩東白銀礦區(qū)左近部分收驚需借助于銀器。主要作法如下：第一、小孩收驚之法。夜晚，用清水煮熟鮮雞蛋，刨成兩塊，將蛋黃挖出，然后將一枚銀戒子置于蛋黃處綁于受驚孩子肚臍眼處，可以起到“收驚”之效。第二、大人收驚之法。到市場(chǎng)上買一個(gè)豬心，洗凈；選擇7口井，每口井取水若干，稱為“七星井水”；把銀鐲子套在豬心之上，用“七星井水”燉吃，可起到收驚之效。如果用“穢銀”的戒子和鐲子則收驚的效果更佳。

圖1 注漿孔布置方式圖

5 注漿孔終孔間距及布置

5.1 按行排列布置

當(dāng)采用按行排列方式時(shí)，為滿足要求，至少使A1=2A2，A1為矩形ABCD的面積，A2為矩形ABCD內(nèi)各注漿孔的注漿擴(kuò)散面積，見圖1，有，R為每一注漿孔的擴(kuò)散半徑，其大小與巖體的破碎程度、滲透系數(shù)、漿液的粘度、可注性和注漿壓力等因素有關(guān)。

根據(jù)模擬和試驗(yàn)，R=2m～4m。設(shè)孔間距為d，則A1=2Rd，故有，此時(shí)

5.2 按等邊三角形布置

5.3 注漿孔終孔間距

據(jù)注漿加固交圈理論，注漿后應(yīng)能形成嚴(yán)密的注漿帷幕。在注漿終孔斷面上，根據(jù)注漿擴(kuò)散半徑進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)有注漿盲區(qū)存在，同時(shí)注漿孔盡量均勻布置，并且有利于鉆孔，這樣，在進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)時(shí)，多排孔的情況下，一般按梅花形布孔，以獲得較佳的注漿加固體厚度，減少注漿盲區(qū)。

根據(jù)計(jì)算，注漿孔按排方式時(shí)，注漿孔間距為2.36m～4.71m;注漿孔按等邊三角形布置時(shí)，注漿間距為3.54m～5.31m，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)地層情況，進(jìn)行分區(qū)布置，提高針對(duì)性。由于擴(kuò)散半徑僅是作為注漿設(shè)計(jì)時(shí)的概念參數(shù)，對(duì)于裂隙巖體注漿，設(shè)計(jì)時(shí)可按擴(kuò)散半徑設(shè)置終孔位置，而施工可按探水注漿模式實(shí)施，即在壓注過程中，如果一環(huán)的鉆孔完成后，按照注漿標(biāo)準(zhǔn)不需要壓注的孔(涌水量在0.2 L/min/m以下)連續(xù)出現(xiàn)，則其間的奇數(shù)孔(偶數(shù)孔)可以省略，不需鉆孔。

6 注漿量及注漿速度

6.1 破碎帶核心部位

破碎帶核心部位以擠密和劈裂注漿為主，主要包括擠密注漿量和劈裂注漿量，在劈裂注漿過程中，將長度、寬度、高度相近的漿脈稱為同一級(jí)漿脈，單孔單段的注漿量計(jì)算公式如下:

其中，Q為單孔單段注漿量，m3;r1為注漿孔擴(kuò)大后半徑，m;L為注漿段，m;β為漿液損失率，一般取0.1～0.2;α為漿液填充率，與擠密區(qū)形狀有關(guān)，一般取0.8～1.0;n，m分別為一級(jí)漿脈、二級(jí)漿脈的條數(shù);Bi，Bj分別為一級(jí)、二級(jí)漿脈的寬度;Hi，Hj分別為一級(jí)、二級(jí)漿脈的高度;Li，Lj分別為一級(jí)、二級(jí)漿脈的長度;δi，ξj分別為一級(jí)、二級(jí)漿脈的形狀系數(shù)，一般取0.9～1.1。

6.2 裂隙發(fā)育段

裂隙發(fā)育段注漿以滲透填充注漿為主，注漿量主要與巖層的空隙率有關(guān)，其單孔單段注漿量如下:

其中，Q為單孔單段注漿量，m3;R為漿液擴(kuò)散半徑，m;L為漿液填充的注漿段長，m;n為地層裂隙度或空隙率;α為漿液填充率，一般取0.8 ～1.0;β 為漿液損失率，一般取0.1 ～0.2。

裂隙發(fā)育段的注漿速度，前期注漿速度應(yīng)控制在30 L/min～50 L/min，后期注漿速度應(yīng)控制在5 L/min～30 L/min，注漿結(jié)束時(shí)，注漿速度應(yīng)小于5 L/min。

7 實(shí)施效果

在多項(xiàng)大斷面公路隧道穿越水下破碎帶地層施工中，根據(jù)以上注漿參數(shù)確定方法得出針對(duì)性的注漿參數(shù)，滿足施工各項(xiàng)要求。

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