淺析澤雅隧道F12斷層超前帷幕注漿施工技術(shù)

管紅寶 王 超

（中鐵十三局集團(tuán)第五工程有限公司，四川 成都 610500）

1 工程概況

澤雅隧道全長12030m，為單洞雙線隧道，是金溫線鐵路上最長的隧道和重點控制性工程之一。隧道進(jìn)口里程DK156+358，出口里程DK168+388。除進(jìn)出口段淺埋外，洞身一般埋深大于100m，局部地段埋深大于400m。澤雅隧道DK165+488～DK165+540段穿越F12斷層，設(shè)計為Ⅴ級圍巖，屬于澤雅隧道2#斜井工區(qū)施工范圍，該斷層屬北東向斷裂，破碎帶寬2～20m，局部有巖脈充填。斷裂性質(zhì)早期為壓性，晚期為張性。大地電磁探測結(jié)果顯示，該段視電阻率等值線呈低阻凹陷，推測為斷層破碎帶，本段巖體破碎，地下水發(fā)育，施工中存在坍塌、突水、涌水的可能。

2 超前地質(zhì)預(yù)報

2012年3月15日，開挖施工到165+543，距設(shè)計斷層結(jié)構(gòu)面3米，掌子面圍巖開始破碎，節(jié)理發(fā)育，拱頂有少量水流出，根據(jù)圍巖條件分析，即將進(jìn)入F12斷層破碎帶，和設(shè)計里程基本相符，即刻停止了掌子面開挖施工，按設(shè)計要求進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報工作，先后施作了掌子面地質(zhì)素描、超前水平鉆鉆探、TSP探測和紅外探水。

2.1 超前水平鉆

根據(jù)設(shè)計要求，在DK165+543掌子面上導(dǎo)施作了5個孔，具體為拱部3個孔，邊墻2個孔，孔徑為110mm，孔深達(dá)到27-30米左右。鉆孔在施作到12米左右的時候，即到里程DK165+531，拱頂三個孔均出現(xiàn)涌水，經(jīng)估算，合計涌水量約150m3/h，后經(jīng)過四天的觀察，隨著時間的推移水量并無明顯減少。同時，在12米至16米范圍時，即DK165+531-DK165+527，鉆孔過程中出現(xiàn)明顯卡鉆，有泥漿冒出，推測該地段為斷層。

2.2 紅外探水

圖2 TSP 203原理圖

2012年3月23日，運(yùn)用HW-304紅外探測儀對DK165+543掌子面及后方50米范圍進(jìn)行探測，預(yù)報掌子面前方30米地質(zhì)情況，根據(jù)紅外探測結(jié)果及已開挖揭示的圍巖地質(zhì)情況分析如下：

開挖揭示的圍巖地質(zhì)情況：圍巖為流紋質(zhì)晶屑凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水發(fā)育，邊墻股狀出水。

結(jié)合紅外探測原理分析判定：DK165+543～DK165+513段，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育。

2.3 TSP探測

2012年03月23日，中鐵隧道勘測設(shè)計院工程勘察分院在現(xiàn)場監(jiān)理見證下，采用瑞士生產(chǎn)的TSP203儀器在165+543里程出進(jìn)行了TSP探測，探測結(jié)果如下：

在探測段DK165+543～DK165+402范圍內(nèi)，掌子面已開挖揭示的圍巖為為侏羅系上統(tǒng)灰紫色流紋質(zhì)玻屑凝灰?guī)r，弱風(fēng)化，塊狀構(gòu)造，巖體整體較破碎，屬硬巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水較發(fā)育。

DK165+543～DK165+444巖體較破碎，圍巖穩(wěn)定性一般，節(jié)理裂隙發(fā)育，屬硬巖；DK165+444～DK165+402巖體較完整，圍巖穩(wěn)定性較好，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

其中在DK165+520～DK165+506段滴水、滲水，存在線狀水發(fā)育或股狀水；DK165+444～DK165+442、DK165+424～DK165+421段附近存在滲水、滴水現(xiàn)象。

后經(jīng)過業(yè)主單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位和施工單位對現(xiàn)場地質(zhì)情況進(jìn)行分析，結(jié)合多種地質(zhì)超前預(yù)報報告揭示的前方圍巖地下水發(fā)育的現(xiàn)狀，決定采取超前帷幕注漿的方式進(jìn)行堵水，防止開挖施工引起涌水、突水等地質(zhì)災(zāi)害。

3 注漿截水帷幕施工

3.1 注漿截水帷幕設(shè)計

根據(jù)水文地質(zhì)及施工條件，結(jié)合工程類比，確定全斷面超前帷幕注漿設(shè)計參數(shù)，如表1所示。

表1 全斷面超前預(yù)注漿設(shè)計參數(shù)

全斷面超前預(yù)注漿孔位布置如圖3、圖4所示。

3.2 止?jié){墻施工

止?jié){墻采用C20混凝土澆筑，厚度為1m。為保證止?jié){墻的穩(wěn)定，在其周邊利用2排環(huán)向間距1.5m，排距1m，長2m的Φ25mm砂漿錨桿與圍巖相連，同時在澆注過程時，在周邊預(yù)埋1m長的Φ42mm導(dǎo)管，管口緊貼初支面，止?jié){墻澆注完成后，通過導(dǎo)管進(jìn)行注漿對止?jié){墻與初支護(hù)間的裂隙進(jìn)行封堵，形成封閉體系，防止超前注漿時跑漿，影響注漿效果。

3.3 注漿材料

漿液配比是決定注漿效果的一個關(guān)鍵因素，根據(jù)注漿時對漿液凝膠時間的要求，施工前，對不同漿液配比進(jìn)行分組試驗。注漿施工時，配比的選擇原則是根據(jù)涌水量大小和進(jìn)漿情況而確定：當(dāng)涌水量大，進(jìn)漿快時，選用較濃漿和凝膠時間短的配比；反之，當(dāng)涌水量較小且進(jìn)漿量較慢時，則選用凝膠時間長一些的配比。當(dāng)注漿孔涌水量小于30L/min時，選用純水泥漿；當(dāng)注漿孔涌水量在30～200L/min范圍內(nèi)，選用凝膠時間為4～6min的漿液；當(dāng)注漿孔涌水大于200L/min，選用凝膠時間為3～4min的漿液。

3.4 鉆孔注漿機(jī)械、設(shè)備選取及配置

根據(jù)隧道內(nèi)場地狹小，要求所選用的鉆機(jī)、注漿機(jī)等機(jī)械在洞內(nèi)操作方便，功率強(qiáng)大，性能優(yōu)良，轉(zhuǎn)移便捷，體積小，占用作業(yè)空間小。鉆機(jī)應(yīng)能水平鉆孔30m以上，且成孔快；注漿機(jī)應(yīng)能滿足4MPa以上注漿壓力，并且操作簡單，配合比易控制，配備的主要注漿設(shè)備見表2。

3.5 注漿順序

鉆孔按先外圈后內(nèi)圈的順序進(jìn)行。外圈孔先鉆 1、3、5…，之后再鉆 2、4、6…，之后間隔鉆剩余孔，內(nèi)圈鉆孔參照外圈鉆孔的順序。后序孔可檢查前序孔的漿效果。逐步加密注漿一方面可根據(jù)鉆孔的情況，調(diào)整注漿參數(shù)；另一方面如果鉆孔情況證明注漿效果已達(dá)到設(shè)計要求，即可進(jìn)行下一圈孔的鉆進(jìn)，減少鉆孔的工作量，加快施工進(jìn)度。

3.6 鉆孔注漿施工工藝

3.6.1 牢固密實,保證不漏漿、不串漿的孔口管是決定注漿效果好壞的重要因素。其埋設(shè)方法:鉆進(jìn)3米后安放φ108、壁厚5mm、長度3m的孔口管。再將2.8m長一端焊上法蘭盤，外露20cm，孔口管前端30cm及60cm處分別用φ6.5鋼筋焊成倒錐形，以增加抗拔力，管壁與孔口接觸處用麻絲填塞，再向孔口管內(nèi)注雙液漿固結(jié)。為防止鉆孔過程中突發(fā)涌水突泥，孔口管安設(shè)完成前端須安設(shè)高壓閘閥，通過高壓閘閥進(jìn)行鉆孔施工?？卓诠芷鹬鴮?dǎo)向作用，鉆孔安裝時要控制好外插角度。

3.6.2 注漿采用后退式分段注漿，即將氣囊式止?jié){塞放入注漿孔內(nèi)，通過輸氣設(shè)備，使止?jié){塞膨脹，和巖體形成止?jié){系統(tǒng)，滿足后退式分段注漿要求。分段長度5～10m，第一注漿段完成后，后退止?jié){塞至下一注漿段預(yù)定位置進(jìn)行第二段注漿，如此循環(huán)，直至該孔注漿完成。

3.6.3 當(dāng)巖層破碎或涌水量過大，不能一次成孔時，采用分段前進(jìn)式注漿。在該段注漿完成后，掃孔鉆進(jìn)至下一段，再注漿，如此循環(huán)往復(fù)，直至達(dá)到設(shè)計深度。

3.6.4 注漿泵開機(jī)前旋轉(zhuǎn)壓力調(diào)節(jié)旋鈕將油壓調(diào)到要求的表刻度上，隨注漿阻力的增大，泵壓打開泄?jié){閥減壓。

3.6.5 若鉆孔過程中，遇到較大突涌水，應(yīng)立即停止鉆孔，進(jìn)行注漿。

圖5 超前帷幕注漿施工工藝流程圖

3.7 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力逐步升高至設(shè)計終壓；并繼續(xù)注漿十分鐘以上；注漿結(jié)束時的進(jìn)漿量小于5L/min。

全孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無漏注現(xiàn)象；漿液有效注入范圍大于設(shè)計值；注漿預(yù)測涌水量小于3m3/m.d；檢查孔涌水量小于0.2L/m.min；檢查孔鉆取巖芯，漿液充填飽滿。

注漿結(jié)束時，應(yīng)先打開泄?jié){管閥門，再關(guān)閉進(jìn)漿管閥門并用清水將注漿管路沖洗干凈后方可停機(jī)。

3.8 異常情況處理

在注漿過程中，不可避免地會出現(xiàn)諸如跑漿、竄漿、單孔受漿量特別大而壓力不上升難以達(dá)到正常結(jié)束等異常情況，即時采取措施加以處理。

3.8.1 作業(yè)面跑漿是發(fā)生比較多的一種情況，主要原因是止?jié){巖盤充填不密實或混凝土止?jié){墻灌注不密實。處理措施先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙，并調(diào)整漿液配合比，縮短凝膠時間，若仍跑漿在漏漿處用普通風(fēng)槍鉆淺孔注漿固結(jié)。

3.8.2 注漿過程中，注漿壓力突然升高，說明裂隙被堵，采用另一臺小泵量注漿機(jī)壓注單液水泥漿或壓注清水待漿壓恢復(fù)正常再注。

3.8.3 水泥漿泵吸不上漿，這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，主要原因是進(jìn)漿口被堵，或者是泵閥門處鋼球被漿液固結(jié)，或結(jié)塊堵塞。處理方法是停泵清理，另一臺泵采用間歇注清水的方法。為了減少此類情況出現(xiàn)，可注一段時間漿后注1～2min的清水，在注漿過程中清洗管路。

表2 注漿設(shè)備表

3.8.4 當(dāng)注漿量很大，而泵壓又長時間不上升，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因一般是超擴(kuò)散或漿液流失。處理措施是調(diào)整漿液的濃度，先稀后濃，單、雙液交替灌注施工，縮短漿液的凝膠時間，控制注漿量。

3.8.5 對于水量大、水壓高的出水點，用進(jìn)漿量大，注漿壓力高的單液注漿機(jī)或兩臺同孔注漿，確保單孔一次到位，盡量避免反復(fù)掃孔注漿，減少工序轉(zhuǎn)換，縮短施工時間。

3.8.6 當(dāng)含泥沙量較大時，利用超細(xì)注漿材料并加適量速凝劑的方法解決注漿數(shù)量和注漿效果不理想的問題。

3.8.7 對于圍巖破碎、裂隙發(fā)育、串漏漿現(xiàn)象嚴(yán)重、含水、泥夾層多的地段，采用雙孔同時注漿和調(diào)整注漿參數(shù)的方法，必要時施作整體或局部止?jié){墻來避免漏漿現(xiàn)象發(fā)生和防止高壓注漿時圍巖坍塌。

3.9 注漿效果檢查

3.9.1 分析法

（1）P-Q-t曲線法。施工中，為了更為有效的對注漿過程進(jìn)行適時監(jiān)控，采用灌漿自動記錄系統(tǒng)對注漿過程中壓力和流量進(jìn)行控制，準(zhǔn)確記錄單孔單段注漿量和注漿壓力，并通過自動繪制P-Q-t曲線對注漿效果進(jìn)行分析評價。P-Q-t曲線表現(xiàn)形式如圖3所示。

注漿過程中，總體趨勢均表現(xiàn)為注漿壓力隨注漿時間呈注漿上升趨勢，最終達(dá)到設(shè)計終壓，隨著壓力升高，速度也呈現(xiàn)明顯下降趨勢。對于出水量較大的孔，初始壓力都在1.7MPa左右，注漿速度一般在30L/min左右，注漿時間一般跟出水量的大小成正比，隨著注漿的進(jìn)行，漿液逐漸對出水裂隙進(jìn)行封堵，注漿速度隨即下降，注漿壓力快速上升，經(jīng)過對已充填裂隙的快速擠壓密實過程后，壓力達(dá)到或超過設(shè)計注漿壓力，而停止注漿。對于個別水量較小或無水的注漿孔，初始壓力都比較小，但注漿壓力上升較快，地層吸漿較小。隨著漿液的注入和注漿壓力的上升并達(dá)到設(shè)計注漿壓力，出水裂隙被漿液充填密實，地層破碎巖體也得到有效加固，地層取得較好的改良效果。

（2）鉆孔出水量及注漿量情況分析

注漿施工過程中，根據(jù)鉆孔過程中的涌水量及注漿過程中的注漿量繪制涌水量時間效應(yīng)圖及對應(yīng)注漿量時間效應(yīng)圖。

圖6 鉆孔涌水量時間效應(yīng)圖

圖7 鉆孔注漿量時間效應(yīng)圖

由圖6可以看出，各孔出水量雖然表現(xiàn)出一定的離散性質(zhì)，但一序孔出水量明顯大于二序孔，隨著鉆孔注漿施工進(jìn)行，后續(xù)孔出水量明顯減小，大部分孔表現(xiàn)為無水，說明經(jīng)過注漿后大的出水裂隙得到有效封堵和固結(jié)，注漿效果較為明顯。

由圖7可以看出，各孔之間注漿量分布離散性較大，二序孔注漿過程中個別孔仍表現(xiàn)出較大的吸漿量，這與地層裂隙發(fā)育的不規(guī)則性有著重要的關(guān)系，該段巖層層狀裂隙及節(jié)理極其發(fā)育，漿液沿層面裂隙擴(kuò)散范圍相對較大，而在垂直巖面方向漿液擴(kuò)散極其困難，因此漿液擴(kuò)散各向差異性較大。

通過單孔注漿量和對應(yīng)孔出水量對比可以看出，單孔注漿量和出水量有較為明顯的對應(yīng)關(guān)系，出水量大的孔地層吸漿較大，出水量小的孔吸漿量較小，說明對該段地層注漿主要是以封堵地下出水裂隙為主。個別孔出水量雖然比較小，但注漿量仍然較大，表現(xiàn)出局部地層比較破碎，地層孔隙率較大，這與鉆孔注漿施工過程中鉆孔揭示地質(zhì)情況一致。

3.9.2 檢查孔法

（1）檢查孔觀察法：按“全覆蓋、有重點、無盲區(qū)”的原則，重點對鉆孔注漿施工過程中可能出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行鉆孔檢查，檢查孔數(shù)量按注漿孔總數(shù)的10%控制。檢查孔在施鉆過程中，無卡鉆、涌泥、涌砂現(xiàn)象，成孔性較好，但個別檢查孔單孔出水量大于0.2L/min·m的評定標(biāo)準(zhǔn)，不過基本都在2.0L/min·m以內(nèi)，且在后續(xù)對檢查孔進(jìn)行注漿封堵時，地層吸漿量較小，說明經(jīng)過注漿加固后，地層密實度得到很大提高。

（2）檢查孔取芯法。從取芯的情況看，芯樣大多成短柱狀，可明顯看到被漿液充填的裂隙及已經(jīng)被漿液固結(jié)的破碎巖體，漿液充填飽滿，加固效果明顯。

3.9.3 結(jié)論與體會

（1）在隧道施工過程中，對斷裂富水段進(jìn)行全斷面超前帷幕注漿是行之有效的，也是有必要的。

（2）超前帷幕注漿施工質(zhì)量的好壞與注漿施工工藝、注漿參數(shù)、注漿材料、機(jī)械設(shè)備等有很大關(guān)系。在注漿施工過程中，只有不斷深入研究并解決好各自間相互影響的因素，才能提高帷幕注漿的質(zhì)量。

a.注漿段長：采用前進(jìn)式分段注漿時，注漿段長度的選取一定要適當(dāng)，如注漿段過長，一是在注漿過程中，孔越深，漿液到孔底時，壓力損失較大，很難保證孔底的注漿效果；二是在鉆孔過程中，一方面對鉆機(jī)性能要求增高，另一方面還大大的增加了重復(fù)掃孔的工作量；如注漿段過段，又涉及到工序頻繁轉(zhuǎn)換的問題，不利于施工的開展。根據(jù)目前的國內(nèi)機(jī)械設(shè)備及施工水平，建議注漿段長在23～30m較為適宜。

b.注漿分段長度：采用前進(jìn)式分段注漿時，對破碎且局部裂隙較大或水量較大地段，一定要嚴(yán)格控制分段長度，以確保漿液在地層中的均勻擴(kuò)散，如分段長度過長，則對一些細(xì)小縫隙很難達(dá)到加固效果，但在某一區(qū)域，這種細(xì)小縫隙達(dá)到一定量時，在高水壓的作用下，加固圈很容易被擊穿。而對于局部圍巖相對完整且水量較小地段，則應(yīng)適當(dāng)加大分段長度，以減少重復(fù)掃孔的數(shù)量，加快施工進(jìn)度。

c.注漿速度：應(yīng)根據(jù)不同地層的吸漿率合理調(diào)整注漿速度，對裂隙較大地段，注漿速度相應(yīng)放大，裂隙較小地段，如壓斷層，則注漿速度要相應(yīng)放緩，以防速度過快，造成壓力升高過快的假象。

d.鉆進(jìn)過程中遇涌水或巖層破碎造成卡鉆，應(yīng)停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿，掃孔后再行鉆進(jìn)。

e.注漿過程中，若壓力突然升高，應(yīng)停止注漿，檢查后，再行注漿；必須建立良好的止?jié){體系，并加固好后方的周邊巖體,確保注漿過程的安全。

f.注漿過程中，注意觀察止?jié){巖盤的變形情況，準(zhǔn)備好加固措施。

（3）注漿效果評定應(yīng)結(jié)合工程水文地質(zhì)及現(xiàn)場施工情況，采取多種方法，綜合進(jìn)行分析。

結(jié)合P-Q-t曲線、鉆孔出水量及注漿量情況，檢查孔芯樣及孔內(nèi)攝像情況綜合進(jìn)行分析，認(rèn)為在超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)的情況下，可以進(jìn)行開挖，但建議開挖過程中，及時施做超前地質(zhì)預(yù)報，對前方地層及水的分布情況進(jìn)行探測，避免突發(fā)涌水。開挖時應(yīng)遵循弱爆破、短進(jìn)尺、早支護(hù)、勤量測的原則，開挖完成后應(yīng)初支要及早封閉成環(huán)，并加強(qiáng)施工監(jiān)測，做好信息化施工。

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