秦嶺輸水隧洞巖爆塌腔段回填灌漿試驗分析

商嘉胤

(陜西引漢濟渭工程建設(shè)有限公司,陜西 西安 710024)

陜西省引漢濟渭工程秦嶺腹地的輸水隧洞由于存在著高埋深、大地應(yīng)力等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境,在對不良地質(zhì)洞段的施工過程中,經(jīng)常發(fā)生輕微至強烈?guī)r爆,致使洞段發(fā)生塌腔,引起了一系列安全事故,在工程第一掘進(jìn)段對巖爆引發(fā)的塌腔拱部大塌腔部位采用水泥漿回填灌漿方式進(jìn)行灌注時,發(fā)現(xiàn)單孔注灰量異常偏大,導(dǎo)致施工成本大幅增加。目前針對秦嶺腹地不良地質(zhì)洞段隧洞施工的專門研究仍較少,針對隧洞施工設(shè)計時選用何種回填灌漿水泥砂漿配合比和灌漿壓力相對較為合理,還未有較為安全、經(jīng)濟的定論。本文針對引漢濟渭工程在秦嶺山體引水隧洞的第一掘進(jìn)階段的實際情況,選取試驗段采用水泥砂漿回填灌漿的方式對拱部塌腔進(jìn)行有效回填。通過試驗段施工,比選出適合不同巖爆塌腔段落的水泥砂漿配合比和灌漿壓力,以便為秦嶺山體不良地質(zhì)洞段的隧洞開挖設(shè)計方案中選擇更為合理的回填灌漿水泥砂漿配合比和灌漿壓力,提供安全、經(jīng)濟、可靠的參考依據(jù)。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺輸配水隧洞越嶺段,0號隧洞施工的主洞總長為7262m,其中進(jìn)口方位隧洞的總長為3562m,出口方位隧洞的總長為3700m。隧洞主洞與支洞建設(shè)過程中全部采取鉆爆法進(jìn)行施工,混凝土模筑與襯砌的現(xiàn)澆支護(hù)緊跟開挖法同步施工。0號支洞的洞口設(shè)在秦嶺腹地的漢中市佛坪縣石墩河鎮(zhèn)迴龍寺的白蒲河右岸三陳路邊,在施工主洞樁號K10+200處0號支洞與施工主洞相交,支洞與施工主洞路中線之間具有54°34′48″的夾角,支洞采用初期支護(hù)的無軌雙向車道建設(shè)施工,全長1148m(平距),其斜長1153.44m,綜合邊坡比為10.13%。在用鉆爆法將支洞建設(shè)施工完畢之后,再依次向主洞上、下游的兩個方向同步進(jìn)行施工掘進(jìn)。

樁號K31+221～K31+271段,在原設(shè)計中是Ⅱ類圍巖,施工現(xiàn)場實際巖性則為印支期花崗巖,埋深623～655m。秦嶺輸配水隧洞在實際挖掘過程中揭露出,其巖性以印支期花崗巖居多,夾雜云母石英片巖、石英巖等,圍巖總體受地質(zhì)構(gòu)造負(fù)面影響較重,節(jié)理裂隙發(fā)育較多,局部整體均有發(fā)育,巖石特性為弱風(fēng)化,邊墻巖體的整體性較好,但拱部的整體性不佳,支撐圍巖局部的穩(wěn)定能力較弱,拱部有剝離、落塊的現(xiàn)象,并生成了一定的塌腔,其中塌腔的最大深度為0.74m,集中分布于拱部10點方向至2點方向,開挖后自穩(wěn)性不良,且本段挖掘的隧洞基巖的裂隙水發(fā)育較多,局部有滲水,線狀形式流水及小股狀涌水。

樁號K31+271～K31+292段,在原設(shè)計中是Ⅱ類圍巖,施工現(xiàn)場實際巖性則為印支期花崗巖,埋深655～664m。秦嶺輸配水隧洞在實際挖掘過程中揭露出,其巖性以印支期花崗巖居多,夾雜云母石英片巖、石英巖等,圍巖總體受地質(zhì)構(gòu)造負(fù)面影響較重,節(jié)理裂隙發(fā)育較多,局部整體均有發(fā)育,巖石特性為弱風(fēng)化,邊墻巖體的整體性較好,但拱部的整體性不佳,支撐圍巖的穩(wěn)定能力較弱,其拱部局部有剝離、落塊的現(xiàn)象。且本段挖掘的隧洞基巖的裂隙水發(fā)育較多,局部有滲水,滴水,線狀形式流水及小股狀涌水。

樁號K31+292～K31+317段,在原設(shè)計中是Ⅱ類圍巖,施工現(xiàn)場實際巖性則為印支期花崗巖,埋深664～683m。秦嶺輸配水隧洞在實際挖掘過程中揭露出,其巖性以印支期花崗巖居多,夾雜少量石英巖、石英片巖等,圍巖受地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響較小,其主要節(jié)理裂隙不發(fā)育,但局部節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體總體的完整性良好,但局部的整體性一般,同時圍巖的穩(wěn)定性尚算良好,但局部穩(wěn)定性仍然一般,隧洞開挖洞段地下水較為發(fā)育,其拱頂局部滲、滴水,拱腰、邊墻出現(xiàn)了多個集中股狀涌水點。

2 試驗方案

水泥砂漿回填灌漿總共144m,按照48m一個單元,劃分為3個單元,其中K31+173～K31+221段按照摻砂量10%進(jìn)行灌注、K31+221～K31+269段按照摻砂量30%進(jìn)行灌注、K31+269～K31+317段按照摻砂量50%進(jìn)行灌注,灌漿壓力、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)按原設(shè)計圖紙要求進(jìn)行水泥砂漿灌注試驗。

3 試驗過程和方法

3.1 孔位布置

在拱部的120°范圍之內(nèi),每排設(shè)置2到3個孔,排距為3.0m,所有灌漿孔均垂直布設(shè)在洞軸線鉛直面之上,孔位采用梅花形布置,孔位布置見圖1。

圖1 灌漿孔位布置

3.2 造孔

a.孔徑:終孔直徑為50mm。

b.孔深:進(jìn)入開挖輪廓線外10～20cm。

c.設(shè)備:采用YT-28風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔。

d.分序:按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行,環(huán)間宜分為兩個次序。

e.方法:采用直接鉆設(shè)的方法,造孔過程見圖2。

圖2 造孔

3.3 灌漿

3.3.1 制漿

a.制漿模式:集中制漿、現(xiàn)場配漿。

b.在制漿站內(nèi)制取原漿,一般采用高速攪拌機攪拌,平均攪拌時間為30s。

c.通過輸漿泵,將制取好的原漿送入現(xiàn)場的儲漿罐。

d.在現(xiàn)場施工時,嚴(yán)格依照工程設(shè)計配比進(jìn)行配漿。

e.每次灌漿前均要用泥漿計測讀漿液比重,符合要求方可進(jìn)行灌漿(間隔30min測讀、記錄一次數(shù)據(jù))。

f.漿液自制備起算,直至使用完畢的時間須小于4h。

g.灌漿完畢后,需要立即清洗相關(guān)設(shè)備以及管道,以保證后期灌漿時管道的通暢性。水泥砂漿制作見圖3。

圖3 水泥砂漿制作

3.3.2 灌漿方法

回填灌漿時是采取純壓式灌漿工藝,使用機械式孔口塞來封堵孔口,先進(jìn)行Ⅰ序孔鉆孔、注漿,后進(jìn)行Ⅱ序孔鉆孔、注漿[1]。

3.3.3 漿液比級及壓力

Ⅰ序孔采用0.5∶1水灰比,Ⅱ序孔采用1∶1水灰比。摻砂量按照水泥重量的10%、30%、50%摻入。Ⅰ序、Ⅱ序灌漿壓力均采用0.2～0.3MPa[2]。

每立方米水泥砂漿配比見表1。

表1 每立方米水泥砂漿配比

3.3.4 結(jié)束條件

在規(guī)定的壓力之下,當(dāng)灌漿孔已經(jīng)停止吸漿時,再延續(xù)灌注10min后結(jié)束。

3.4 封孔

灌漿完成之后,使用干硬性水泥砂漿對孔口進(jìn)行封填密實,將孔口壓抹直至平齊[3]。

4 試驗情況分析

4.1 試驗段塌腔及灌漿量對比分析

K31+173～K31+317施工段受地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響輕微—較重,節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育,巖體的整體完整性表現(xiàn)較好,但其局部完整性表現(xiàn)一般,圍巖的整體穩(wěn)定性表現(xiàn)尚好,局部穩(wěn)定性則表現(xiàn)一般,主要集中在拱部10點鐘至右側(cè)2點鐘方向,詳細(xì)段落情況請見表2。

表2 試驗段塌腔情況一覽

其中K31+173～K31+317段砂漿回填灌漿按照砂率10%、30%、50%的摻量進(jìn)行施工,灌漿量分別為4666.2L、2615.4L、931.6L[4],檢查孔的10min壓漿試驗數(shù)據(jù)分別是5.95L、8.86L、9.74L,相比正常施工,在不摻砂的情況下,水泥凈漿的注入率要大于水泥砂漿的注入率,漿液的稠度與注入率基本成反比的趨勢,注漿效果如下:

a.摻砂量10%注入效果為最佳,且檢查孔的壓漿試驗數(shù)據(jù)最為適宜。

b.摻砂量30%的效果一般,檢查孔的壓漿試驗數(shù)據(jù)有明顯的上升趨勢,且目前砂漿泵能夠滿足施工所需。

c.摻砂量50%的效果最差,此次本段開挖過程中塌腔、空洞最大深度為0.45m,初期進(jìn)行支護(hù)、回填,后期襯砌過后進(jìn)行灌注水泥砂漿過程中,極易發(fā)生堵管現(xiàn)象且吸漿量無異常偏大,極易達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),在后續(xù)檢查孔的壓漿試驗數(shù)據(jù)中,幾乎達(dá)不到設(shè)計要求合格的限值,且目前砂漿泵也無法長時間泵送摻砂量為50%的砂漿。

4.2 滿足結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)灌漿孔分析

試驗段K31+173～K31+317結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)均按照回填灌漿標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4.3 灌漿孔分析

a.試驗段進(jìn)行Ⅰ序孔鉆進(jìn)工作,按進(jìn)入輪廓線10cm以上進(jìn)行鉆孔(孔深),Ⅰ序孔合計48孔,最大孔深0.69m,最小孔深0.64m,均符合設(shè)計藍(lán)圖要求,深入開挖設(shè)計輪廓線不低于10cm。

b.試驗段進(jìn)行Ⅱ序孔鉆進(jìn)工作,按進(jìn)入輪廓線10cm以上進(jìn)行鉆孔,Ⅱ序孔72個,最大孔深0.69m,最小孔深0.64m,均符合設(shè)計藍(lán)圖要求,深入開挖設(shè)計輪廓線不低于10cm[5]。

4.4 取芯孔分析

灌漿結(jié)束后采用單孔注漿量較大孔位附近鉆孔取芯的方法檢查秦嶺輸水隧洞塌腔區(qū)回填灌漿施作情況,選取滿足試驗段注漿量大的孔位作為取芯孔。根據(jù)灌漿施工成果分析表數(shù)據(jù),選取93單元Ⅱ-12-3、94單元Ⅱ-10-3兩個孔附近作為取芯孔[6]。取芯結(jié)果見表3和圖4、圖5。

表3 取芯孔情況統(tǒng)計

圖4 12-3孔內(nèi)部情況及取芯

圖5 10-3鉆孔深度及孔內(nèi)情況

5 結(jié) 論

在初期施工挖掘階段的節(jié)理裂隙不發(fā)育—較發(fā)育,其拱部的巖體整體完整性好—較差,拱部圍巖的整體穩(wěn)定性一般—較差,地下水較發(fā)育,受巖爆影響,拱部10點鐘至2點鐘范圍出現(xiàn)坍塌、掉塊現(xiàn)象,塌腔最大深度為0.74m,拱部開挖輪廓線以外10cm采取塌腔區(qū)回填灌漿,沿用0.2～0.3MPa壓力作為灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。試驗結(jié)果表明:

a.10%的摻砂量在注漿過程中和正常水泥凈漿的效果基本一致,且檢查孔的壓漿試驗數(shù)據(jù)也相對較小。

b.30%的摻砂量注漿過程中偶爾存在堵管現(xiàn)象,且在后期進(jìn)行檢查孔壓漿時,注入量較10%有上升趨勢但滿足設(shè)計要求標(biāo)準(zhǔn)。

c.50%的摻砂量在灌注過程中極易發(fā)生堵管現(xiàn)象和注不進(jìn)即結(jié)束的現(xiàn)象,且在質(zhì)量檢查的過程中,數(shù)據(jù)幾乎要超過設(shè)計要求合格的限值,在后期秦嶺輸水隧洞掘進(jìn)段的塌腔、空腔地段容易出現(xiàn)質(zhì)量檢查不合格的現(xiàn)象。

根據(jù)灌漿成果表分析及以上試驗結(jié)果得出:

a.試驗段初期掘進(jìn)過程中圍巖相對較完整,塌腔、掉塊較小,裂隙水發(fā)育,注入量沒有異?，F(xiàn)象,段落對比效果不明顯。

b.摻砂量與灌漿效果呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性,綜合考慮投資、施工等多種因素,可以采用在水泥凈漿中摻入水泥重量30%的砂來進(jìn)行回填灌漿。

c.秦嶺輸水隧洞后續(xù)掘進(jìn)段塌腔主要集中分布在拱部范圍以內(nèi),采用Ⅰ序孔水灰比0.5∶1、Ⅱ序孔水灰比1∶1進(jìn)行施工。