青岛海底隧道帷幕注浆施工技术研究

逄显民

(青岛市公路管理局,山东青岛 266520)

1 概况

青岛胶州湾隧道位于团岛和薛家岛之间,主隧道长6 170 m,跨越海域长度3 950 m,线路等级为城市快速路,设计车速为80 km/h,设2条三车道主隧道和1条服务隧道,主隧道中轴线间距55 m。隧道断面为椭圆形,主隧道开挖断面高11.2～12.0 m、宽约15.23～16.03 m,隧道纵断面呈V形,最大纵坡4%,右线路面最低点高程-83.28 m、左线为-83.15 m,海域段主隧道埋深一般为25～35 m,采用矿山法施工。

海底部分主要以火山沉积岩为主,其间穿插有多条辉绿岩侵入岩岩脉,从而形成多条断层破碎带,本工程最大的风险来自于海底这些断层破碎带和影响带,而通过断层破碎带的主要方法是帷幕注浆,这是关系到海底隧道成败的灵魂性技术。

自2007年8月开工以来,经过2年多的施工,主要是进入海域施工以来,本项目共通过了30余段的注浆段,其间采用了全断面帷幕、周边帷幕、局部帷幕等多种注浆方式,从注浆方式选择、机械设备配备方面,注浆工艺参数确定、注浆检查标准等方面均形成了适用于青岛海底隧道的特有的注浆模式。

2 隧道海域段地质情况分析

根据已进行的初步地质工作,在胶州湾隧道区域内,隧道进出口存在有海相冲积层,该地层易涌水、坍方。洞身有岩脉不整合接触带,特别是有NW向断裂3条,分别为F3、F4和F5,NE向断裂3条,分别为F1、F2和F6,主要的大断裂破碎带为F3、F2等。

海域段第四系覆盖层仅在局部发育,厚度小于3 m。基岩以含晶屑火山角砾凝灰岩、流纹斑岩和安山质角砾岩为主,其间穿插多条辉绿岩、石英正长岩等岩脉。强风化带主要发育在辉绿岩及破碎岩顶部,最厚处近10 m。弱风化带一般小于5 m,辉绿岩脉及破碎带内可超过15 m；微风化基岩顶面埋深一般小于15 m,局部超过25 m。本隧道段埋深多在25 m左右,顶板微风化岩层厚度大部超过10 m,局部洞顶以上无微风化岩体。破碎带岩体多为碎裂结构,岩质软硬不均,局部为松散结构,并夹碎粒和碎粉状错碎物,透水性可达中等级；断裂破碎带以外的微风化岩体为块状构造或块碎状镶嵌结构,透水性弱,岩质坚硬。

海域段的注浆段落主要集中在各个断层破碎带及其断层影响带内。

3 帷幕注浆种类与适用条件

青岛海底隧道所采用的帷幕注浆种类共有3种：全断面帷幕注浆、周边帷幕注浆、局部断面注浆3种形式,具体采用何种形式,主要依据综合超前地质预报的结果,由现场地质信息小组人员分析后确定。

3.1 综合超前地质预报

综合超前地质预报是选择注浆方式的主要依据,青岛海底隧道采用的综合超前地质预报的方式主要有如下几种：

(1)TSP203超前地质预报,海域全程进行,纵向搭接10 m；

(2)超前探孔(主线隧道设3～6个,长度30 m,搭接8 m)；

(3)地质雷达,在需要时采用；

(4)红外探水；

(5)借鉴先行隧道或者服务洞的地质情况；

(6)勘测阶段的地质资料。

3.2 帷幕注浆方案选择依据

注浆形式主要根据综合超前地质预报结果来确定,青岛海底隧道的注浆主要为岩体裂隙注浆,以劈裂、挤压注浆为主,渗透注浆为辅。各种注浆形式的适用条件如表1所示。

表1 注浆形式适用条件

4 注浆试验

4.1 注浆试验目的

注浆试验的目的如下：

(1)比较不同注浆方案的适用性；

(2)不同注浆材料、浆液配比在本工程断层破碎带的适应性及效果评价；

(3)判断选定的注浆量、注浆压力的参数是否合理；

(4)注浆工艺和注浆设备的配套；

(5)确定合理注浆效果的检测和评价方法。

4.2 注浆试验程序及内容

注浆试验程序和内容包括：

(1)制定注浆试验方案和实施大纲、编制注浆试验任务书和实施细则；

(2)进行注浆材料、浆液相结合的物理、力学性能试验；

(3)按拟定的注浆工艺进行钻孔、冲洗和注浆试验；

(4)按注浆效果鉴定的标准和方法进行注浆质量检验；

(5)对试验资料进行整理,对成果进行分析并编制试验报告。

5 机械设备配备

针对海域注浆施工的特点,结合胶州湾海底隧道的实际情况,参照国内外类似工程的工程经验,配套选择专用设备,注浆施工的主要设备是钻孔设备和注浆设备及其配套设备(表2)。

表2 钻孔注浆设备

钻孔采用三臂台车钻孔,可大大提高钻孔效率；另外,三参注浆记录仪的引用,大大改进了长期以来注浆计量的难题,很容易实现注浆过程的动态记录(主要记录P、Q、T3个时态曲线),可为下一步的注浆提供详细的参考数据。

由于受海底渗水、腐蚀性较强等因素的影响,在施工期间要注意加强对钻灌设备的维护和保养,保证钻机等设备能够正常工作。

6 注浆参数确定

注浆参数主要包括：注浆加固范围、注浆段长、注浆孔布置、注浆压力、注浆速度、注浆量的确定等。

6.1 基本思路

采用上半断面布孔进行全断面帷幕注浆,每循环确定30 m,开挖25 m,留5 m作为止浆岩盘。从工程实践来看,止浆墙和孔口管的安装是注浆施工的关键环节,其封闭的效果直接决定了注浆效果,也影响注浆速度,是注浆控制的重点。

6.2 注浆加固范围及扩散半径

注浆加固体的范围为隧道轮廓线外5 m,孔底间距不大于3.5 m,开孔处环向间距不小于50 cm,按30 m一个注浆循环计算,其形式如图1所示。

图1 注浆加固体范围(单位：cm)

6.3 注浆段长

注浆每循环按30 m考虑,留5 m止浆墙,开挖25 m。在成孔效果较好地段,每循环按37 m施工,留5 m止浆段。

6.4 注浆孔布置

注浆孔开孔位置全部布置于上半断面,这样做一是可以提高注浆效率,二是可以保证安全,较低的操作高度对安全更为有利,注浆孔布置如图2所示。

图2 帷幕注浆钻孔布置示意(单位：mm)

6.5 注浆压力和速度

注浆最大压力控制为4 MPa,特殊情况下,可降低,但最小不小于3 MPa。

注浆速度确定为50～110 L/min。

6.6 孔径选择与孔口管安装

注浆孔径选择为56～89 mm均可,可根据钻孔设备情况采用。

6.7 注浆浆材选择

青岛海底隧道所有超前注浆采用超细水泥浆,W∶C=1∶1。

7 注浆工艺

帷幕注浆原则上采用分段注浆方式,但如果成孔条件较好,也可采用全孔一次注浆,帷幕注浆工艺流程如图3所示。

图3 分段预注浆工艺流程

7.1 止浆墙设置

止浆墙采用C35喷射混凝土，喷射厚度30～50 cm,尽量把掌子面周围封闭严密,以防漏浆。

7.2 孔口管

孔口管采用φ108 mm无缝钢管,长度约为2 000 mm,锚入岩体至少1 500 mm以上,与注浆机连接接口部位用抱箍连结,可实现快速安装,其结构如图4所示。

图4 孔口管结构(单位：mm)

7.3 注浆方式

(1)若成孔情况较好,可采用全孔一次注浆,最大注浆长度为35 m。

(2)对于围岩较差的情况,可采用前进式注浆,分数段进行,每段长度7 m。

7.4 注浆顺序

注浆时按B、C、D顺序注浆,同一顺序中可间隔注浆,后注浆孔可作为前注孔的检查孔。

8 注浆结束标准与检查

8.1 注浆结束控制标准

注浆结束按双控标准,既控制注浆量,又控制注浆压力的方式。

(1)注浆量根据注浆扩散半径和岩层填充率计算,基本每孔每延米按0.3～0.4 m3计算,最大注浆量不超过理论计算的1.5倍；

(2)终压标准按4 MPa来控制,注浆压力长时间达不到设计压力的,经间歇注浆或二次重复注浆仍达不到的,可降低注浆压力。

8.2 效果检查

注浆效果检查首先是单孔或全部注浆孔均满足注浆结束标准,无漏注现象,然后通过检查孔法、开挖取样和物探方法进行综合评价。

8.2.1 检查孔法

在隧道轮廓范围内打检查孔,检查孔按注浆孔的6%计算,孔深按本循环开挖长度计算,孔深在25 m以内,完成后及时回填,回填注浆压力为2 MPa。

对检查孔进行观察,察看检查孔成孔是否完整，是否有涌水、涌砂、涌泥,检查孔放置一段时间后是否塌孔,是否产生涌水、涌砂、涌泥,以来定性判断注浆效果。

检查合格的标准是每0.1 L/m.min,若达不到标准,应及时加孔补注,直至达到设计标准。

8.2.2 物探法

通过开挖前后超前地质预报资料和数据的对比分析、判断注浆效果。某次注浆前后围岩力学参数分析比较见表3。

表3 注浆前后围岩力学参数分析比较

8.2.3 分析法

分析法是通过对注浆施工过程中收集的参数信息进行合理整合,采用分析、对比等方式,对注浆效果进行定性评价。图5为某次注浆的P-Q-T曲线,从此曲线上可以看出,压力不断上升,单位时间内的注浆量逐渐减少,至达到设计压力时,单位时间内的注浆量达到最小。

图5 某次注浆的P-Q-T曲线

9 异常情况处理

注浆过程中有注浆中断、串浆、大量漏失、涌水等,对异常情况的处理措施如下。

9.1 注浆中断处理

(1)找出注浆中断的原因,尽快解决,及早恢复注浆。

(2)如果不能立即恢复注浆或灌注浓浆有埋管危险时,应立即冲洗钻孔,而后再恢复注浆。

(3)若因故不能立即冲洗钻孔,则应松开止浆塞,上提注浆管,以免造成埋管事故。待具备冲洗条件时,再进行强力冲洗,以恢复注浆条件。

(4)冲洗无效时,应立即扫孔至孔底,并用压力水冲洗后,重新开始注浆。

(5)当恢复注浆后,注入率明显减少,并在短时间内停止吸浆时,应采取补救措施。

1.4.2 捕食线虫真菌的捕器诱导 在体视显微镜10～100倍下，利用无菌牙签以无菌操作技术转接捕食线虫真菌单个分生孢子到留有约1 cm×1 cm观察室的直径60 mm CMA平板上，密封后置于26.5℃恒温箱中培养直至菌丝铺满观察室，然后在观察室中加入制备好的线虫悬液200条左右，放置于恒温箱中培养2～4 d，其间需用体视显微镜观察是否产生捕器及捕器类型，并及时记录结果。

9.2 串浆处理

如串浆孔具备注浆条件,可以同时进行注浆,但应一泵注一孔,否则应将串浆孔用塞塞住,待注浆孔注浆结束后,串浆孔再行扫孔、冲洗,而后继续钻进和注浆。

9.3 大量漏失

发生大量漏浆时,采用以下原则进行处理：

(1)采用低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆的方法进行灌注；

(2)必要时,可采用砂浆或其他充填材料先堵大空隙再采用方法(1)处理；

(3)缩短浆液凝固时间,采用水泥-水玻璃或其他凝速材料,进行灌注。

9.4 涌水处理

在注浆孔有涌水流出的注浆孔段,注浆前应测量记录涌水压力、涌水量,然后根据涌水情况选用下列综合措施处理：

(1)缩短注浆段长度,提高注浆压力,采用分段前进式注浆方式；

(2)当单孔达到设计要求的注浆结束标准后,采用浓浆液进行屏浆1～24 h后再闭浆,并待凝；

(3)采用速凝型浆液对涌水孔进行注浆；

(4)采用压力注浆封孔；

(5)对各种突发情况应准备相应的应急方案。

10 注浆进度

经过统计,30 m的注浆循环需要在13 d左右。

11 结语

胶州湾隧道的帷幕注浆，依据青岛的实际地质情况，在上半断面进行全断面注浆，并成功改用三臂台车钻孔，相较以往的类似工程，这是一个重大改进。一方面保证了施工时人员机具的安全，另外一方面又加快了每循环注浆的速度(类似工程的每循环注浆周期为30 d左右，本方法仅需13 d左右)，达到了设计要求的渗漏水标准，为后续施工创造了条件。

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