超前管棚注浆施工技术在隧道施工中的应用

彭旺明,刘星友

(1.怀化市鹤城区公路局;2.湖南省洪江市公路管理局)

超前管棚注浆施工技术在隧道施工中的应用

彭旺明1,刘星友2

(1.怀化市鹤城区公路局;2.湖南省洪江市公路管理局)

以某隧道为工程依托,研究隧址区膨胀岩土体的工程性质,提出针对性的工程处理方法及施工方法,对某隧道具有重要的实际意义和应用价值,将对相似工程地质条件及施工条件的隧道建设有良好的借鉴意义。

隧道;超前管棚注浆;施工

1 超前管棚设置

管棚采用直径为Φ80钢管,长度为 15m,与前段超前管棚搭接 6m,钢管前端 6m范围内设间距 50 cm孔径 10mm梅花型注浆孔,管棚端头切成锥头,以便管棚前进同层管棚间距 0.25m,双层间距为 0.4m。采用全注浆,以有效加固进口段松散土体,并起到止水作用。

2 进洞管棚施工

2.1 管棚位置测量

首先定出隧道中线,然后根据设计开挖轮廓各点标高测出管棚轮廓,并根据间距一一画出单根管棚位置,做出明显标记。

2.2 管棚钻进安装

钻孔采用潜孔钻机,钻孔位置满足设计要求,孔口位置偏差不超过 5 cm,孔底位置偏差不超过孔深的 1%,并作好钻孔检查记录。

施工时首先根据测量放样标记,使用潜孔钻进行间隔钻孔,钻到设计深度后,打入钢管,钢管每节长度 3m,每节采用丝扣接长,顺线路方向外插角为 2°～5°,同层间距 25 cm,上下两层间距为 0.4m,前后两排重叠部分为6m。

2.3 管棚注浆

管棚注浆采用渗透注浆。针对某隧道围岩特性,采有中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里、凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体,起到止水、加固围岩作用。

(1)注浆目的

①减少地下水对膨胀性围岩的侵蚀,避免膨胀性围岩反复膨胀对隧道结构和隧道施工安全带来影响。

②保护生态环境,防止由于地下水的过度流失对附近地表生态环境的不利影响。

(2)注浆范围

要确定加固区的大小,即确定围岩塑性破坏区的大小,根据本隧道的开挖断面及前期开挖后围岩的收敛情况,根据类似工程经验数据,确定注浆范围。

①正洞正常行车道注浆范围Ⅲ类围岩为开挖轮廓外3.5m,Ⅳ类围岩为开挖轮廓外 3.0m;

②正洞避车洞注浆范围为开挖轮廓外 6.0m。

(3)注浆数量

注浆数量应根据隧道加固区需充填的地层孔隙数量来确定。一般来讲,不可能也无需将全部渗透孔隙充填密实,就可以达到加固和堵水的目的。

根据充填率来估算和控制注浆总量,所谓充填率是指注浆体积占孔隙总体积的比率。注浆总量可按式(1)求解。

式中:Q为注浆总数量,m3;A为被加固围岩的体积,m3;n为被加固围岩的孔隙率,%;a为过去实践证实了的充填率,%。

实际工程中应计算出每孔注浆量,单孔平均注浆量可采用式(2)进行计算。

式中:m为钻孔数量;q为单孔平均注浆。

n,a的取值如表1所示。

表1 管棚注浆n,a值一览表

为了保证注浆效果,必须事先对被加固围岩进行现场注浆试验,采取钻孔取芯的办法检测注浆质量。

(4)注浆材料的选择

注浆材料种类及适用条件

①在断层破碎带(裂隙宽度或颗粒粒径大于1mm,渗透系数 k≥5×10-4m/s)等强渗透性地层中,应采用料源广且价格便宜的注浆材料。一般,对于无水的松散地层,宜优先选用单液水泥浆;对于有水的强渗透地层,则宜选用双液水泥一水玻璃浆,以控制注浆范围。

②断层泥带,当裂隙宽度(或粒径)小于 1mm,或渗透系数 k≥5×10-5m/s,注浆材料宜优先选用水玻璃类和木胺类浆液。

③中、细、粉砂层、细小裂隙岩层及断层泥地段等弱渗透地层中,宜选用渗透性好、低毒及遇水膨胀的化学浆液,如聚胺脂类。

(5)注浆材料的配合比

浆液配合比:浆液配合比的选择要考虑岩石裂隙情况及浆液的扩散半径,一般是由试验室通过试验确定,本隧道按以下配比选择。

水泥浆的水灰比 =0.8～1.2。

浆液凝胶的确定一般应采用CS浆液(C代表水泥,S代表水玻璃)作压注试验,当进浆量很大、泵压长时间不升高时,胶凝时间选 1～2m in;当进浆量中等、泵压稳定上升时,胶凝时间选 3～4m in;进浆量较小、泵压升高很快时,胶凝时间选 5～6m in。

双液浆的凝胶时间不同于凝结时间。凝胶时间较短,是指由流动状态变位不流动状态的过程。凝结是水泥浆体开始失去塑性的时间。

(6)注浆压力

注浆压力应根据地层条件、机械能力、实测水压力等因素在现场试验确定,本隧道设计注浆压力(终压值)为 2～3倍实测水压力,一般控制在 1.0～1.2 MPa之间。

(7)注浆参数确定

①根据本隧道的地质情况,经计算及工程类比确定浆液扩散半径R=3m;

②注浆压力:设计注浆压力(终压值)为 2～3倍实测水压力;

(8)施工要点

①超前钻探

超前钻探的目的是为了探明掌子面前方的工程地质和水文地质情况,为正确选择注浆参数和采取相应的技术参量提供依据。其主要工作内容是探测岩石的完整程度、涌水压力和涌水量。做法是用钻机在洞内工作面上向隧道前方钻探 30m左右的超前探孔,利用探孔进行探测和注水试验。

②超前钻探作业程序

施工准备→埋孔口管→钻探孔→测涌水量→测涌水压力→注水试验。

③测涌水量及前方地下水的连通性:当遇到较大的涌水时,应停钻测涌水量,方法是用容器接任孔口管中流出的水,用秒表计时测得每分钟容器接到的水量。如无特殊情况,探孔钻至设计深度后也要测一下涌水量,涌水量小于0.2 L/min的孔可不注浆。

④注浆:根据选定的参数配制浆液,水泥浆配好后需用1mm筛过滤一遍。注浆管须先检查,确认畅通后再接入注浆系统。注浆系统与孔口混合器接好后,开阀门,启动注浆泵按照先稀后稠、(注浆量)先大后小、先注水泥单液浆再注双液浆的程序注浆。当注浆压力达到设计值时,维持2～3min,进浆量达到设计数量则停止注浆,关闭球阀,随即卸下注浆混合器及注浆系统,并用清水清洗干净。

注浆顺序应先上方后下方,或先内圈后外圈,先无水孔后有水孔,先上游(地下水)后下游顺序进行,应利用止浆阀保持孔内压力直至浆液完全凝固。每循环注浆长度 15 m,预留 6m止浆岩盘。

(9)注浆工艺及要求

①注浆前在类似地质条件下的岩层中进行注浆试验,初步掌握浆液充填率,注浆量、浆液配合完凝胶时间,浆液扩散半径,注浆终压等指标;

②孔口位置准确定位,与设计位置的允许偏差为 ±5 cm偏角应符合设计要求,每钻进一段,检查一段,及时纠偏孔底位置偏差应小于 30 cm;

③钻孔和注浆顺序应田外向内,同一圈孔间隔施工;

④一个孔段的注浆作业一般应连续进行到结束,不宜中断,应尽量避免因机械故障、停电、停水、器材等问题造成的,被迫中断。

3 结束语

超前双层管棚注浆作为对遇水崩解软化围岩的一种超前支护技术,在止水、加固松软、自身无稳定性的围岩、抑制围岩变形,确保施工安全等方面是一种有效可靠的超前支护技术。洞内超前管棚采取 15m长,预留6m止浆盘,与隧道的初期循环进尺 1.5 m相匹配。管棚注浆采用双液注浆,浆液填充了围岩空隙,固结后有效地加固了围岩,同时也阻止了地下水的下渗和流通,隔断了地下水与膨胀围岩的作用,减小了围岩膨胀和软化。

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