齐岳山隧道F11高压富水断层注浆设计与施工技术探讨

孙国庆

(中铁隧道集团科学技术研究所,河南洛阳471009)

0 引言

宜万铁路全线共有隧道159座,区域断层、高压富水、岩溶发育、无规律性,是已建和在建最为复杂、风险最高的铁路线[1]。施工中共揭示出了900余处岩溶及断层高压水,其中具有代表性的是齐岳山隧道,因F11高压富水断层、其地质软弱破碎、施工难度大、安全风险高成为阻碍全线贯通的最大的技术难题。对于岩溶水的处理目前主要有堵、排、截等方法。采取何种方法必须和地质条件、周边环境、建设成本等综合考虑。考虑到F11断层范围广、围岩破碎等特点,建设指挥部多次邀请专家进行方案论证,最后采取以“封堵透水裂隙、加固破碎围岩”为目的超前预注浆工法攻克F11断层技术难题。传统的超前全断面注浆能够达到有效解决隧道岩溶涌水、突泥难题,在我国地下工程一直被广泛采用,积累了相当的经验[2-6]。但由于超前注浆施工工期长、投入较高而一直被谨慎采用。针对齐岳山隧道长大230m的F11断层,通过注浆方式如何安全、有效、快速地通过,必须在传统超前注浆方案设计基础上进行理念创新,实现钻孔注浆动态化设计、专业化管理、精细化施工。

1 工程概况

齐岳山隧道位于湖北利川与重庆万州交界处,地处鄂西高台原西部边缘,全长10 528m,洞身最大埋深670m,全隧单面下坡,平均设计坡度14.3‰。全隧穿越了二迭系茅口组至侏罗系上沙溪庙组全套地层,除构造引起局部缺失外,其余在隧道区内均有出露,碳酸盐岩地段约占全隧长度的46.3%。隧道区内主要构造有齐岳山背斜、箭竹溪向斜,大小断层15条。其中与得胜场槽谷有关的F9、F10和F11 3条[1]。隧道区内发育有大、小鱼泉和得胜场3条地下暗河,与得胜场槽谷有关的是得胜场暗河,隧道纵断面如图1。

2 F11断层工程地质及水文地质特征

F11断层构造在纵断面上可以分为断层破碎带和断层影响带。根据地质勘察并结合施工开挖揭露,F11断层破碎带具有以下特征:

1)规模宏大。F11断层主要断裂带在隧道洞身里程DK365+110～+340,宽230m,发育在硬质可溶岩与软质非可溶岩的交界部位。

2)高压富水。由于岩性间的层间裂隙和大规模的得胜场断裂及其次级构造的影响,深部裂隙水与上部地下水具有水力联系,施工过程实测F11断层水压高达2.5 MPa,钻孔注浆施工过程最大单孔涌水1 800 m3/h。

3)软弱破碎。F11断层及影响带由断层角砾岩、碎裂岩、断层泥等构成,岩性组成复杂,类似于含碎石粉质黏土或碎石土状,水文性质表现为饱和含水,工程性质表现为围岩强度低、稳定性差,在水的浸泡下,工程性质更加恶化。

4)软硬不均,层层相间。断层岩层几何特征以竖向为主,软弱岩层(碎屑及断层泥)和硬质岩层(角砾岩及破碎块石)纵向间隔交替出现。

5)裂隙发育、极不均一。断层破碎带裂隙发育,成为涌水的主要补给通道,但裂隙发育极不均一,连通性差,即使距离很近的钻孔出水也互不影响,水压也不一致。

3 超前预注浆设计

为了满足安全开挖施工要求,经对多种施工工法进行比较选择,最终确定采用超前预注浆方式对地层进行改良,并根据F11断层破碎带的地质特点进行反复试验研究,对方案进行不断优化完善,以加快施工进度,提高施工效率,确保地层改良效果。

3.1 超前预注浆设计新理念

根据F11断层地质情况并结合前期钻孔注浆施工情况,在“分水降压、注浆堵水、带水开挖”的施工原则下对超前预注浆进行方案优化设计,并进行设计施工理念创新。

1)探注结合模式。对于软弱富水地层,常规施工方法是采用按照先进行超前地质探孔,再根据探孔掌握的地质进行注浆方案设计及施工的循序渐进模式。由于高压富水断层探孔过程中容易遇到坍孔、卡钻现象,并受突发高压涌水威胁,完成1个循环的超前钻探需要耗费较长时间,工效很低,且最终还是要实施钻孔注浆施工进行处理,对施工的进度和安全风险控制不利。F11断层具有“高压富水、软弱破碎”的特点,必须通过注浆堵水加固施工才能保证安全开挖;因此,提出“软弱地层、分区定位,探注结合”的系统化过程控制施工理念,根据超前注浆预设计,选择拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙、拱底共6个注浆孔兼超前探孔进行施工,“一孔两用”达到既对前方不良地层进行判断,优化方案的指导作用,又对注浆预设计进行试验的目的,有效地节约了时间。

2)精细化跟踪注浆设计。传统超前预注浆设计时假定地层是均匀的,外侧水压均匀分布;因此,需要对松散地层进行注浆堵水加固,注浆堵水加固范围与水压有关,水压越高、水量越大,加固范围也就越大。而实际工程中,地层是不均匀的,透水性、外侧水压力也是不完全相同的。精细化跟踪注浆设计理念就是根据工程地质情况,先进行分区定位,确定地质情况,并通过前期探孔注浆使地层中水量得到控制;然后按均匀地层进行“合理步距,由外及内”方式实现基本注浆堵水加固,保证隧道开挖安全的基本要求;最后,对水量大、水压力高区域进行局部强化注浆,从而达到“减少注浆孔数量、提高注浆效果”的目的。

3.2 超前预注浆设计

根据地质情况,F11断层破碎带预注浆目的为堵裂隙、减少水量;固围岩、稳定地层。考虑施工实际,方案设计采用上半断面开孔对全断面注浆的方式进行,并结合“探注结合模式”和“精细化跟踪设计”新理念,经过优化共设计4种类型的孔。

1)超前注浆孔兼超前地质探孔。以封堵高压涌水,固结破碎围岩为目的,在开挖轮廓线外布设2圈,终孔在开挖轮廓线外4m,终孔间距3m,其中6个孔兼作为超前地质探孔。

2)工作面稳定孔。以稳定开挖工作面为目的,在开挖面按照1.5m×1.5m间距品字形布置,成孔后下入玻璃纤维锚杆,通过注浆使锚杆与围岩固结,稳定开挖面。

3)检查孔兼补充注浆孔。注浆结束后对效果进行检查评定,主要布置在地质条件差或注浆薄弱区域,并对薄弱区域进行补充加强注浆。

4)管棚孔兼周边补充注浆孔。以提高软弱破碎地层承载力为目的,通过在开挖轮廓线外一定范围(90～120°),布设间距40～50 cm,外插角 ＜5～7°的超前大管棚,提高刚性支护能力。设计如图2、3所示。

图2 超前预注浆纵剖面图(单位:cm)Fig.2 Longitudinal profile of advance pre-grouting(cm)

图3 超前预注浆终孔交圈图(单位:cm)Fig.3 Overlapping of end positions of advance pre-grouting holes(cm)

3.3 超前预注浆设计参数

见表1。

表1 注浆设计参数表Table 1 Grouting parameters

3.4 注浆材料配比及性能参数

见表2。

表2 注浆材料配比及性能参数表Table 2 Mixing ratios and performances of different grouting mortars

4 超前预注浆施工

4.1 施工机械配套

超前预注浆[7]是处理隧道涌水及加固改良软弱地层有效实用的施工方法,但因施工周期较长,人力物力消耗量大,影响施工工期,往往在制定方案时难以决策,或迫于工期压力而放松过程及质量控制,难以达到理想效果。而在地质条件确定的前提下,钻孔注浆机械配套对快速施工及注浆质量控制极其重要。针对齐岳山隧道230m长的F11高压富水断层,采取先进的钻孔及注浆设备,大大提高施工效率,30 m超前注浆循环周期可控制在20d内,并确保注浆效果。单个工作面钻孔注浆机械设备配套及性能参数见表3。

表3 钻孔注浆主要机械设备配套表Table 3 Drilling and grouting machinery

4.2 钻孔注浆施工及过程控制

1)注浆分段步距控制。根据施工现状,超前预注浆通常采用前进式分段注浆工艺,结合F11断层破碎带地质特点,超前预注浆分段长度根据涌水量及地质条件采用三级质量管理进行控制,如表4所示。

表4 超前预注浆分段控制标准Table 4 Standards for division of advance pre-grouting

2)钻孔注浆顺序控制。为了达到理想注浆效果提高施工效率,注浆过程按照由外及内、间隔跳孔的约束法进行注浆顺序控制,即按“外圈孔—二圈孔—掌子面稳定孔—检查孔(注浆补孔)—管棚孔”的顺序进行,注浆孔兼超前探孔、工作面稳定孔兼注浆孔、管棚孔兼注浆孔、检查孔兼补充注浆孔等互相利用,在不影响注浆效果的前提下,减少工程量,加快循环施工周期。根据F11断层破碎带施工情况,通过多孔合一,相互利用,钻孔工程数量比原来设计减少21%,施工进度提高30%以上。

4.3 超前管棚及工作面稳定孔施工

F11高水压断层破碎带,地质软弱,开挖施工中极易引起坍塌;因此,注浆结束后必须通过顶部施工超前大管棚[8],提高隧道拱顶围岩的稳定性。施工中采取φ76mm,δ=7mm无缝钢管作为管棚支护材料,并采用无工作室管棚顶入式无切割施工技术,避免了常规施工管棚需要开挖管棚工作室的工序,减少管棚切割耗时,使30 m长管棚施工速度达到1根/3h。

工作面稳定孔是基于新意法原理,超前注浆结束后,在工作面按照1.5m×1.5 m间距梅花形布孔,钻孔深度与注浆段长一致,成孔后下入 φ25mm的中空玻璃纤维锚杆并进行注浆,使具高抗拉强度的锚杆通过浆液和软弱地层固结成为整体,有效提高开挖面稳定性,方便安全开挖加快施工进度。

5 注浆效果分析

5.1 钻孔涌水量分析

以DK365+335～+310注浆循环段为例进行分析。

1)注浆段水量分布情况。注浆加固区段内水量横断面及纵向分布情况如图4,5所示。从横断面图可以看出:出水量大的区域主要分布在工作面的右侧,涌水50m3/h以上的孔主要为外圈孔,说明由外及内顺序施工,内部水量明显减小,堵水效果明显。从纵向分布图可以明显看出:钻孔纵向在20～25m段存在明显的透水层,为注浆重点区域,应加强该段注浆,并在开挖施工过程中加强支护及补充注浆。

图4 水量横断面分布图Fig.4 Cross-section of tunnel showing distribution of water

图5 水量纵向分布图Fig.5 Longitudinal distribution of water

2)钻孔涌水量时间效应分析。以施工过程各钻孔施工先后顺序及单孔最大涌水量绘制钻孔水量图如图6所示。从图6可以看出,各钻孔最大出水量存在一定的差异,最先施工的6个注浆孔兼超前探孔出水量最大达到150m3/h,平均达90m3/h,注浆后水量明显减小,主要的出水裂隙被有效封堵。外圈孔施工完成后,二圈孔钻孔出水量有明显的减小,大部分在20m3/h。说明采取环环相扣,由外到内的注浆方式,堵水效果较明显。

5.2 注浆堵水率分析

对施工过程不同阶段钻孔中最大涌水量进行统计分析各阶段的堵水率如表5所示。

图6 钻孔涌水量图Fig.6 Water inflow rate of different boreholes

表5 各阶段注浆堵水率Table 5 Water sealing efficiency of each grouting stage

从表5可以看出,在前期5个注浆孔兼超前探孔钻孔施工过程中,平均涌水量达到90 m3/h(最大150 m3/h);注浆结束后,在外圈孔施工过程中,单孔平均最大涌水量为50 m3/h,堵水率达到45%。随着由外及内注浆施工的逐渐推进,二圈孔施工完成后堵水率达到83.6%,补充注浆孔后进行检查孔施工过程堵水率达到97.8%,达到了预期的堵水效果。另外由外及内的施工工序,后续钻孔出水量减小后,有利于快速施工,也达到了约束注浆的目的。

5.3 检查孔情况分析

注浆结束后,根据该循环钻孔注浆施工过程出水区域分布及注浆量分布情况,在薄弱区域按照设计注浆孔数量的10%进行检查孔施作,对注浆效果进行检查,检查孔设计深度为25m,终孔在开挖轮廓线外3m处,为了进一步对薄弱区域进行补充注浆,检查孔钻到25m深并对检查孔出水情况进行评判后,继续钻进至终孔进行补充注浆。检查孔出水量均小于2 L/min◦m的控制标准;且检查孔补充注浆时吸浆量较小,说明地层较为密实;检查孔钻设钻速快,无卡钻现象,达到注浆结束标准,满足开挖施工要求。

6 结论

通过对齐岳山隧道F11高压富水断层处理实践,得出:

1)“探注结合”及“精细化跟踪注浆设计”理念是在传统全断面超前预注浆理念基础上的创新,是以地层的不均匀性、地下水量和水压分布的不均匀性为前提条件[9]进行方案动态设计,更具有针对性;其核心是强调注浆过程控制的重要性,实现对高压富水断层处理的高效和可靠性。

2)对于高水压破碎断层带,除采用超前预注浆对涌水进行封堵、对软弱破碎地层进行加固外,周边围岩和开挖工作面稳定性不可忽视;因此,必须确保注浆与支护一体化共同作用,实现“外堵内固”,保证隧道安全开挖施工。

3)文中所述的注浆理念和工艺措施通过在齐岳山隧道工程实践,减少工程量、缩短施工周期、保证施工安全,取得了较好的效果;但在以后的应用过程中,要根据地质情况灵活借鉴采用,并根据不同地质特点,进一步对期进行不断地完善、补充,使其适用范围更广,推广价值更高。

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