大断面软岩隧道机械注浆施工技术

2018-05-28王文灿

建筑机械 2018年5期

关键词：分段断面围岩

王文灿

（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350）

1 工程概况

1.1 工程简介

昆明绕城高速公路东南段项目是云南首条由省市合作、以市为主投资建设的国家高速公路。其中的控制性工程杨林隧道长9.5km，投资达20亿元，是目前亚洲双向6车道高速公路中的最长隧道，一隧跨两县，进口在嵩明县，出口在宜良县。

杨林隧道海拔2400m，进口位于昆明市杨林镇老余屯村，洞口紧邻在建的沪昆高铁。隧道经过连片的山脉，穿越三个断层破碎带，地质地层复杂多变，围岩破碎、富水容易塌方，溶洞频繁出现，施工难度极大，在公路隧道施工中十分罕见。杨林隧道出口位于云南省宜良县北古城镇海发村，单洞平均开挖断面约150m3，左线里程为：ZK19+740～ZK22+712，长度为2972m；右线里程为：K19+740～K22+690，长度为2950m。其中，III级围岩1460m，IV级围岩3200m，V级围岩1262m。除出口段右幅1333.349m位于半径1752.213m、左幅1370.665m位于半径1714.2468m的曲线外，其余均位于直线上。右幅纵坡为-1.980%，起点ZK19+740设计高程为1833.35，终点ZK22+680设计高程为1774.50。左幅纵坡为-1.980%，起点ZZK19+740设计高程为1834.31，终点ZZK22+715设计高程为1774.48m。本合同段内右幅隧道最大埋深约为290m，左幅隧道最大埋深约为299m。

1.2 地质情况

工区段内地质构造较为发育，地势起伏较大，从地貌上主要属构造侵蚀中山地貌（岩溶发育），出露地层主要为澄江组（Zac）砂岩、泥岩；灯影组（Zbdn）白云岩、灰岩；沧浪铺组（∈1C）石英砂岩、泥质页岩、云母质石英砂岩；汤池组（01t）泥岩、砂岩；泥盆系（D2-3）白云岩。白云质灰岩；二迭系倒石头组（P1d）主要岩性为浅灰、灰黄、紫红色细粒石英砂岩、铝土岩、黏土质页岩，部分地段夹炭质泥岩、煤层（2—4m）或煤线和泥晶灰岩；栖霞茅口组（P1q+m）灰岩；峨眉山组（P2β）玄武岩；总体地层结构较为复杂。

2 总体施工原则与超前地质预报

2.1 总体施工原则

（1）坚持先探测后施工的原则。

洞身通过围岩破碎带时，易发生突水、突泥及存在高承压水，存在较大的安全质量隐患。为安全通过围岩破碎带，施工中坚持以“探注结合，先探后注，以物探为主，超前探孔为辅，边勘探边处理”的原则进行超前预测、预报工作；隧道施工时采用TSP和地质雷达探测，根据TSP和地质雷达探测结果在距断层带6～10m时进行超前钻孔超前探测，掌握前方水文地质情况，确定超前预注浆堵水加固方案［1］。

（2）坚持“短进尺、弱爆破、紧封闭、强支护、勤量测”的施工原则。

由于围岩破碎带岩体破碎，呈破碎状松散结构，层间结合力差，围岩自稳性差，易坍塌。施工时必须短进尺、弱爆破，以减少对围岩的扰动，通过加强支护手段，确保安全与质量，施工过程中加强量测，通过变形量测，指导施工［2］。

2.2 超前地质预报

围岩破碎带是本标工区隧道施工主要的地质隐患之一，如果施工组织不当或管理过程不规范，容易造成坍塌、冒顶、突水、突泥等地质灾害，影响工期目标的实现。因此，在穿越围岩破碎带时，要加强过程控制，充分利用超前地质预报、监控量测等手段辅助指导施工，对施工过程实行动态、全过程监控［3］。

在用TSP地质预报系统或地质雷达探测到的可能有围岩破碎带，以及设计图纸标定的围岩破碎带里程前6m，采用水平地质钻机对地层进行超前钻探，确定岩层产状、破碎程度、含水量大小等，并用红外线探水仪复探含水量。同时，采用地质素描、地表监测等辅助预报措施进行预报。

对开挖面前方30m范围的地质岩层整体性、含水构造、水量及水压进行预测。超前探孔施工时应注意前一循环钻孔与后一循环钻孔之间的搭接不小于5m，利用加长的钻杆，在开挖断面的中部和周边施钻5个孔，均水平施钻。钻孔位置：中部2个，周边5个。

（1）在隧道施工通过围岩破碎带每开挖24m，利用超前水平地质钻孔对开挖前进方向进行30m的钻探。

（2）超前钻孔在围岩破碎带全段进行，探孔成放射形布设。对超前探测的异常段，需增加钻探。

（3）钻机钻孔时要固定牢固，并安设孔口管及高压闸阀，确保超前钻孔涌出高压地下水时，能够有效地控制。

（4）红外线探水。在断层破碎区每开挖15～24m，对开挖面前方施作一红外线探测技术，对地下水进行预报。

2.3 工作面地质素描

地质素描在围岩破碎带全段进行。地质素描内容为：

（1）根据钻探预报结果，对开挖面和洞身周边综合分析围岩的岩性、结构、构造和地下水情况，判断开挖面前方围岩的工程地质、水文地质特征。并依此提出工程措施建议和进一步预报的方案［4］。

（2）根据开挖段围岩的工程地质、水文地质特征进行预报结果的验证，提出是否修改预报方法及参数的意见。

（3）根据开挖段及开挖面水文地质情况，提出针对性工程方案建议。

3 围岩破碎带注浆施工

3.1 注浆方法、工艺、材料

3.1.1 止水（浆）岩盘或止浆墙厚度的确定

为防止未注浆段地下水涌向工作面及下段注浆时跑浆，根据设计每注浆段采用带有φ6钢筋网20×20cm的20cm厚C20喷射混凝土封闭掌子面；一个注浆段完成后留6m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘。如果施工中地下水压力增大超过设计值或水量过大，将网喷止浆墙改为混凝土止浆墙，用C25混凝土浇注制作，止水（浆）墙厚度3～6m，将掌子面封闭。

由工作面向开挖方向呈伞形辐射状布置注浆孔，钻孔布置成数圈，内外圈按梅花形排列，并采用长短孔相结合，以达到注浆充分、不留死角的目的，浆液扩散半径2m，孔底间距不大于3m，开孔直径φ110，终孔直径φ90。全断面帷幕预注浆堵水，注浆范围为隧道开挖线以外6m，注浆段长度为30m，分3环施工，第1环12m，第2环10m，第3环8m，一个注浆段完成后留6m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘，全断面钻孔183个。

全断面周边预注浆堵水，注浆范围为开挖线以外6m，注浆段长30m，分3环施工，第1环12m，第2环10m，第3环8m，一个注浆段完成后留6m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘，全断面钻孔94个。具体方案见图1、图2。

图1 断层破碎全断面周边注浆纵断立面图

图2 断层破碎全断面周边注浆开孔布置

局部断面预注浆堵水，注浆范围为隧道局部开挖线以外6m，注浆段长度为30m，分3环施工，第1环12m，第2环10m，第3环8m，一个注浆段完成后留6m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘，共计钻孔34个。具体方案见图3、图4。

图3 围岩破碎带局部注浆立面图

图4 围岩破碎带局部注浆开孔布置图

3.1.3 注浆方式和分段长度的确定

（1）注浆方式：为使浆液在岩层裂隙中均匀扩散，保证注浆质量，提高注浆堵水率，宜采用分段前进式的注浆方式。

（2）分段长度：分段注浆的分段长度根据岩层裂隙发育程度、涌水量大小而定。在施工时，分段长度的选择见表1。

表1 注浆分段长度参考表

因此全断面帷幕注浆和全断面周边注浆采用前进式分段注浆方式，即先用钻机开深2.5～3.0m，直径φ130mm孔，安设、埋设固结孔φ108mm无缝钢管作为孔口管，孔口管长3m，孔口外露0.2～0.3m，然后在孔口管内钻设φ90mm注浆孔。

2.2 两组产妇泌乳始动时间、血清泌乳素(PRL)水平比较观察组产妇泌乳始动时间明显早于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。两组产妇体内PRL水平比较，产后4 h PRL水平比较，差异有统计学意义(P<0.05)。产后24 h PRL水平比较，观察组明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.01)。见表2。

选定围岩破碎带每次注浆分段长度为3～5m，即钻进3～5m，注浆一次，注浆结束后再钻3～5m进行注浆，依次循环，直到结束该孔注浆。其它地层每次注浆分段长度为5～8m。

3.1.4 注浆参数

根据设计要求，全断面帷幕注浆和全断面周边注浆采用分段前进式注浆，注浆参数见表2。

3.1.5 注浆工艺流程

全断面帷幕注浆、全断面周边注浆和局部注浆施工工艺流程见图5。

表2 全断面帷幕注浆和全断面周边注浆参数

3.1.6 注浆材料确定

注浆材料主要采用水泥浆（必要时采用普通水泥-水玻璃双液浆），根据设计要求和试验确定浆液的配比。根据理论、设计和实验室试验确定的理论配比为水泥浆的比为0.5∶1～1∶1；如采用双液浆，其配合比参数C∶S=1∶（0.6～1.0）（体积比）水泥浆水灰比（0.8～1）：1、浆液比1∶（0.6～1）），水玻璃模数2.6～2.8，水玻璃浓度35B。

现场配比选择：根据以往的施工经验，暂定配比为水泥浆水灰比0.8∶1，水泥浆与水玻璃浆液比例根据水量及水压大小从1∶0.8～1∶1之间选取，水玻璃浓度为35B。

3.2 机械设备选型

（1）钻机的选择。

钻机选用履带式液压钻机JK590，其钻孔深度可达到30～50m，钻孔直径最大可达到φ130mm，钻头根据孔径的大小调换，可以满足施工需要。

图5 全断面帷幕注浆、全断面周边注浆和局部注浆施工工艺流程

（2）注浆泵选择。

注浆泵采用YZB-100/9液压双液注浆泵，其参数见表3，可注单液浆、双液浆、化学浆，该泵配有双液调节器，利用工作介质（浆液、油液）传递压力信号，组成闭环自动控制，结构简单，调控及时准确，可以无级调节排浆量及排浆压力，并具有按照预定的注浆终压自动调节排浆量的性能，其排浆压力可在0-9MPa之间调节，因此选用该注浆泵可满足注浆堵水的需要。