秦岭输水隧洞岩爆塌腔段回填灌浆试验分析

商嘉胤

(陕西引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710024)

陕西省引汉济渭工程秦岭腹地的输水隧洞由于存在着高埋深、大地应力等复杂的地质环境,在对不良地质洞段的施工过程中,经常发生轻微至强烈岩爆,致使洞段发生塌腔,引起了一系列安全事故,在工程第一掘进段对岩爆引发的塌腔拱部大塌腔部位采用水泥浆回填灌浆方式进行灌注时,发现单孔注灰量异常偏大,导致施工成本大幅增加。目前针对秦岭腹地不良地质洞段隧洞施工的专门研究仍较少,针对隧洞施工设计时选用何种回填灌浆水泥砂浆配合比和灌浆压力相对较为合理,还未有较为安全、经济的定论。本文针对引汉济渭工程在秦岭山体引水隧洞的第一掘进阶段的实际情况,选取试验段采用水泥砂浆回填灌浆的方式对拱部塌腔进行有效回填。通过试验段施工,比选出适合不同岩爆塌腔段落的水泥砂浆配合比和灌浆压力,以便为秦岭山体不良地质洞段的隧洞开挖设计方案中选择更为合理的回填灌浆水泥砂浆配合比和灌浆压力,提供安全、经济、可靠的参考依据。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭输配水隧洞越岭段,0号隧洞施工的主洞总长为7262m,其中进口方位隧洞的总长为3562m,出口方位隧洞的总长为3700m。隧洞主洞与支洞建设过程中全部采取钻爆法进行施工,混凝土模筑与衬砌的现浇支护紧跟开挖法同步施工。0号支洞的洞口设在秦岭腹地的汉中市佛坪县石墩河镇迴龙寺的白蒲河右岸三陈路边,在施工主洞桩号K10+200处0号支洞与施工主洞相交,支洞与施工主洞路中线之间具有54°34′48″的夹角,支洞采用初期支护的无轨双向车道建设施工,全长1148m(平距),其斜长1153.44m,综合边坡比为10.13%。在用钻爆法将支洞建设施工完毕之后,再依次向主洞上、下游的两个方向同步进行施工掘进。

桩号K31+221～K31+271段,在原设计中是Ⅱ类围岩,施工现场实际岩性则为印支期花岗岩,埋深623～655m。秦岭输配水隧洞在实际挖掘过程中揭露出,其岩性以印支期花岗岩居多,夹杂云母石英片岩、石英岩等,围岩总体受地质构造负面影响较重,节理裂隙发育较多,局部整体均有发育,岩石特性为弱风化,边墙岩体的整体性较好,但拱部的整体性不佳,支撑围岩局部的稳定能力较弱,拱部有剥离、落块的现象,并生成了一定的塌腔,其中塌腔的最大深度为0.74m,集中分布于拱部10点方向至2点方向,开挖后自稳性不良,且本段挖掘的隧洞基岩的裂隙水发育较多,局部有渗水,线状形式流水及小股状涌水。

桩号K31+271～K31+292段,在原设计中是Ⅱ类围岩,施工现场实际岩性则为印支期花岗岩,埋深655～664m。秦岭输配水隧洞在实际挖掘过程中揭露出,其岩性以印支期花岗岩居多,夹杂云母石英片岩、石英岩等,围岩总体受地质构造负面影响较重,节理裂隙发育较多,局部整体均有发育,岩石特性为弱风化,边墙岩体的整体性较好,但拱部的整体性不佳,支撑围岩的稳定能力较弱,其拱部局部有剥离、落块的现象。且本段挖掘的隧洞基岩的裂隙水发育较多,局部有渗水,滴水,线状形式流水及小股状涌水。

桩号K31+292～K31+317段,在原设计中是Ⅱ类围岩,施工现场实际岩性则为印支期花岗岩,埋深664～683m。秦岭输配水隧洞在实际挖掘过程中揭露出,其岩性以印支期花岗岩居多,夹杂少量石英岩、石英片岩等,围岩受地质结构影响较小,其主要节理裂隙不发育,但局部节理裂隙较为发育,岩体总体的完整性良好,但局部的整体性一般,同时围岩的稳定性尚算良好,但局部稳定性仍然一般,隧洞开挖洞段地下水较为发育,其拱顶局部渗、滴水,拱腰、边墙出现了多个集中股状涌水点。

2 试验方案

水泥砂浆回填灌浆总共144m,按照48m一个单元,划分为3个单元,其中K31+173～K31+221段按照掺砂量10%进行灌注、K31+221～K31+269段按照掺砂量30%进行灌注、K31+269～K31+317段按照掺砂量50%进行灌注,灌浆压力、结束标准按原设计图纸要求进行水泥砂浆灌注试验。

3 试验过程和方法

3.1 孔位布置

在拱部的120°范围之内,每排设置2到3个孔,排距为3.0m,所有灌浆孔均垂直布设在洞轴线铅直面之上,孔位采用梅花形布置,孔位布置见图1。

图1 灌浆孔位布置

3.2 造孔

a.孔径:终孔直径为50mm。

b.孔深:进入开挖轮廓线外10～20cm。

c.设备:采用YT-28风钻进行钻孔。

d.分序:按环间分序、环内加密的原则进行,环间宜分为两个次序。

e.方法:采用直接钻设的方法,造孔过程见图2。

图2 造孔

3.3 灌浆

3.3.1 制浆

a.制浆模式:集中制浆、现场配浆。

b.在制浆站内制取原浆,一般采用高速搅拌机搅拌,平均搅拌时间为30s。

c.通过输浆泵,将制取好的原浆送入现场的储浆罐。

d.在现场施工时,严格依照工程设计配比进行配浆。

e.每次灌浆前均要用泥浆计测读浆液比重,符合要求方可进行灌浆(间隔30min测读、记录一次数据)。

f.浆液自制备起算,直至使用完毕的时间须小于4h。

g.灌浆完毕后,需要立即清洗相关设备以及管道,以保证后期灌浆时管道的通畅性。水泥砂浆制作见图3。

图3 水泥砂浆制作

3.3.2 灌浆方法

回填灌浆时是采取纯压式灌浆工艺,使用机械式孔口塞来封堵孔口,先进行Ⅰ序孔钻孔、注浆,后进行Ⅱ序孔钻孔、注浆[1]。

3.3.3 浆液比级及压力

Ⅰ序孔采用0.5∶1水灰比,Ⅱ序孔采用1∶1水灰比。掺砂量按照水泥重量的10%、30%、50%掺入。Ⅰ序、Ⅱ序灌浆压力均采用0.2～0.3MPa[2]。

每立方米水泥砂浆配比见表1。

表1 每立方米水泥砂浆配比

3.3.4 结束条件

在规定的压力之下,当灌浆孔已经停止吸浆时,再延续灌注10min后结束。

3.4 封孔

灌浆完成之后,使用干硬性水泥砂浆对孔口进行封填密实,将孔口压抹直至平齐[3]。

4 试验情况分析

4.1 试验段塌腔及灌浆量对比分析

K31+173～K31+317施工段受地质结构影响轻微—较重,节理裂隙不发育—较发育,岩体的整体完整性表现较好,但其局部完整性表现一般,围岩的整体稳定性表现尚好,局部稳定性则表现一般,主要集中在拱部10点钟至右侧2点钟方向,详细段落情况请见表2。

表2 试验段塌腔情况一览

其中K31+173～K31+317段砂浆回填灌浆按照砂率10%、30%、50%的掺量进行施工,灌浆量分别为4666.2L、2615.4L、931.6L[4],检查孔的10min压浆试验数据分别是5.95L、8.86L、9.74L,相比正常施工,在不掺砂的情况下,水泥净浆的注入率要大于水泥砂浆的注入率,浆液的稠度与注入率基本成反比的趋势,注浆效果如下:

a.掺砂量10%注入效果为最佳,且检查孔的压浆试验数据最为适宜。

b.掺砂量30%的效果一般,检查孔的压浆试验数据有明显的上升趋势,且目前砂浆泵能够满足施工所需。

c.掺砂量50%的效果最差,此次本段开挖过程中塌腔、空洞最大深度为0.45m,初期进行支护、回填,后期衬砌过后进行灌注水泥砂浆过程中,极易发生堵管现象且吸浆量无异常偏大,极易达到结束标准,在后续检查孔的压浆试验数据中,几乎达不到设计要求合格的限值,且目前砂浆泵也无法长时间泵送掺砂量为50%的砂浆。

4.2 满足结束标准灌浆孔分析

试验段K31+173～K31+317结束标准均按照回填灌浆标准执行。

4.3 灌浆孔分析

a.试验段进行Ⅰ序孔钻进工作,按进入轮廓线10cm以上进行钻孔(孔深),Ⅰ序孔合计48孔,最大孔深0.69m,最小孔深0.64m,均符合设计蓝图要求,深入开挖设计轮廓线不低于10cm。

b.试验段进行Ⅱ序孔钻进工作,按进入轮廓线10cm以上进行钻孔,Ⅱ序孔72个,最大孔深0.69m,最小孔深0.64m,均符合设计蓝图要求,深入开挖设计轮廓线不低于10cm[5]。

4.4 取芯孔分析

灌浆结束后采用单孔注浆量较大孔位附近钻孔取芯的方法检查秦岭输水隧洞塌腔区回填灌浆施作情况,选取满足试验段注浆量大的孔位作为取芯孔。根据灌浆施工成果分析表数据,选取93单元Ⅱ-12-3、94单元Ⅱ-10-3两个孔附近作为取芯孔[6]。取芯结果见表3和图4、图5。

表3 取芯孔情况统计

图4 12-3孔内部情况及取芯

图5 10-3钻孔深度及孔内情况

5 结 论

在初期施工挖掘阶段的节理裂隙不发育—较发育,其拱部的岩体整体完整性好—较差,拱部围岩的整体稳定性一般—较差,地下水较发育,受岩爆影响,拱部10点钟至2点钟范围出现坍塌、掉块现象,塌腔最大深度为0.74m,拱部开挖轮廓线以外10cm采取塌腔区回填灌浆,沿用0.2～0.3MPa压力作为灌浆结束标准。试验结果表明:

a.10%的掺砂量在注浆过程中和正常水泥净浆的效果基本一致,且检查孔的压浆试验数据也相对较小。

b.30%的掺砂量注浆过程中偶尔存在堵管现象,且在后期进行检查孔压浆时,注入量较10%有上升趋势但满足设计要求标准。

c.50%的掺砂量在灌注过程中极易发生堵管现象和注不进即结束的现象,且在质量检查的过程中,数据几乎要超过设计要求合格的限值,在后期秦岭输水隧洞掘进段的塌腔、空腔地段容易出现质量检查不合格的现象。

根据灌浆成果表分析及以上试验结果得出:

a.试验段初期掘进过程中围岩相对较完整,塌腔、掉块较小,裂隙水发育,注入量没有异常现象,段落对比效果不明显。

b.掺砂量与灌浆效果呈现一定的负相关性,综合考虑投资、施工等多种因素,可以采用在水泥净浆中掺入水泥重量30%的砂来进行回填灌浆。

c.秦岭输水隧洞后续掘进段塌腔主要集中分布在拱部范围以内,采用Ⅰ序孔水灰比0.5∶1、Ⅱ序孔水灰比1∶1进行施工。