程儿山隧道出口F2断层破碎带施工组织设计Word格式.docx
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根据《程儿山隧道工程地质勘察报告》，钻孔将穿过和揭露的地层自上而下有第四系、下第三系并揭露部分白垩系下统地层。
详述如下：
1、第四系（Q）
第四系包括全新统坡积砂质黄土、上更新统风积砂质黄土，与下伏下第三系呈不整合接触。
砂质黄土浅黄、灰黄、淡黄色夹杂少量棕红色，含粉砂，土质疏松，垂直节理发育，稍湿～潮湿，局部夹有棕红色泥岩及砂岩块石；
下部含砂量较大，夹有砂岩及泥岩块石。
程儿山隧道冻结主要技术特征表
表3－1
项目
特征
隧道设计结构
开挖轮廓宽6.95m，高9.64m。
隧道高程
DK10+272处隧道底板高程为＋1705.74m，对应地面高程为＋1935.58m。
隧道底板深度
230m
冻结设计深度
236.5m
表土层厚度（Q＋E）
210m
冻结范围
以DK10+272处作为起始点，过32m断层破碎带核心段。
冻结方式
地面垂直群孔方式冻结，水平长度为DK10+278～DK10+234.2，共43.8m。
布孔方式
对DK10+272端头进行冻结封堵，延伸到DK10+278位置；
其余段采用群孔冻结方式；
通过断层破碎带核心段的DK10+240之后，向小里程方向维护冻结。
冻结壁厚度
封顶厚度10m，封底厚度6.5m；
端头封堵确保严密；
封正洞的侧壁，冻结壁厚度3.5m。
2、第三系（E）
岩性分别为泥岩、砂岩和砾岩，成岩性较差，手捏易碎，与下伏白垩系呈不整合接触。
泥岩：
棕红色，泥岩成分以粘土矿物为主，泥质结构，层状构造，成岩作用差，敲击易碎，岩芯呈饼状及短柱状，局部夹砂岩、砾岩薄层，强风化。
砂岩：
浅红色、砖红色，砂状结构，胶结差，钻孔岩芯呈散状及碎块状，成岩作用差，局部夹有薄层泥岩，强风化。
砾岩：
棕红色，砾石成分以石英岩为主，砾石含量约占55%，砾石最大粒径为10mm，泥质胶结，层状构造，成岩作用差，敲击易碎，岩芯短柱状为主，局部碎块状，夹砂岩薄层。
第四系和下第三系地层厚度约210m。
3、白垩系（K）
揭露白垩系下统地层厚度约26.5m，岩性为泥岩、泥灰岩、页岩及断层角砾等。
蓝灰色为主，隧道洞身分布，成分以粘土矿物为主，泥质结构，层状构造，成岩作用差，锤击易碎，夹有泥灰岩薄层，钻孔岩芯新鲜面呈短柱状及饼状，暴露后极易风化崩解。
泥灰岩：
蓝灰色为主，呈薄层状分布，成分以粘土矿物和石灰质的混合物组成为主，隐晶质化学结构，层状构造，成岩作用差，锤击易碎，钻孔岩芯新鲜面呈短柱状及饼状，暴露后极易风化崩解，强风化。
断层角砾：
分布于F2断层破碎带内，蓝灰色、灰黑色、褐黄色，角砾成份主要由泥灰岩、页岩、泥岩及砂岩等组成，局部夹有构造岩透镜体，其内页岩、泥岩几乎呈土状。
（三）构造特征
1、褶皱：
程儿山背斜
该背斜走向近南北向，长约10km，宽约6km。
两翼平缓，倾角一般10°
～15°
，两翼地层为下第三系砂岩夹泥岩，核部地层为白垩系泥岩、泥灰岩、页岩。
2、断层：
F2断层
F2断层为一走向近南北、倾角达67°
以上的高角度正断层。
该断层宽度预计32m，断层内为灰黑色的断层角砾，为断层破碎带，岩性主要由泥灰岩、页岩、泥岩及砂岩组成，局部夹有构造岩透镜体，其内页岩、泥岩几乎呈土状，具胶结。
（四）水文特征
隧道洞身地下水与大气降水有直接的水力联系，表现为季节性特征，根据其赋存类型可分为孔隙水、裂隙水和构造裂隙水。
孔隙水、裂隙水分布在隧道广大地区。
孔隙水主要分布于成岩作用较差的下第三系砂岩，裂隙水主要分布于白垩系砂岩夹泥岩、泥灰岩夹页岩。
构造裂隙水，主要分布在断层带及节理密集带，地下水主要以脉状裂隙水为主。
隧道区总体以贫水～弱富水为主。
四、设计方案
（一）钻孔布置
采用群孔冻结的方式布孔，分为边排孔、内排孔、封头孔。
在沿隧道两侧DK10+278～DK10+234.2范围内各布置一排边排孔各28个（分别为A、E排孔）；
沿隧道布置3排内排孔各11个（分别为B、C、D排孔）；
在DK10+272处垂直隧道布置两排封头孔共12个（F排孔）。
共布置冻结孔101个。
钻孔布置参数见表4－1和图4－1。
（二）钻孔技术要求
1、钻孔结构
根据冻结管、测温管规格，同时考虑到下部断层破碎带的灌注浆工作（不仅早期施工的部分钻孔需要进行灌浆和旋喷注浆，而且后期施工的钻孔也有灌浆、注浆的可能），确定钻孔孔径为Φ216mm。
对于灌、注浆的钻孔，固管段下Φ194mm套管，固管段以下换径为Φ165mm。
钻孔布置参数表
表4－1
序号
项目名称
正洞
1
冻结区域（m）
DK10+278～DK10+234.2
2
设计冻结深度（m）
236.5（暂定）
3
冻结壁厚度（m）
（顶/帮/底）
10/3.5/6.5
4
冻结孔排数（排）
5
冻结孔排间距（m）
2.74
6
外排距荒径（m）
7
孔数（个）
101
8
冻结孔间距（m）
边排孔
1.62
内排孔
3.16～3.2
封头孔
1.56
9
测温孔
个数（个）
236.5/6，下Φ108×
5mm测温管。
总长（m）
1419
10
钻孔偏斜率（‰）
钻孔偏斜率小于2.5‰，外排孔内偏小于200mm。
11
管材规格（mm）
冻结管采用Φ140×
5mm，供液管采用Φ76×
5mm聚乙烯塑料管，内管箍连接。
12
冻结孔工程量（m）
23886.5
13
钻孔总工程量（m）
25305.5
2、钻进方式
为加快钻进速度，节约成本，所有钻孔均采用无芯钻进。
3、钻孔垂直度
4、水文工作
钻进过程中要做好泥浆消耗量观测与记录，尤其是第一组孔钻进至断层破碎带位置，会出现泥浆大量漏失。
当出现大量漏浆时立即停止钻进，准备灌浆。
五、施工方法及工艺
（一）施工设备
1、钻探设备
为满足本工程施工需要，采用石家庄煤矿机械厂生产的TSJ－2000A型钻机5台，4m×
6m底盘、22m四角钻塔5座。
每台钻机配1台TBW－850∕5泥浆泵。
钻具采用Ф89mm钻杆，Ф165mm及Ф121mm钻铤，Ф216mm及Ф165mm牙轮钻头。
2、测斜纠偏设备
测斜仪器：
钻孔的测斜及定向采用北京建井所生产的JDT－5和JDT－6型陀螺测斜仪、定向仪。
纠偏钻具：
采用邹城市东远石油机械有限公司生产的5LZ146×
7.0型及5LZ120×
7.0型螺杆钻具进行纠偏钻进。
3、供电设备
每台钻机装机容量150kVA。
5台钻机总装机容量750kVA。
注浆站
的装机容量在200kVA左右。
注浆站用电不纳入用电量计算，因为在注浆站运行时，会有一到两台钻机在停钻灌注浆。
另外辅助设备，如电焊机、潜水泵、PN泵及照明用电等按100kW计。
用电设备的总装机容量为850kW。
各用电设备的实际耗用功率按65％计算，其实际耗用功率约为552.5kW。
供电设备由兖矿新陆建设发展有限公司提供。
（二）施工方法及工艺
1、施工方法
程儿山隧道冻结工程，属于事故修复冻结工程。
隧道遇F2断层后，断层带及上部坍塌物大量涌出，其涌出量达3000m3之多。
由于大量的泥砂涌出，不仅使断层内的破碎物变得疏松，而且会在断层带上方形成较大的坍塌空洞，甚至坍塌高度能达30～50m。
这给冻结孔的施工带来很大的难度。
在这种情况下，要想成功地施工冻结孔，必须解决两个问题：
一是空洞的充填；
二是疏松的破碎带及坍塌物的胶结。
通过充填和胶结来改变地层的现状，为冻结孔的施工创造必要的条件。
要解决上述两个问题，所采取的方法是：
通过孔口低压灌浆（水泥浆）来充填空洞和堵漏；
通过孔内旋喷注浆来胶结疏松的破碎物。
2、施工工艺
（1）第一组钻孔施工
在F7～F12冻结孔中选择2个孔；
在C3～C8冻结孔中选择2个孔；
在B组和D组中选择2个孔（尽量靠近F组钻孔）。
共计6个孔。
第一组钻孔的主要任务是灌浆充填空洞；
其次是旋喷注浆胶结疏松的破碎物。
为实现灌浆目的，第一组钻孔开孔直径Φ216mm，在正常情况下钻进至孔深200m下Φ194mm套管（不固管，在孔口固定）；
在坍塌较高的部位，有可能提前30～50m就见到空洞，此时不再向下钻进，就在该深度下套管，进行灌浆。
灌浆结束后，换Φ165mm钻头钻进。
钻进过程中出现漏浆，再进行灌浆。
在不漏浆，但出现坍塌或加不上尺时，则采取旋喷注浆的方法来解决。
重复以上工序，直至钻孔达到设计深度（236.5m），下放冻结管，第一组孔施工完毕。
（2）后续孔施工
第一组孔施工结束后，断层带上方的空洞会得到有效充填。
断层带的漏失也可能得到了缓解，大部分钻孔的漏失量会降低。
对于漏失量较小的钻孔可采取加浓泥浆的办法解决；
对于坍塌、漏失较严重的钻孔，则采取旋喷注浆的方法来解决；
对于残存空洞，掉钻严重的钻孔，则采取下管灌浆的方法来解决。
施工过程中，有可能大部分钻孔过断层带时，都需要旋喷注浆才能通过。
由于旋喷注浆占用时间较长，为缩短工期，旋喷注浆后立即移孔开新孔。
新孔旋喷注浆后，再移到老孔，循环施工减少等待时间。
钻孔在接近终孔时出现漏水，如果能顺利加尺，可尝试顶漏钻进。
但顶漏钻进时间不能超过2小时。
否则，可用水泥球进行堵漏处理。
（3）质量控制
要保证钻孔的质量，即要确保钻孔的偏斜在设计要求范围内。
为保证钻孔的垂直度，必须搭配好钻具组合，如使用足量的钻铤并使用合理的钻进参数，要求每30～50m测斜一次，发现钻孔偏斜有超限趋势，立即进行纠偏，并加密测斜次数。
待纠偏成功后才转入正常的钻进，从而保证钻孔落点在要求的设计范围之内。
现将各段钻具组合分述如下：
第一组钻孔套管段钻进的钻具组合为：
133×
133mm主动钻杆Φ89mm钻杆Φ165mm钻铤
Φ216mm牙轮钻头。
第一组钻孔套管段纠偏的钻具组合为：
133mm主动钻杆Φ89mm钻杆Φ146mm螺杆钻
第一组钻孔灌浆段钻进的钻具组合为：
133mm主动钻杆Φ89mm钻杆Φ121mm钻铤
Φ165mm牙轮钻头。
第一组钻孔灌浆段纠偏的钻具组合为：
133mm主动钻杆Φ89mm钻杆Φ120mm螺杆钻
后续钻孔钻进的钻具组合为：
后续钻孔纠偏的钻具组合为：
六、灌注浆施工
（一）灌注浆设施
集中建一注浆站，用以灌浆、旋喷注浆。
受场地限制，布设2个一级搅拌池和1个二级搅拌池（一级搅拌池2.5m3，二级搅拌池5m3），安装2个50t散装水泥罐，配备2套射流制浆设备，构成2套制浆系统。
注浆选用2台NBB－390～52/11～8泥浆泵，制浆选用2台NBB－250∕6泥浆泵，铺设1条注浆管路，组成1套注浆系统。
（二）灌注浆材料
本次灌注浆所采用的浆液主要是单液水泥浆。
若在挡水墙处浆液流失严重，经多次灌浆效果不明显时，可考虑使用双液浆（水泥、水玻璃）。
在灌浆时，所用单液浆不添加任何添加剂；
在旋喷注浆时为加快浆液的固结速度，按水泥重量的0.5%、0.05%添加食盐和三乙醇胺。
灌浆所采用的浆液密度一般在1.7～1.8g/cm3；
旋喷注浆时所采用的浆液密度一般控制在1.6～1.7g/cm3之间。
使用双液浆时，其浓度据现场小样试验的结果而定。
所需的材料用量见表6－1。
注浆材料用量预计
表6－1
名称
规格
用量
（t）
水泥
32.5R
3500
水玻璃
36~38B'
e
200
食盐
工业级
三乙醇胺
0.5
（三）灌注浆方法
1、灌浆
第一组钻孔下完套管后，开始充填灌浆。
灌浆是在低压（孔口无压）情况下进行的。
对每次灌浆的量不做具体规定。
在隧道口处不泄漏，水泥又供得上的情况下可一次灌浆200～300m3。
但灌浆压力达到0.5MPa时，即结束灌浆。
灌浆后16～18个小时下钻试探孔内空洞的充填情况及漏水情况。
如果仍有空洞，或漏浆严重，则需继续灌浆，直到填满空洞，漏浆轻微再恢复钻进。
当再次出现掉钻，或严重漏浆时，则再次灌浆。
灌浆过程中，隧道内应派专人观察，当出现挡水墙有变化或漏浆严重等意外情况及时通知，以便立即采取相应措施。
2、旋喷注浆
钻孔通过灌浆处理后，会出现不漏浆孔壁坍塌的情况，在断层带钻进钻孔坍塌是必然的。
对于钻孔坍塌不漏浆可采用旋喷注浆方法通过。
旋喷注浆长度以立轴长度为准。
正常情况下一次旋喷注浆的量控制在2～3m3，具体视孔内情况而定，当钻孔坍塌严重、孔径较大时可适当增加旋喷量。
（四）灌注浆工艺
1、制浆
射流制浆设备主要由一台TWB－250∕6泥浆泵、一个进料漏斗和一个喷嘴组成。
制浆时，泥浆泵通过管路将高压水送至喷嘴，与此同时，散装罐内的水泥直接通过漏斗进入喷嘴附近。
在高压水的射流作用下，水泥与水迅速混合，形成水泥浆。
制成的水泥浆直接进入一次搅拌池。
在一次搅拌池中测试，并调整浓度。
然后，送入二次搅拌池中缓存，以备注浆。
2、灌注浆
灌注单液水泥浆时，NBB－390～52/11～8注浆泵一台运行，一台备用；
灌注双液浆时，同时运行两台NBB－390～52/11～8注浆泵，其中一台水泥浆泵，一台水玻璃泵。
灌浆：
单液水泥浆采用孔口用法兰盘对接、中间夹胶垫密封的孔口灌浆工艺；
双液浆采用双路送浆，孔底混合的注浆工艺。
灌注浆过程中的具体要求如下：
（1）灌注浆设备安装在平整的场地上，要求设备周正、牢靠。
电气设备要有合格的接地。
灌注浆泵装有合格的压力表，压力表量程不大于6MPa。
（2）灌注浆系统在正式投入使用以前，必须进行运行试验，以检查注浆系统的可靠性。
灌注浆管路的压力试验要求达到注浆压力的1.2～1.5倍以上，试验时间不少于20min。
（3）灌注浆泵管路要做通水试验。
灌注浆前，做通水试验，观察压力表反映，在泵量390L/min时，无压力反映。
（4）每次灌浆结束后，要用大泵量冲洗管路，防止水泥浆沉淀堵塞管路或造成管路压力损失，给灌浆造成判断失误。
（5）旋喷注浆是断层钻进的主要手段，旋喷注浆操作不当最容易造成事故，为此要引起足够的重视。
（6）为保证旋喷效果，使用横向喷嘴的，钻头喷嘴使用合金喷嘴。
（7）每台钻机配备1立根外平钻杆，钻杆长度18m（立根竖起后将方口连接处电焊焊死）。
（8）每次旋喷注浆前，算好机上余尺，保证一次旋喷达到最大长度。
（9）旋喷注浆时，转动钻杆与上提钻杆同步。
上提钻杆时，钻具下头不宜提出坍塌物。
（10）旋喷注浆时压力较高，一般控制在7～8MPa。
各接头处设置安全绳。
（11）双液注浆不安全因素较多。
稍有闪失，就有可能造成管路或孔内堵塞，酿成事故。
因此，首先要保证注浆系统正常。
注浆前必须对整个注浆系统进行全面检查，确认无任何问题后方可注浆。
在注浆过程中，一旦出现起压现象要立即停止注浆，并马上提塞，冲洗管路。
七、后续钻孔施工
后续钻孔按正常冻结孔施工，遇到断层破碎带加不上尺无法继续钻进时，可采用旋喷注浆法通过。
每个钻孔的施工都要经过以下过程：
①移位与找正；
②开孔与钻进；
③测斜与纠偏；
④下管与试压。
具体方法与工艺如下见图7－1。
图7－1冻结钻孔施工程序图
施工准备
钻孔定位找正
钻进
测斜不合格纠偏
合格
钻进
成孔
下管
拨管不合格试压
移位
（一）移位与找正
一个新孔开孔前，首先要将钻塔精确地移到孔位上。
其定位方法是在钻机转盘中心（十字线中心）采用铅锤吊线。
吊线的孔位误差不得大于20mm。
孔位确定后，要进行设备的找正。
即钻塔天轮中心、转盘中心与钻孔中心在同一铅垂线上。
（二）开孔与钻进
1、开孔
开孔是在找正的基础上进行的。
它是钻孔防斜的一个关键环节。
开直孔将为打直孔打下一个良好的基础。
但在开孔时，由于钻具头重脚轻极不稳定，往往出现孔斜。
为避免孔斜，开孔过程中要在立轴钻杆顶部设上稳定机构，且要轻压慢转，并在孔深5m以下开始使用和逐渐加长钻铤。
直到孔深达到20m使上一立根钻铤后，方转入正常钻进。
2、正常钻进
在正常钻进过程中一要防止孔斜，二要提高钻进效率。
要实现这两个目的，需在以下三个方面加强工作：
（1）正确选用钻头
钻进过程中首先要正确选用钻头。
正确选用钻头，不仅有利于提高钻进效率，而且对钻孔的防偏极为有效。
本工程的钻进地层以表土（砂质土）为主，基岩为白垩系地层，且为断层带，因此选用三牙轮钢齿钻头。
（2）采用合理的钻进参数
采用合理的钻进参数不仅能保持钻进的高效率，而且能有效地减少钻孔偏斜。
钻进中要精心操作，根据进尺速度准确判层，换层钻进时要合理使用压力。
软变硬时，降低钻压，待钻进0.5m后再恢复到该地层应使用的正常压力；
当硬变软时，适当减小压力，降低转速。
本工程采用的钻进参数见表7－1。
钻进参数表
表7－1
地层
钻压（N）
泵量（L/min）
转速（r/min）
泵压（MPa）
表土层
（砂质土）
3000～5000
≤850
110～190
基岩
（断层带）
4000～6000
80～130
3.5
（3）使用性能适宜的泥浆
使用性能适宜的泥浆对于冻结孔的施工是至关重要的。
施工中它不仅起到携带岩粉和护壁作用，而且其性能变化会对钻进效率和钻孔偏斜产生较大的影响。
本工程地质条件复杂，为确保施工安全、顺利，采用优质低固相化学泥浆，且施工中要加强对泥浆性能的测试。
一旦发现泥浆性能变差时，应立即进行调整。
尤其在断层破碎带内的钻进过程中，要切实做好泥浆的管理工作，以确保施工安全和冻结管的顺利下放！
所用泥浆的主要材料是膨润土，其添加剂为纯碱及水解聚丙烯腈。
要求的泥浆性能指标见下表7－2。
泥浆性能指标
表7－2
岩性
粘度
（s）
比重
（kg/m3）
失水量
（ml/30min）
含砂量
（%）
PH值
胶体率
砂层
20～25
1.10～1.15
≤20
＜3.5
7～9
＞98
粘土
18～20
1.05～1.10
19～22
1.05～1.15
（三）测斜与纠偏
1、钻孔测斜
钻孔施工过程中，要加强孔斜监测工作，以保证钻孔的垂直度及孔间距符合设计和规范要求。
测斜方法：
孔深60m以上采用灯光测斜，60m以下采用陀螺仪测斜。
测斜段距随钻孔偏斜情况而定，当钻孔近于垂直孔或偏斜较小的情况下，测斜段距可放到30～50m。
当钻孔偏斜接近限值、处在易斜段层位以及钻孔纠偏后，应根据实际情况加密测斜，严格控制。
施工过程中要定期对使用的仪器进行检查和校验，以保证仪器的精度和测斜资料的可靠性。
仪器校验要做好记录，以备后查。
钻孔终孔后要进行全孔系统测量，测距为20m。
并根据测斜结果，及时绘制钻孔偏斜平面图，用以指导相邻孔的施工。
2、钻孔纠偏
在钻孔测斜过程中，一旦发现孔斜有超限的趋势应立即进行纠偏。
我们常采用的纠偏方法有两种：
一是垫钻塔纠偏；
二是螺杆钻纠偏。
对于本工程，100m以浅采用垫钻塔纠偏；
100m以深采用螺杆钻纠偏。
（1）垫钻塔法纠偏
垫钻塔法纠偏的基本原理是人为将钻塔的某一部位垫起，使其歪斜。
利用钻塔的歪斜和设备不正，使钻具向钻孔偏斜的反方向造斜，从而达到纠偏的目的。
（2）螺杆钻纠偏
螺杆钻纠偏是最为有效的纠偏方法。
其基本原理是利用螺杆钻与弯接头构成的弯钻具，向钻孔偏斜的反方向造斜，来达到纠偏目的的。
（四）下管
冻结管下放是冻结孔施工的最后一道工序。
为保证冻结管安全、顺利、快速地下放到设计深度，应做好以下工作：
1、因本工程钻孔底部为断层带，孔底易出现塌落物。
为保证冻结管能下放到设计深度，钻孔终孔深度应比设计深度深1m左右。
2、为保证孔深的正确无误，每孔终孔后必须丈量钻具。
3、为减少孔底岩粉的沉淀量，确保冻结管下放到设计孔深，下管前应有不少于半小时的冲孔时间。
4、为防止泥浆吸卡冻结管，保证下管的安全，下管前应将泥浆调稀，其粘度不大于20s。
5、对于下Φ194mm套管的灌浆钻孔，为确保Ф140mm冻结管的顺利下放，不仅要求Φ194mm套管的焊接要尽量直，而且冻结管的焊接要尽量直。
6、钻孔下管前要提供下管通知单，内容包括孔号、孔深、测斜深度、偏率、偏值、偏向等。
经现场验收合格后，配合冻结单位进行下管工作。
八、工期
自开钻
升级会员 