16岩溶隧道劈裂注浆固结流塑粘土和管棚支护开挖工法.docx
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16岩溶隧道劈裂注浆固结流塑粘土和管棚支护开挖工法
岩溶隧道劈裂注浆固结流塑粘土和管棚支护开挖工法
（YJGF-08-94）
铁道部第五工程局
隧道通过石灰岩岩溶地层，由于岩溶发育，并充填大量流塑粘土，围岩自稳能力极差，开挖时极易发生突泥涌水，危及施工与人身安全，洞内突泥常有补给来源，浅埋隧道洞内与地表互相联通，地表反应敏捷，产生陷坑，地下水位急剧下降，井泉干涸，破坏生态平衡，影响工农业生产与当地居民的生活。
以本工法技术为基础的综合整治，旨在解决这一技术难题。
衡广复线南岭隧道施工中，采用高压劈裂注浆及长管棚支护为主的一整套综合技术，成功地整治了南岭隧道严重突水涌泥和大面积地表坍陷的复杂岩溶地段。
使流塑粘土被高压劈裂注浆成功地固结成近似Ⅱ类围岩的注浆土体，在此基础上成功地施作长管棚，起到超前支护的作用，在技术上是一次突破，开创了我国铁路施工先例，在经济上也具有重大意义。
南岭隧道高压劈裂注浆及长管棚为主综合整治技术已获部级科技成果鉴定，并获1991年铁道部科技进步一等奖，1993年国家科技进步三等奖，其中多项成果已编入铁道部的相关技术标准规范。
我局据此关键技术，总结经验，开发本工法。
一、工法原理与特点
（1）劈裂注浆加固机理，劈裂占主导作用，同时存在着充填和挤密作用，还存在离子交换和化学凝结作用。
流塑泥在高压力的浆液作用下，在土体压裂区中，形成浆脉网络，浆脉一方面充填和挤密土体，使流塑泥充分得到压密脱水固结为硬塑粘土，另一方面起着土体骨架作用，从而改变土体对外力的反应机制，使土体的变形受到约束，从而提高了围岩的强度、稳定性和抗渗性能。
（2）管棚支护是隧道通过软弱破碎岩体，流塑状粘土、岩溶充填流泥、流沙等不良地质地段，开挖时的一种超前支护。
是沿隧道衬砌外缘一定距离打入一排或数排排列有序的纵向钢管、开挖后即架设拱形钢架支撑。
形成牢固的棚状支护结构。
插入管棚钢管之前，根据地质情况，采用高压劈裂预注浆，固结软弱围岩，应能满足插管、开挖爆破、强度和稳定性的要求。
插入管棚钢管之后，再给管内注浆以提高钢管强度和刚度，并充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与围岩固结紧密。
（3）劈裂注浆技术是隧道岩溶流塑粘土综合整治的基础。
根据实际注浆与管棚效果，采用相应的开挖方法，改善衬砌受力状况，并达到防止洞内突泥涌水、地表沉陷和保证施工与人身安全的目的。
（4）在劈裂注浆固结围岩与管棚支护下，可采用大断面或半断面开挖，也可以防止地表下沉和围岩坍塌，有利于改善衬砌受力状况，增加隧道的长期稳定性。
（5）通过注浆与管棚钻孔，可作为地质预探预报的手段，进一步查明地质情况，为改善施工设计提供依据。
（6）劈裂注浆施工，工期短、效果好、费用省。
对浆液材料性能要求不高，悬浊液型的水泥浆或水泥、水玻璃的双液浆，适用于流塑粘土。
它具有凝结时间可控，固化后强度高，稳定性较好，操作容易，料源广泛，价格较低，对环境一般不产生不利影响等特点。
管棚施工机具设备简单，价格低廉。
用国产钻孔机可钻直径80~300mm，深45m的水平钻孔，质量和精度能满足设计要求。
（7）按照设计要求，在注浆范围内的流塑粘土经过劈裂注浆，达到整体固结，力学性能符合标准。
按照设计要求管棚钻孔成型，并将钢管安设就位，误差在允许范围内，是劈裂注浆和管棚施工的关键技术。
二、适用范围
本工法可用于各种类型的山岭隧道和地下工程。
适用于本工法的地层为铁路Ⅰ、Ⅱ类软弱围岩的单、双线隧道、公路隧道以及地下铁道等。
劈裂注浆技术，也可单独应用于固结其它类别的软弱围岩，如岩溶流塑粘土、淤泥质土、粉砂、细砂以及其他渗透性弱的各类颗粒状土。
三、施工工艺及流程
（一）劈裂注浆（见图1）
（1）施工前准备：
地质调查，洞内外观测。
隧道衬砌结构与钻注设计。
注浆材料。
钻注机械。
（2）止浆岩盘或止浆墙：
一般较完整的灰岩预留5m岩层作止浆岩盘。
基岩破碎时需设置2m厚的混凝土止浆墙，墙身嵌入围岩0.3~0.5m。
（3）钻孔
1）埋孔口管，并安装球形闸阀，以防止与封闭钻孔中可能出现的突泥涌水。
2）钻机选用：
按地质条件、孔位、孔深选择钻机。
钻孔直径一般为直径108mm，后半部变径为直径89mm。
3）钻机定位与钻进：
钻孔定位开孔误差50mm，钻进中准确控制钻机立轴方向，确保全孔钻进方向（水平偏角），高差（仰俯角）符合要求，首先要保证孔口2m长度的方向准确。
4）扫孔钻孔：
注浆固结后的再次钻进，注意观测，以便调整注浆工艺与参数。
5）钻注顺序：
钻孔→遇岩溶突泥涌水，停钻注浆（停8h）→扫孔钻进，又遇突泥涌水，停钻注浆（停8h）→反复钻注至终孔。
（4）注水试验
1）成孔后先注水数分钟，注水量由小及大，测定吸水量，清洗裂隙。
2）投放连通试料，加水压注，做连通试验。
（5）注浆方法
双液注浆系统（见图2）
1）分段注浆法，根据钻孔的地质条件，可分别采用全孔一次注浆和前进式、后退式分段注浆方法。
遇岩溶发育，已经或有可能突泥涌水时，则采用前进式分段钻注，逐步往前推进，封堵突泥涌水。
2）同步注浆法采用一机多孔或多机多孔施行同步注浆，要求高度集中统一指挥，根据各种反馈信息，采取调控措施，提高注浆质量，加快工程进度。
3）钻注原则
①先外后内：
先从断面外侧，逐步向中间或内侧钻注。
②先疏后密：
每排孔采取间隔式钻注后，再补注中间的加密孔，逐步形成帷幕。
③外密内疏：
毛洞四周布孔较密，隧道断面内布孔少而疏。
④反复钻注：
注浆段各注浆孔均应根据进浆情况反复钻注，保证固结范围达到设计要求。
⑤开孔诱导：
注浆时在需要重点加固处设置通气诱导孔，诱导浆液至设计范围，并适时关闭诱导孔。
4）浆液类型
①水泥浆或水泥水玻璃双液，胶凝时间通过控制体积比调整，必要时可适当加添加剂调整。
②根据注浆设计和注水试验及洗孔情况、泵送能力、注浆过程中注浆压力及进浆情况确定单液或双液。
③为消除地下水质与气温、水泥的影响，应进行现场配比试验，调整胶凝时间。
（6）注浆参数及注浆终结
1）注浆有效范围及注浆段长度：
流塑粘土劈裂注浆有效扩散范围为4~6m，注浆段长为40cm。
2）注浆孔布置：
注浆孔向隧道毛洞（隧道衬砌外轮廓）呈幅射状布孔，终孔位置应钻至隧道毛洞外5m，按3m间距布孔。
实践中应按岩溶地质、注浆扩散与充填情况，随时调整孔距或增减钻孔数。
3）注浆量：
岩溶地质复杂，只能估算被固结的溶洞泥体积乘以注浆率来控制注浆量。
注浆量计算公式：
Q=Vλ
式中Q--注浆量（m3）
v--注浆土量（m3）
λ——注浆率（与孔隙比、压缩指数、注浆压力及注浆方法等相关）。
单孔注浆量不能采取定量注浆方式，即不能以设计总注浆量除以孔数的平均值控制。
原则上根据进浆情况，以充填好岩溶为度，应采取定压注浆方式控制注浆量，允许实际注浆量与设计注浆量有出入，遇岩溶发育溶洞较大时，注浆量相差更为悬殊。
4）注浆压力，注浆压力为高压，对流塑粘土能产生水力劈裂，又控制浆液扩散至设计范围内。
注浆初始压力为2~2.5MPa。
注浆终压；隧道埋深及水头40~90m时，为4~5MPa。
执行注浆压力规定值时，可在规定值的上下限内调控。
5）注浆终结：
要求到达规定的注浆压力值，并稳压30min，若注浆段初始注浆孔或初始注浆面达不到规定压力值时，要求：
①注浆压力比注浆开始时大；
②单位时间的灌注量较开始时小；
③每孔的洗孔次数与每延米灌注量减少；
④钻孔注水试验不进水；
⑤孔口突泥涌水已被封堵；
⑥岩芯已由流塑粘土转变为固结。
（7）开挖与衬砌
1）注浆终结8h后，根据检查孔的固结土芯样试验，确定是否需施作长管棚或直接开挖。
2）一般采用分部开挖或半断面开挖方法。
3）及时采用喷锚支护与钢架支撑。
4）隧道衬砌采用先拱后墙法。
复合衬砌内层先墙后拱或连续灌法。
（二）长管棚（见图3）
1.开挖管棚工作室
（1）工作室应选择靠近岩溶、围岩稳定、距管棚设计位置地点，以缩短管棚长度，同时确保管棚嵌入完整围岩2m，在软弱围岩中开挖工作室，要加强支护，必要时作混凝土衬砌。
（2）为便于架设钻机，安设钢管，工作室应挖至隧道开挖线以外1~1.5m，最低钻孔以下1m。
（3）如工作室在起拱线以上半断面，一次开挖成型，净孔高，跨度大，工期长，不安全。
因此，宜分步开挖，分步施钻。
即先在两边拱脚分别开挖两个工作室Ⅰ，进行钻孔、安管、注浆之后，再开挖工作室Ⅱ（见图4）。
当开挖工作室Ⅱ时，可弃碴于两拱脚工作室Ⅰ，这样既减少开挖工作量，减少搭拆平台，又便于移动钻机，有利于钻孔作业。
2.搭设平台、安装钻机、测定孔位
（1）搭设钻机平台，钻机平台尽量一次搭好。
钻孔顺序，由高孔位向低孔位进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，使于钻机定位、定向。
（2）两台钻机可平行作业，互不干扰。
（3）安装钻机、钻进前，掌子面精确定孔位。
钻孔平台要稳固。
钻机安装要牢固。
钻机距掌子面，一般不超过2m。
（4）钻机定位要确保钻杆轴线与管棚设计轴线相吻合，钻孔方位要求与隧道中线平行。
同时考虑钻进后，钻杆逐渐增长，引起自重增加所产生的下垂，所以施工仰角要较设计值提高一定数值。
3.钻孔
（1）主要参数：
管棚长度一般为10~45m。
钢管直径一般在80~180mm之间选用。
钢管间距，净距一般为30~60cm。
（2）钻孔应比管棚设计直径大20~30mm，便于插管。
钻头则按氧焊法把6~8颗YG8钨钴合金钢粒焊在厚壁钢管上而成（见图5）。
（3）围岩注浆固结好或岩质较好可一次成孔，局部注浆效果不好的，钻进时可能产生坍孔、卡钻，则需补注浆后再钻进。
（4）钻进时遇未注浆之岩溶出现严重流泥或地质复杂带，不能钻进成孔时，一般应进行补注浆，待围岩固结后再钻进。
也可采用一步钻孔法，即不取岩芯，不回收钻头，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，并在钢管前端安装合金钻头（如图6）钢管随进度一根一根连续接长，直到设计位置。
可获得一次成孔40m的效果。
（5）地质钻机成孔质量好，钻孔深度可达40m以上；YQZ-100型重型风动钻机，适用于不超过15m的钻孔。
（6）钻机开孔时，要低速低压，待成孔1.0m后，压力可升至1.0MPa，遇软质围岩或流塑状粘土，改用低压钻进。
（7）钻孔测斜可用测斜仪量测，也可在钻进中，根据某些参数和钻孔反馈信息判断钻孔是否偏斜及调控措施。
4.安装管棚钢管
（1）根据设计，管径如采用80~180mm壁厚4mm以上碳素无缝钢管，每节管长4~6m。
每节钢管用8mm厚的管箍连接。
（2）15m左右一次成孔的短孔，可用人工将钢管直接插入钻孔。
（1）对20m左右成孔较好的钻孔，可用4.5kW卷扬机反压安装（如图7）。
（4）25m以上深孔，一般用钻机顶进，如遇故障，则需要清孔后，再将管插入。
（5）管节与管箍的丝扣应提前在专用管床上按规定加工。
5.安装管棚钢筋笼及管内外注浆。
管棚钢管安装好后，放置钢筋笼并注浆。
管内设置的钢筋笼，由四根长4m的螺纹钢筋
焊接在壁厚8mm、长8cm的管节上而成（见图8），钢筋直径、管节外径应根据管棚钢管直径大小而定。
钢筋笼在洞外提前预制，在工作面插入钢管时，将每节焊接起来，直至与钢管同长。
管内钢筋在隧道衬砌结构中是为了增加管棚刚度，钢筋接头可以不搭接。
在钢管钢筋笼安好后，进行注浆（钢管上预先钻成梅花形筛孔）。
可采用水泥浆或水玻璃双液压注，分二次进行，第一次对两个工作室1各个钻孔注浆；第二次对工作室Ⅱ各个钻孔注浆（见图4）。
四、机械设备（见表1）
注XY-2型等地质钻机，可用ZY-100-150型钻机代替。
这种钻机装在钻孔注浆台车（铁五局研制）上效果更高。
五、劳力组合
注浆、管棚施工具有工序多、工种杂、技术性强的特点，要求工人一专多能，既具有隧道工、钳工、起重工、注浆工的独立操作能力，又具有钻工及处理一般故障的能力。
三班制一台钻机作业劳动力组合见表2。
三班制双液注浆劳动力组合见表3。
六、质量控制
本工法除执行《铁路隧道施工规范》（TBJ204-86）和《铁路隧道工程质量评定验收标准》（TBJ417-87）以及《铁路隧道新奥法指南》等有关规定外，其质量控制方法如下：
（一）劈裂注浆
（1）检查孔取样检查：
注塑粘土固结体抗压强度检测：
判断、评定芯样的浆脉分布状况及其固结质量。
（2）检查孔注水试验，注浆前后注水量对比。
（3）仪器检测：
检测浆脉、土体状态。
（4）开挖直观检测与抗压强度检测。
（5）注塑粘土固结体抗压强度要求0.2MPa或根据设计确定。
（6）对注浆过程中的异常现象，如跑浆、压力骤增骤减、围岩扰动、变形等及时分析处理。
（7）对注浆质量的评估是一项复杂而细致的工作，除有详实的记录与原始资料外，还要掌握岩溶地质、水文地质、流塑粘土特点，掌握隧道结构设计与注浆设计，对注浆参数，注浆工艺进行施工全过程有效的调控，并凭借实践经验，方可对注浆质量作出正确的评估（见图9）。
（二）长管棚
（1）有关钻孔的几顶规定
1）孔口应置开挖轮廓线边缘。
2）仰角1°~1.5°。
3）钻孔最大下沉量及左右偏移量为孔长1%左右，并应控制在20~30cm以内。
（2）管棚钢管不得侵入隧道开挖线内；相邻的钢管不得相撞，也不得立交。
（3）管棚钻孔中应在开孔后2m处，孔深1/2处，终孔处三次进行斜度量测，发现误差超限，即改进钻孔工艺进行纠偏，至终孔仍超限时，则应封孔，原位重钻。
（4）钢管与管箍丝扣应上满，使各管节连成一体，受力后不致由连接处脱开。
（5）管棚钢管安装后进行注浆，注浆量一般按钻孔圆柱体的1.5倍，注浆压力一般应达到1.0~2.0MPa（压力值与筛管孔径有关）并稳压15min，若注浆量超限，仍未达规定压力，应继续注浆，但应调整浆液，直至符合注浆质量标准，方可终止注浆。
注浆质量标准，应是确保钻孔周壁岩体、钢管孔隙均为浆液充填，使管棚与围岩固结紧密，增强其整体性。
七、安全生产
本工法执行《铁路施工技术安全规则》（TBJ404-87），执行地质勘测钻孔有关安全规则，还应注意：
（1）对钻孔、管棚设备及施工操作，经常进行安全检查，洞内工作面窄小，施工人员多，应设置各种安全防护罩，电器部分应安装漏电保护器。
（2）每个钻孔都应视作补充地质探孔，并贯穿于施工全过程。
地质资料及时整理上报，为安全施工提供依据。
（3）钻孔作业抽换钻杆时，应防止钻杆被高压泥水冲出孔口伤人。
钻孔中发生大量突泥涌水时，应集中全力及时注浆封堵。
掌握好开孔与正常钻进的压力和速度。
防止断钻杆事故，钻孔中发生卡钻、掉钻、孔斜、坍孔等故障，要积极采取对策，尽快组织处理、抢修、打捞，防止人身事故，防止废孔与损伤钻机。
（4）加强统一指挥，在施工中发生异常情况时，听从机长指挥，及时处理，确保安全质量和工程进度。
（5）对注浆掌子面进行有效通风，操作人员应按劳动保护规定备防护口罩（带活性炭过滤器）、防护眼镜、橡胶或乳胶手套及专用袖套。
（6）眼睛、脸部或皮肤接触浆液时，应立即用清水或生理盐水彻底冲洗20min，严重者送医院治疗。
加强环境保护，对废液、冲洗废液的废水以及沾染有浆液的弃碴均应妥善处理。
（7）为保证劈裂注浆固结与管棚超前支护作用，隧道施工应注意：
1）弱爆破，短开挖，快支撑，快衬砌；2）加强拱部下沉、围岩收敛变形与应力量测；3）拱部开挖分段长度不宜超过1.5~3.0m，并应及时加钢架支撑和喷锚支护；4）要重视管棚钻孔所形成的预裂面，防止管与管之间和管棚下围岩突然坠落伤人。
八、经济效益和社会效益
以南岭隧道DK1935+690~+745长55m全隧突泥涌水最严重的地段为例：
（1）采用劈裂注浆管棚法实际发生费用493.70万元，与冻结法比选方案的概算报价1142.35万元相比，节省648.65万元。
（2）在劈裂注浆管棚支护下，施工安全可靠，顺利地进行了开挖和衬砌。
（3）施工工期比冻结法缩短6个月，确保了南岭隧道施工工期和衡广复线通车的总工期。
（4）开创了隧道施工的先例，拓宽了注浆、管棚技术在隧道施工中的应用。
（5）本工法在某些岩溶、软弱围岩的地下工程、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞等工程中推广与应用，取得了显著的经济效益和社会效益。
九、工程实例
南岭隧道DK1935+690~+745长55m，为全隧道地质复杂之冠。
该段管道大溶洞与隧道呈45°交角，为张性断裂带古暗河道，溶洞水平长达85m，高约10~16m,宽度30m，隧道穿越容洞达40m，隧道埋深87m。
1984年6月11日至11月26日相继发生三次大突泥涌水，共涌出流塑粘土11738m3，淹没隧道最大长度177m，地表同时出现大陷坑，面积1583m2，最深陷入15.67m，经铁道部主持三次技术攻关会议，对冻结法、化学灌浆法、旋喷法、电渗法、劈裂注浆管棚法等方案进行比较研究，决定采用劈裂注浆管棚支护综合整治（见图10、11、12）。
管道状岩溶大突泥整治概况：
整治原则是分而治之、层层堵截、综合治理。
采用洞内外六个工作面劈裂注浆固结流塑粘土，隧道拱部长管棚超前支护。
其主要工程数量：
注浆工程为6336.81延米/180个钻孔。
压注水泥9895.12t，水玻璃1070.42t，经检查孔取样检测，注浆质量良好，拱部原设计55根管棚减半为28根，总长594.13m。
劈裂注浆和管棚施工的主要成果
（1）成功地对大溶洞流塑粘土进行劈裂注浆，使土体力学性能改变，含水率递减，大幅度提高流塑粘土的承载力，从而满足了强度，稳定性、耐久性的要求（见表4）。
（2）溶洞开挖裸露之后，实践验证了劈裂注浆的质量，流塑粘土注浆脱水之后固结土体自稳性良好。
全洞开挖施工和边墙挖孔桩基础最深达16m，均无任何涌水突泥现象。
在注浆固结与管棚支护下，开挖净空宽度达13.12m，经受爆破震动，土体仍稳定，复合衬砌施工较顺利。
（3）管棚超前支护，极大地约束了拱部围岩的变形，实例拱腰最大位移值4.46mm，拱顶下沉值为5mm，较用导坑实测变形结果反馈计算值小约50%，保证了施工安全。
成功地跨越了40m的管道型大溶洞和长40m左右的断裂岩溶极发育浅埋区。
管棚对稳定围岩、控制地表沉陷效果十分显著。
管棚钢管基本达到平、顺、直，没有发生平交、立交现象，也没有侵入、远离管棚设计轮廓线。
施工精度达到设计要求。
（4）在实践基础上，从理论上分析研讨了石灰岩岩溶充填流塑粘土劈裂注浆的机理，积累了有益的经验。
（5）本工法在南岭隧道其它岩溶地段，及虎形坳隧道改造、重庆中梁山公路隧道、广州白云山公路隧道、云南老青山引水隧洞等地下工程应用获得成功，取得明显的经济效益与社会效益。
执笔：
谭毓浚
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