隧道长管棚帷幕注浆处理大型充填富水溶腔施工技术.docx
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隧道长管棚帷幕注浆处理大型充填富水溶腔施工技术
隧道长管棚帷幕注浆处理大型充填
富水溶腔施工技术
〖摘要〗阐述了马鹿箐隧道正洞出口长管棚帷幕注浆处理大型充填富水溶腔施工技术，并对注浆效果进行了评价，总结了处理大型充填富水溶腔时的施工设计和施工工艺。
〖关键词〗隧道长管棚帷幕注浆大型充填富水溶腔效果评价
1工程概况
鹿箐隧道Ⅰ线隧道长7879米，隧道左侧30米设置平行导坑，并扩建为Ⅱ线隧道。
隧道内为单面坡，坡度为15.3‰。
隧道洞身通过广泛分布的可溶岩地层，溶岩发育强烈，水文地质条件，地质构造复杂。
正常涌水量170254m3/d,最大涌水量为823961m3/d.2006年1月21日出口平导PDK255+978掌子面发生突水。
为了保证施工和运营期间的安全，在隧道进口位于平导左侧20m设置泄水洞一座，全长4701m，。
进口工区在2008年4月11日发生突水。
其后又多次发生突水，进口突水跟降雨量联系密切。
1．21突水前，出口平导施作了11孔超前水平探孔，正洞施作了4孔超前水平探孔。
4.11突水前，进口泄水洞施作15孔泄水孔，平导施作12孔地质探孔、50孔泄水孔，Ⅰ线正洞施作12孔地质探孔及132孔帷幕注浆孔。
根据以上探孔、设计院综合物探资料、马2孔钻孔情况，分析得出溶腔基本情况是：
溶腔纵向长17～47m（正洞DK255+928～＋975长47m、平导PDK255+960～＋985长25m、泄水洞XDK255＋982.5～＋999长17m），横向宽大于55m，向下发育至隧底以下约50m，拱顶以上发育大于25m。
溶腔内的充填物性质为淤泥质黏土夹砾石，局部夹碎石、块石。
根据06年1月以来对多个水文观测点位以及降雨情况长期观测显示：
泄水前后马2孔水位标高由最大1130降至淤泥面1020以下，隧道内最大静水位压力由1.6MPa降至接近0MPa。
发生较大降雨后，进口泄水洞水量增加，泄水洞出水量与降雨量比较吻合；在强降雨后，溶腔内补给量很大，隧道出口会出现涌水，呈倒灌现象。
2施工设计
2.1注浆设计
根据溶腔内充填物质情况，为保证施工安全和工程后期使用，通过理论计算和工程类比，出口对DK255+978～+955段采取全断面5米加固圈帷幕注浆＋拱墙大管棚＋超前小导管预注浆的综合超前支护方式加固溶腔体。
注浆参数如表1所示.
表一注浆参数表
序号
参数名称
正洞
1
加固范围
DK255+955~+976段隧道开挖轮廓线外5m范围内的溶腔充填物
2
扩撒半径（m）
2m
3
前进式注浆分段长（m）
预设计3~5m（根据现场钻孔情况适时调整分段长度）
4
注浆压力（Mpa）
2.0~4.0
5
注浆速度（L/min）
5~100
6
围岩孔隙率（%）
（1）破碎围岩：
5~8%
（2）溶腔填充物：
20~30%
7
浆液充填系数
0.8以上
8
浆液损耗系数
0.1~0.2
在终孔设计时，为达到设计加固范围内溶腔体的加固要求，按照均匀布孔的原则，在终孔掌子面共需布置帷幕注浆孔98个，数量相当多，为了有效地减少钻孔数量、提高注浆效果、方便现场施工和降低工程费用，将设计的管棚孔部分兼用作注浆孔。
在开孔位置设计时，考虑到钻孔注浆平台的结构和钻机的性能，为了方便施工，同时使得每台钻机的工作量大致相同，防止管棚和注浆孔交叉，根据管棚孔和注浆孔的角度，将注浆孔大部分布置于管棚孔外围，只在管棚内布置少量水平注浆孔保证开挖断面的加固。
考虑到钻孔注浆平台的结构和钻机的性能，开孔位置进行现场布置。
最终设计帷幕注浆孔77个，管棚兼注浆孔21个，共计98个。
注浆孔开孔直径133mm，终孔直径93mm；孔口管采用Φ125mm钢管，管长2m，管棚导向管采用Φ150mm钢管，管长2m。
孔口管和导向管埋设牢固，并在管口焊接法兰盘，方便止浆。
2.2管棚设计
通过管棚进行注浆加固，一则增加管棚支护刚度，二则通过管棚注浆，加固管棚周围淤泥质粘土，形成连续密闭管棚喇叭桶形支护结构，避免或减少施工期间淤泥和岩溶水通过管棚间隙涌入开挖空间形成危害。
DK255+946～+978段拱墙设置超前长管棚预支护，管棚长32m，管棚外插角4°，钢管采用Φ108（壁厚10mm）热轧无缝钢管，每根钢管内设3根通长的Φ16钢筋，管棚施作完成后采用水泥浆全长封管；管棚孔环向间距0.3m。
兼作注浆孔的管棚孔共21个，该部分孔注浆完毕后再施作管棚。
设计参数：
①导管规格：
外径108mm，壁厚10mm，热轧无缝钢管；
②管距：
环向间距30cm；
③倾角：
外插角4°；
④注浆材料：
水泥单液浆和水泥－水玻璃双液浆；
⑤设置范围：
拱部及边墙；
⑥长度：
32m（DK255+978～＋946）。
⑦数量：
共97根管棚.其中21根管棚孔位（间距150cm）同时用于分段前进式帷幕注浆,其余孔位采用管棚安装完毕后一次性全孔注浆。
⑧钢筋笼：
钢筋笼主筋采用3Φ16，采用Φ42钢管（壁厚3.5mm）作固定环，固定环节长5cm，与钢筋笼主筋焊接。
钢筋笼示意图
3施工组织
3.1前期准备工作
（1）注浆前，DK255+978向大里程方向的洞室扩挖要完成，初期支护必须按设计施做到位。
（2）将DK256+060～DK255+978段仰拱及填充施工至水沟底面标高位置。
其中DK255+978～DK255+971段范围内安装钻孔平台9根立柱处要预埋钢板，预埋钢板的埋设直接影响钻孔平台的搭设，必须精确定位。
（3）根据现场情况安设注浆孔口管，用全站仪以坐标法在工字钢架上定出其平面位置；用钢卷尺配合设定孔口管的位置。
孔口管应牢固焊接在钢架上，防止浇筑混凝土时产生位移。
（4）施作止浆墙护拱。
凝土止浆墙作为长管棚和注浆孔口管的导向墙，在钻孔注浆工作洞室开挖廓线以内水沟底面以上范围施作，断面尺寸为11.5m（宽）×12.4m（高），护拱内埋设前后两榀定位钢架，采用钢筋支撑，钢架、钢筋与管棚导向管、帷幕注浆孔口管连接成整体。
导向墙厚2m。
为确保钻孔台架的整体稳定性、优化结构受力，钻孔台架大梁伸入锚固于止浆墙0.8米
止浆墙施工工艺流程如下图：
（5）组装钻孔平台。
由于钻机钻孔数量较多，钻机钻孔角度和高度有限，为方便施工，注浆钻孔台架设计为可升降移动式平台型，台架采用175型钢组装，升降平台采用[14槽钢组装。
台架要支撑稳固，连接处固定要牢固、稳定，防止在施钻时钻机产生变形、摆动、位移而影响钻孔质量。
（6）钻孔注浆主要机具、设备安装到位
3.2帷幕注浆
采用开挖轮廓线外5米加固圈全断面帷幕注浆预加固，注浆长度23m，固结里程DK255+978～+955，注浆方式采用分段前进式注浆。
3.2.1注浆材料
注浆材料以水泥单液浆为主，水泥－水玻璃双液浆、超细水泥浆液作为补充，其中水泥单液浆、水泥－水玻璃双液浆中水泥基材料采用42.5R普通硅酸盐水泥。
注浆材料配比如下表所示。
浆液配比表二
序号
名称
浆液配比
1
水泥单浆液
W:
C=0.6:
1～1:
1
2
水泥－水玻璃浆双液
水灰比W:
C=0.6:
1～1:
1
水玻璃浓度35Be’
水泥浆：
水玻璃体积比C:
S=1:
0.3～1:
0.5
3.2.2注浆工艺
（1）采用分段前进式注浆方式进行钻孔注浆施工，前进式注浆时，预设计分段长度3～5m，根据现场钻孔情况适时调整分段长度。
（2）注浆外圈孔（5、6、7序孔）按照定量原则进行注浆，注浆量按照溶腔发育范围3m3/米，严格控制扩散范围。
内圈孔（1、2、3、4序孔和管棚孔）按照定压原则进行注浆。
（3）孔口位置应准确定位，每钻进一段，检查一段，及时纠偏；
（4）注浆孔开孔直径133mm，终孔直径93mm；
（5）钻孔与注浆顺序由外向内，同一排（圈）孔间隔施工；
（6）采用孔口管安装法兰盘进行注浆施工；
（7）在钻孔过程中遇到较大突水时，应立即停止钻孔进行注浆；
（8）施工中，一个孔段的注浆作业要连续进行直到结束，对于因实行间歇注浆，制止串浆冒浆等而有意中断，则应先扫孔至原设计深度以后进行复注
3.2.3注浆过程控制
（1）注浆过程中，要随时注意泵压及流量变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间上不去，应查明原因，如工作面漏浆，可采取封堵措施，如跑浆可通过调换浆液种类、调整浆液配合比等措施，必要时采用间歇注浆，以达到注浆目的；
（2）对注浆过程中发现有大的空洞等，可首先注水泥砂浆或混凝土，后注水泥浆；
（3）注浆过程中严格控制施工顺序，按照设计方案及相关规定、规范实施。
3.2.4质量保证措施
（1）严格按照设计参数进行钻孔。
钻孔孔位及角度偏差符合相关规范规定，以保证注浆范围及效果。
（2）注浆材料要满足设计要求，注浆前对水泥等注浆材料进行检查。
（3）浆液配比要符合设计要求，
（4）浆液搅拌要均匀，水泥浆搅拌时间为3～5分钟，不得超过30分钟，未搅拌均匀或沉淀的浆液严禁使用。
（5）注浆过程中，时刻注意泵压和流量的变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间不上升，查明原因，如工作面漏浆，可采取封堵措施。
如跑浆可通过调换浆液、调整浆液配比，缩短浆液凝胶时间，进行大泵量、低压力注浆，必要时采用间歇注浆，以达到控制注浆目的。
（6）注浆过程中压力突然升高，及时查找原因，进行处理。
（7）现场配置备用注浆泵，一台泵发生故障时，立即换上备用泵继续注浆。
（8）注浆过程中，保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断。
（9）注浆过程中根据钻孔情况，及时调整前进式注浆分段长度，遇到大的出水时应立即进行注浆。
（10）严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业，如未达到注浆结束标准时，进行补孔注浆。
3.3大管棚施工
施工工艺流程如图所示。
超前大管棚施工工艺流程图
3.3.1钻孔
（1）钻头直径采用Φ93mm。
（2）管棚间距30cm，内轨标高以上拱墙设置，共90根管棚.其中30根管棚孔位（间距90cm）同时用于分段前进式帷幕注浆,其余孔位采用管棚安装完毕后一次性全孔注浆。
钻进时产生坍孔、卡钻时，需补注浆后再钻进。
用于分段前进式帷幕注浆的管棚孔待注浆完成后再按照以下工序施工：
钻孔安装管棚全孔注浆。
（3）钻机开钻时，应低速低压，待成孔后可根据地质情况逐渐调整钻速及压力。
（4）认真作好钻进过程的原始记录，及时对孔口岩屑进行地质判断、描述，作为注浆和洞身开挖时的地质预测预报参考资料，从而优化注浆方案、指导洞身开挖。
3.3.2安装管棚钢管
（1）大管棚长度较长，施工过程中将钢管棚分节钻进，分节长度3m及4.5m两种。
第一节分别间隔钻入3m和4.5m长管段，以后全部钻入3m管段，确保同一断面内接头数量不超过50％。
前后管节采用丝扣连接方式。
（2）管棚在专用的管床上加工好丝扣，导管四周钻设孔径10mm注浆孔（靠孔口处的1节管段不钻孔），孔间距15cm，呈梅花型布置。
管头焊成锥形，便于入孔。
（3）棚管顶进采用管棚机直接顶进。
钻机钻杆和管棚连接采用专门加工的钻头。
（4）安装钢筋笼，钢筋笼搭接长度不小于10cm.
3.3.3注浆
兼作注浆孔的管棚孔共21个，该部分孔注浆按照帷幕注浆施工。
其余管棚在安装好有孔钢花管并放入钢筋笼后即对孔内注浆。
注浆材料：
水泥单液浆。
注浆量应满足设计要求，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。
3.3.4施工控制要点
（1）钻孔前，精确测定孔的平面位置、倾角、外插角，并对每个孔进行编号。
（2）钻孔外插角4°，施工中应严格控制钻机下沉量及左右偏移量。
（3）严格控制钻孔平面位置，管棚不得侵入隧道开挖线内，相邻的钢管不得相撞和立交。
（4）掌握好开钻与正常钻进的压力和速度，防止断杆。
4注浆效果评定
4.1注浆量、注浆压力分布法
在整个注浆过程中，详细记录了每个注浆孔的注浆量和注浆压力，最后绘制效果图，从效果图看出：
（1）开挖轮廓线外注浆量分布比较均匀,注浆量大的孔和注浆量小的孔基本呈间隔状,这是由于注浆方式采取了跳孔注浆原则
（2）下部注浆量较大，溶腔形态发育，但在大量注浆后注浆压力都有所上升。
（3）部分孔注浆量很大但压力却没有上升，主要是这些孔开孔较早，浆液流窜。
（4）在第二次注浆过程中，注浆量和注浆压力都有明显变化，说明先前注浆起到了一定效果。
4.2检查孔法
分别对1-1、2-1、2-2、3-1、3-2、4-8、5-8、5-22，8个孔的二次注浆按照检查孔方式，进行钻孔检查充填情况，并进行注浆试验，注浆过程中，详细记录了注浆量、注浆压力和注浆时间，并绘制了P—T曲线和Q—T曲线。
8个孔位布置主要根据注浆量和注浆压力分布图确定的注浆薄弱区，力求覆盖整个开挖掌子面，并方便施工的原则进行布置。
（1）根据8个检查孔钻探情况，DK255+978.0～DK255+960段之间的破碎围岩已被注浆固结，钻机钻进过程中无卡钻现象、该段范围内发育的溶腔也充填有水泥浆液，不是前期的黄色返水。
DK255+960～DK255+955段无涌泥、涌水现象。
（2）根据8个检查孔的注浆情况分别绘制P-Q-t曲线，下图为5号检查孔的情况
由检查孔注浆P-Q-t曲线来看：
开始时，注浆初压为2MPa，注浆速度为70L/min，随着注浆进行，注浆压力基本保持不变，注浆量逐渐下降，这主要是起到了补充注浆作用，并进一步劈裂强化注浆效果。
2h后，注浆压力逐渐上升，同时注浆速度急剧下降，而此时注浆量远小于设计注浆量，可见检查孔区域已饱和密实，达到了注浆设计要求，满足注浆设计要求。
5总结
马鹿箐隧道出口DK255+978～+955段溶腔帷幕注浆已于2008年12月9日按照设计的帷幕注浆孔数基本结束，12月10日和12月12日根据《注浆量、注浆压力分布图》确定的注浆薄弱区进行局部补注浆。
纵观整个钻孔注浆过程，马鹿箐隧道DK255+978～+955段溶腔内无水，主要充填物为淤泥质粘土，夹有块石、碎石和孤石，所以马鹿箐隧道溶腔注浆的主要目的是加固地层。
综合分析，前期钻孔内冒出的充填物、中期钻孔取芯样品、后期检查孔注浆等情况，马鹿箐隧道出口DK255+978～+955段溶腔帷幕注浆，已经比较好的加固了溶腔充填物。
注浆最后作为注浆效果检查的8个注浆孔，钻孔过程比较正常，没有出现卡钻、钻机抖动等异常现象，其中有4个孔的注浆压力明显上升、进浆量也明显下降；2个孔的压力略有上升、进浆量也呈下降趋势；2个孔初压和终压没有变化，但都不是零，进浆量也几乎保持不变。
对《注浆量、注浆压力分布图》和检查孔的注浆检查的P-Q-T曲线进行分析，马鹿箐隧道DK255+978～+955段已经达到设计开挖条件。
综上所述，马鹿箐隧道DK255+978～+955段帷幕注浆已达到固结溶腔充填物的目的，满足设计开挖条件，可以进行下道工序开挖支护施工。
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