隧道塌方治理技术及案例分析.docx
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隧道塌方治理技术及案例分析
特殊段隧道塌方注浆加固治理技术
及案例分析
乔正正
摘要:
本文通过赣绍铁路黄金隧道特殊段（DK171+085-DK171+050）塌方的治理，进行科学合理的分析，对于围岩级别差、土压力大（土层覆盖厚）、含水丰富的特殊地质段，既要提高围岩强度又要堵水，怎样科学合理的应用注浆技术来治理隧道塌方下文详细的进行了介绍，为今后隧道塌方处理提供依据。
关键词：
隧道塌方 注浆加固 技术总结
一、工程地质
新建赣州至韶关铁路工程黄金隧道（原牛栏岗隧道）DK171+050～DK171+085段根据地表塌陷坑范围及斜、出口作业面突泥体积，分析拱顶上方存在较大的空腔，其物质成分为含水囊体，多为软塑－流塑状、砂土状风化砂岩夹基岩碎块，为极易发生涌水突泥地段，土体各项参数参照软塑土进行检算，Ⅵ级围岩。
因土体含水囊，开挖过程中呈股状水从掌子面上方流出，造成砂岩随渗水流出造成涌泥。
二、专家建议
隧道斜井掌子面DK171+050自2012年3、4月份连续两次大型流泥后，于6月2日召开专家会，经专家讨论决定封闭斜井作业面，由出口单口掘进施工。
9月23日出口掌子面DK171+085再次因渗水引起涌泥，出口洞顶失稳段与斜井流泥段已连通，经10月13日建设单位组织再次召开专家会后，同意对剩余35米采用洞内超前注浆加固的方式进行处理
三、总体设计方案
由于坍体为流塑状的土，含水量高，洞顶失稳土体开挖后会在短时间内释放压力，从面产生初始的变形，为防止蠕变加速导致坍塌，采取“由外到内，内圈排水”与“先柔后刚，控制变形”相结合的方法。
根据地质情况我们堵水为主、强度为铺的施工核心进行施工，先进行对排水方向的控制，在掌子面中心开适当数量的检查孔（排水和释放压力）后再对周边进行注浆加固，由外到内逐级封堵，直至达到目的为止。
在蠕变阶段及时施做控制变形的措施，使扰动的软塑状坍体的蠕变得到控制并趋于稳定。
支护及二衬采用“第一次支护+第二次加强支护+二次钢筋混凝土结构”，第一次支护为喷锚网外层钢架联合支护的柔性支护，在加固围岩时同时可允许释放部分围岩变形；第二次支护为内层钢架喷混凝土结构以加强初期支护进一步抑制围岩变形，并为二衬的安全施做提供条件。
DK171+050～+085段采用双层衬期支护，架设I18双层型钢钢架，喷C25混凝土，厚43cm，隧道开挖线外超前注浆加固形成3米的加固圈，再打设φ108大管棚，间距30cm。
四、注浆设计
根据地质综合分析，结合现场施工情况，对该段预加固注浆设计如下：
1、止浆墙
止浆墙采用C25混凝土浇筑，厚2.5m，周边采用2排环向间距1.0m，排距1.0m，长3m的Φ25mm砂浆锚杆，嵌入围岩2m。
周边预埋1.5m长的Φ42mm导管，止浆墙浇注完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初支护间的裂隙进行封闭。
止浆墙施工过程中，基础必须在原状围岩上，且入岩大于1m，基底清理干净，防止虚土引起止浆墙下沉。
混凝土浇筑前对前方流水进行集中引排，防止流水对止浆墙混凝土强度造成影响。
2、注浆加固范围
DK171+071.5～+041.5段，纵向长30m（含止浆墙）,径向加固范围开挖轮廓线外3m，开挖孔位置和终孔位置均按环形布孔方式，总共设计68个孔，每个孔均下入玻璃纤维锚杆，以增强加固体的整体性。
加固注浆设计见附图。
3、工作面稳定孔
为稳定工作面，采用玻璃纤维锚杆对工作面进行加固，防止在开挖施工中掌子面突出变形。
纵向加固段长为18.5m，上半断面按照2m×2m布置，共7根，下半断面按2.5m×2.5m布置，共5根。
成孔后安设玻璃纤维锚杆，并进行注浆作业，注浆参数同超前周边加固注浆，并兼作工作面检查孔。
4、超前大管棚支护
超前大管棚钢性支护长20m，开孔沿初支轮廓线内60cm，环向间距40cm，外插角5度，共布设27根管棚，管棚孔可兼作周边上断面检查孔。
大管棚采用外径Φ108mm，壁厚6mm热轧无缝钢管加工，每节长2m，两端分别切割6cm长的楔口，中间采用长50cm的Φ90mm壁厚5mm的钢管作为导向管，前端加工成椎形尖端并封闭（见管棚加工图）。
管壁沿两条垂直直径布设四排Φ8~10mm对称溢浆孔，梅花形布设，孔间距40~50cm，每根管棚末端一节不布设溢浆孔，管棚安设完成后进行全孔一次性管棚注浆，注浆参数同加固注浆。
图一超前注浆加固开孔图
图二超前注浆加固纵断面图
图三超前注浆加固终孔断面图
5、注浆参数和注浆材料
注浆设计参数如表1所示。
注浆参数表表1
序号
参数名称
参数值
备注
1
加固范围
纵向
DK171+071.5～+041.5（30m）
径向
外圈终孔在开挖轮廓线外3m外33333m3.3m
2
浆液扩散半径
2.0m2
3
终孔间距
3.0m2
4
注浆方式
前进式分段注浆
分段长度根据情况确定
5
注浆速度
10～100L/min
6
注浆终压
3～4MPa
7
围岩孔隙率
30～35%
坍塌体
8
浆液充填率
0.8～0.9
9
钻孔数
注浆孔孔
68个
重点区域可补孔
锚杆孔
12个
兼做检查孔
大管棚
27个
兼做检查孔
检查孔
根据现场情况确定
注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆作为辅。
施工过程根据地质情况及地层吸浆情况进行材料种类及配比选择调整，如表2所示。
注浆材料参数表表2
序号
浆液名称
浆液配比
1
硫铝酸盐水泥单液浆
W:
C=0.8:
1～1:
1
2
普通水泥单液浆
W:
C=0.8:
1～1:
1
3
普通水泥—水玻璃双液浆
W:
C=0.8:
1～1:
1
C:
S=1:
1；水玻璃浓度：
30～35Be’
6、注浆顺序
（1）先施作C1、C4、C7、C11、C13、C16孔作为超前地质探孔，对地质情况进行判释。
（2）采取先外后内、由上到下、间隔跳孔的施工方式进行。
该段设计注浆量约为2400m³，由于加固段前一循环处于坍塌体内，洞顶成在空腔，本循环注浆量可根据现场注浆情况进行动态调整，做好记录。
7、注浆效果检查
注浆过程采取P-Q-t曲线分析、反算浆液充填率、堵水率及检查孔等方法对注浆效果进行评判。
检查孔数量为帷幕注浆孔的10%，重点检查异常区域，检查孔无涌泥，不塌孔，涌水量小于2L/min·m。
五、注浆施工
1、工作平台搭设
本次注浆采用的是进口履带式多功能地质钻机钻孔，需为钻机提供工作平台，平台长度10m，与隧道等宽，距拱顶高度为5.1m，采用弃碴回填后铺设C20混凝土30cm以上。
2、测量放线
测量组根据加固参数表在止浆墙上放出开孔位置。
3、孔口管加工及安装
图四孔口管加工图
4、钻孔注浆施工工艺图
图五钻孔注浆施工工艺流程图
若钻孔过程中遇到突水、涌泥，则应立即停止钻孔进行注浆。
5、注浆施工方式（前进式注浆施工工艺）
前进式分段注浆是指经超前探测确定隧道前方涌水量较大或较大规模不良地质时，采取钻、注交替作业的一种注浆方式，即在施工中，实施钻一段、注一段，再钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。
每次钻孔注浆分段长度3～5m。
前进式分段注浆可采用水囊式止浆塞或孔口管法兰盘进行止浆。
前进式分段注浆钻孔注浆施工模式图如图
图前进式分段钻孔注浆施工模式图
6、注浆结束标准
（1）单孔注浆结束标准
注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐下降，当注浆压力达到设计值时，即可结束该孔注浆。
定量标准：
当注浆量达到设计注浆量的1.5倍，压力仍然不上升，可采取调整浆液配比缩短凝胶时间或进行间歇注浆等工艺压力达到设计终压，结束该孔注浆；
定压标准：
注浆终压暂定为3.0～4.0Mpa，注浆过程根据浆液扩散情况并结合注浆量大小对注浆压力终值进行验证，确定合适的注浆终压力。
单孔注浆压力达到设计终压并维持10min以上可结束该孔。
（2）全段结束标准
①设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。
②按总注浆孔的10～12%设计检查孔，检查孔满足设计要求。
7、施工监测
由于本次注浆施工处于坍塌影响范围内，掌子面后方20m范围内初支有开裂及混凝土剥落情况，止浆墙基地极其软化。
需加强初支沉降、收敛和止浆墙位移监测，并及时反馈监测数据，以利于调整注浆施工顺序和参数，达到动态施工的目的。
8、大管棚加工
图六大管棚加工示意图
六、钻孔和注浆质量的控制
1、钻孔质量控制
（1）精确定位角度
（2）根据上一循环开挖效果,还必须考虑到测量误差,锤头下垂的影响,根据经验现场及时作出适当调整.
（3）开孔时孔内填充水泥浆,孔口管用麻丝缠住加强锚固.,孔口管安装完成后,用水泥浆把孔口管与止浆墙连接位置封严.
（4）钻孔过程中不应将钻杆顶的太紧,尤其是钻杆较长的时候顶的过紧会出现不确定方向的扰度,钻进路线改变,所以不能单方面的追求进度.
（5）为了避免钻孔时串风,注浆时串浆,钻孔应间隔施作,一旦出现串风马上停止钻孔,注浆后再进行钻孔.
（6）钻孔时尽量把孔内的渣都吹出来,这样保证注浆时浆液流动顺畅
（7）出现塌孔时应立即停止钻孔注浆后在进行钻孔
2、注浆质量控制
（1）操作人员必须掌握相关设备
（2）要经常对制浆机、滤网、储浆桶、注浆泵球阀注浆管堵头板钢丝垫片法兰盘等设备和配件进行检查维修,保证设备正常的工作.
（3）注浆一定要保证达到设计压力
（4）对于出水和还泥量大的区域,尤其是立角为仰角时孔内应采用PVC管保证浆液输送到孔底.
（5）注浆材料一定要满足施工要求
（6）串浆时,应对串浆孔安装堵头板,必要时进行扫孔重注.
（7）跑浆和漏浆时,应降低水灰配合比,进行低泵速封堵,长时间不上压时可改用双液浆封渡
七、注浆原则
（1）分区注浆原则
（2）跳孔注浆原则
（3）下游到上游原则（根据流水方向）
（4）由下层到上层原则
（5）由外侧到内侧原则
（6）约束-发散型原则（当以加固为主时先注周边孔再注内圈孔，形成约束逐步挤压密实；当堵水为主时，先对三个周边进行注浆，留下一边有利于排水，从而形成对中间部位流水方向的约束，从而逐步进行浆水排出提高质量。
（7）定量-定压相结合原则
（8）多孔少注原则
八、注浆开挖效果分析
1、根据开挖效果发现的问题（及处理措施）
（1）管棚垂头严重
管棚偏离
位置（1.8m）
管棚正确
位置
原因分析：
由于在塌方段有10m的拱架段，当管棚施作到拱架处被迫滑落到拱架下方，从而使管棚方向改变。
校正措施：
必须考虑到测量误差,锤头下垂的影响,根据经验现场及时作出适当调整
（2）管棚G19及附近区域滴水
原因分析：
根据施工记录管棚G19、施工未到位，在开挖过程中滴水严重，并扩散渗透到附近区域。
校正措施：
管棚施工一方面起到刚性作用，另一方面起到堵水作用，一旦有一处滴水会影响到附近的周边区域，所以应该按照设计要严格施工。
（3）掌子面部分区域注浆量薄弱
原因分析：
掌子面部分区域注浆量相对薄弱，在DK171+075左右时常又掉快掉落，从效果图看也符合实际情况。
治理措施：
注浆完成后根据效果图注浆量的多少进行补注。
（4）根据开挖效果注浆量分布不均匀
（第一循环）
原因分析：
在上一循环开挖中发现部分有大量的混凝土块，部分相对薄弱，根据注浆量柱状图看，在A6、A14、B8、B9、B11、C18、Z7、G19、G20、G24孔相对比较薄弱，在（A16-B3）和（B13-C1）区域发现大量混泥土块，这两点也基本符合现场开挖的实际效果。
治理措施：
应该隔孔定量、定压，特殊孔特殊对待原则进行合理注浆。
（5）止浆墙严重向前移动并有开裂裂隙。
原因分析：
12月7日至12月8日变化过快是由于注浆量过大、过快。
12月14日至12月17日止浆墙开裂原因有:
1>围岩本身内部坍塌体作用
2>围岩暴露时间太长
3>在短时间内注浆量太大
4>在短时间内注浆压力过大没有及时开孔释放压力。
（6）拱架收敛变化问题
明显变化时间段：
2011-12-13至2011-12-14；2011-12-19至2011-12-20
明显变化时间段：
2011-11-19至2011-11-21；2011-12-8至2011-12-9
明显变化时间段：
2011-12-13至2011-12-14；2011-12-18至2011-12-20
（7）、孔口管安装出现的问题
在第二循环安设孔口管时法兰盘被打坏存在的原因如下：
1>、在安设孔口管时，法兰盘与盖子必须配套，不能用铁丝或其他代替，也不能有左右晃动发生，这样容易打坏法兰盘。
2>、在孔口管缠麻丝时必须从水泥砂浆至法兰盘方向顺时针旋转。
（根据经验这样堵浆效果最佳）
九、两个循环对比分析及预测
1、注浆量横向分布图分析
（第一循环图）
（第一循环图）
根据两个循环注浆量的对比发现
（1）、拱顶注浆量都很大，说明拱顶位置岩层间隙相对比较大。
（2）、拱腰位置注浆量相对都很小，相对比较密实。
（3）、在本循环中根据注浆量分布图分析如下
1>拱顶位置：
孔隙率α12m<α20m<α30m
2>拱腰位置：
孔隙率前0-20m左边和右边孔隙相当，在20-30m位置α右边<α左边
所以在开挖到20m（DK171+052～+042段）以后应该加快速度采取进行小导管径向注浆加固、预留超前核心土进行开挖。
2、注浆量柱状图分析
（第一循环图）
（第一循环图）
1>、在两个循环中同时出现5个峰值，这5个峰值恰好在拱腰以上、主要集中在拱顶位置所以应该重点防御B17和C16附近区域。
2>、根据上循环在D1、C1、D2和Z1、Z2附近有掉块现象发现掉块不是在注浆量少的区域而是在峰值附近，这进一步说明注浆量的峰值区域正是孔隙率较大的位置，所以在开挖时应该特别注意。
（8）、管棚注浆情况分析
（第一循环图）
（第二循环图）
（1）、在上一循环中出现三个峰值说明在在拱腰两侧注浆欠佳
（2）在本循环中在两侧出现两个峰值、中间峰值消失，说明拱顶位置前期注浆到位，在拱腰位置（尤其是左侧拱腰位置特别注意）G6、G7区域开挖时注意。
（9）、止浆墙纵向位移变化值分析
（第一循环图）
（第二循环图）
（1）、根据注浆记录发现在止浆墙位移变化曲线的峰值正是注浆量相对较大的位置，随着注浆量减少数据波动逐渐趋向0，在以后应该提前做好相应的计划，根据地质条件有效控制监测数据在安全范围内变化。
（2）、注浆量是进度的体现，在第二循环止浆墙位移变化曲线图中可知在第一个峰值后马上跌入低谷，恰恰在这段时间正是注浆量和钻进是最小的时间。
（10）、地层填充率反算分析
备注
第一循环浆液填充率反算
地层填充率α=
注浆总量=
1188
浆液损耗率β=
0.10
地层孔隙率n=
0.25
注浆加固体积V=
25044
=0.45
第一循环填充率0.45说明渗透能力比较低，在开挖时地层以劈裂式存在如下图
劈裂式注浆
备注
第二循环浆液填充率反算
地层填充率α=
注浆总量=
612.9
浆液损耗率β=
0.10
地层孔隙率n=
0.1
注浆加固体积V=
25044
=0.23
本循环填充率较低，由于在0-15m范围内地质条件相对较好，建议在15-25m段严格按照施工方案（预留核心土、榀榀跟进快速开挖、快速封闭）
十、结论与体会
（1）、对于这种土层覆盖较厚、含水较丰富、拱顶上方存在较大的空腔地段应该防止蠕变加速导致坍塌，采取“先柔后刚，控制变形”的方法，在蠕变阶段及时施做控制变形的措施，使扰动的软塑状坍体的蠕变得到控制并趋于稳定。
（2）、在施工过程中必须严格施工，注浆量应该定量定压按照方案完成。
（3）、注浆是一把双刃剑既有利也有害，关键是怎样去控制它；注浆对监测数据影响很大，有时只为了提高施工进度忽略啦危害的影响会造成安全事故。
所以注浆过程中应该根据地质条件必须有效控制注浆量来控制止浆墙纵向位移、拱顶下沉和拱腰收敛在安全范围内变化，以确保注浆对施工有利而不是危害。
参考文献:
１、《岩土注浆与工程实例》，《岩土注浆与工程实例》协作组，科学技术出版社
２、《地下工程注浆技术》张名庆 彭峰，地质出版社
3、《２０１０年度注浆技术论文集》，中铁瑞威基础工程有限公司
4、《赣韶铁路黄金隧道施工设计图》中铁第五勘察设计院
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