隧道断裂带靡棱状岩体超前周边注浆加固技术

2011-2-21

摘 要：昆局广昆铁路秀宁隧道出口段位于易门—罗次大断裂带，该断裂带影响线路纵向长度约1.5公里，围岩为断层角砾，富水，呈饱和状。岩体由糜棱化的炭质板岩、变质砂岩、白云岩角砾碎石及黏性土挤压组成，粒径小于4cm。距洞口360米处洞顶有一水库，洞顶履盖层厚7.4米，水深4.7米,库容10.7万立方。为确保隧道安全顺利通过该断裂带，防止隧道发生突水、涌泥，工程采用超前周边注浆堵水和加固软弱围岩。本文主要介绍了断裂带靡棱状岩体的地质情况、注浆方案、施工工艺、注浆效果的检验情况以及注浆过程中出现的问题和解决措施。以期能够为今后类似工程提供参考。 关键词：断裂带靡棱状岩体隧道 超前周边注浆 施工技术

1、工程概况

秀宁隧道全长13187m，经评估确认为高风险隧道，全隧位于云南省安宁市与禄丰县交界处，其中出口段510米位于安宁市境内，为成昆铁路广通至昆明段扩能改造工程，设计为时速200km/h双线隧道。出口里程为DK1006+366。隧道出口DK1005+850～DK1006+360（510m）段通过罗次～易门大断裂，原设计围岩级别为V级加强，2010年月6经部相关部门专家现场踏勘、论证，确定该地段围岩为VI级，开挖方式由原设计双侧壁导坑法变更为超前周边注浆加固软弱岩体后采用三台阶法开挖。 2、工程水文、地质条件

出口段DK1005+850～DK1006+360（510m）段通过罗次～易门区域性大断裂，断裂带影响宽度约1000m。围岩均为断层角砾，富水，呈饱和状。岩体由糜棱化的炭质板岩、变质砂岩、白云岩角砾碎石及黏性土挤压组成，粒径小于4cm。该断层角砾对水的敏感性很强，洞身开挖时地下水迅速下渗导致掌子面及侧面岩体溜坍呈泥石流状缓慢移动，开挖后20～60min左右，频繁出现剥落掉块和溜坍等失稳现象。据此分析，位于罗茨-易门断裂带内未施工段砂砾状围岩饱水，自稳性极差。 3、前期施工情况介绍

秀宁隧道出口于2008年10月5日正式进洞，开挖方法采用双侧壁导坑法施工，开挖过程中掌子面及拱部多次发生溜坍、初期支护变形、突泥等现象。溜坍规模最小的仅1m3，突泥最大的达2400m3。出口已开挖的210m工程中，由于围岩条件极差，初支变形严重，

其中39m在施工过程中为确保施工安全施作了临时二衬（采用C25素砼），在变形稳定后，前后两端衬砌施作完成后，再逐米进行初支拆换；截止目前出口段总共完成开挖210m，月平均施工进度为10m左右。 4、超前周边注浆加固技术

出口段由于在施工中存在极大的安全风险，工程进度严重滞后，且地质情况非常复杂，铁道部、昆明局及建设、施工四方多次组织专家到现场进行研究指导。2010年6月12日，中铁二院根据专家意见完成了变更设计方案《秀宁（安禄）隧道出口Ⅵ级围岩断层破碎带施工方案》，昆明局组织参见四方对该方案进行了审核和技术交底，明确了采用超前周边注浆加固，以确保顺利通过该断裂带。 4.1注浆参数的选择

（1）注浆孔布置，祥见注浆钻孔布置图1，注浆加固断面图2。 图1 超前周边注浆钻孔布置图 图2 超前周边注浆钻孔纵剖面图 4.2超前周边注浆参数

根据类似的工程实例注浆参数取以下值： 4.3注浆顺序

加固注浆施工过程按照：先外圈后内圈、间隔跳孔的顺序施工。 4.4注浆材料及配比设计

注浆材料以普通硅酸盐水泥单液浆为主，普通硫铝酸盐水泥、普通水泥-水玻璃双液浆为辅。

注浆材料及规格为：普通硅酸盐水泥：P.O42.5；水玻璃：浓度35Be，模数2.4～2.8。浆液配合比见表2所示。 4.5超前周边注浆结束标准 ①单孔注浆以定量定压相结合。

若单孔注浆量与设计注浆量大致相同，结束时的进浆量在10～20L/min以下可结束该孔注浆。

单孔注浆量计算公式：

式中Q－注浆量；h－注浆段长；R－浆液扩散半径；n－地层空隙率；α－地层有效充填系数；β－浆液损耗系数

定量标准：注浆量根据地层围岩孔隙率15%～20%，单孔每米设计注浆量控制在2.0～2.5m3，当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5～2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使注浆压力达到设计终压，结束该孔注浆。 定压标准：根据地层围岩特性，本次注浆兼具劈裂、扩散、挤密特性，注浆终压暂定为：不小于4MPa（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、检查孔必须合格。 4.6前进式分段注浆工艺

根据地质情况并结合注浆试验情况，该工程采取前进式分段注浆工艺进行注浆施工。 针对工期紧任务重的特点，该工程使用二台意大利卡萨C6钻机钻设φ130mm的孔，安装φ108mm的孔口管，然后采用φ90mm钻头钻孔，第一循环钻至8m进行注浆作业，之后每钻进3～5m，注浆一次，施工中根据地质情况进行适当调整，在保证注浆效果的前提下以提高施工效率。 5 注浆前准备工作

（1）注浆前，应进行超前探孔地质预报和详细的地质调查。

（2）施作3m厚的混凝土止浆墙，以保证掌子面作业安全和止水效果。 （3）施工现场准备一个循环的注浆物质和足够的防火防水抢险物质。

（4）按照施工要求连接好管路，严格检查各连接点是否牢靠，开关是否灵活。防止高压下脱开伤人。

（5）注浆管路连接完毕后，启动注浆泵压水检查管路的密封性。

（6）注浆系统检查合格后，转入压水试验。按一个压力段进行全孔压水试验，起始压力为静水压力，压水试验过程应按规定格式详细记录，根据地层的渗透性来确定浆液的配合比。

5 超前周边注浆施工 5.1钻孔

在施工过程中总体上按照先外圈后内圈的顺序进行施工，即先在止浆墙上钻设1.8m深的φ130的孔，然后往孔内塞浓稠的超细水泥，再安设2m长的φ108mm×5mm的孔口

管。等孔口管满足钻孔要求时即可采用φ90mm的钻头钻孔，第一循环钻至8m进行注浆作业，以后每钻进6～8m，注浆一次。 5.2注浆

在钻孔完成后应立即进行钻孔冲洗工作，以清除钻孔中残留的岩粉，岩石裂隙中充填的粘土杂质等物。根据浆液配合比参数配置好浆液，拌制好的浆液通过滤网放入储浆桶，边搅拌边注浆。 5.2.1注浆工艺

为确保注浆效果，本次超前周边注浆采取前进式分段注浆工艺，在施工中根据地质情况确定分段长度，地层成孔性好，注浆效果明显，同时通过设置PVC管提高地层纵向拉力，有利于开挖过程中掌子面岩层稳定。 图3 超前周边注浆示意图

1－水泥；2－制浆桶；3－储浆桶；4－注浆泵；5－钻机；6－钻杆 5.2.2注浆压力控制

在进行第一段注浆时，考虑到止浆墙后方地层比较松散，注浆压力过高会对止浆墙产生较大的反压力，在进第二、第三段或更深段位的注浆时，注浆压力均达到4Mpa以上，后期由于地层密实注浆压力达到6-8Mpa，均满足设计压力要求，保证注浆效果。 5.2.3注浆顺序

注浆按照先外圈孔，后内圈孔，先浅孔，后深孔，由外而内，先上后下的注浆顺序注浆。因为受前期注浆孔的影响，后期注浆孔注入的浆液会随着注浆压力或其他因素而发生偏流，为获得均匀流动，得到较好的注浆效果我们应该有次序的进行注浆。同时根据各次序孔的单位注浆量的分析，可反映注浆情况和注浆质量，为增减注浆孔提供依据。5.2.4浆液浓度的选择

浆液浓度的选择应遵循先稀后浓，逐级变化的原则。 5.2.5注浆时的注意事项

（1）注浆孔的方向、深度应严格按设计要求进行。

（2）孔口管的安设应牢固，密实。以防注浆时冒浆或松动而影响注浆质量。 （3）值班工程师应认真记录钻孔揭示的地质情况并反馈给设计方，以便根据实际情况变更设计，施工方案。

（4）现场作业人员应严格按照值班工程师确定的凝胶时间和配合比配置浆液，不得随

意改变配合比，以免影响注浆质量。

（5）注浆过程中若发生堵管，应先打开孔口泄浆阀，再关闭进浆阀，然后停机查找原因并迅速解决问题。

（6）注浆结束标准应采用定量与限压相结合，当注浆量超过设计注浆量，压力仍然很低时，应采用减小水灰比或注浆双液浆使其达到设计终压。

（7）注浆结束时，应继续压注清水清洗管路。清洗干净后再停机。 6 注浆效果检验及注浆量纵向分析

注浆结束后，按注浆孔个数的5～8%钻检查孔，现场采用检查孔7个，检查孔设计深度依开挖长度而定。现场采用为28m。 （1）注浆效果检验标准

①检查孔出水量应≤0.15L/min.m，局部出水量≤3L/min ②压水试验在1.0MP压力下，进水量＜2L/min

只有同时满足上述两个条件，方可进行开挖。若不满足上述两个条件则应该进行补充注浆，直到满足为止。 （2）注浆量纵向分析

对注浆量的纵向分布情况统计如表3所示。

由表3可以看出第一段延米注浆最大，主要是因为该段地层最先进行注浆地层松散，同时一部分浆液扩散至掌子面附近的初支背后，因此该段吸浆量相对较大。第二段地层仍较松散这和钻孔时该段容易塌孔相对，应因此吸浆量仍相对较大。经过前两段注浆以后地层得到有效加固，部分浆液扩散到到第三段，因此第三段注浆量最小，总体在纵向上浆液分布均匀，能够满足注浆效果要求。 7 P-Q-t曲线

该隧超前周边注浆主要是以加固软弱地层为主，根据施工过程注浆压力随时间有明显的波动，一般注浆压力上升达到4MPa时，压力就会下降，注浆流量增加，如此反复数次后，经过反复的劈裂-挤密-劈裂…，当地层密实达到一定程度时，注浆压力达到或超过设计压力，浆液流量减小，达到结束标准，满足软弱地层劈裂注浆机理，达到了注浆效果。P-Q-t曲线如图4所示。

图4 注浆P-Q-t曲线

8 注浆过程出现的问题及其对策

（1）浆液难以注入地层

由于出口段地层较为密实，普通水泥只能实现劈裂充填和挤密土体，难以均匀的扩散，形成连续的固结体。这样几种浆液配合使用，相互补充。既达到了堵水和加固的效果又获得了良好的经济效益。

（2）掌子面串，漏浆严重

注浆压力高时，掌子面经常串漏浆，甚至出现地面和拱顶漏浆。针对这种情况，施工现场采用加注注双液浆来解决这一问题，即在孔口接两根注浆管，先注水泥浆等串漏浆部位返出浆液，再注水玻璃。不仅解决了堵管问题，而且由于浆液是充满整个裂隙，所以不会出现堵了又漏的现象。 9 结论与讨论

该隧道出口段510米位于断裂带靡棱状岩层上，施工历经近20个月，月平均进尺10m。经过超前周边注浆加固的施工，结合国内外与其工程地质条件类似的工程的施工情况，得到很多经验和教训：

（1）注浆后，通过开挖可以看到明显的浆脉和浆柱，掌子面稳定无水渗漏，注浆堵水加固效果明显。因此通过超前周边注浆加固软弱围岩，开挖较之前的开挖方式在安全性上有了质的飞跃。

（2）针对断裂带靡棱状岩层的工程地质条件，要想安全顺利通过，必须依靠注浆，但不能完全依靠注浆。在超前周边注浆后，进行超前大管棚支护是必要的，超前大管棚与周边注浆加固圈共同作用，既能够加固围岩又能够截堵地下水。

（3）洞内采用二台意大利卡萨C6钻机进行超前周边注浆加固软弱岩体，施工进度较之前有了相应的提高，目前单月完成开挖15米左右，经济效益取得了良好效果。 参考文献：

1.杨晓东.锚固与注浆技术手册（第二版），中国岩石力学与工程学会锚固与注浆分会编

2.《中铁十六局集团广昆铁路秀宁隧道实施工性施工组织设计》

3.甘恩来.海底隧道风化深槽帷幕注浆技术.岩石力学与工程学报2005，（10）：94-100.