張慧峰,吳建文,張 恒
1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,四川 德陽 618000
2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031
已揭露高壓地下水隧道注漿參數(shù)與工藝
Grouting Parameters and Technology for Tunnel Exposed to High Pressure Groundwater
張慧峰1,吳建文1,張 恒2
1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,四川 德陽 618000
2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031
地下水處理是在富水地層修建隧道工程中一項(xiàng)決定工程進(jìn)度、施工安全甚至是工程整個(gè)生命周期的關(guān)鍵工作,隧道施工所揭露的地下水對(duì)結(jié)構(gòu)本身的承載力、圍巖的穩(wěn)定性都將產(chǎn)生不利影響。在施工過程中,地下水處理不當(dāng)會(huì)使整個(gè)工程處于癱瘓狀態(tài),國(guó)內(nèi)外已有的隧道突涌水工程案例已表明:由于隧道開挖的揭露,使得圍巖周圍的富水區(qū)域突然向隧道內(nèi)涌出,這種突涌水過程往往發(fā)生突然,具體位置難以準(zhǔn)確判斷,加之其動(dòng)力特性和發(fā)展規(guī)模預(yù)測(cè)較難,在狹小封閉的隧道空間內(nèi)很難實(shí)施快速而有效的處治,從而威脅施工作業(yè)的安全[1-4]。例如,大瑤山隧道、云南西苑引水排污隧道和日本青函海底隧道等工程問題由于施工中的突涌水都造成了隧道本身不同程度的損害[5-8]。地下水在揭露之前采取超前帷幕灌漿能夠有效地應(yīng)對(duì)涌水,主要原因是地下水處于靜止或相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),帷幕灌漿的漿液能夠有效結(jié)石并與圍巖共同形成防滲漏性較好的止水帷幕;然而超前帷幕灌漿施工周期長(zhǎng),對(duì)于工期緊迫的情況只能在預(yù)報(bào)地下水有可能危及施工安全時(shí)才采用,當(dāng)確認(rèn)地下水對(duì)施工安全不構(gòu)成威脅的時(shí)候,對(duì)其揭露后再行封堵才是比較有效的途徑之一[9-12]。因此,合理有效地處理地下水對(duì)確保工程安全、快速施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
錦屏山隧道位于錦屏二級(jí)水電站引水隧洞軸線南側(cè),為上、下行分離式雙洞隧道(A、B線,間距35 m),隧道長(zhǎng)為17.5 km,其平均埋深1 500 m的洞段占隧道全長(zhǎng)的73%,最大埋深2 375 m。錦屏山受NNE向主構(gòu)造線與橫向(NWW、NEE)扭-張扭性斷裂交叉網(wǎng)絡(luò)的影響,構(gòu)成了河間地塊集水、導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò),其中T2z主要以集中突(涌)水為主,進(jìn)入T2b主要以穩(wěn)定的富水帶為主。對(duì)錦屏山隧道西端8 000 m進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,A、B線按每30 m連續(xù)洞段出水量級(jí)劃分,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1,圖1為錦屏山隧道西端沿線巖性分布[13-14]。
灌漿材料在外力作用下滲入到巖土的裂隙或孔隙中,一般在不損壞巖盤的前提下,灌漿壓力越大,注入的漿液越多,擴(kuò)散的距離越遠(yuǎn),加固的效果也就越好。然而上述情形只有在地下水處于靜止或者流動(dòng)緩慢的情況下才能達(dá)到理想的效果。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn),地下水揭露后再封堵的施工難度會(huì)大大增加,因?yàn)榈叵滤唤衣逗蟪柿鲃?dòng)狀態(tài),不利于漿液的凝結(jié),再加上錦屏山隧道地下水有高壓、大流量的特征,更加大了封堵難度。因此,錦屏山隧道在揭露后對(duì)地下水的處理分2個(gè)過程,即針對(duì)地下水臨時(shí)封堵的表層灌漿封堵和系統(tǒng)的高壓固結(jié)灌漿封堵。作為臨時(shí)封堵地下水的先行注漿,所面臨的主要技術(shù)難題是克服高壓水的壓力;為了對(duì)前期注漿起到加固作用,后期采用高壓固結(jié)注漿,其目的是與圍巖形成一個(gè)止水固結(jié)圈,共同抵抗高水壓,為隧道運(yùn)營(yíng)期間的安全提供保障,屬于長(zhǎng)期封堵[17-18]。
表1 每30 m連續(xù)洞段出水量統(tǒng)計(jì)
高壓固結(jié)灌漿封堵類似于超前帷幕灌漿,是在靜水或準(zhǔn)靜水條件下對(duì)地下水進(jìn)行處理,而臨時(shí)封堵是直接面對(duì)流動(dòng)的高壓水,其難度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高壓固結(jié)灌漿。前期封堵處理的關(guān)鍵問題是克服高水壓。灌漿材料的滲透性好壞與諸多因素有關(guān),如巖土的孔隙率以及孔隙大小、材料的可注性、注漿的施工方法、圍巖的非均質(zhì)性、地下水的流動(dòng)、注漿材料的時(shí)間特性等。針對(duì)主出水管道的前期封堵,錦屏山隧道采用了大量惰性材料,其原理是在保證巖盤不被擊穿的前提下,采用高壓灌漿技術(shù)克服分流后的主出水管道水壓,充分利用地下水的流動(dòng)帶動(dòng)漿液流動(dòng),而漿液中的惰性材料能夠在流水帶動(dòng)下堵塞巖體的微小裂隙,再與漿液、圍巖一起凝固,最終形成止水體。所謂分流技術(shù),即在主出水管道旁邊打設(shè)分流孔,并設(shè)置高壓止水閥,利用分流孔的分流減小主出水孔的水壓,在成功封堵主出水孔之后再關(guān)閉高壓止水閥,達(dá)到對(duì)高壓水成功封堵的目的。若采取無壓或低壓小流量灌漿工藝則不能達(dá)到上述要求。
3.1 鉆孔參數(shù)
(1)鉆孔布置。堵水灌漿沒有普遍適用的布孔方式和布孔規(guī)律,圖2為裂隙水封堵示意圖。灌漿孔應(yīng)該根據(jù)隧道現(xiàn)場(chǎng)情況靈活布置,依據(jù)的主要原則是:在裂隙發(fā)育、巖體結(jié)構(gòu)面較多的位置要有針對(duì)性的布孔,盡量使鉆孔較多地穿過裂隙并與巖體結(jié)構(gòu)面相交。布置的引排孔孔口位置的高程盡量低于集中出水點(diǎn)、出水帶;由于前期布置的引排孔基本上是作為后期的灌漿孔,所以在鉆孔時(shí)應(yīng)考慮兼顧灌漿系統(tǒng)安裝和操作的方便性。
(2)孔徑與孔深。鉆孔直徑是根據(jù)隧道出水量、涌水壓力、地層情況而定,主要采用150~42 mm,終孔孔徑保證不小于42 mm。主要堵水灌漿鉆孔孔深控制在4.5~8.0 m,保證淺層封堵厚度不小于3 m,即鉆孔長(zhǎng)度徑向投影長(zhǎng)不小于3 m,深層堵水厚度結(jié)合不同洞段設(shè)計(jì)要求,通過系統(tǒng)防滲高壓灌漿實(shí)現(xiàn)。根據(jù)滲水情況需要增加部分深孔或淺孔,進(jìn)行局部加密,孔間距一般控制在1~3 m。
3.2 灌漿參數(shù)
(1)灌漿壓力。高壓水被揭露后,其壓力有不同程度的衰減,而在設(shè)置減壓分流孔后,壓力一般在2 MPa以內(nèi),屬于低壓灌漿。因此,灌漿壓力原則上為涌水壓力的2~3倍,但為了保證圍巖的穩(wěn)定,初定灌漿壓力為3 MPa,可根據(jù)實(shí)際情況酌情調(diào)整。
圖1 錦屏山隧道西端沿線地質(zhì)剖面
底板灌漿壓力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為
P=P0+P1×D
式中:P0為表層地層允許的壓力;P1為巖石每增加1 m孔深其允許增加的壓力;D為灌漿段頂以上的巖石厚度。不同巖石類別的P0與P1取值見表2。
若有壓重,灌漿壓力可以提高為
P=k×r×h+P0+P1×D
式中:k為灌漿方法系數(shù),可選1~3;h為壓重層厚度;r為壓重層的容重。
與此同時(shí),應(yīng)根據(jù)采用的不同灌漿方法在表3中選取P值,若采用自下而上分段灌漿法,P宜取較小值。
(2)灌漿材料。灌漿材料以水泥、砂為主,并輔以微纖維、麻絲、水玻璃及其他特殊材料。
圖2 裂隙水封堵示意
表2 不同巖石類別P0、P1取值
(3)漿液比級(jí)。一般情況使用用純水泥漿灌注,擬定1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四個(gè)比級(jí)。特殊情況選用特殊漿材灌注。
當(dāng)在富水區(qū)灌漿的耗灰量較大時(shí),必須先灌注水泥砂漿并外加惰性材料或其他特殊材料。水灰比使用0.6 1、0.5 1,水泥與砂的重比為1 1~1 1.5。
(4)耗漿量、注入率的估算與超前帷幕灌漿采用的方法一致。
(5)根據(jù)相關(guān)規(guī)范,結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為,在設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)吸漿量小于5 L·min-1時(shí),繼續(xù)灌注10 min即可結(jié)束。
對(duì)一般富水區(qū)、富水區(qū)、強(qiáng)富水區(qū)、特強(qiáng)富水區(qū)、巖溶發(fā)育區(qū)等滲漏水進(jìn)行封堵后,地下水缺乏涌出通道而在圍巖內(nèi)聚集,隨著時(shí)間的積累水位會(huì)逐漸升高,達(dá)到一定程度后可能會(huì)擊穿先期灌漿處理好的巖盤。為最終改善圍巖的整體穩(wěn)定性,使?jié)B漏水洞段形成一個(gè)環(huán)狀防滲固結(jié)以承受高壓水的作用,并具有一定的防滲厚度,確保隧洞在安全狀態(tài)下運(yùn)行,應(yīng)對(duì)隧洞富水段進(jìn)行全面、系統(tǒng)的高壓固結(jié)灌漿處理,以達(dá)到形成止水帷幕并承受外水壓力作用的目的。
4.1 鉆孔參數(shù)
對(duì)局部集中滲漏巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行封堵、噴錨或澆混凝土后,全面、系統(tǒng)地展開高壓固結(jié)灌漿處理。灌漿孔按環(huán)均勻布孔,排間距為2~3 m,第1段鉆孔深度為3 m,待凝72 h后,重新掃孔,鉆孔深度超過固結(jié)圈厚度至少0.5 m。孔位布置詳見圖3。
4.2 灌漿參數(shù)
(1)灌漿壓力。高壓固結(jié)灌漿是為鞏固地下水進(jìn)行封堵灌漿之后的灌漿效果,確保隧道建成后運(yùn)營(yíng)安全的必要步驟。由于封堵灌漿后地下水一般屬于低壓水,固結(jié)灌漿壓力采用3~8 MPa。分段灌漿時(shí),首段灌漿壓力比滲水壓力大1.5 MPa或是滲水壓力的2~3倍,第二段灌漿壓力宜為5~8 MPa,具體根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。
圖3 A、B線高壓固結(jié)灌漿孔位布置
(2)灌漿方式。灌漿孔基巖段長(zhǎng)度小于6 m時(shí),可采用全孔一次灌漿法;基巖段長(zhǎng)度大于6 m時(shí),可選用自淺而深分段灌漿法、自深而淺分段灌漿法或綜合灌漿法。
錦屏山隧道高壓固結(jié)灌漿設(shè)計(jì)固結(jié)圈厚度為6 m,鉆孔深度為6.5 m,因此分2段高壓固結(jié)灌漿。第1段灌漿段長(zhǎng)3.0 m,采用專用孔口管進(jìn)行純壓式灌漿,灌漿結(jié)束后掃孔鑲鑄孔口管;第2段灌漿段長(zhǎng)為3.0~6.5 m,下入離孔底0.5 m的1 inch鋼管,采用專用的孔口密封器進(jìn)行孔內(nèi)大循環(huán)灌漿,灌漿結(jié)束后將1 inch鋼管封堵于孔內(nèi),作為巖體錨桿加強(qiáng)筋,提高圍巖的整體承載能力[19-20]。
鉆進(jìn)中若遇嚴(yán)重塌孔或溶蝕破碎帶,可根據(jù)具體情況將第2段分幾段進(jìn)行純壓式灌漿,終孔段按第2段總體要求采用孔內(nèi)循環(huán)式灌漿。其灌漿分段、灌漿壓力及灌漿方式詳見表3。
(3)灌漿材料。灌漿材料以純水泥漿和水泥砂漿為主,也可摻入其他材料,如粉煤灰、膨潤(rùn)土或黏性土等。
(4)漿液配比及變換。高壓固結(jié)灌漿水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四個(gè)級(jí)配,開灌水灰比采用2 1,漿液濃度由稀到濃逐級(jí)變化。漿液變換可按下述原則進(jìn)行變換:當(dāng)灌漿壓力保持不變,注入率持續(xù)減少時(shí),或當(dāng)注入率不變而壓力持續(xù)升高時(shí),不得改變水灰比;當(dāng)某一比級(jí)漿液已注入300 L以上或灌注時(shí)間已達(dá)到1 h,而灌漿壓力和注入率均無改變或改變不顯著時(shí),漿液濃度應(yīng)加一級(jí),變漿后壓力突增或注入率突減時(shí),應(yīng)立即查明原因及時(shí)處理,并報(bào)告監(jiān)理工程師;當(dāng)注入率大于30 L·min-1時(shí),根據(jù)施工具體情況,可越級(jí)變濃,若孔內(nèi)灌漿量較大,可采用0.5 1 0.25的水泥砂漿進(jìn)行灌注。
表3 灌漿孔段長(zhǎng)劃分、各段灌漿壓力及灌漿方式
(5)灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)壓力下,當(dāng)吸漿量小于1 L·min-1時(shí),繼續(xù)灌注30 min即可結(jié)束。
5.1 孔口管形式與孔口管的安裝
在高壓大流量地下水條件下,孔口管或?qū)S妹芊馄魇谴_保灌漿順利進(jìn)行的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。在水壓不大的情況下直接利用無縫地質(zhì)鋼管加工制作,并安裝簡(jiǎn)易球閥。在水壓較高的情況下,必須設(shè)計(jì)專用的栓塞、孔口管或?qū)S妹芊馄鳌9酀{栓塞可加工成機(jī)械的,也可加工成液壓的,但栓塞的承受壓力一般小于2 MPa;當(dāng)壓力大于2 MPa且水量較大時(shí)必須設(shè)計(jì)專用的孔口管或密封裝置。
采用耐壓無縫地質(zhì)鋼管,規(guī)格為φ142~φ32 mm,長(zhǎng)度為2~3 m,根據(jù)鉆孔中滲漏水大小確定使用孔口管規(guī)格??卓诠馨惭b可采用特種水泥摻入速凝材料、模袋、特種灌漿材料、純水泥漿固定鑲鑄,對(duì)出水量和壓力較大的孔采用高壓水巖層鉆灌專用封閉裝置,如圖4所示。高壓大流量突涌水采用特制孔口封閉器,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。對(duì)于一般涌水,孔口管采用有閘門的無縫地質(zhì)鋼管制作,如圖6所示。
5.2 灌漿設(shè)備及工藝
灌漿設(shè)備應(yīng)考慮以灌注純水泥漿、水泥砂漿及水泥水玻璃等材料為主的灌漿設(shè)備,并配備各種壓力的灌漿設(shè)備。純水泥漿灌注宜選用多缸柱塞式灌漿泵。砂漿泵可選用華式泵(HSB-5)注漿泵,壓力4~6 MPa,砂粒徑小于5 mm,每小時(shí)注漿可達(dá)5 m3。
(1)封堵灌漿工藝。在強(qiáng)富水區(qū)進(jìn)行封堵灌漿時(shí),耗灰量較大應(yīng)先灌水泥砂漿,當(dāng)無明顯的串、漏及冒漿時(shí),再變換水泥漿。在灌漿過程中可結(jié)合輔助措施對(duì)串、冒、漏漿進(jìn)行處理,如用木楔纏麻紗等材料封堵。封堵灌漿工藝流程如圖7所示。
圖4 孔口管結(jié)構(gòu)
圖5 孔口封閉器結(jié)構(gòu)
圖6 強(qiáng)富水封堵簡(jiǎn)易孔口管
(2)高壓系統(tǒng)固結(jié)灌漿工藝。系統(tǒng)固結(jié)灌漿按環(huán)間分Ⅰ、Ⅱ序以及環(huán)內(nèi)加密的原則進(jìn)行,灌漿時(shí)要求從低孔向高孔灌漿。防止巖石面或混凝土面抬動(dòng),固結(jié)灌漿原則上一泵灌一孔,當(dāng)相互串漿時(shí),可采用群孔并聯(lián)灌注,但并聯(lián)孔數(shù)不宜多于3個(gè),孔位宜保持對(duì)稱,并應(yīng)控制灌漿壓力。高壓固結(jié)灌漿施工工藝流程如圖8所示。
5.3 現(xiàn)場(chǎng)地下水處理效果
錦屏山隧道西端在不考慮封堵的情況下, 單是T2b的總出水量就達(dá)到2 .85 m3·s-1,針對(duì)該富水洞段的地下水出露特征,設(shè)置地下水分流孔,兩邊包抄,最后封堵主出水孔。封堵過程中采用孔口管與孔口封閉器(圖9)、惰性材料進(jìn)行封堵,效果較好,其中AK5+010~020、AK5+030~065、AK5+100~274等典型洞段經(jīng)封堵灌漿后還作了系統(tǒng)的固結(jié)灌漿封堵,典型洞段處理前后如圖10、11所示。經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),僅小部分洞壁有小量線滴水或小滴水外,大部分洞壁干燥(圖12),布置壓水試驗(yàn)檢查孔,做壓水試驗(yàn),效果較好,透水率均小于3 Lu。
圖7 封堵灌漿工藝流程
圖8 高壓固結(jié)灌漿施工工藝流程
(1)封堵灌漿材料以水泥、砂為主,并輔以微纖維、麻絲、水玻璃及其他特殊材料;漿材水灰比采用1 1、0.8 1、0.6 1、0.5 1四個(gè)比級(jí),特殊情況根據(jù)出水特點(diǎn)選用特殊漿材灌注。
(2)封堵灌漿孔孔徑須根據(jù)出水量、涌水壓力、地層情況采用φ150~φ42 mm,終孔孔徑保證不小于φ42 mm;主要堵水灌漿鉆孔孔深控制在4.5~8 m,保證淺層封堵厚度不小于3 m;孔間距一般控制在1~3 m。
(3)高壓固結(jié)灌漿材料以純水泥漿和水泥砂漿為主,灌漿水灰比采用2 1、1 1、0.8 1、0.5 1四個(gè)比級(jí)。
圖9 止水后的孔口封閉器
圖10 AK5+165~+175強(qiáng)富水區(qū)
圖11 AK5+165~+175封堵后
圖12 高壓固結(jié)灌漿封堵效果
(4)高壓固結(jié)灌漿采用耐壓無縫地質(zhì)鋼管,規(guī)格為φ142~φ32 mm,長(zhǎng)度為2~3 m,根據(jù)鉆孔中滲漏水大小確定孔口管規(guī)格。高壓固結(jié)灌漿孔鉆孔深度應(yīng)大于6.5 m,保證固結(jié)圈厚度不小于6 m;孔間距控制在200~300 cm,呈梅花形布置。
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