帷幕超前预注浆（精选7篇）
帷幕超前预注浆 篇1
1 工程概况
新建宜万铁路是沿长江铁路通道的重要组成部分, 是目前国内最复杂的山区铁路。齐岳山隧道地处湖北省利川市城外西偏北23 km处, 全长10 528 m, 最大埋深670 m, 设置贯通平行导坑和斜井各一座, 为宜万铁路重点控制性工程。主要地质构造为齐岳山背斜、箭竹溪向斜, 以及规模较大的15条断层, 其主要不良地质有岩溶、岩溶水、高压水、断层破碎带、天然气、煤系瓦斯、高地应力等, 其中齐岳山背斜和得胜场槽谷区被称为该隧道施工的两大难题。地勘表明, 隧道周围主要发育有得胜场地下暗河体系、大鱼泉地下河系统、小鱼泉地下河系统, 预测隧道正常涌水量17.6万m3/d, 最大涌水量74.2万m3/d。
齐岳山隧道穿越区段可分为中山区 (进口～DK364+900) 、中山谷地 (DK364+900～DK365+150) 和低中山区 (DK365+150～出口) , 三个区域分别对应齐岳山构造溶蚀地貌、中部得胜场溶蚀槽谷地貌、西部碎屑岩剥蚀地貌。中部得胜场溶蚀槽谷发育有得胜场地下暗河系统, 该暗河系统沿槽谷延伸, 形态复杂, 主管道位于DK364+870附近, 埋深约40 m, 高于隧顶约222 m, 岩溶槽谷相当于一个集水廊道, 周边地区的地下水均向此汇流后向北东方向径流, 系统控制面积95.52 km2。
2 施工地质超前预报情况
2.1 超前钻探
探测里程PDK365+367～PDK365+312, 探测长度55 m, 完成工作量194 m/4孔, 探测显示:PDK365+367～PDK365+359段以泥质灰岩为主;PDK365+359～PDK365+312段为断层角砾, 局部卡钻严重;PDK365+354～PDK365+338段夹破碎带, 探测过程中9 m～10 m出水, 单孔水量1.8 m3/h, 20 m～25 m出水, 单孔水量30 m3/h, 水压0.8 MPa, 在28 m以后出水量明显增大, 单孔水量120 m3/h, 水压2.3 MPa。探测过程中分别在1号孔的25 m～27 m处取岩芯, 见构造角砾岩, 在2号孔的25 m～27 m处取岩芯, 见泥质灰岩, 呈短柱状或碎块状。
2.2 TSP203探测
TSP203超前探测资料对PDK365+342后续F11断层情况分析如下:后续F11断层整体上呈强弱交替的构造特征, 体现出F11断层的多期性和复杂性, 在即将进入的PDK365+328～PDK365+283 段落体现出围岩强度软弱、破碎和集中富水的特征。分段情况见表1。
2.3 超前钻探过程中的水量、水压观测
在PDK365+367～PDK365+312的超前钻探过程中跟踪观测, 自PDK365+346～PDK365+339的短短7 m间距内, 单孔涌水量由30 m3/h迅速增加至120 m3/h, 水压由0.8 MPa迅速增加至2.3 MPa, 之后探孔水压基本稳定在2.3 MPa, 总出水量最大值达790 m3/h, 最低为520 m3/h。
3 施工地质条件分析及施工方法的确定
以施工前期的工程地质纵断面, EH-4探测和施工期的开挖揭示为基础, 结合综合地质超前预报资料, 分析施工地质条件如下:1) PDK365+342～PDK365+312段以破碎断层构造角砾灰岩为主, 超前探孔间隔出现喷砂、砾石现象, 已基本进入以断层泥、糜棱岩等软弱物质为主的F11断层核心部位;2) 钻探取芯的构造角砾岩和涌出的砾石中, 灰岩成分比例越来越高, 砾石兼有溶蚀和构造碾压特征, 溶蚀能力和特征开始显现, 具备局部形成溶腔的条件和可能;3) 构造层间裂隙与地表水及上部地下水具有一定的水力联系, 可能承受有大气降雨入渗补给及上部得胜场暗河管道流的补给, 隧道开挖后不能排除断层破碎带较宽、裂隙贯通导水性较好的F11断层逐渐畅通而与管道流间接贯通的可能。
为满足质量、安全、工期要求, 根据上述地质条件分析和“以堵为主, 限量排放”的原则, 决定对齐岳山隧道平导PDK365+342～PDK365+315段采用加固圈8 m的全断面超前帷幕预注浆加固。
4 超前帷幕注浆施工技术
4.1 注浆试验
正式注浆施工前, 应选取4个～6个孔进行注浆试验, 掌握浆液充填率、注浆量、浆液配合比、凝结时间、扩散半径、注浆终压等参数, 以现场动态调整相关参数, 保证注浆质量, 达到注浆的目的与效果。
4.2 注浆材料
考虑到超前帷幕注浆堵水的要求, 选用了普通水泥单液浆、普通水泥—水玻璃双液浆、硫铝酸盐水泥单液浆、硫铝酸盐水泥—水玻璃双液浆、TGRM单液浆等5种注浆材料, 根据现场情况适时调换, 灵活使用, 以取得满意的注浆效果。
浆液材料的水灰比和配合比相关参数如表2所示。
4.3 注浆工艺
1) 采用分段前进式注浆方式进行钻孔注浆施工, 设计分段长度3 m～5 m, 不能大于5 m。2) 孔口位置应准确定位, 与设计位置的容许偏差为±5 cm, 偏角应符合设计要求, 每钻进一段, 检查一段, 及时纠偏, 孔底位置偏差应小于30 cm。3) 钻孔与注浆顺序应由外而内, 同一圈孔分两序间隔施工。一序孔主要按定量注浆原则进行注浆, 二序孔主要按定压注浆原则进行注浆。4) 在钻孔过程中遇到较大突水时, 应立即停止钻孔进行注浆。
4.4 注浆过程控制要点
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, 如果工作面漏浆, 可采用封堵措施, 如果跑浆可通过调换浆液种类、调整浆液配比等措施, 必要时可采用间歇式注浆, 以达到注浆目的。2) 对注浆过程中发现有大的空洞, 可首先注水泥砂浆或混凝土后进行注水泥浆。3) 在注浆过程中对局部单循环孔压力长期不上升, 可停注, 先对双循环孔进行注浆, 后对单循环孔进行复注。4) 注浆过程中应严格按照既定的施工顺序和方案执行。
4.5 注浆结束标准
1) 单孔结束标准。
a.注浆压力逐步升高到设计终压, 并继续注浆10 min以上;b.注浆结束时的进浆量小于5 L/min。
2) 全段结束标准。
a.所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注现象;b.注浆后预测涌水量小于3 m3/ (m·d) ;c.检查孔涌水量小于0.2 L/ (m·min) ;d.检查孔钻取岩芯, 浆液充填饱满;e.浆液有效注入范围大于设计值。
4.6 注浆效果检查及评定
1) 对注浆过程中P—Q—t曲线进行分析, 要求达到设计终压, 注浆速度小于5 L/min, 且P—t曲线呈上升趋势, Q—t曲线呈下降趋势。2) 通过施工总注浆量反算出浆液充填率不小于80%。3) 抽样钻探检验注浆质量, 检查孔应根据现场情况随机抽取, 但必须重新成孔, 不可利用既有注浆孔, 检查孔抽查率按总注浆孔的10%抽取, 应覆盖整个帷幕体。a.检查孔取芯率达到70%以上, 浆液充填率达到80%以上;b.对检查孔进行注浆, 压力应很快上升, 且进浆量很小;c.检查孔应无流泥, 成孔好, 无坍孔现象, 涌水量小于0.2 L/ (m·min) 。
5 结语
齐岳山隧道PDK365+342～PDK365+315段经过两个月时间的超前帷幕注浆, 又辅之以超前长管棚、小导管和钢架等开挖支护手段, 最终得以顺利地通过了这一高压富水断层破碎段。开挖揭示, 经过超前帷幕注浆加固, 涌水量已得到控制大大减少, 破碎围岩间浆液充填较饱满, 加固效果较好。实践证明, 超前帷幕注浆是隧道施工中在通过高压富水破碎带时的一种有效的施工方法, 具有可靠、高效、经济等优点, 该方法今后在地下工程、软岩加固、堵水及控制沉降等方面必将得到广泛的应用。
摘要：根据超前地质预测预报资料, 确定了隧道掌子面前方存在高压富水的断裂破碎带, 通过对施工地质条件和施工方法的分析, 采用全断面超前帷幕注浆技术进行了堵水和围岩加固, 从而保证了施工的安全顺利进行。
关键词：隧道,超前地质预报,帷幕注浆,应用
参考文献
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[2]蒋爵光.隧道工程地质[M].北京:中国铁道出版社, 1991.
[3]罗翔.隧道超前地质预报方法浅析[J].山西建筑, 2008, 34 (6) :338-339.
帷幕超前预注浆 篇2
大伙房水库输水 (二期) 工程三标段位于抚顺市南郊, 区内地形起伏较大, 地势略呈北高南低, 沟谷发育, 本段主洞共穿越夜海沟东沟、夜海沟谷、郎士沟谷、偏坎子沟谷、英德堡的部分沟谷, 这些沟谷埋深浅, 且常年有流水, 洞线穿越长度为87~766m, 围岩较差, 主要以Ⅴ类为主, 部分Ⅳ类;有些沟谷在施工中出现了大量涌水, 安全通过沟谷浅埋段是施工的难点之一
2. 问题的提出及方案确定
在实际施工中各沟谷都出现了涌水现象, 特别是通过朗士沟谷时, 主洞开挖到13+085~13+095时, 出水量约2000~3000L/min·10m已达到涌水, 开挖至桩号13+095~13+115时, 水量达到5000~6000L/min·10m, 围岩地质条件明显变差, 在开挖过程中遇水经常坍塌, 小导管注浆已不能满足施工安全的需求。为保证施工安全和洞室稳定, 在13+115桩号进行了超前勘探工作, 进一步探明了前方30m范围内的地质状况, 根据现场实际情况, 结合其他隧道施工经验, 认为较为合理的施工方法是采用超前大管棚帷幕注浆止水。
3. 超前大管棚帷幕注浆的工程量和工期
根据前期勘探成果, 为了达到止水目的, 本次超前灌浆计划在主洞上部均匀布置2环共19个灌浆孔, 其中外环孔1 0个, 内环孔9个, 外环间距1.2 m内环1.0 8 m, 梅花布孔。
本次超前灌浆钻孔深度外环为2 5 m, 外插角为6°, 内环为3 0 m, 外插角为3°。孔口管镶铸、待凝时间3天, 钻、灌效率按3 0 m/d·台计算, 投入2台钻机, 需9天, 进退场3天, 总计需12天。
4. 施工方法
4.1、掌子面的封闭:
掌子面的水集中导流, 然后打锚杆 (不要侵占108钢管的位置) , 挂网, 喷20cm厚C20混凝土, 封闭掌子面。
4.2、测量放样:
布设1 0 8管注浆孔的位子, 在以顶半圆的圆心为圆心, 3.5米为半径, 间距为120cm, 10个φ108钢管, 在半径3.3米的内环间距为108cm, 9个108钢管, 和上面的10个管成梅花形布置。中间有两个钻心取样的探测孔, 两个孔都在一个水平线上, 在中心线两侧各1米处, 距顶圆心下1.6米, 放样完φ108注浆管的位置后, 需用实验室手工钻心取样的手工钻机140mm直径的, 把喷上的20cm的钢筋混凝土钻心取出来, 这样就不会因为冲击钻作用在钢筋网上, 把混凝土振落, 使掌子面的封闭受到破坏, 而不起作用。
4.3 搭钻机平台安装钻机
(1) 钻机平台用脚手架搭设, 平台一次性搭好, 钻孔由三台钻机由高孔位向低孔位对称进行, 可缩短移动钻机的时间, 便于钻机定位。
(2) 平台支撑连接牢固、稳定。防止在施钻时钻机产生不均匀下沉、摆动、位移等影响钻孔质量。
(3) 钻机定位:精确核定钻机位置, 使钻机与已设定好的孔口管方向平行。可用全站仪、挂线、地质罗盘导向相结合的方法, 反复调整, 确保钻机钻杆轴向与孔口管轴线相吻合。
4.4 钻孔及孔的冲洗
(1) 为了便于安装孔口管, 摘孔口段钻头直径采用φ130mm, 1.5米深后, 安要求摘管、堵漏、注浆。正常注浆孔径采用φ75mm, 外环25米, 内环3 0米。
(2) 钻机开钻时, 可低速低压, 待成孔3m后可根据地质情况逐渐调整钻速及风压。
(3) 钻进过程中经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进现象及时判定成孔质量, 并及时处理钻进过程中出现的事故。
(4) 钻进时若遇到坍孔、卡钻现象, 需补浆后再钻进。
(5) 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, 作为开挖洞身的地质预报, 为洞身开挖提供指导依据。
(6) 用钻杆配合钻头来回扫孔, 清除浮渣至孔底, 确保孔径、孔深符合要求, 防止堵孔。
(7) 用高压风从孔底向孔口清理钻渣。
(8) 灌浆孔均进行冲洗。冲洗采用灌浆压力的8 0%, 压力超过0.5 M P a时, 采用0.5 M P a。
(9) 裂隙冲洗应冲至回水澄清后10分钟结束, 且总的时间要求, 单孔不少于30min, 孔内残存的沉积物厚度不得超过20cm。
(1 0) 当邻近有正在灌浆的孔或临近灌浆孔结束不足24h时, 不得进行裂隙冲洗。
(1 1) 注浆孔段裂隙冲洗后, 该孔应立即连续进行注浆作业, 因故中断时间间隔超过24h时, 在注浆前重新进行裂隙冲洗。
4.5 压水试验
结合裂隙冲洗, 采用“简易压水”、“单点法”进行压水试验。试验压力为灌浆压力的80%, 该值若大于0.5MPa时, 采用0.5MPa;压水20min, 每5min测读一次压水流量, 取最后的流量值作为计算流量, 其成果以透水率表示。
4.6 灌浆材料、灌浆设备
4.6.1 材料
灌浆采用纯水泥浆。
(1) 水泥。水泥采用浑河牌P.O 42.5级普通硅酸盐水泥, 其质量满足灌浆要求。施工过程中, 对于受潮结块的水泥和出厂期超过三个月的水泥及时清场, 不得使用。
(2) 拌和用水。抽取4#支洞施工区内的地下水, 水温及水质均符合灌浆要求。
4.6.2 灌浆设备
(1) 灌浆泵使用B W-2 5 0/5 0 0灌浆泵1台, 其最大容许工作压力为10.0Mpa, 排浆量能满足灌浆最大注入率的要求。
(2) 根据灌浆需要配置1台高速和1台低速浆液搅拌机。高速搅拌机为自制的300L搅拌桶;低速浆液搅拌机为YJ-200型双层搅拌桶, 能保证均匀连续地拌制浆液。
(3) 灌浆管路选用可承受最大压力为15MPa的高压钢丝编织胶管;压力表最大标值为10MPa, 已经过率定。压力表和管路之间应设有隔浆装置。
(4) 孔口封闭器为自制法兰盘, 耐高压, 易于安装和卸除。
(5) 注浆时采用自动记录仪记录水泥用量。其性能指标满足施工要求。
(6) 所有注浆设备、仪器、仪表均始终保持工作状态正常, 并应配有足够的备用设备。电力驱动的设备保证接地良好并经确认能保证施工安全时, 方可使用。
4.7 灌浆
4.7.1 施工工艺
4.7.2 灌浆程序
(1) 一般要求。超前预注浆必须严格按照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》 (D L/T 5 1 4 8-2 0 0 1) 中相关规定执行。
(2) 施工程序。外排I序孔→外排II序孔→内排I序孔→内排II序孔。
(3) 工艺流程。孔口扩大段钻孔 (孔口段钻头直径采用φ130mm, 钻深15米) →冲孔及压水试验→镶铸孔口管 (φ108mm的钢管19个) →灌浆 (19个孔都达到闭浆标准) →下一段钻孔→冲孔及压水试验→全孔灌浆结束→封孔。
(4) 灌浆段1.5米段, 外环孔2 5米一段, 内环3 0米一段。摘管注浆完成后, 采用φ7 5 m m钻头重新开钻, 外环孔1 0个2 5米深, 内环孔9个3 0米深, 按要求钻孔、钻孔冲洗和压水试验后, 进行灌浆。
(5) 超前预注浆采用“孔口封闭, 孔内循环分段灌浆法, 分段原则为出水量大于30L/min的需要进行注浆处理。设计初始灌浆压力0.2 5 M P a, 最大灌浆压力不超过0.5 M P a。
(6) 各注浆孔段不论透水率大小均按技术要求进行注浆, 对特殊地层注浆段应采取相应的施工技术措施, 有效控制灌浆量。
(7) 射浆管采用4′硬质P V C管, 注浆时射浆管底部距离孔底不大于0.5 m。
(8) 注浆应尽快达到设计压力, 但对于注入率较大部位应分级升压。
(9) 注浆浆液水灰比拟采用2﹕1、1﹕1、0.5﹕1三个比级。开灌水灰比采用3﹕1。
(1 0) 注浆应由稀至浓逐级变换。灌浆的变换原则如下:
1) 当灌浆压力保持不变, 注入率持续减少时, 或注入率不变而压力持续升高时, 不得改变水灰比。
2) 当某级浆液注入量已达到300L以上, 或灌浆时间已达30min, 而灌浆压力和注入率均无改变或改变不显著时, 应该浓一级水灰比。
3) 当注入率大于3 0 L/m i n时, 可根据具体情况越级变浓。
4.7.3 灌浆结束标准和封孔方法
(1) 超前预注浆结束条件为, 注浆段在最大设计压力下, 当注入率不大于1L/min后, 继续灌注15min结束。
(2) 全孔注浆结束并经监理工程师验收合格后, 采用“压力灌浆封孔法”进行封孔。
4.8 灌浆质量控制
⑴注浆前先检查管路和机械状况, 确认正常后做压浆实验, 确定合理的注浆参数, 据以施工。
⑵注浆过程中随时检查孔口、邻孔、覆盖层较薄部位有无串浆现象, 如发生串浆, 应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口, 也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵, 直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高, 可能发生堵管, 应停机检查。
(3) 注浆过程应派专人负责, 观察压力表值, 监控连通装置, 避免因压力猛增而发生异常情况。
5、劳动力组织及设备投入
超前预注浆施工工序多, 工种杂、技术性强、要求技术工人具有各方面独立操作能力, 又能处理管棚施工中一般的故障, 管棚施工的质量很大程度上取决于钻孔和注浆的质量。为了保质保量快速完成本次超前灌浆任务, 达到预期止浆目的, 使得下步主洞开挖安全顺利进行, 结合现场作业条件, 承包人配置了相应的设备资源和人力资源。见表2-1、表2-2。
6. 施工质量与效果评定
超前灌浆为隐蔽工程, 且对后续开挖施工的安全起着决定性的作用, 因此, 承包人高度重视本次灌浆任务的施工质量, 对本次灌浆施工质量与效果评定如下:
6.1 外环注浆孔外插角5.5°~6°, 间距1.8 cm;内环外插角2.8°~3.3°满足设计与规范要求, 为保证注浆的扩散范围创造了条件。
6.2 注浆过程中有浆液从掌子面的裂隙中渗出, 说明注浆段的围岩裂隙很发育, 同时也表明水泥浆液已经扩散到围岩的裂隙中, 起到了止水、固结周边围岩的作用。
6.3 注浆前通过压水实验测得透水率在16.7~27.3之间, 灌浆完毕后, 按监理打检验孔后做压水实验测得的透水率在0.8~1.7之间。灌浆后的透水率减小到了灌浆前的1/18。实际开挖后掌子面的出水量较以前明显减少。
综合以上本次超前预注浆到了止水的预计效果。
7. 结束语
注浆前开挖时, 装药较为困难, 刚装进去即被水冲出, 爆破时拱顶还经常出现大小不等的塌方 (顶塌方在50~3000mm) ;注浆前喷砼时总是脱落, 施工较为困难, 每延米用料量都在设计值的四倍以上。注浆后在注浆固结体与超前小钢管的共同作用下小的塌方与大的超挖现象杜绝;喷砼用料量也大副下降。
帷幕超前预注浆 篇3
宜万铁路DK86+561～DK89+224堰家坪隧道位于湖北省长阳县榔坪镇, 全长2663m, 设计为双线隧道。全隧位于曲线半径为2500m的曲线上, 隧道设计纵坡为14.8‰和6‰。隧道围岩为奥陶系下统灰岩、泥质灰岩, 局部夹页岩, 节理较发育, 岩体较破碎, 结构松散, 稳定性差;且洞身位于01含水透水岩组与02+3裂隙弱含水弱透水岩组分界附近靠01侧的丰水区, 可能遭遇纵向、横向管道径流的承压水, 或承接来自该段南侧背斜山地分流的所有来水, 成为“集水廊道”, 易发生坍塌、冒顶、涌水、突泥灾害。
2 施工方案确定
2006年3月10日隧道开挖至DK88+996掌子面, 揭示从DK89+017断面开始的拱顶充填性溶洞延伸到拱脚位置, 即拱顶以下5M范围全部为溶洞充填物。充填物主要为土夹碎块石, 充填物较松散, 且充填物中渗水严重, 水流呈线状, 易坍塌, 溶洞底以下为灰岩岩体较破碎。采用水平钻孔探测, 该溶洞一直在向遂底延伸。根据超前地质预报, 原设计的采用超前锚杆纵向间距2m格栅拱架间距1m的支护体系已不能保证隧道的施工结构安全。为确保施工和结构安全, 提请设计变更确定对DK88+996掌子面前方26m采用φ108大管棚超前预注浆方案, 其他支护措施按宜万遂参03-20隧道围岩Vb级支护施工。
大管棚支护是在隧道开挖外轮廓周边上, 间隔一定的距离, 沿洞轴方向以一定的外插角钻孔、安设钢管, 然后进行超前注浆固结松散围岩的一种预支护措施。通过管棚注浆, 钢管与围岩紧密固结, 使隧道拱顶预先形成加固的保护环, 加固的保护环可以承受拱部的地面荷载和岩层重量, 在岩体开挖后架设拱型钢架支撑, 支撑拱架相互连接, 形成一个牢固的纵横棚状支护结构。由于钢管和围岩形成了一个固结的整体, 拱部变形变小, 传递给支护钢架的上部荷载大大减小, 从而保证了洞身开挖的安全。
3 施工设计
3.1 管棚设计参数。
钢管规格:热轧无缝钢管φ108*6mm, 节长3m, 6m。管距:环向间距40cm共布置36根。钢管轴线外插角1°。钢管施工误差:径向不大于20cm, 沿相邻钢管方向不大于10cm。隧道纵向同一横断面内的接头数不大于50%, 相邻钢管的接头至少错开1m。
管棚布置见右图:
3.2 注浆设计参数
3.2.1浆液材料及配比的确定。
根据工程地质条件和注浆目的以及各种浆液材料的渗透性、渗透系数, 注浆材料选用原则如下:
围岩裂隙发育, 可注性好的地层, 可采用普通水泥浆液或水泥-水玻璃浆液。粉细砂地层 (黏土含量低于2%) 或围岩裂隙发育一般、可注性一般的地层, 可采用超细水泥浆液或TGRM超细双液型水泥基特种注浆材料。含水、高压致密土体, 可采用HSC超细高早强型水泥浆液或化学浆液。
根据岩溶填充物松散的地质条件, 本工程选择普通水泥浆液;根据注浆试验的成果确定水泥浆水灰比为0.6:1～1:1。
3.2.2 注浆量的确定。
由于浆液的扩散半径与岩层裂隙很难精密确定, 根据隧道工程地质、水文条件以及所选择的注浆材料, 进行注浆量的估算。注浆量的估算按下式进行:Q=π*r2*L+π*R2*L*n*α*β
式中:Q—总注浆量;单位m3;
r—管棚管半径;本工程取0.054m;
R—扩散半径;本工程R取0.5m;
L—管长;本工程取26m;
n—围岩孔隙率;本工程为13%;
α—浆液填充系数 (0.7～0.9) ;本工程取0.8;
β—注浆材料损耗系数;本工程取1.15。
则单孔注浆量Q=π*0.054*0.054*26+π*0.3*0.3*26*13%*0.8*1.15=0.878m3
3.2.3 注浆压力的确定.
注浆压力是注浆施工中的重要参数, 它关系到注浆施工的质量以及经济效果。因此, 正确确定注浆压力与合理运用注浆压力有着重要的意义。注浆压力与岩层裂隙发育程度、浆液材料的粘度和凝胶时间长短等有关, 目前均按经验确定。本工程初压力取0.5-1.0Mpa, 终压取2.0～2.5Mpa。
4 超前管棚注浆施工工艺
管棚施工主要工序有掌子面封闭、施工管棚工作室、导拱施工、搭设钻孔平台、钻孔、安装管棚管、注浆。管棚施工工艺流程图如下。
4.1掌子面封闭
DK88+996掌子面停止掘进, 采用φ22mm砂浆锚杆 (L=3.5m, @1.1×1.1m) , φ8mm钢筋网 (20×20cm) , 喷20cm厚C20砼的锚、网、喷临时防护使临空面稳定。
4.2施工管棚工作室
应比设计断面大30～50cm, 工作室长度应满足钻机作业要求。在DK88+996～DK89+002段上台阶管棚范围扩挖80cm作为管棚工作室。在工作室范围内安装格栅钢架间距0.8m, φ8mm钢筋网 (20×20cm) , 喷20cm厚C20砼;钢架底脚落在溶洞底部的围岩上。每榀钢架底脚处打设8根5m长φ42mm锁脚锚管并注浆加固。
4.3导拱施工
工作室完成后施做导拱, 因管棚在松散溶洞填充体内穿过, 为提高钻孔的方向控制精度, 导拱尺寸确定为1cm×80cm (长×厚) , 延拱顶环向布置;采用C20砼浇注。将36根φ127×1.0mm导向钢管按照管棚设计的间距和外插角焊接在钢架上。导向管的外插角度控制是影响管棚施做质量的重要因素。钢管距拱顶过高会减弱支护效果;过低可能出现侵入隧道净空, 施工时须割除造成管棚支护无效。结合溶洞充填物的特性和管棚的长度, 外插角取1.5度。
4.4 搭钻孔平台安装钻机
4.4.1
作业平台采用钢管扣件按“井”字形搭设, 平台上铺设木板形成工作面, 准备好2m长的方木若干, 调整钻机高度。搭设前清理上台阶作业平台上的淤泥杂物, 确保钻孔平台落在实地、连接牢固、防止在钻孔时钻机摆动倾斜影响成孔质量。平台长度不得小于6m, 以便有足够的空间安装管棚钢管。
4.4.2
钻孔采用二台XY-2PCC地质钻机 (φ115mm钻头) 平行作业。钻机定位要求钻机与已设定好的孔口管方向平行, 采用经纬仪挂线、钻杆导向相结合的方法, 反复调整, 精确核定钻机位置, 确保钻机钻杆轴线与孔口管轴线相吻合。
4.5 钻孔施工
4.5.1
根据施工任务布置两台钻机钻孔施工, 一台由低孔位向高孔位钻进, 另一台由高孔位向低孔位钻进, 避免两台钻机互相影响。钻进时先低速低压, 等成孔2m后再根据地质情况逐渐调整钻速及风压, 钻进过程中要经常用测斜仪测定其位置, 并根据钻机钻进的情况及时判断成孔质量, 及时处理钻机过程中出现的事故。当遇到充填物粘性变大, 排出的岩屑多为泥团时, 采用注浆机向孔中注入高压水, 与高压风混合将粘性碎渣吹出。当遇坚硬孤石不能钻进时, 采用冲击钻头冲击通过;当钻进过程遇特殊复杂地层, 不能钻进或难以成孔时, 采用预注浆加固后再钻进施工。
4.5.2
钻进过程中确保动力器、扶正器、合金钻头按同心圆钻进。
4.5.3
钻进时产生孔斜超过允许范围 (钻孔平面误差径向大于20cm时) 、坍孔、卡钻时, 需补注浆后再钻进。
管棚钻孔允许偏差
4.5.4
认真作好钻进过程的原始记录, 根据每节段的钻进速度及孔口岩屑进行地质分析, 根据记录数据绘制地质剖面图和展开图, 为洞身开挖提供地质预测预报资料。
4.5.5
用φ127mm岩芯管进行扫孔, 清除孔内岩碴和顺通孔道。岩芯管长度不小于2.5m。如遇下管困难, 连续扫孔几次, 同时借助高压空气吹洗, 直到孔内清扫干净。
4.6 安装管棚钢管
钢管在专用的管床上加工好丝扣, 丝扣长15cm, 管间接头错开布置。导管四周钻设孔径10mm注浆孔 (靠孔口1m处的管棚段不钻孔) , 孔间距15cm, 呈梅花型布置。管头焊成圆锥形, 便于入孔。为使钢管接头错开, 加工钢管时将钢管进行钢节编号, 根据加工的钢管节搭配好并做好记录待用。
管棚顶进采用大孔引导和钻机顶进相结合的施工工艺, 即先钻大于棚管直径的引导孔 (φ127mm) , 然后用钻机边回转边顶进钢管。顶进困难时, 用锤击钢管或用钢管钳扭转钢管, 以取得较好的顶进效果。下管要及时、迅速, 以保证在钻孔稳定时将钢管送到孔底。钢管末端部可焊设挡圈并胶泥麻筋箍成楔形, 以便钢管顶进孔后其外壁与岩壁间隙堵塞严密。
4.7 注浆
4.7.1
安装好有孔钢花管后即对孔内注浆, 注浆后检查注浆质量, 浆液扩散半径不小于0.5cm。
4.7.2
水泥浆液由ZJ-400高速制浆机拌制, 选用两台BW-250/50型注浆泵进行注浆。
1.高速搅拌机;2.吸浆管;3.回浆管;4.进浆阀;5.泵;6.压力表;7.输浆管;8.快速接头;9.孔口压力力表;10.钢管接头;11.混合器;12.单向阀;13.三通;14.止浆塞;15.注浆孔
4.7.3
注浆施工要求。
(1) 注浆前在钢管中沿管壁安设φ15mm的PVC管至孔底, 在管尾处与堵浆塞排气孔相连接, 作为排气孔 (安设钢管盖和注浆阀门) ;注浆管与堵浆塞进浆孔相连, 堵浆塞与钢管间为丝扣连接。
(2) 注浆采用从孔口一次注入, 为使管内浆液饱满密实, 注浆时等排气孔有浆液流出, 进行终压注浆, 直至达到设计注浆压力或设计注浆量时终止, 然后关闭其阀门;一个孔段的注浆作业一般应连续进行直到结束, 不宜中断, 应尽量避免因机械故障、停电、停水、器材等问题造成的被迫中断。
(3) 注浆结束标准:单孔注浆量达到设计注浆量, 注浆压力达到设计终压力并终压不少于10分钟或注浆结束时的进浆量小于20L/min时, 可结束注浆;全段结束标准为所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注现象或浆液有效注入范围大于设计值。
(4) 注浆作业时若注浆量超限, 未达到压力要求, 应调整浆液浓度继续注浆, 直至符合注浆质量标准, 确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙浆液充填饱满。
(5) 注浆结束后及时清除管内胶凝浆液, 并用快硬水泥砂浆封闭管口, 以增强管棚的刚度和强度。
5 洞身开挖及管棚支护效果评价
注浆结束后采用上下台阶法开挖施工。超前小导管采用φ42mm钢花管, 壁厚3.5mm, 长3.5m, 管壁每隔15cm交错梅花型钻眼, 前段做成尖头便于打入。超前小导管按环向0.4m每根, 纵向2m每环, 梅花型布置。小导管外插角约5°。开挖施工后初期支护采用20#工字钢0.5m每榀, 3.5m长Ф22砂浆锚杆1.0m*1.0m (环×纵) , 20cm*20cmφ8钢筋网片, 喷射C20混凝土20cm。洞身开挖后对隧道洞身进行监控量测, 如下图 (以DK88+990断面为例)
2006年4月3日洞身开挖支护通过DK88+990断面。经过对围岩量测和拱顶下沉两个项目的检测DK88+990断面拱顶下沉于4月16日达到稳定累计下沉值为4mm;径向收敛值很小, 累计2mm。最终该管棚注浆段隧道拱顶下沉和洞身收敛曲线趋于缓和;判断该段围岩趋于稳定。而且从图中也可以看出经过管棚注浆后, 洞身开挖后围岩变形量很小;达到了预期的支护效果。
该段岩溶填充段从2006年3月28日开始洞身开挖, 到2006年4月26日全部施工通过, 未出现任何安全质量事故。
6 结束语
通过本工程的施工实例我们可以得出超前管棚预注浆施工方法是解决岩溶隧道软弱围岩的有效方法。超前管棚预注浆是利用管棚预注浆形成纵向支撑, 利用型钢钢架作为环向支撑, 共同组成一个联合支撑体系。该体系刚度较大, 能够有效限制围岩变形, 极大程度减少地表下沉和围岩坍塌, 增加隧道的施工安全。另外管棚注浆也有效的对洞身周边部分岩溶进行有效填充, 改变纵向、横向岩溶裂隙径流通过洞身部分, 对于岩溶隧道的突水突泥也有一定的预防作用。
摘要：本文结合宜万铁路堰家坪隧道出口段超前管棚注浆的施工, 着重介绍岩溶发育段隧道施工中的超前管棚注浆施工工艺控制。结合工程实践, 详细地介绍了超前管棚注浆的方案确定, 施工设计、施工工艺以及管棚支护效果评价等, 确保施工安全和隧道结构的稳定。对类似隧道施工有一定的借鉴作用。
关键词：岩溶发育,隧道,超前管棚,注浆
参考文献
[1]公路隧道设计规范. (JTG D70-2004) .
[2]关宝树.隧道工程设计要点集.北京:人民交通出版社.2003.
[3]黎爱清, 吕秀华.长大管棚施工工法[J].西部探矿工程, 2003.
帷幕超前预注浆 篇4
关键词：涌水,预注浆,阻水
1 工程概况
输水隧洞工程某标段, 主洞全长29.4km, 总投资8亿多元。主洞包括钻爆段和TBM段两部分, 其中钻爆段长度14km。某支洞位于山坡上, 山体较缓, 自然坡度约21°, 坡积物较厚, 厚度约2~4m, 支洞长1577m。采用钻爆法开挖, 成洞断面尺寸为5500×5500, 坡度为19%。在施工过程中, 在支洞里程1+460.4处, 在掌子面右拱肩出现股状涌水, 超过设计排水量, 不到1天时间, 就淹没洞长50m, 对现场施工造成了严重的影响。经五方现场会议确认, 计划对涌水处进行深孔超前预注浆处理, 经超前预注浆或经超前探孔探水满足开挖条件实施开挖后, 若仍有个别出水点呈股状或线状出水, 则采取补注浆对地下水进行封堵。
2 涌水地质情况分析
洞室岩性主要为新太古混合花岗岩 (Ar2Wgn) , 无规模较大的断层通过, 成洞条件较好。以微风化为主, 节理较发育, 节理面多微张~闭合, 多平直光滑, 一般无填充。岩体完整性差~较完整, 局部较破碎, 一般为镶嵌结构~块状结构, 属中硬~坚硬岩。
该支洞洞线区域范围内水文地质条件较为简单, 地下水储藏类型主要为基岩裂隙水。已开挖洞段地下水多成渗水~滴水状态, 局部呈线状流水状态。但此涌水处裂隙水较为发育, 且为压力水, 可从探孔中往外喷出5~6m, 危险性极大。由于现场毫无防备, 此次涌水对设备造成了极大损坏。
3 涌水处理方案
注浆分两部分, 一是先进行深孔超前预注浆, 二是开挖完成后, 对深孔周边预注浆局部效果不满意地段, 在隧道开挖轮廓线外进行径向止水注浆[1,2]。
3.1 注浆段长和注浆孔的布置
根据钻机性能, 选用每循环注浆段长15米。深孔周边预注浆就是要使浆液扩散到注浆深孔周边预范围内的所有岩层裂隙中, 所以注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则, 据此根据设计注浆孔数量以隧道中轴为中心呈伞形布置, 布置方式如图1所示。
3.2 注浆方式[3]
先注外圈, 后注内圈, 同一圈由下往上、左右交替间隔施作 (如图1) , 钻一孔注一孔, 后序孔检查前序孔的注浆效果。
采用分段前进式注浆或全孔一次压入式注浆。当钻孔过程中未遇见泥夹层或涌水, 就一钻到底, 全孔一次压入式注浆;在钻孔过程中遇到泥夹层或涌水, 立即停止钻孔, 采取注一段钻一段的分段前进式注浆方法, 直至终孔。
3.3 注浆参数的选择
每循环注浆长度15m, 开挖11m, 预留4m作为止浆岩盘, 可避免每个注浆循环浇筑混凝土或喷射混凝土作为止浆墙这道工序, 可以加快施工进度。第一次注浆喷射混凝土作为止浆墙。
注浆压力是注浆的主要参数, 它对浆液的扩散范围、岩层裂隙充填的密实程度及注浆效果的好坏起着决定性的作用, 所以必须有足够的注浆压力克服静水压力和地层阻力, 方能达到注浆目的。注浆压力取静水压力的2~3倍, 根据试验段成果, 取灌浆压力为0.3~0.6~0.9~1.2~1.5MPa逐级增加。
浆液配比是决定注浆效果的一个关键因素。根据浆液凝结时间和灌注难易程度, 由试验段成果得出, 灌浆浆液按由稀到浓的原则, 逐级改变, 采用3:1、2:1、1:1、0.5:1四个等级, 初始浓度采用3:1。制浆机转速1200~2000r·min-1, 浆液搅拌时间2~3min。
根据探孔预测结果, 决定是否采用孔口管。对探孔预测水压较高 (P≥1.0MPa) 且水量较大 (Q≥20m3·h-1) 的区域, 采用孔口管注浆, 否则采用止浆塞止浆方式注浆。
3.4 后注浆止水布置
节理裂隙阻水灌浆钻孔布置是根据现场情况在节理两侧随机布孔, 所有孔必须打至裂隙处, 孔深3.5m, 孔径Φ40mm。布孔方式如图2所示。
4 结束标准
全部注浆孔注浆完成后, 在主要出水点附近设检查孔, 测孔内涌水量或进行压水实验, 若满足设计要求, 则可以开挖, 否则进行补注浆[4]。单孔结束标准:注浆压力逐步升高至设计终压, 并继续注浆10min以上;注浆结束时的进浆量小于0.4L·min-1;检查孔涌水量小于0.2L·min-1;检查孔钻取岩芯, 浆液充填饱满。全段结束标准:所有注浆孔均已符合单孔结束条件, 无漏注现象;注浆后检测涌水量, 小于1m3·m-1·d-1;浆液有效注入范围大于设计值;预测岩体经注浆后可在开挖后保证洞壁稳定。
5 异常处理
5.1 串浆:
如几个孔出现串浆, 串浆孔又具备灌浆条件时, 可同时进行灌浆。否则应封闭连通孔中的灌浆塞阀。
5.2 灌浆中断:
灌浆应连续进行, 如因故中断, 应及早恢复灌浆, 否则应根据实际情况, 对钻孔进行冲洗或扫孔后恢复灌浆, 恢复灌浆的压力可采用中断前的数值。
5.3 若掌子面小裂隙漏浆, 先用水泥浆浸泡过的麻丝填塞裂隙, 并调整浆液配比, 缩短凝胶时间;若仍跑浆, 在漏浆处采用普通风钻钻浅孔注浆固结;若掌子面前方8米范围内大裂隙串浆或漏浆, 采用止浆塞穿过该裂隙进行后退式注浆。
5.4 若注浆压力突然增高, 则只注纯水泥浆或清水, 待泵压恢复正常时, 再进行浆液注浆。
若压力不恢复正常, 则停止注浆, 检查管路是否堵塞。
6 结语
综上所述, 此次涌水主要处理思路为先进行深孔超前预注浆, 再根据揭露围岩渗水情况进行径向注浆, 以确保开挖轮廓线一定范围内渗水量满足设计要求。下一循环开挖施工前, 在掌子面处施做5m探水孔, 在确保安全的情况下进行短进尺爆破作业。开挖段内无水或出水很小, 并且开挖后明显看到松散岩体被浆液胶凝, 岩体的完整性得到改善。由于前期涌水量较大, 在一定程度上影响了周边水井的用水, 可以看出此方案采用“以堵为主, 以排为辅”的涌水治理原则是正确的, 虽然涌水对工期和施工造成了影响, 但治理措施是可行的, 并且保护了当地的自然生态环境, 结果是成功的。
工程实践证明在地质构造复杂、裂隙水发育的围岩中, 采用深孔注浆堵水加固围岩, 在围岩破碎的情况下, 结合小导管超前、锚喷拱架联合支护措施是有效可行的。特别是能在一般方法难以治理的较大范围内固结围岩和堵水, 从而改善围岩的自稳条件, 效果明显, 创造出正常的作业环境。
参考文献
[1]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社, 2011.
[2]赵立波.尖山隧道涌水带注浆设计与施工[J].建筑施工, 2009 (6) :7-11.
[3]黄金伟.隧道特大涌水的治理方法[J].山西建筑, 2007, 33 (1) :333-334.
帷幕超前预注浆 篇5
1 井筒基岩水文地质特征
1.1 井检孔揭露基岩主要含水层水文地质特征
1.1.1 基岩风化带风化裂隙承压含水层 (Ⅱ)
风化带起止437.66~449.60 m, 强风化带厚度11.94 m, 孔深474.85~484.57 m, 为一层厚9.72 m的粗粒砂岩。该砂岩上部岩心较完整, 下部岩心破碎, 垂直裂隙发育, 线裂隙率4~7条/m, 与上部强风化带共同构成该段主要含水层。该层段抽水试验结果:q=0.009 L/ (s·m) , K=0.04 m/d, 水位标高+7.45 m, 水温24℃, 矿化度为6.2 g/L, p H值7.4, 水质类型为SO4-Na型水, 矿化度高, 水质差, 说明地下水交替缓慢, 预计井筒涌水量26 m3/h。
1.1.2 下石盒子组五煤组砂岩含水层 (Ⅱ1)
顶底板深度为484.95~621.48 m, 标高为-448.443~-584.973 m, 含水层厚度29.09 m (真厚) , 为细粒砂岩及粗粒砂岩, 其垂向裂隙发育, 被钙质充填。简易水文观测有明显消耗, 其深度为613.00~618.91 m, 消耗量为1.00~6.48 m3/h。井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.033 2 L/ (s·m) , 渗透系数0.113 6 m/d, 水位标高+12.417 m, 矿化度7 669 mg/L, 硬度1 089.46 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层[1]。K6砂岩为该段主要含水层, K6砂岩为中—粗粒石英砂岩, 常含石英及燧石砾石, 碎屑成分中石英占90%以上, 硅质胶结, 厚9.86~18.53 m, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为68.64 m3/h (其中K6砂岩涌水量占49.34 m3/h) 。
1.1.3 下石盒子组二、三煤组砂岩含水层 (Ⅱ2)
顶底板深度为679.25~781.32 m, 标高为-642.743~-744.813 m, 含水层厚度29.66 m, 岩性为细粒砂岩, 其裂隙发育, 方解石脉充填。简易水文观测未发现有明显消耗。此次井检孔抽水试验结果:单位涌水量0.026 5 L/ (s·m) , 渗透系数0.091 2m/d, 水位标高+10.147 m, 矿化度7 513 mg/L, 硬度969.33 mg/L, p H值7.6, 水质为SO4Cl-Na型, 属于承压裂隙含水层。K5砂岩为该段主要含水层, K5砂岩厚1.20~8.33 m, 浅灰—灰色, 细—中粒结构, 碎屑成分以石英为主, 长石为次, 硅、泥质胶结, 含菱铁质颗粒, 具大型斜层理, 层面含炭质, 下部含泥质包裹体, 纵向裂隙发育。预计井筒涌水量为67.45m3/h (其中K5砂岩涌水量占23.87 m3/h) 。
1.2 预想井筒基岩水文地质特征
根据井检孔揭露基岩资料结合矿井地质勘探报告、三维地震报告以及永夏矿区已生产的六对矿井井筒施工时揭露的情况分析:主、副、风三井筒基岩段构造复杂、岩石破碎、裂隙发育、含水层多且富含水;主、风井筒施工时主要受K6砂岩含水层的影响, 基岩风化带和K5砂岩含水层次之;副井除受基岩风化带、K6、K5砂岩含水层影响外, 预计在K6砂岩含水层段遇到SF6断层, 断距为0~25 m, 岩石破碎。
2 大段高高压超前预注浆方案
井筒基岩段施工期间, 坚持“有疑必探、先探后掘”的施工原则[2];根据《煤矿防治水规定》和《煤矿安全规程》要求, 单层涌水量在10 m3/h以上的含水层, 必须采用工作面预注浆通过。根据井检孔地质报告, 井筒基岩段含多层含水层, 其中将穿过2个水量较大的含水层组, 为了进行安全快速施工, 须对冻结段以下的井筒段实行工作面预注浆法通过 (140m段高、注浆压力为水压2~3倍) 。
工作面预注浆以封堵含水层孔隙、裂隙水, 增加破碎岩石强度构建井筒“隔水帷幕层”为目的[3]。在井筒内施工注浆孔, 地面建注浆站, 通过地面注浆泵和井壁吊挂无缝钢管, 将地面搅拌好的水泥浆液压入注浆孔含水层裂隙和构造破碎带中封堵裂隙水。
3 大段高高压超前预注浆工程设计
3.1 超前预注浆起止深度及注浆方法
以副井为例, 井筒复杂基岩段采用3个段高探水、注浆施工 (表1) , 全段下行压入式注浆。
注:结合井检孔资料。
3.1.1 注浆钻孔布置
(1) 注浆孔数N。
式中, D为井筒净径, 6.0 m;A为注浆孔与井壁距离, 0.5 m;L为注浆孔间距, 1.95 m。
代入数据计算得, N=8.05, 取8个 (图1) 。
(2) 径向角α。
α=arctan (S+A) /H
式中, α为钻孔在径向上与竖轴的夹角;S为终孔位置在径向上超出净径的距离, 取3.0 m (超出下部掘进荒径2.5 m) ;H为段高, 140/75 m。
代入数据计算得, α=1°26'/2°40'。
(3) 切向角。为解决钻孔控制范围内“竖向裂隙盲区”导致注浆效果差这一难题, 特设计钻孔切向倾角。钻孔切向倾角按照下式计算:
α1=arctan (s/h)
式中, α1为钻孔在切向上与钻孔径向斜距的夹角;s为注浆孔终孔位置间距离, 4.59 m;h为钻孔径向斜距, 141.25/75.13 m。
代入数据计算得, α1=1°52'/3°30'。
探水注浆孔布置参数见表2。
3.1.2 注浆孔施工顺序
注浆孔8个, 1#布置在正北方向, 按顺时针编钻孔序号 (图1) 。钻孔分2组交替施工, 1#、3#、5#、7#孔为第1组, 先行施工, 封堵大的裂隙;第2组2#、4#、6#、8#孔封堵细小裂隙及孔隙水, 并作注浆质量检查孔。其中1#孔为初检孔, 主要检查水量和地层的岩性;8#孔作为终检孔, 检查本次探水注浆的质量。钻孔数量及布置方式应根据第1组探孔施工及注浆情况进行合理调整。
3.1.3 注浆压力
注浆压力是浆液在裂隙中流动、扩散充塞、压实的能量, 是控制浆液距离的重要因素之一, 根据地层情况, 注浆终压取含水层水压的2~3倍 (表3) , 注浆压力为工作面注浆压力表压力值, 前期封堵大裂隙注浆压力取低值, 后期小裂隙注浆压力取高值。
注:应根据注浆情况调整注浆孔数, 暂定8个。
3.1.4 注浆材料及注入量
(1) 注浆材料。前期注浆选用单液水泥浆封堵裂隙水, 采用P.O32.5R普通硅酸盐水泥浆液, 另掺入水泥质量0.5%的食盐和0.05%的三乙醇胺作为外加剂, 外加剂起速凝早强作用, 加强注浆堵水效果。
(2) 水泥浆液注入量。水泥浆液注入量为:
式中, A为浆液消耗系数, 1.5;H为注浆段高, 140/75 m;R为浆液有效扩散半径, 10.5 m;β为浆液充填系数, 0.85;m为结石率, 0.85;η为裂隙率, 3.5%。
水泥浆液量及材料用量见表4。
3.2 混凝土止浆垫厚度计算及施工
3.2.1 混凝土止浆垫厚度计算
采用单级平底型混凝土止浆垫。混凝土设计标号为C60, 采用P.O42.5R普通硅酸盐水泥配制, 另加混凝土早强减水剂。止浆垫厚度Bn按式 (1) 计算:
式中, P0为注浆终压, 各注浆段分别取14.7, 17.7, 22.6 MPa;[σ]为混凝土3~7 d抗压强度, 44.1MPa;r为井筒掘进半径, 4.0 m (井壁厚度加厚为1.0 m) ;k为安全系数, 取2.0。
根据计算结果, 各注浆段止浆垫有效厚度分别为3.87, 4.40, 5.30 m, 各注浆段止浆垫有效厚度分别取4.00, 4.50, 5.30 m;止浆垫有效厚度可根据混凝土强度及井壁厚度变化进行调整。施工时可以减小止浆垫有效厚度, 先加固止浆岩帽 (止浆垫下的岩帽厚度应不少于20 m, 每次段高预留20 m的超前距) , 使岩帽与混凝土止浆垫共同承受注浆压力。
3.2.2 混凝土止浆垫施工
为防止止浆垫与井壁间漏水漏浆, 要求止浆垫与井壁重叠0.5 m, 永久井壁以下止浆垫有效厚度不得小于设计厚度。混凝土由地面搅拌站配制, 经底卸式吊桶下井, 混凝土浇筑应连续施工, 加强振捣, 混凝土中可掺加早强减水剂;止浆垫上面避开孔口及罐底位置预留一个集水坑以备排水。
混凝土止浆垫施工前, 应做好上部井壁截水及下部围岩出水点导水工作, 确保止浆垫施工质量[4]。若工作面水量较大, 应施工滤水层止浆垫, 并在滤水层中埋设滤水箱 (厚8 mm钢板加工) , 滤水箱顶部焊接滤水管 (273 mm×8 mm) , 便于潜水泵排水。滤水层采用大粒径石子铺设, 滤水层的铺设厚度应保证其空间满足中间换泵时间 (10 min左右) 。
滤水层厚度A=tq/3.14βr2+0.25
式中, t为停泵时间, 一般取10 min;r为井筒荒半径;q为井筒工作面实际涌水量;β为碎石孔隙率, 取40%。
3.3 孔口管埋设
3.3.1 孔口管长度取值
根据《简明建井工程手册》要求, 孔口管长度应大于止浆垫厚度0.5 m以上, 止浆垫以上留0.3 m高度, 孔口管取值见表5。根据施工经验, 孔口管采用108 mm无缝钢管加工而成, 孔口上部焊接法兰以便与高压注浆阀连接, 中下部加工成倒竹节状。根据施工经验, 井筒注浆选用108 mm×5/6 mm无缝钢管, 孔口管长度现场根据止浆垫厚度、注浆深度及岩帽岩层特性合理选择。
3.3.2 孔口管埋设方法
第1组孔口管采用预埋的方式。将钻机按设计的方位、孔径、倾角安装固定在大模板上, 在清底后的工作面向下钻进5~10 m, 用压风吹净孔内岩粉, 下入108 mm注浆孔口管, 孔隙充填2∶1的水泥砂浆后, 然后浇注混凝土止浆垫;根据第1组孔注浆情况, 确定是否需要进行第2组孔施工, 需要施工时, 第2组孔口管则采用后埋的方式进行, 即直接在止浆垫上造孔埋设即可。
3.4 注浆孔施工
注浆钻孔采用2台ZDY650 (MK-3) 型液压钻机, 分别配50 mm钻杆及65/75 mm三芯钻头施工, 地面通过供水管直接供水打钻作循环水。在打钻前, 要在108 mm孔口管上安设12.5 mm高压球阀, 以防钻孔时含水层突水造成淹井事故。
打钻施工是在打钻平台上进行的, 打钻平台距止浆垫2 m左右, 工作台固定在井筒施工的大模板或井壁上, 并卡好保险绳, 在平台上铺厚50 mm的木板 (用铁丝固定) 。钻进过程中, 若钻孔涌水量超过5 m3/h, 或因岩石破碎打不下去时停钻注浆, 否则一直钻进直至终孔。终孔时要核实钻具长度, 确保钻孔深度符合设计要求[5]。
3.5 注浆施工
3.5.1 准备工作
注浆站布置在井口附近, 站内安装XPB-90E型液压注浆泵 (注浆压力可达25.5 MPa) 2台, 并设置清水池、水泥浆搅拌系统。一级搅拌池利用井口搅拌机, 并在附近砌筑二级搅拌池, 采用普通108mm弹簧管将一级搅拌池内浆液放入二级搅拌池, 利用现有散装水泥罐直接上料。利用一路50 mm×6 mm无缝钢管作输浆管路, 输浆管路与注浆泵和孔口管之间用6.4 mm高压胶管连接。每次注浆结束后应及时清洗管路及注浆泵。
3.5.2 设备试运转
注浆设备及管路安装完毕必须进行试运转, 注浆系统应满足最大注浆压力和流量的要求, 试运转或耐压试验时设备应无异常响声。
3.5.3 注浆作业流程
浆液经搅拌系统搅拌后, 经注浆泵、输浆管和注浆孔口管进入受注岩层。
注前试验过程中, 视凝胶时间调整好浆液配比。每个孔注浆结束后, 必须用清水冲洗净注浆管路。当注浆孔钻到既定深度后, 先用清水冲孔 (破碎带不冲) 直到流清水后进行注浆作业。注浆作业程序:接通输浆管路→压水试验→注浆→定量压清水→冲洗输浆管路→拆洗注浆泵→扫孔或钻进。
3.5.4 压水试验
注浆前进行压水试验, 冲洗岩石裂隙中的充填物, 提高浆液结石体与岩石裂隙面的粘结强度及抗渗透能力, 并根据泵压及注入量进行钻孔吸浆量的测定, 单位钻孔吸水量的计算公式为:
q=Q/H
式中, Q为最大压力时的流量;H为试验段的高度。
压水试验时, 应尽可能采用大泵量, 将压力值控制在本段注浆终压, 一般压水时间为20 min (破碎带压水时间缩短或不压水) , 精确测量并记录压水段高、流量和压力, 根据压水时间测定的单位钻孔吸水量确定注浆时浆液的起始浓度, 作为鉴定注浆效果的依据之一。
3.5.5 注浆压力调整
在注浆过程中, 注浆压力可分为初期、正常及终压3个阶段变化, 当初始浓度确定后, 根据注浆压力变化情况, 及时控制浆量, 调整浆液浓度及凝胶时间等, 使注浆压力平缓升高, 避免出现较大波动, 直至达到注浆终压和终量, 并稳定20 min以上。
3.5.6 浆液调配
单液水泥浆常用水灰比为2∶1、1.5∶1、1.25∶1、1∶1、0.75∶1、0.6∶1和0.5∶1, 单液水泥浆配制见表6。每次注浆的初始浓度根据压水试验测定的单位钻孔吸水量进行选择 (表7) ;注双液浆时, 水泥浆与水玻璃体积比例为1∶ (0.8~0.6) 。
每个钻孔注浆时, 初注用浓浆, 复注时逐渐降低浆液浓度, 但每次注浆时, 一般先稀后浓。当浆液在裂隙中沉析、充填阶段, 若压力不升且进浆量也不减时, 应逐渐加大浆液浓度;反之, 若压力上升快且进浆量减少也快, 应依次降低浆液浓度;每间隔20 min更换一次浆液浓度。
3.5.7 注浆结束
当钻孔注浆达到结束标准, 或因裂隙较大, 虽未达到结束标准, 但为防止浆液扩散较远, 按预定的注浆注入量已达到要求, 可结束此次注浆。在结束注浆前, 需压注一定量的清水, 将管路中的浆液冲洗干净, 注入量为输浆管路和注浆孔容积的80%, 然后关闭孔口高压球阀, 打开放浆阀, 冲洗输浆管路。注浆结束标准:各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液水灰比不低于1∶1, 即1∶1浆液或更稀。
3.5.8 扫孔和复注
注浆结束后, 原则上在注浆段位置能托住钻就可扫孔, 一般需4~6 h;扫孔后进行压水试验, 当耗水量小于20 L/min时可不再注浆, 进行下一个钻孔的钻进, 否则应复注。
4 钻孔施工和注浆效果
以副井第2段高对K6砂岩含水层和断层破碎带超前预注浆施工情况和效果进行分析。
4.1 钻孔施工和注浆情况
原设计施工8个注浆钻孔, 根据主、副、风3个井筒第1段高超前预注浆施工情况, 调整设计增加钻孔密度, 由8个增加到12个, 为提高“隔水帷幕墙”阻水强度, 增加补孔和检查钻孔, 注浆材料先期为水泥加添加剂, 后期为化学浆, 进一步提高注浆效果 (图2) 。
该段高140 m, 共施工钻孔28个, 造孔进尺为7 349.3 m, 单液2 677.009 m3, 水泥1 277.63 t, 食盐6 265.45 kg, 三乙醇胺626.545 kg;化学浆68.392 t (表8) 。
4.2 注浆效果
各注浆孔的注浆压力达到设计终压值, 地面终压达18 MPa, 工作面注浆压力最大为24 MPa;注入量小于50 L/min, 稳定20 min以上。注浆结束时, 浆液的水灰比不低于1∶1 (即1∶1浆液或更稀) 。浆液运移可见距离达50~100 m (副井注浆时在风井、主井见水泥化学浆渗出) , 浆液的注入量基本达到设计要求。
根据各钻孔最后一次扫孔结束单孔涌水量分析:Q≤1 m3/h的孔分别为:1#孔、补1#孔、2#孔、3#孔、补3#孔、4#孔、补4#孔、5#孔、补5#孔、6#孔、补6#孔、7#孔、8#孔、补8#孔、9#孔、补9#孔、10#孔、补10#孔、检3#孔、检4#孔;1 m3/h<Q≤2 m3/h的孔分别为:补2#孔、补7#孔、补11#孔、补12#孔;Q≥2 m3/h的孔分别为:11#孔、12#孔。
根据单孔涌水量推断, 下一步井筒施工分层揭露涌水量为2 m3/h, 不大于10 m3/h, 满足副井井筒基岩段正常掘砌条件。
5 井筒施工揭露情况
从井筒揭露的情况看:砂岩中竖向裂隙充填水泥胶结, 微细裂隙充满化学浆液呈白色;断层破碎带充填水泥, 水泥胶结破碎岩块形成完整的岩块;不同岩性岩层界面充满水泥和化学浆、呈灰白色;构建井筒“隔水帷幕层”较完整, 隔水效果较好, 掘进时井壁局部砂岩和破碎带微细裂隙有少量渗水外, 其他井壁揭露岩层岩石潮湿, 该段井筒涌水量0.7~0.9m3/h。掘进期间, 利于炮眼施工和光面爆破, 减少出岩量, 利于井筒浇筑混凝土并增加强度, 提高掘进速度 (正常月进100 m) , 井筒成型好。
6 结论
对岩石竖向裂隙发育、横向联通较差的砂岩高承压含水层和构造破碎的复杂基岩段采取大段高、高压井上下结合超前预注浆防水技术, 采用径向和切向倾角注浆钻孔消除控制范围内“竖向裂隙盲区”, 提高预注浆效果, 构建井筒“隔水帷幕墙”, 既加固了“破碎基岩”, 又消除了涌水给井筒施工带来的安全隐患, 可以实现“强基岩、干井筒”快速施工。
参考文献
[1]房佩贤, 卫中鼎, 廖资生.专门水文地质学[M].北京:地质出版社, 1990.
[2]武强.煤矿防治水手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2013.
[3]王国际.注浆技术理论与实践[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.
[4]王永红, 沈文.中国煤矿水害预防及治理[M].北京:煤炭工业出版社.
帷幕超前预注浆 篇6
关键词：大管棚,支护,溶腔
1 工程概况
新建宜万铁路马鹿箐隧道地处鄂西新华夏构造的金子山复向斜东翼的单斜地层中, 岩层走向北东, 倾角平缓一般5°~15°。四方洞向斜, 轴线方向总体为NE30°~60°。隧道一线全长7879m (DK251+273~DK259+152) , 线路左侧30m预留二线位置, 设集施工地质超前探测、施工通风与排水、开辟工作面及运营期间排水等多功能的贯通平行导坑一座, 平行导坑长7853m, 增建二线位于平导位置。隧道主要不良地质为突水、突泥、断层破碎、瓦斯及天然气、高地应力、溶洞及暗河, 预测隧道最大涌水量为81万m3/d, 正常涌水量17万m3/d。一线隧道DK255+925~DK255+978段为大型溶腔发育段, 溶腔通过泄水洞完成泄水后, 在隧道范围内充填物主要为淤泥质黏土夹碎、块石、孤石。
2 涌水过程
隧道出口在平导DK255+992掌子面, 采用帷幕注浆对该段进行注浆加固后, 进行开挖。2006年1月21日掘进至DK255+978, 放炮半个小时后, 隧道顶部发生坍塌, 随即大水涌出, 水势极大, 将平导内重达18吨的矿车与4台电瓶车冲出100m外的坡底、淹没了洞外施工场地和设备物资、冲垮了临时场地挡墙, 并将300m外的民房冲毁, 瞬间出水量达200m3/s, 最高每小时达72万m3, 累计涌水达100多万m3。
3 溶腔发育形态
突水后, 设计和施工单位对溶腔进行了详细勘探, 探测到溶腔水位高于隧道顶部120米, 探明了溶腔内充填物性质和溶腔发育形态。确定采用泄水洞方案, 对溶腔水进行排放。利用旱季时间对溶腔充填物采用帷幕注浆和大管棚预支护措施进行加固后通过。
4 大管棚施工技术措施
4.1 大管棚设计参数
管棚长度32米, 采用直径Φ108, 壁厚5mm的热轧无缝钢管, 环向间距30cm。管棚每节长度3米, 每节之间采用丝扣连接, 丝扣长度15cm。管棚头分别采用4.5米和3米长度的交错使用, 确保接头不在同一断面。管壁钻注浆孔, 孔直径12mm, 间距20cm, 梅花形布置。管棚内穿钢筋笼, 钢筋笼采用3根Φ22钢筋制作, 钢筋之间用Φ42钢管固定。
4.2 管棚施工
4.2.1 钻孔定位
由于钻孔较密, 孔间距只有30cm, 所以钻孔定位精度至关重要, 不然就会出现管棚之间相互交错无法钻进或者管棚侵限现象, 达不到预期支护效果, 影响后期施工安全。为了准确定位, 我们制作精确的钢拱架两榀, 前后两榀钢架从小到大, 确保管棚向周边的外插角3°。在钢拱架周边焊接管棚定位导向管, 导向管采用Φ150热轧无缝钢管, 长度2米。
4.2.2 钻孔
钻机按照导向管角度准确定好位, 进行牢固加固后方可进行钻进, 防止钻机在加压后挪位, 出现偏差。钻孔中保证钻孔用水的水量和水压, 这样能够有效冲出钻渣, 避免出现卡钻、堵孔现象。我们钻孔采用ZDY3200S钻机, 开始用Φ133钻头和Φ90的钻杆钻进, 由于溶腔内填充的为淤泥质黏土夹有碎、块石, 成孔比较困难, 管棚钻进安装困难, 后来我们采用在钻头上加1根管棚管, 后边再加Φ90的钻杆钻进, 这样成孔效果比较好, 也不用清孔, 管棚安装速度大大提高。在钻孔过程中, 我们还遇到有碎、块石时卡钻比较严重, 无法钻进, 遇到这种情况, 我们不停的前后反复钻进、洗孔, 但一定不能加压钻进, 否则会出现偏孔或者钻孔前后都无法动的情况, 那样就废孔了。
4.2.3 下入钢筋笼
在管棚安转完成后, 在管棚内穿入钢筋笼, 增加管棚的整体性和抗弯性能。钢筋笼提前制作好, 3米一节, 每节之间采用双面搭接焊, 焊接长度15cm。
4.3 管棚注浆
管棚注浆主要目的是增加管棚的抗弯性能, 同时加固管棚周边的松散填充物, 在管棚周边形成一圈整体帷幕加固圈, 既增加了管棚的承压能力又加固了开挖范围填充物, 确保了施工安全。钢筋笼安装完成后, 对管棚采用TGRM浆液进行注浆, 浆液配合比采用1:0.6, 该种浆液凝胶时间只有1h35min, 可以有效控制浆液扩散范围, 防止浆液流入泄水洞, 造成泄水通道堵塞, 且不能起到加固开挖范围的效果。为了有效控制浆液扩散范围我们还严格控制注浆速度不大于5m3/h, 防止浆液发生劈裂脉向远处跑, 同时注浆严格按照“定量定压”原则控制, 注浆终压2MPa或者注浆量超过20m3/孔, 就停止注浆。
结束语
通过超前帷幕注浆加固和大管棚预支护措施, 我们顺利通过了特大充填型溶腔。管棚支护技术通过松散溶腔充填物的关键点在于注浆, 首先, 通过帷幕注浆降低充填物的含水率, 让其具有一定的自稳能力和强度;最后, 通过管棚注浆在周边形成加固圈。这样才能很好的发挥管棚支护的作用。
参考文献
[1]铁道第四勘察设计院, 马鹿箐隧道DK255+925～+976段溶洞处理设计 (宜万施27标隧通 (2008) 字第14号) , 2008.
帷幕超前预注浆 篇7
矿井井下有毒有害气体除瓦斯外, 还有硫化氢 (H2S) 、一氧化碳 (CO) 、二氧化碳 (CO2) 、氮氧化物 (NOX) 、二氧化硫 (SO2) 等有毒有害气体。硫化氢是一种无色, 具有臭鸡蛋气味, 有剧毒的可燃气体, 矿井硫化氢的主要来源有:有机物腐烂、含硫矿物遇水分解从老空区和旧巷积水中放出, 爆破工作中产生等。H2S气体的最低沸点高于CO2、CH4、N2等气体, 煤对其具有很强的吸附能力。煤层赋存的大量硫化氢由于采用综掘机截割煤, 割煤速度快, 煤层破碎, 吸附状态转化为游离状态释放出来, 极易导致顺槽迎头及回风流中硫化氢气体超限, 硫化氢 (H2S) 比空气重 (相对密度为1.17) , 且极易溶于水而形成氢硫酸。地势低处危险性比高处大, 下风向硫化氢浓度大, 上风向则浓度低。硫化氢 (H2S) 具有强烈毒性, 能使人的血液中毒, 对眼睛、粘膜以及呼吸系统有强烈的刺激作用, 严重制约矿井安全生产。
2 工程概况。
新疆焦煤集团阜康气煤公司一号煤矿, 位于阜康市三湾乡。阜康一矿11A221工作面回风顺槽设计为矩形巷道, 设计掘进面积为14m2, 净断面积14m2, 掘进宽度4000mm, 巷道掘进高度3500mm, 支护方式为锚网支护。当巷道掘进至开口点65m处, 硫化氢平均浓度值为2ppm, 最大值49ppm。
3 施工方案。
《煤矿安全规程》规定硫化氢最高允许浓度0.0066% (6.6ppm) 。当硫化氢浓度超限后, 对作业人员造成巨大危害。考虑到硫化氢气体的物理、化学性质和危害, 采取加强通风、预注浆吸附、迎头溶解等措施共同降低煤层硫化氢含量。
3.1 通风。
(1) 根据掘进期间风量计算, 该工作面目前需风348m3/min, 实际风量560m3/min;目前工作面硫化氢平均浓度2ppm, 因此保证工作面实际供风量不低于500m3/min, 即可确保工作面硫化氢平均浓度在安全范围内; (2) 工作面风机实现“三专两闭锁”, 加强风机、风量、风筒的日常监管。
3.2 钻孔施工。
硫化氢气体易溶于水, 水与硫化氢溶解体积比为1:2.6, 硫化氢气体溶于水后生成氢硫酸, 能够和生石灰水溶液反应生成硫化钙和水;因此预先布置钻孔在预掘煤体内注入1%的生石灰水溶液可有效的溶解煤吸附的硫化氢。
根据现场实际及硫化氢涌出情况, 在11A221回风顺槽工作面迎头布置钻孔。硫化氢治理措施孔终孔横向间距为2m, 纵向间距1.88m, 顺槽左帮控制到巷道轮廓线外3m, 底板控制到巷道轮廓线外2m, 由于巷道沿煤层底板掘进, 右帮轮廓线落在煤层底板上, 故右帮控制到巷道轮廓线上, 沿巷道掘进方向控制50m。回风顺槽第一次治理在距开口65m处实施, 使用750D钻机施工钻孔。
3.3 预注浆施工。
待钻孔按照设计的施工参数施工完毕后, 使用2m长的4分镀锌管加装阀门, 镀锌管上捆扎马丽散进行封孔, 要求镀锌管外露10cm。使用注浆泵及注浆软管对钻孔注入1%生石灰水溶液。
3.4 掘进施工。
待硫化氢治理施工结束, 施工一验证钻孔, 用于测定工作面的瓦斯及硫化氢含量。若满足掘进要求, 则采用综掘机进行掘进施工, 在综掘机前方至煤壁间加装一道全断面喷雾, 巷道掘进时必须开启喷雾, 且将工作面、回风流的全断面喷雾均开启。
3.5 迎头溶解。
工作面应备足量的生石灰 (Ca O) , 每班接班时由施工队人员负责在巷道内抛洒一遍, 对于本班内新掘进段煤壁、落煤处及硫化氢异常区域及时抛洒, 使其溶解硫化氢气体, 降低其浓度。生石灰抛洒应覆盖落煤区域, 且应尽量向煤壁、巷帮抛洒。
4 技术特点分析
煤巷超前预注浆压注石灰水到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成性能稳定的硫氢化物或硫化物, 极大降低煤层硫化氢含量, 避免了综掘掘进时煤层赋存的大量硫化氢迅速转化为游离状态释放出来, 导致工作面迎头及回风流中硫化氢气体超限, 使工作面丧失了安全作业环境。所需用的主要设备操作简单、安全可靠、效率高, 所用材料来源丰富、价格低廉。节省了大量通风设施投入费用, 也避免了硫化氢气体排放所带来的环境污染。
结语
本次煤巷超前预注浆治理硫化氢气体, 注浆后综掘机恢复掘进, 65~115m掘进时未出现硫化氢超限现象。
实践证明, 煤巷超前预注浆治理硫化氢施工技术是煤矿过硫化氢富含区域一项比较实用、安全的技术。通过压注石灰水到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成性能稳定的硫氢化物或硫化物, 可极大降低煤层硫化氢含量, 大大提高了施工安全可靠性。
摘要：利用工作面打钻超前预注浆, 压注石灰水溶液 (或碳酸钠溶液) 到掘进工作面迎头煤体内, 使溶液与硫化氢反应生成理化性能稳定的硫氢化物或硫化物, 工作面并备足量的生石灰, 抛洒迎头及巷道两帮, 综掘机前方至煤壁间加装一道全断面喷雾, 降低其逸出浓度, 同时加强通风, 多种举措, 降低煤层中硫化氢含量。
关键词：超前预注浆,石灰水溶液,降低硫化氢含量
参考文献
[1]煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2011.