隧道注浆加固工程方案（通用7篇）
隧道注浆加固工程方案 篇1
1 粉细砂土的工程性质
所谓粉细砂土是指粒径大于0.075mm的颗粒超过全部质量的50%, 粒径小于0.25mm的颗粒含量也超过全部质量的50%的砂土。粉细砂土的工程性质介于砂性土与粘性土之间, 在天然状态下, 结构松散, 密度也较低, 在自重的作用下即可压密, 埋深较大的粉细砂层, 密度也较大。在有水的粉细砂地层, 内摩擦角也很大, 由以往的工程实践和实验室试验, 总结出粉细砂土的主要的工程性质:
1.1 粉细砂的粒径分布均匀, 且粒径范围很小, 结构松散, 在外界荷载作用下, 很容易变形。1.2粉细砂土体主要靠取决于粒间法向压力的粒间摩擦力维持本身稳定和承载能力。1.3在被水饱和情况下, 粉细砂在荷载作用下的变形速率加大, 按变形控制的承载力较低。1.4粉细砂渗透系数一般为1.2±10-3～6.0±10-3cm/s, 属于中等透水性。天然沉积粉细砂水平向渗透系数明显大于垂直向渗透系数。
2 粉细砂地层的注浆机理
由于前节所述粉细砂土的工程性质可知, 在粉细砂地层下修建隧道, 如果不进行任何的预支护措施, 将会导致粉细砂土体受到应力释放后, 极易发生坍塌事故。因此, 在这种条件下进行浅埋隧道的开挖, 必须进行必要的预支护措施, 采取注浆方法进行围岩加固, 进而提高围岩的物理力学参数, 结合管棚的超前支护作用来保证掌子面的稳定, 以确保隧道开挖过程中不会发生坍塌以及突水涌砂的现象。
在粉细砂地层注浆, 除了能够起到改良围岩的作用, 还有它的负面影响, 由于粉细砂地层的变形比较大, 当注浆压力比较大时, 很容易使得地层受到破坏。另外, 在粉细砂地层中, 注浆材料也很容易产生压力泌水, 使得水灰比发生变化。
3 浆液在粉细砂地层中的渗透分析
在粉细砂地层进行渗透注浆过程中, 只要保持注浆压力和浆液的粘度不变, 都是符合渗透理论的。但是, 在注浆过程中, 浆液不可能一直扩散, 即使增加注浆压力, 浆液也不会继续扩散, 这时, 注浆压力的增大, 会使土层之间产生劈裂, 此时, 为劈裂渗透。
粉细砂地层大多数具有潜在的液化趋势, 由于粉细砂地层的土颗粒比较小, 天然的孔隙比较大, 渗透系数比较低, 排水条件比较差, 超静水压力不易消散, 在很小的渗流量或周期应力的作用下就会液化。液化后的砂层在脉冲射流的作用下可以产生渗透变形, 其液化区将进一步向外扩展, 在砂层中形成破裂口。另一方面, 由于浆液的注浆凝固, 渗透通道也会逐渐减小, 浆液的流动阻力逐渐增大, 因此注浆压力也会随之增大, 增大了的注浆压力将会再次克服地应力的抗拉强度, 对渗流通道进行劈裂。砂层的这一特性为劈裂渗透提供了有利的条件。
根据实验室试验和现场注浆试验, 把在粉细砂地层中注浆的全过程分为五个阶段, 如图1所示:
第一阶段:充填渗透阶段
粉细砂地层在注浆压力不大的前提下, 充填土体中的孔隙以及土体中的空洞, 起到固结作用。这一阶段其实是无压注浆阶段, (0a段) 持续的时间也很短, 充填在粉细砂地层中的浆液凝固后, 使得渗透部分的土体的强度得到加强。
第二阶段:挤密阶段
开始注浆时, 注浆压力比较小, 不足以形成劈裂渗透, 浆液在聚集在注浆孔的附近, 形成椭球形泡体挤压土体, 使得土体的孔隙有所减小。图中的b点即为启裂压力。启裂压力前的曲线段称为鼓泡压密阶段 (与压密注浆相似) 。
鼓泡压密作用可用承受内压的厚壁圆筒模型来分析, 可近似地用弹性理论的平面应变问题求径向位移以估计土体的压密变形。径向位移可用下式计算:
式中:μ为土泊松比;p为注浆压力;m为土的压缩系数;r1为钻孔半径;r2为浆液的扩散半径;E为土的弹性模量。
第三阶段:劈裂阶段
浆液在注浆压力作用下, 先后克服地层的初始应力和抗拉强度, 使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂, 浆液由此进入, 挤密土体, 并与土体发生物理和化学作用, 形成复合土体的浆脉。
式中:pv为垂直劈裂注浆压力;h为注浆段深度;μ为泊松比;N为综合表示k和μ的参数;σt为土的抗拉强度;K0为土的侧压力系数。
第四阶段:被动土压力阶段
通过前三个阶段的作用, 土体得到初步加固, 土中的软弱面, 孔隙及裂隙都被填充满, 此时浆液在较高压力作用下, 克服土的被动土压力, 挤密土体使其固结, 同时浆脉周围的土体也被压密, 最终形成了以浆脉网络为骨架的复合土体。注入地层的浆液最初是聚集在注浆口附近, 沿注浆管形成直径粗细相间的不规则柱体。当注浆压力达到一定程度, 浆液就沿地层的结构面产生劈裂流动, 在地层中形成方向各异, 厚薄不一的片状、条状和团块状的灌浆体, 其具体形状由土体特征和注浆参数确定, 分布也是随机的。浆液劈裂流动方向总是发生在阻力最小的应力面上, 由于正常固结土和欠固结土地基的小主应力是水平向的, 因此初始劈裂主要是沿水平方向发展;随着灌浆压力增大, 则水平应力逐渐转化为被动土压力状态, 这时最大主应力基本呈水平向的, 劈裂开始向竖直方向发展。浆液凝固后从整体上加强了土体, 增加了土体的抗剪强度。
裂缝发展到一定程度, 注浆压力又重新上升, 地层中大小主应力方向发生变化, 水平向主应力转化为被动土压力状态 (即水平主应力为最大主应力) , 这时需要有更大的注浆压力才能使土中裂缝加宽或产生新的裂缝, 出现第二个压力峰值, 由于此时水平向应力大于垂直向应力, 地层出现水平向裂缝, 水平劈裂压力为:
式中ph为水平劈裂注浆压力;h为注浆段深度;μ为泊松比;N为综合表示k和μ的参数;σt为土的抗拉强度。
被动土压力阶段是劈裂注浆加固土地基的关键阶段, 垂直劈裂后大量注浆, 使小主应力有所增加, 缩小了大小主应力间的差别, 提高了土体稳定性。浆脉网的作用是提高土体的法向应力之和, 并提高土体刚度。
第五阶段:再渗透阶段
经历了前四个阶段之后, 浆液沿着主浆脉和裂隙继续向四周扩散, 即图中的c点以后的曲线部分。反复的循环过程, 使注浆土体的物理力学性能得到加强。
实际注浆过程中, 在地层很浅时, 浆液沿水平剪切方向流动会在地表出现冒浆现象, 因此劈裂注浆的极限压力值可满足下式:
式中:pu为劈裂注浆的极限压力;λh为土的重度;h为注浆孔的深度;φ为土的内摩擦角。
I.W.法默等人 (1974) 对土体劈裂注浆引起的地面抬升提出汁算方法, 假定土体存在着截端圆锥体破坏带。如图2所示。截断圆锥体重:
截锥体抗剪强度:
土体抬力:
抬升条件:
4 结论
本章通过对在粉细砂地层注浆机理的研究分析, 得出以下主要结论:
4.1
粉细砂土的工程性质介于砂性土与粘性土之间, 在天然状态下, 结构松散, 土体的自稳性能力很差, 地层的透水性很好, 在隧道掘进的过程中, 土体很容易塌方, 所以, 有必要对隧道前方的地层进行注浆加固, 改善其物理力学参数。
4.2
根据实验室试验和现场注浆试验, 在粉细砂地层进行注浆, 注浆的全过程分为五个阶段:充填渗透阶段、挤密阶段、劈裂流动阶段、被动土压力阶段以及再渗透阶段。
4.3
在粉细砂地层中进行注浆, 能够使粉细砂土得到充填固结, 提高注浆土体的力学参数, 能够最大程度的减小地表差异沉降的产生, 保证地下隧道工程的安全。
摘要：根据粉细砂土的工程性质, 分析了隧道工程掘进时遇粉细砂层时, 采用注浆加固法的作用机理, 阐述了充填渗透阶段、挤密阶段、劈裂流动阶段、被动土压力阶段以及再渗透阶段五阶段固化过程。
关键词：隧道工程,粉细砂,注浆加固,机理分析
隧道注浆加固工程方案 篇2
吴家峁矿井是山西汾西中泰煤业有限责任公司新建项目之一, 山西省中阳县吴家峁勘查区位于河东煤田中段, 柳矿区南部, 位于山西省中阳县武家庄镇一带, 行政区划隶属吕梁市中阳县武家庄镇。主斜井现已开挖到55.6 m, 距离富含水砾石层垂深仅有7.6 m左右, 而相距不远的进风立井揭露该砾石层时涌水量达到91.88 m3/h。由于砾石层导水性极强, 若再继续冒险掘进必有突水的可能。因此停止掘进, 对前方富含水砾石层进行预注浆封堵是必要的, 也是可行的。
2 施工方案设计
经现场踏勘了解分析, 该项目工程地质情况以砂砾层为主, 从提供资料情况看, 针对砂砾层以50 m3/h的涌水量设计实施性方案, 应对砂砾层进行注浆, 使斜井周围一定范围得到加固, 提高砂砾层的强度, 堵住地下水的通道, 截断地下水流水作业面, 保障施工安全, 施工方案的目标经济、环保、有效降低成本、有效缩短工期, 将有效控制斜井加固范围注浆效果及注浆量, 确保达到工程质量要求, 将工程事故防患于未然。
通过提供地质资料的情况, 斜井穿越砂砾层, 斜井开挖前需进行预注浆加固, 采用WSS工法A、C无收缩浆双液浆全断面注浆施工, 能有效解决斜井涌水及加固问题, 加固后单轴无侧限抗压强度≥0.8 MPa, 整体无侧限抗压强度≥8 MPa, 能够达到开挖施工强度及止水要求, 使斜井顺利通过砂砾层。
注浆范围为斜井开挖轮廓线外扩5 m, 以每12 m为一个加固循环段, 待加固完成后, 开挖9 m再进行下一个循环段注浆, 孔位距斜井开挖轮廓线以内500 mm位置布孔, 布孔19个, 其中四周16个孔分别以四排孔放射注浆加固, 以拱顶为例:第一排放射角度58°, 钻孔深度6.51 m;第二排孔放射角度38°, 钻孔深度8.98 m;第三排孔放射角度25°, 钻孔深度13.2 m;第四排孔放射角度14°, 钻孔深度12.35 m;中间三个孔垂直钻孔注浆钻孔深度12 m, 入浆率约在30%~60% (具体情况视施工现场实际情况确定钻孔角度及深度、入浆率和注浆压力) , 注浆时如浆液漏失严重, 造成浪费, 采用间歇注浆方式, 使得先注入的浆液与砂砾层初步达到胶结后再注浆, 循环注浆多次, 直至达到规定最小注浆量和注浆压力控制值为止。注浆效果的高效性可以确保斜井顺利施工。
加固完成后, 可使砂砾层形成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体, 从而达到稳定砂砾层的要求, 依据地质情况确定本次注浆压力和注浆量, 注浆加固体强度达到设计要求。
注浆方案采用WSS工法A、C无收缩双液浆全断面注浆施工。止水系数达到:10-6-10-8cm/sec, 水平承载力≥500 k Pa, 单轴无侧限抗压强度≥0.8 MPa, 整体无侧限抗压强度≥8 MPa, 注浆入浆率根据施工现场情况而定, 从而使砂砾层不受外围影响, 使其稳固达到设计强度要求。
3 采用工艺要求
定孔位:按照图纸要求, 根据现场实际情况做出定位标示。斜井内倾斜钻孔, 按现场具体情况调整;定孔位偏差不得>20 mm, 钻孔角度偏差不得>1°。在凿孔定点上, 施工人员要严格按照辐射角度要求进行钻孔注浆, 钻孔深度和角度根据技术交底现场确定。
钻机就位:钻机按照指定位置就位, 并在技术人员的指导下, 调整钻杆角度。对准孔位后, 钻机不得移位。
钻进成孔:参照设计图纸要求, 要严格掌握钻杆深度, 要慢速运转, 掌握地层对钻机的影响情况, 以确定该地层条件下的钻进参数。密切观察溢水出水情况, 出现大量溢水时, 应立即停钻, 分析清楚实际原因后方可继续施工。
提升钻杆:严格控制提升速度, 每次提升不>200 mm, 匀速上升。提升出后的钻杆应及时清洗干净, 以备后用。
浆液配比:采用经计量准确的计量工具, 按照设计配方配料。
注浆参数:以下注浆参数必须在注浆前通过实验和技术进行初选, 在压浆过程中再根据现场具体情况进行调整。
根据要求, 严格控制每孔注浆量、提升速度、注浆压力, 将压力控制在0.5~3.5 MPa之间 (可以根据现场情况进行调整) 。注浆还应密切关注浆液流量, 当压力突然上升、下降, 浆液溢出时, 应立即停止注浆。必须查明异常原因, 采取必要的措施 (调节注浆参数、移位、打斜孔等方式) 方可继续注浆。
注浆量由注浆段孔隙率、注浆半径和填充、漏失情况确定, 现场据实计列。注浆必须连续进行, 若因故中断, 应找出注浆中断原因, 尽快采取处理措施, 及早恢复。注浆过程中应分序施工。如出现串浆现象, 应对串浆孔同时进行注浆处理。
4 WSS工法施工特点
1) 在喷浆过程中, 喷浆管不回转, 不会发生浆液溢流现象, 并且对砂砾层有很强的渗透性, 渗透范围可以根据压力大小人为控制。
2) 在二重管的端头设置的浆液混合器中, A、C无收缩浆液可以完全混合, 均匀地喷入到砂砾层中, 凝结时间可以自由调节, 并且可以实行复合喷入施工。
3) 施工从钻孔到喷浆完毕, 可以连续进行。
4) 位于任何土层都可以进行施工。
5 工程质量措施
1) 钻孔施工:开钻前, 应严格按照施工布置图, 布好孔位。钻机定位要准确, 开钻前的钻头点位与布孔点之距相差不得>2 cm。钻杆度不得>1°。钻孔时, 密切观察钻进进度, 溢水出水情况, 出现大量溢水出水状态, 应立即停钻, 分析原因再进行施工。
2) 配料:采用经计量准确的计量工具, 严格按照以设计配方配料施工。
3) 注浆:注浆一定要按程序施工, 每段进浆要准确, 注浆压力一定要严格控制, 专人操作。当压力突然上升或从孔壁、地面溢浆时, 应立即停止注浆, 每段注浆量应严格按照设计进行, 跑浆时, 应采取措施确保注浆量满足设计要求。
4) 注浆完成后, 应采用措施保证注浆水不溢浆跑浆。
5) 每道工序均要按排专人, 负责每道工序的操作记录。
6) 整个注浆施工应密切注意和防止地面出水溢浆、隆起等情况, 加强对施工地段的观测。
6 止水注浆所取得的效果
经过工作面周边造孔注浆, 最后施工21号孔时, 可以通过压水试验来验证注浆效果, 保证能封堵砾石层涌水通道, 在主斜井开挖施工时的总渗水量不>5 m3/h, 使主斜井掘进能顺利通过砾石层。
摘要：吴家峁矿井是山西汾西中泰煤业有限责任公司新建项目之一, 由于砾石层导水性极强, 若冒险掘进, 有突水的可能。为了避免突水事故发生, 对吴家茆煤矿主斜井采用了止水注浆加固工程方案, 并取得了良好的效果。
隧道注浆加固工程方案 篇3
由于岩体中裂隙的存在对隧道施工造成潜在的事故隐患, 通过注浆加固技术可有效地改善裂隙岩体状况, 并在其处治施工中的应用日益广泛[1,2], 但是对于裂隙注浆加固技术中裂隙发育机理、注浆压力控制、扩散半径方面的研究相对较少, 而对上述内容的研究正是裂隙注浆技术的有效性和可靠性的保证。
Alexey Malinin[3]假设注浆浆液为牛顿浆液, 裂隙光滑等宽, 重点研究了裂隙岩体注浆的数值模拟;杨志全等[4,5]建立在单一裂隙假设的基础上, 分析了岩体中宾汉姆浆液流体的流动特征, 并研究了浆液黏度对于扩散半径的影响;许万忠[6]通过研究裂隙注浆加固作用机理, 建立了裂隙注浆渗流模型, 分析了裂隙注浆对裂隙岩体的加固作用;罗平平[7]分析了浆液流动特征, 建立了和裂隙岩体变形的耦合模型, 并利用模型模拟了裂隙岩体注浆;刘健等[8]通过采用数字模拟技术, 对裂隙注浆的扩散半径的影响因素进行了模拟研究;郑玉辉[9]通过研究分析了影响注浆扩散的各个裂隙的几何特征, 建立了地下渗流理论和注浆扩散理论之间的关系;许广坡[10]通过对岩溶物理模拟试验的研究分析, 对多裂隙岩溶注浆和单裂隙注浆进行了模拟试验。
由以上可知, 国内外对于裂隙注浆技术已经有了一定的研究, 但是其中研究的一些内容存在有待商榷的地方:对于裂隙注浆技术的研究中缺少裂隙带和注浆孔的空间位置关系的分析;对于有些学者关于扩散半径[11,12]的推导, 由于建立了较多假设条件, 在一定程度减小了结果的准确性;并且对于裂隙注浆过程中, 由于对注浆压力没有有效的把握, 对注浆的效果造成了一定影响。因此, 分析裂隙发育与注浆孔的空间位置关系, 研究注浆压力对裂隙注浆过程的作用机理, 推导扩散半径公式。这些问题的解决都是对指导工程设计施工, 提高工程经济效益, 具有重要的理论和实践意义。
2 裂隙岩体注浆机理
2.1 裂隙岩体注浆孔孔壁劈裂分析
裂隙岩体注浆加固过程中, 首先了解注浆孔和裂隙岩体中大裂隙带相交与不相交两种空间位置关系。分析上述两种空间位置关系对于裂隙注浆是很关键的步骤, 当注浆孔相交于大裂隙带时, 对裂隙岩体注浆, 浆液直接贯通整个裂隙岩体网络;当注浆孔不相交于大裂隙带时, 对裂隙岩体注浆, 注浆浆液在灌满注浆孔后就停止流动, 只有当对注浆浆液施加压力时, 对注浆孔周围裂隙进行一个劈裂过程, 然后劈裂裂隙连接到大裂隙带, 进而注浆浆液填充满整个裂隙网络。
注浆围岩劈裂的阶段和特征见表1, 裂隙带与注浆孔的空间位置关系见图1, 图2为浆液充填、初次劈裂、二次劈裂一直到劈裂贯通裂隙与注浆孔位置示意。
通过以上图表分析可知, 在裂隙岩体注浆中, 并不能保证裂隙带和注浆孔都是相交的, 当裂隙带和注浆孔不相交时, 要想达到填充裂隙并起到加固围岩的效果, 很大程度由注浆压力决定。在一定的条件下, 注浆孔壁的应力是一定的, 当注浆压力大于孔壁大的应力, 孔壁就会发生劈裂。
(a) 裂隙带和注浆孔相交; (b) 裂隙带和注浆孔不相交
(a) 浆液充填阶段; (b) 初次劈裂阶段; (c) 二次劈裂阶段; (d) 劈裂贯通阶段
2.2 注浆压力在裂隙注浆中的作用
由于扩散半径直接影响着注浆能不能达到贯通裂隙的效果, 所以研究注浆压力在裂隙注浆中的作用, 就是研究注浆压力对于扩散半径的影响。通过在单一裂隙带注浆模型[13,14]的基础上做单孔理想模型注浆, 试验来模拟现场注浆压力, 找到在不同水灰比下合理的注浆压力。
通过对裂隙岩体进行分析简化, 构造出合理的岩体注浆模型。模拟试验依据相似原理, 即原型和模型采用同样的系统, 所以必然有相同比例的几何特征和物理量。根据文献[15,16]资料, 水平裂隙宽度为3~5cm, 垂直裂隙宽度为1~2cm, 按照模型比例1∶50, 模型中水平裂隙宽度为0.6~1mm, 垂直裂隙宽度为0.2~0.4mm。由于试验条件的限制, 在模型中难以宽度1 mm以下的裂隙, 在模型中, 初步设计水平裂隙宽度1~2mm, 垂直裂隙0.8mm左右, 选择吸水率为5%和0%的模拟隧道裂隙岩体样本, 模型大小为0.25m×0.25m×0.1m, 采用手动电钻对模型进行钻孔, 孔径为8mm, 进深为25mm。通过试验分析浆液压力对扩散半径的影响, 得出数据, 根据数据作图 (图3, 4) 。
由以上两图可知保持水灰比不变, 浆液扩散半径的增长与注浆压力成线性相关;同时, 注浆压力一定, 浆液扩散半径随着水灰比的增长而增长。对于工程现场施工也是通过改变注浆压力来达到预设计的扩散半径。在吸水率不同时, 为了满足工程设计[17,18,19,20]扩散半径为3m的要求, 与模型试验扩散半径为7cm相一致, 采用水灰比1∶1 (吸水率5%) 与0.7∶1 (0%) 能较好的满足模型的要求。此外, 在隧道裂隙岩体中施工时, 考虑到存在裂隙水的存在, 此时的岩体处于饱和状态, 可认为吸水率很小, 基于这个因素, 注浆时选择压力为7~9k Pa, 相当于工程现场3~4.5MPa。
2.3 浆液扩散半径公式
在常用的注浆扩散理论中, 球形扩散理论和柱形扩散理论是目前研究的较为成熟的理论 (图5, 6) [21]。不管是柱形扩散理论还是球形扩散理论, 它们都是建立在牛顿浆液流体假设的基础上, 且按照单一理想的扩散模型在岩体扩散。它们适应于垂直岩面向下的岩体中, 并没有完全考虑到裂隙岩体注浆的复杂性和隐蔽性。
3 工程应用
3.1 工程概况
位于湖北的沪蓉西 (宜昌段至恩施段) 高速公路, 其中龙潭隧道是作为全国第二长的公路隧道, 途经1 370 m岩溶地质区, 长234 m的高地应力段以及长度为1 920 m岩溶水和裂隙水的发育区, 地质条件较为复杂, 裂隙发育极为广泛。
通过采用TSP超前地质预报系统现场测试, 预报的范围是ZK72+781~ZK72+650, 经过分析处理地震波信号, 发现ZK72+762附近有较强的负反射, 表明此处围岩的岩性发生较大变化, 而且在随后的42 m范围内, 所得到的反射面明显增多, 且以负反射居多, 表明此处围岩的裂隙较发育, 岩质较软弱。
3.2 施工设计
由勘察现场得出的工程资料, 可知围岩的物理参数如表2所示。
通过计算得出, 扩散半径的范围为2.5~3.4m, 符合工程实际要求, 同时也验证了公式的正确性, 然后选择浆液配比参数见表3和注浆设计参数见表4所示。
3.3 施工技术
现场施工按图7进行, 在施工中需注意以下问题。
使用XZP-200型地质钻机, 采用低速度和低压进行钻孔, 待钻孔达到合适的深度后, 压力可适当的升高。在钻机钻进时, 应当适时调整钻机方向, 防止出现角度偏差。在钻孔结束后, 为防止钢管不能插入, 钻孔直径应当比钢管的设计直径大2 cm左右, 钻孔的过程尽量要一次完成。
注浆时, 在注浆管壁周围用钻机钻两排直径15 mm压浆孔, 呈梅花形方式布孔, 进行管内注浆时, 严格按照注浆操作规程使用注浆泵并按照设计的要求注水泥浆。在隧道容易塌方和围岩较为破碎且裂隙发育的地段, 通过预置25的钢筋笼, 再向钢管内进行注水泥浆或水泥-水玻璃浆液。
4 效果分析
通过现场施工及前后TSP预报技术、数字钻孔摄像技术的检测, 对注浆情况总体分析。
(1) 通过用TSP对ZK72+781-ZK72+650段注浆前后的围岩特征进行监测, 分析取得的围岩物理力学参数数据。结果显示注浆后, 围岩整体性明显提高;密度增长了3.6%;泊松比下降了7.1%;从波速看, 纵波显示波速也有小幅升高, 增长量为0.9%。由此可见裂隙注浆达到了围岩加固的目的。
(2) 注浆结束后, 在注浆压力达到3~4MPa的预设要求后, 浆液的扩散半径均取得设计要求, 并且误差和计算在5%范围内。
(3) 通过注浆结束后对围岩的监测显示, 透水系数变为原来的0.2%~0.6%, 由此可见通过对裂隙围岩采取的注浆堵水措施, 使裂隙系数迅速降低, 渗水量减少, 达到了堵水的目的。
(4) 通过数字钻孔摄像法对一段围岩裂隙进行统计。在20条裂隙中裂隙宽不小于3.00mm的有10条, 裂隙宽为0.20~3.00 mm的有10条。注浆后对各个裂隙检测显示, 大于3mm的裂隙注浆完整密实, 裂隙为0.2~3mm的裂隙基本完整密实。
5 结论
(1) 研究裂隙注浆加固技术要确定注浆孔和裂隙带的空间位置关系。裂隙带分为大裂隙带和小裂隙带, 首要阐述的是注浆孔和大裂隙带的空间位置关系, 一种注浆孔相交于大裂隙带相交, 另一种注浆孔不相交于大裂隙带两种。并分析了裂隙注浆过程中注浆孔孔壁劈裂过程, 确定注浆压力是裂隙岩体劈裂贯通过程中的关键因素。
(2) 通过建立符合工程实际的裂隙注浆模型, 研究注浆压力在不同水灰比的条件下对浆液扩散半径的影响。并结合工程实际应用, 确定特定工程条件下注浆压力的合理选择。通过对模型试验的对比分析, 进一步证明注浆压力是注浆过程中浆液扩散的关键因素。
(3) 通过分析注浆的扩散理论, 在注浆压力一定的基础上, 根据平面流体理论推导出扩散半径公式, 结合工程实际情况, 通过理论计算值和模型试验模型数据对比分析, 进一步验证了扩散半径公式的正确性、合理性和有效性。
隧道注浆加固工程方案 篇4
综合分析相关研究,超前预注浆加固在近距离双线地铁隧道的变形控制问题上取得了显著的成效。针对超前预注浆加固效果的深入性研究亦在众多文献中可见,台启民[6]在北京地铁6号线区间隧道工程中,对不同的施工方式进行了探究。探究结果表明超前深孔预注浆加固可以有效降低硐室和地表的变形位移。肖昌军[7]对北京地铁10号线劲松站粉细砂层的超前小导管渗透加固方案进行介绍;李永宽[8]在对青岛地铁3号线区间段进行研究分析时,提出超前小导管和超前预注浆加固地层等控制隧道和地层变形的控制措施,现场实测表明采用该控制措施,硐室、地层及周边建筑物均满足控制标准。
然而,在很多的工程建设中,超前预注浆加固大都凭经验进行设计、施工,存在着盲目性与一味的工程类比性,设计、施工不当要么造成支护不足引起变形破坏,要么则是支护过度造起材料和人力资源的浪费。因此,本文以北京地铁6号线北海北站至南锣鼓巷站区间作为工程背景,借助数值模拟软件MIDAS/GTS,首先验证数值模拟软件的可靠性,再而,基于数值模拟软件对近距离双线地铁隧道的超前预注浆加固技术进行进一步的优化探究。
1 工程概述
工程背景选用参考文献[6]中的北京地铁6号北海北站至南锣鼓巷站的修建区间,该线路交错重叠,由最终的双线并行,经不断的交错重叠,最终呈现出右线在下、左线在上的重叠状态,如图1所示。左线隧道为上坡走向,隧道中心埋深H1=-19.38~-16.38 m;右线隧道为下坡走向,隧道中心埋深H2=-19.38~-24.33 m;两交叠隧道中心连线中点埋深H3=-19.38~-20.36 m.在一个较为平稳的区间段内。隧道断面形状为马蹄形高×宽=6.5 m×6.2 m,结构形式为复合式衬砌结构。在两隧道并行段,隧道主要处于粉质黏土中,岩土层物理力学参数见表1。隧道采用台阶法进行施工[6],施工步序如图2所示,台阶开挖进尺为3~5 m。
2 数值模型软件可靠性验证
2.1 计算模型建立
在本次数值模拟中选用有限元分析软件MI-DAS/GTS。根据以往工程经验距掌子面距离较远的围岩其受硐室开挖的影响很小,当距离超过3倍硐跨时,该处围岩应力变化为5%以下。因此,在建模时模型边界计算范围可取3~5倍硐跨,为了简化计算,本模型选取末段断面1位置两隧道并行区间进行模拟计算,模型尺寸长×宽×高=120 m×30 m×60 m,共分23 840个单元、27 603个节点,模型上表面自由,其他五个面施加法向约束作为边界条件,建立数值计算开挖模拟支护模型如图3所示。
在本模型建立中进行相关合理简化:由于实际隧道地表高差范围较小,所以不考虑地表起伏且不考虑地表建筑物荷载,在该区间段内地下水贫乏且水位较深,对隧道施工影响很小,故不考虑地下水作用,各土层均匀水平层状分布,注浆加固区施工理想达到预期值,初支和加固区进行相应的等效弹性模量转换[9],详细模型计算支护参数见表2。
岩土层选用Mohr-Column本构模型,具体参数见表1,初期支护和超前小导管注浆加固采用板结构单元模拟,厚度均为0.3 m,注浆加固区采用改变实体单元属性进行模拟[10],注浆厚度为2.5 m,加固范围均为拱顶180°范围。施工步序如图2所示,采用先左后右隧道线路进行施工。
2.2 数值计算结果及验证
隧道开挖模拟支护模型如图3所示,竖直位移场模拟结果如图4所示,竖直位移场模拟结果与实际监测结果对比见表3。
采用有限元分析软件对隧道开挖支护过程进行模拟分析,得最大竖直位移在隧道顶部为22.6 mm,隧道底部最大隆起量为3.78 mm,与实际监测中竖向最大最小位移出现位置是一致的,而实际监测拱顶最大沉降位移为23.1 mm,底部最大隆起位移为4.3 mm,本文与其计算结果进行对比,拱顶沉降位移相对误差为2.16%,底部隆起位移相对误差为3.08%,由于主要考虑竖向位移特别是最大竖向位移变形产生的影响,所以经过二者相互对比,误差很小,验证了运用有限元软件模拟隧道的开挖支护是切实可行的,并为进一步的支护方案的优化提供依据。
3 方案优化及支护变形分析
3.1 预注浆加固范围优化
在地铁隧道开挖过程中,超前预注浆加固主要是为了通过提前注浆充填待开挖硐室周围土体,尤指上部土体[11]。在开挖前改变上部土体的物理力学参数,提高其弹性模量E、内摩擦角φ,黏聚力c,降低其泊松比μ,使得土体承载性能增强[12]。同时,预注浆区域会形成一个拱壳,这在一定程度上是起到外部承压拱的作用,使得周围土体塑性区范围变小,竖向位移大大降低,从而满足变形位移控制要求[13,14,15]。
对于超前预注浆加固,扩大注浆范围会增加超前支护体的安全可靠性,但同时经济性却降低,更主要的是由于注浆范围的盲目扩大,会增大施工难度,影响施工进度,因此在承压拱效应明显的情况下,应力求注浆范围更加合理明确。因此,以北京地铁6号北海北站至南锣鼓巷站的修建区间隧道为工程背景,在所有外部条件和施工条件一致的情况下,分别选择环向圆心角α为90°、80°、70°、60°、55°和50°的预注浆加固圈进行方案优化探究,预注浆加固圈环向圆心角α工况示意如图5所示。
不同环向圆心角α下,竖向位移等值线如图6所示,超前预注浆加固圈环向圆心角范围与拱顶下沉量曲线如图7所示。
由图6和图7可看出,随着预注浆加固圈环向圆心角范围的不断增大,拱顶下沉量逐渐降低,当环向圆心角2α>160°时,增大注浆圈圆心角范围,所带来的拱顶下沉量的改变已很小。当环向圆心角2α=110°时,最大拱顶沉降为29.8 mm,由于拱顶下沉量预警值为30 mm,且存在一些施工不确定性因素,所以综合考量,确定最佳预注浆加固范围在2α=120°~140°。
3.2 不同硐径条件下硐室周围土体变形特征
开挖硐室硐径和围岩变形量有着密不可分的联系[16],当硐径增大时,支护难度也随之增大,甚至在硐径增大到一定程度时,原支护方式将会失效。所以,为了探究硐径对原支护方式的硐室围岩变形量的影响,取原硐径D的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍进行数值仿真模拟,在采用原支护方案时,不同硐径条件下开挖硐室变形量如图8所示。
当硐径在原硐径D的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍时,最大变形位移量出现在拱顶,表现为拱顶下沉,下沉量分别为24.17 mm、29.01 mm、32.76 mm、45.99 mm、52.30 mm、60.42mm,由图8可看出,拱顶下沉量大于帮部最大缩进量和底部隆起量,因为只关注最大变形量,所以此处仅就拱顶变形进行分析。在1.3倍硐径之前拱顶下沉量呈线性增长趋势,但在1.2倍硐径时,拱顶下沉量接近于30 mm的预警值,原支护方式已经难以满足支护要求。
由此可见,随着硐径不断增大最大变形量亦不断增加,且在一定范围内是呈线性增长,当硐径增大超过一定范围时要对原支护方案进行重新论证。
3.3 不同埋深条件下硐室周围土体变形特征
以原支护方案、原硐室尺寸的开挖隧道为例,埋深分别为原埋深H的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍。得不同埋深条件下开挖硐室变形量如图9所示。
随着埋深不断增大,拱顶下沉量也是呈不断增大趋势,而底部隆起量和帮部最大缩进量则影响较小。当埋深为原埋深H的1.1倍,1.2倍,1.3倍,1.4倍,1.5倍,1.6倍时,最大变形量亦为拱顶下沉,数值分别为23.06 mm、24.68 mm、26.11 mm、31.58 mm、39.60 mm、45.28 mm,呈逐渐增大趋势。当埋深在原埋深的1.4倍时,最大拱顶下沉量达到变形预警值,此时应增大支护强度、刚度或变更支护形式,因此随着硐室埋深的不断增大,应对原支护方案的可靠性进行重新评价,当埋深增大范围在一定区间内时,本文为1.3倍原埋深情况下,原支护方案依然有效,但增大程度超过该区间则会导致硐室变形超过预警值,应重新确定支护参数或方案。
4 结论与建议
(1)有限元分析软件在对地铁隧道进行模拟计算时,其计算结果误差在允许范围内,可以作为一种地铁隧道设计、施工过程中的辅助手段。
(2)超前预注浆加固对于控制地铁隧道的变形具有显著的作用,根据初始设计参数,借助数值模拟软件对超前预注浆的加固范围进行优化,以此来确定最佳支护范围为预注浆加固圈环向圆心角2α=120°~140°。
(3)通过减小预注浆加固范围可以达到节约材料、人力资源的目的,但不可以盲目的减小,预注浆加固范围存在一个最优值,减小范围超过该最优值,则会触及乃至超过预警值。
(4)不同硐径、埋深都会对原支护方案下的硐室变形产生影响,硐径与埋深增大量在一定范围内时,原支护方案亦可实现变形控制目的,但超出该范围则应增大原支护方案的强度、刚度,甚至重新进行支护方案的确定。
(5)由于篇幅所限,本文只分开考虑了单因素对隧道开挖支护所带来的影响,在以后工作中可把埋深、硐跨、加固范围等进行综合考虑,以探究多因素共同对开挖硐室产生的影响。
摘要：超前预注浆加固技术被广泛应用在双线交叠地铁隧道的开挖建设中,然而很多的工程多借助于工程类比经验或为求稳而过度加固施工,造成了严重的材料、人力资源浪费。鉴于此,依托北京地铁6号线区间隧道工程,借助数值模拟软件进行模拟。通过与实际监测数据相对比,验证了数值模拟具有相当的可靠性;而后利用数值模拟软件对原注浆加固范围进行优化,得出最佳预注浆加固范围在2α=120°140°,并探究在不同硐径、埋深条件下,开挖硐室的变形特征和原支护方案的适用性。
隧道注浆加固工程方案 篇5
关键词：隧道,溃水口,地质灾害,注浆加固
1 1#左线正洞探孔揭示情况
为探明某隧道2工区正洞左线大里程掌子面DK24+121前方地质情况,预报组采用MK-5钻机于2009年10月18~10月25日采用MK-5钻机在2工区进行了超前地质钻探作业。
本次施作探洞6个在正洞左线掌子面DK24+121(含3m止浆墙)上施作,钻洞总延米198m。
通过此次钻探,DK24+121~DK24+151地质情况基本探明:DK24+121~DK24+126段为强~全风化硅灰岩、粉砂岩夹黄泥,岩体整体较破碎~破碎,溶蚀现象发育,属较软岩~软岩。DK24+126~+132段为可能为一溶洞,黄泥、砂充填。DK24+132~+137段为强风化硅灰岩、粉砂岩夹黄泥,岩体破碎~极破碎,溶蚀现象较发育,属较软岩。
2高位支洞探孔取芯揭示情况
施工中采用了KR805-1钻机在高位支洞上台阶掌子面按设计孔位对前方10~20m的地层进行超前探孔取芯,以便在实施每个注浆循环前充分了解前方地质情况,重点了解溃水口方位及地质薄弱区域,并进行有针对性的注浆加固封堵和泄水孔的设计及施工。探孔的地质情况描述如下:GK+000~GK+006段为强~全风化硅灰岩、粉砂岩夹黄泥,岩体整体较破碎~破碎,属较软岩~软岩。
3溃口处理方案设计
根据右线溃口处地表垂直探孔揭示地质情况并结合高位支洞超前地质探孔,按照“泄水降压、注浆堵水、快速清淤、处理溃口”的原则,对在左线高位支洞内对右线YDK24+147~+169段溃口注浆加固及泄水降压方案如下,分为两个循环施作:第一循环为在正洞内加固高位支洞一个循环,管棚分为两步施作,第二步管棚在高位支洞开挖11米后立止浆墙再打一部分斜向管棚,以充分支护高位支洞末端。第二循环为在高位支洞内形成作业面,直接对溃口进行泄水并加固,创造右线清淤及施作管棚条件。
通过1#左线正洞加固高位支洞第一循环方案
(1)方案整体介绍。此循环难点为左线正洞内作业空间有限,而高位支洞为不规则洞体,在正洞掌子面布孔面临着孔位较多、角度较大、相互影响、钻机难摆等诸多问题。从下图加固高位支洞平面图中可以看出尤其在掌子面右半侧工作量较大并且集中,并且此部分管棚在开挖过程中势必面临着侵线需要割除一部分,开挖过程中立拱右侧也过于密集,小导管很难布置,因此在正洞内掌子面右半侧后期又增加了13根小管棚专门应对此盲区问题。
(2)注浆设计。为了一次性在正洞内加固到右侧高位支洞后半段区域,特在正洞8米加固圈范围外又增加了两半圈注浆孔,25米断面最大加固范围扩到15米加固圈,而9米和16米补孔断面最大加固范围扩至18米加固圈,另外在正洞内右侧壁针对于高位支洞拐角盲区增加一定数量得补孔,使整个高位支洞范围内最小加固圈保证为5米。16米、9米
(3)管棚设计。由于本循环高位支洞形态比较特殊,在管棚支护方面难度也很大,为了更好的使管棚更贴合与高位支洞起到更好的支护效果,将管棚工作量划分为三块:
第一部分管棚为27根,沿正洞方向施作,开孔与终孔沿拱顶140·范围内展开,其中开孔间距为40cm,终孔间距为65cm。终孔位置距开挖轮廓线2米。
管棚钻孔长度为28m,成孔后在前端下入φ108×9mm的无缝钢管,钢管上设四排φ8溢浆孔,溢浆孔成梅花型布设,孔间距100cm。因为无管棚工作间,为了保证管棚不侵入开挖轮廓线内,其中后6m不下管棚管(含止浆墙3m),下入φ32的玻璃纤维锚杆后进行全孔一次性注浆。
第二部分为正洞内对高位支洞右侧拐角处盲区补强支护小管棚。高位支洞开挖时要弧形拐向右线,因此在高位支洞右侧拐角处开挖过程中要将大管棚割除,形成小三角支护盲区,面积约5m2,为了加强高位支洞盲区支护保证安全开挖,设计在正洞止浆墙右半侧开孔,施作13根@76小管棚,终孔沿高位支洞开挖轮廓线外2米至3米不等,孔长沿隧道方向为6~10米不等。
开孔间距为40cm,终孔间距为75cm。管棚钻孔长度为8~9m,成孔后在前端下入φ76×9mm的无缝钢管,钢管上设四排φ8溢浆孔,溢浆孔成梅花型布设,孔间距100cm。因为无管棚工作间,为了保证管棚不侵入开挖轮廓线内,其中后1m不下管棚管(含止浆墙3m),最后进行全孔一次性注浆。
第三部分为高位支洞开挖11米后,沿高位支洞方向再次施作大管棚,主要对高位支洞后半段进行补强。第三部分管棚为29根,浇注两米厚的止浆墙,沿高位支洞方向施作,开孔和终孔沿拱顶140·范围内展开,其中开孔间距为35cm,右侧终孔间距为50cm,左侧中孔间距为75cm。终孔位置距开挖轮廓线1米。
(4)高位支洞探孔取芯设计。高位支洞开挖时要采取弧形拐向右线,因此在高位支洞开挖一半里程之后要进行探孔取芯,共设计6个探孔,其中T1为取芯孔,以探明剩余未开挖里程地质情况,指导开挖。沿高位支洞开挖中线拱顶一下2米设置取芯孔,取芯孔长度为15米(不含止浆墙),全程取芯,取芯样本仔细分析其成分并拍照取样。选取T3作为孔内成像孔,以探明向右拐角处地质及成孔情况。
4在高位支洞内加固溃口第二循环方案
(1)泄水孔设计。根据某隧道溃口涌水特点,在高位支洞内设计12个泄水孔探明出水来源,将溃水口水流引出,再在泄水孔下方对右线及溃口进行加固处理;注浆过程始终要以高位支洞泄水孔为监测点,一旦水压上升至0.5MPa以上,或出水量明显减小则立即停止注浆,联系四方单位决定下一步方案。以保证既加固右线加固圈范围的土体,又能从泄水孔泄水降压,为右线开挖创造条件。
泄水孔开孔采用@159孔口管进行开孔,为了加强孔口管锚固强度长度定为3米,开孔后采用@130锤头进行钻孔至设计深度,成孔后再采用管靴下入@108的套管,套管管壁周围切割直径3~4cm溢水孔梅花形布置,以防止泄水过程中塌孔或突泥造成地层损失,形成安全隐患。
(2)注浆加固溃口方案比选。注浆方案初步想法为三种,各方案均需采用一部分双液浆以控制浆液扩散范围,防止无限制扩散将泄水孔封堵影响泄水,注浆过程中单孔结束拟采用定量标准进行控制。三种方案各有优缺点,下面对三种方案分别简单介绍并对比分析:
方案一:第一种方案为施作泄水孔后在高位支洞内对右线正洞进行一部分注浆并对溃口进行加固封堵,减少正洞一部分工作量,并对整体注浆效果进行加强;
由于溃口区域土体非常松动,浆液扩散较难掌控,为保证注浆过程中不导致浆液向上串通将泄水管堵塞,预设计在加固区上半部分与靠近右线掌子面位置大量使用双液浆,加快浆液凝结速度,减少浆液凝结时间,以达到控制浆液随意扩散的目的,共计双液浆孔42个。加固区下半部分仍以硫铝酸盐为主,将溃口处右线加固圈内地层加强,共计硫铝酸盐注浆孔40个。
在不影响整体施工顺序的前提下,可选取A1、A4、A7、A14、A20、A24、A25、A26、A40、A50作为探孔,以便更准确了解本循环地质情况,探明右线溃口处松动区范围。
方案二:方案二中心思想为将所有右线正洞内的注浆工作全部在高位支洞内完成,到右线正洞内只需要补打管棚之后第一时间进行开挖;共计:注浆孔100个,其中19个重复扫孔。由于溃口区域土体非常松动,浆液扩散较难掌控,为保证注浆过程中不导致浆液向上串通将泄水管堵塞,预设计在加固区上半部分与靠近右线掌子面位置使用双液浆,加快浆液凝结速度,减少浆液凝结时间,以达到控制浆液随意扩散的目的,共计双液浆孔21个,先注双液浆再注硫铝酸盐水泥孔19个。加固圈内仍以硫铝酸盐为主,将溃口处右线加固圈内地层加强,共计硫铝酸盐注浆孔60个。
在不影响整体施工顺序的前提下,可选取A1、A4、A7、A23、A29、A33、A34、A35、A49、A65作为探孔,以便更准确了解本循环地质情况,探明右线溃口处松动区范围。
方案三:方案三在高位支洞内的工作主机要集中在加固溃口堵水,对正洞内注浆完全移到右洞正洞内进行,在高位支洞内不作处理。对溃口进行简单处理,快速达到右线可以清淤条件,待右线清淤后设立止浆墙进行注浆,支洞内后期主要起泄水、排水作用。
5结论
通过对高位支洞部分采用超前帷幕注浆加固和大管棚、小管棚施工的总体方案,以保证高位支洞按理想状态开挖成型,进而在高位支洞内形成作业空间对右线溃口处进行处理,根据整套方案可得出如下结论:
(1)本高位支洞里程段含泥量较大,尤其在隧道左上方,其中GK0+016~028里程段为灰岩与砂岩交接带,为全风化泥质填充物。12个检查孔大部分为干孔其中只有一个滴水水量为0.04Lminm(J5孔),说明该注浆段水量已降至评定允许值范围内,达到设计要求。
(2)通过检查,防水达到评定要求,可以进行高位支洞开挖。
(3)注浆材料在含泥量较大的地层情况下应尽量采用硫铝酸盐水泥进行封堵;由于双液浆扩散范围有限,强度较低并且具有脆性,建议除了对止浆墙、孔口管漏浆进行封堵外,尽量减少双液浆的使用,而普通水泥经过反复试验验证在含泥量较大的地层内很难达到设计强度,也应减少使用。在此段的钻注工作中,由于裂隙小,普通浆材注入较难,重复扫孔后,注浆量仍然没有明显增加,后采用了颗粒较细的特种浆材,注浆量有较好提升,使注浆达能预计效果。
(4)本循环由于高位支洞为异型支洞,并且无管棚工作间,因此为管棚施工带来了极大的难度,所以根据高位支洞形状及走向将管棚分为三部分施作,其中第三部分管棚在高位支洞开挖一半之后施作,这样就解决了弧形导洞支护盲区过大的问题。
(5)同样由于高位支洞为弧形的问题,在转角处各榀拱架间距和标高都是变化的,给开挖过程中小导管施工也带来了一定的难度,因此在方案设计初期应对拱架每榀间距、每榀抬升标高、小导管搭接、小导管斜穿所需间距等因素统筹考虑。
参考文献
[1]张民庆,彭峰.铁路隧道不良地质突水突泥治理技术与工程应用[J].铁道工程学报,2013,09(15).
[2]张梅,何志军,张民庆.高地应力软岩隧道变形控制设计与施工技术[J].现代隧道技术,2012,12(15).
[3]张民庆,曾强运,杨兵.岩溶隧道溶洞泄水机理及工程实例分析[J].现代隧道技术,2010,10(15).
隧道注浆加固工程方案 篇6
北京地铁十号线二期车道沟站—长春桥站区间 (车—长区间) 位于京密引水渠西岸, 区间由车道沟站出发, 沿蓝靛厂南路及路西新建绿地, 向北经远大南一街丁字路口到达长春桥站。本区间分别采用盾构法及矿山法施工, 在线位上设一座施工竖井兼盾构工作井, 区间在车道沟站—竖井段采用矿山法暗挖施工。
本工程位于新建的城市绿化带下方, 隧道顶覆土深度11 m～14 m, 地表起伏不平整, 与周边自然地面高差约1 m～3 m, 堆土时间不足1年。
根据地质勘察资料, 暗挖隧道位于卵石⑤层, 该层密实, 最大粒径290 mm, 一般粒径20 mm～60 mm, 粒径大于20 mm颗粒约占总质量的50%～70%, 母岩成分以石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩为主, 砾石、中粗砂充填, 局部夹粉质粘土透镜体。
暗挖区间线路中心线间距17 m～14.2 m;右线线位以东有两座高压塔, 其中右线隧道在右K54+045～右K54+058范围内下穿2号高压塔, 高压塔高约50 m, 高压线为七层220 kV, 高压线走向为由西向东, 经此高压塔转向北;东西向最底层高压线距地面15.75 m, 南北向最底层高压线距地面16.143 m。因此西侧基础受力最大, 此基础距离隧道外皮最近, 风险等级为一级, 如图1所示。
2 注浆设计
根据设计要求, 右线在暗挖掘进到2号高压塔全断面注浆界面前封闭掌子面, 施作止浆墙, 然后打设ϕ42注浆管, 根据专家建议:采用专业钻孔机械成孔, 一次性打设35 m, 将2号高压塔35 m加密区一次注浆完成, 减少封闭掌子面次数。注浆范围为开挖断面至开挖轮廓线外3 m。注浆加固示意图见图2, 图3。
2.1 浆液选择
依据DBJ 01-96-2004地铁暗挖隧道注浆施工技术规程, 注浆材料应根据隧道所处地层条件合理选择, 其标准为:1) 对于无水粗砂及砂砾 (卵) 石地层应选择单液水泥浆。2) 对于无水的中砂及粉细砂地层应选择改性水玻璃浆。3) 对于前期及后期强度要求很高的地层, 可选择硫铝酸盐水泥类 (TGRM, HSC) 浆。
单液水泥浆具有料源广, 价格低, 结石体强度高等特点, 是粗砂及砂砾层注浆的主要浆液。
酸性水玻璃具有料源广, 价格低, 可注性好, 凝胶时间可调, 强度适宜等特点, 可在无水的中、细砂层中应用。
双液浆液具有料源广, 价格适宜, 凝胶时间易调, 结石体强度较高等特点, 是在有水条件下粗砂及砂砾地层中堵水和加固地层的主要浆液。
硫铝酸盐类水泥浆材是一种新型的注浆材料, 它具有早强, 高强和耐久性好, 凝胶时间可调等特点, 可在对强度有特殊要求的地段使用。
根据风险源加固区对强度的要求及专家建议, 选用快硬硫铝酸盐水泥浆, 注浆压力随深度增加而加大, 孔口时压力为0.3 MPa～0.5 MPa, 35 m深时压力可达到1.0 MPa～2.0 MPa, 加固后的土体应有良好的均匀性和自立性, 其无侧限抗压强度0.5 MPa～0.8 MPa。
2.2 浆液参数
原材料:TGRM, HSC水泥, 新鲜, 按要求的凝胶时间配制。
配合比:水灰比为0.8∶1～1.2∶1。
硫铝酸盐水泥浆配制应在搅拌机内进行, 先放入一定量的水, 在高速搅拌的情况下放入一定量的水泥, 搅拌5 min。
3 注浆施工
右线在上台阶暗挖掘进到2号高压塔全断面注浆界面 (右K54+70.552) 处时, 将上台阶掌子面封闭, 挂网堆喷2 m厚C20混凝土作为上断面止浆墙, 然后搭设注浆工作平台, 按全断面注浆孔开孔布置图测量放线、标注钻孔位置, 将钻机就位固定。开钻ϕ150 mm, 深1.8 m孔口管孔, 安设并锚固2 m长孔口管, 孔口管上缠麻丝, 并安装高压防水球阀。配制浆液并分段钻孔注浆, 直至设计深度。所有注浆孔注浆结束后钻检查孔检查注浆效果, 若注浆结果满足要求则注浆完成, 若不满足要求, 应根据情况再钻孔补注。
3.1 施工止浆墙
当上台阶开挖至右K54+70.552时, 封闭上断面, 在上断面掌子面挂一层ϕ6.5@150×150钢筋网片, 然后由下向上蛇形堆喷C20混凝土至2 m厚。
3.2 安装孔口管
施工完止浆墙后, 在止浆墙上按布孔图测量放线、标注钻孔位置, 然后在孔位上按设计角度开钻至深1.8 m后, 安设孔口管, 孔口管采用ϕ150 mm, δ =4.5 mm, L=2 m热轧无缝钢管。孔口管前端焊接法兰盘并安装高压防水球阀, 安装孔口管时, 在孔口段缠麻丝封孔50 cm, 并在表面压抹快凝水泥砂浆, 然后将孔口管快速压入孔内, 用2根2 m长ϕ22螺纹钢筋与外露孔口管焊接牢固, 以增加孔口管的抗拔性。
3.3 钻孔及注浆
根据地质报告及前段隧道开挖地质实际情况, 确定采用分段注浆方式, 分外、中、内三圈布置注浆孔, 深度分别为15 m, 25 m, 35 m。施工完孔口管后, 采用TDL100B高风压液压潜孔钻机, 由孔口管内继续钻进。该钻机钻头为组合钻头, 由内、外钻头组成, 外钻头外径120 mm, 钻孔时, 以内钻钻进为主, 外钻钻进为辅, 外钻带动护孔钢管以防止注浆孔塌孔, 待钻至设计深度后, 先将钻杆连同内钻头一起退出, 然后在护孔管内插入相应长度的注浆管, 最后将护孔管及外钻头退出孔内, 封闭孔口管进行注浆。注浆过程中, 压力逐渐上升, 流量逐渐减少, 当压力达到注浆终压, 注浆量达到设计注浆量的80%以上, 可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压, 注浆量已达到设计注浆量, 并无漏浆现象, 亦可结束该孔注浆。当所有注浆孔均达到注浆结束标准, 无漏注现象, 即可结束本循环注浆。
先施工最外圈注浆孔, 深度15 m, 按前述方法钻孔完成后, 配制浆液并对该孔进行注浆至达到注浆结束要求;重复上述操作至完成外圈所有注浆孔注浆。然后施工第二圈注浆孔, 深度25 m, 注浆管在端头10 m内留设注浆孔。最后施工最内圈注浆孔, 深度35 m, 注浆管在端头10 m内留设注浆孔。
全断面注浆分为两个阶段注浆:
第一阶段:施作上半断面注浆, 共22个注浆孔;
第二阶段:施作下半断面注浆, 共14个注浆孔。注浆孔布置如图4所示。
钻孔注浆顺序采用由外向内, 由下向上间隔跳孔的原则, 每次隔孔1个～2个孔。注浆孔分3圈, 环向间距为1 m, 第一圈距隧道开挖轮廓线30 cm, 第二圈与第一圈、第三圈与第二圈间距均为50 cm。
如图5, 图6所示, 三排注浆孔打设角度分别为9°, 6°, 5°, 沿隧道纵向打设深度分别为15 m, 25 m, 35 m, 沿隧道法向打设深度为2 m, 高压下浆液扩散半径1 m～1.5 m。
注浆加固后理论效果如图7所示, 满足设计给定隧道轮廓线外3 m加固范围的要求。
上断面注浆结束后, 将下台阶开挖至上断面止浆墙处, 挂网堆喷2 m厚C20混凝土, 然后按上断面注浆流程施工下断面注浆。
4 实际效果
暗挖施工过程中, 对2号高压塔四个独立基础每天进行监测, 在全断面注浆施工前, 高压塔基础最大沉降值为3.27 mm, 最大差异沉降为2.2 mm;注浆施工过程中, 因注浆存在一定压力, 基础最大隆起3.21 mm;高压塔下隧道开挖完成且稳定后, 基础最大沉降值为6.49 mm, 最大差异沉降为2.34 mm, 完全满足专家提出的最大沉降10 mm, 最大差异沉降5 mm控制目标, 注浆加固效果良好。
5 体会
1) 钻孔施工时, 必须安装孔口管以准确控制钻孔角度, 并可通过止浆阀避免漏浆情况发生;2) 注浆深度较深时, 应采取由外向内分段注浆的施工方法, 已施工的外注浆段对后施工的内段注浆有很好的止浆效果;3) 快硬硫铝酸盐水泥虽比普通水泥成本高, 但对于风险较大、对前期及后期强度要求很高的地层, 加固效果良好。
摘要：对北京地铁暗挖隧道下穿高压塔施工进行了分析, 提出了对隧道进行全断面注浆加固地层的施工方法, 通过研究高压塔基础沉降的监测数据证明了该方法取得了良好的效果, 为今后类似工程积累了经验。
关键词：暗挖隧道,全断面注浆,高压塔,硫铝酸盐水泥浆
参考文献
[1]韩志怀.象山隧道岩溶地段全断面超前注浆堵水与加固技术[J].隧道建设, 2009, 29 (5) :31-32.
[2]张民庆, 彭峰.地下工程注浆技术[M].北京:地质出版社, 2008:69.
[3]张永钧, 叶书麟.既有建筑地基基础加固工程实例应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2002.
隧道注浆加固工程方案 篇7
在岩溶发育、强风化的粘土地层, 工程上普遍采用注浆加固工法处理。张民庆等对地下工程的注浆机理、材料以及注浆工艺等有很详细的阐述[1], 邝健政等通过对特殊条件下的不良地基加固工程实例, 对岩土注浆施工中进行控制注浆进行了研究[2]。本工程实例为某大断面隧道浅埋段, 场区地质变化复杂, 包括粘土层、碎石层, 溶腔, 含水丰富。通过地表注浆加固, 成功对不良地质段进行了处理。
1 工程概况
1. 1 工程简介
本隧道出口浅埋段全长约348 m。洞身上方分布3 处水塘, 埋深约40 m ~ 50 m。浅埋段纵断面形式见图1。
该隧道施工主要存在的风险为: 岩溶涌水突泥、隧道坍塌冒顶、大变形、围岩失稳等。
1. 2 场区地质条件
隧道掌子面原设计围岩为Ⅳ级, 开挖面岩溶发育, 岩体破碎, 节理裂隙发育。浅埋地段覆盖层主要为种植土、粉质粘土、碎石土, 基岩为大理场地的覆盖层厚度在5 m ~ 16 m范围内;推断岩溶发育深度7 m ~ 28 m。
2 地表注浆加固方案
2. 1 总体思路
拟采取地表袖阀管注浆加固方式对隧道前方和周边地层进行加固。主要目的为充填岩溶空腔, 提高岩体强度和整体性, 降低地层空隙率、含水率和渗透系数, 为隧道施工提供安全保证。
2. 2 治理方案
1) 注浆加固范围。纵向共130 m, 横向为隧道范围及开挖轮廓线外5 m ~ 7. 5 m; 垂直方向, 隧道拱顶以上5 m ~ 8 m, 隧道底板溶洞地段, 加固到隧道开挖轮廓线以下2. 0 m, 钻孔深度平均35 m。加固体剖面图图见见图图22。。
2) 注浆孔布置及数量。沿隧道中心线两侧对称布置2. 5 m ×2. 5 m注浆孔, 呈梅花形布置。注浆孔深26 m ~ 40 m, 孔平均深度按32 m计算, 孔总数约为550 个, 钻孔总深度约17 600 m。溶洞空腔部位另外增设钻孔, 直接灌注水泥砂浆或浓水泥浆, 将空腔填满。
3) 注浆方法。注浆加固采用袖阀管分段后退式注浆工艺, 注浆分段长度为50 cm ~ 80 cm, 注浆材料为水泥 ( 42. 5 普通硅酸盐水泥) 单液浆和水泥—水玻璃双液浆。
2. 3 材料配比
在注浆施工过程中, 液浆凝胶时间应可以在几秒~ 数小时范围内按照需要通过材料配比进行调整, 并能准确控制, 以达到固结、堵水的要求。为保证注浆效果, 可采用分段注浆, 不同地层采用不同浆材配比及参数。从而使凝胶时间可控, 可以达到控域注浆目的 ( 见表1) 。
3 工程实施过程分析
3. 1 注浆方式
采用KBY-50 /70 注浆机进行注浆, 注浆方式采用后退式分段注浆。注浆步距50 cm, 注浆速度10 L/min ~ 100 L/min, 注浆压力2. 0 MPa ~ 2. 5 MPa。
3. 2 注浆过程中质量控制
1) 单孔注浆结束标准。注浆时采用注浆压力和注浆量双重控制。注浆过程中, 若出现每步距注浆量能满足设计, 而注浆压力太低, 可采用间歇注浆和减小浆液胶凝时间, 同时增加浆量为设计量的两倍, 以保证注浆效果。在距离地面10 m的范围内停止加压注浆, 只采用回灌的方式将注浆孔填满即可。
2) 注浆材料调整。堆积土层强度低易坍孔, 空隙率较大, 进入基岩后有溶蚀现象, 溶腔有充填物无法回填粒石等骨料, 因此采用注水泥浆及双液浆加固充填物, 保证开挖安全, 加固范围外侧孔以注双液浆为主, 单液浆为辅, 防止浆液大量流失到加固范围外, 造成浆液浪费且影响加固范围加固质量。
3) 施工过程中注浆效果分析。通过对检查孔的观察, 邻近注浆区域的钻孔取出的岩芯有浆脉, 可以得出注浆区域注浆效果良好, 松散地层得到了有效加固, 后续钻孔坍孔现象较少, 且相邻钻孔有地表窜浆现象; 洞内开挖上部钻孔有浆液流出, 且洞内水量明显减少, 说明注浆正在起作用, 效果良好。
4 结语
1) 本注浆工程地质情况复杂, 为了保证浆液在地层中得到有效均匀扩散, 有效的与溶腔中的泥质充填物固结, 需多注水泥—水玻璃双液浆, 实行控域约束型注浆, 以节省注浆材料, 保证注浆效果。
2) 注浆是一个精细工程, 注浆施工过程应做好相应的施工记录, 对钻孔深度、每轮次注浆压力、每轮次注浆量、每轮次注浆时间和总注浆量等参数进行详细记录。及时整理资料, 经常分析对比相邻注浆孔和相邻排注浆孔的注浆流量、注浆压力和注浆量等参数, 根据各参数的变化情况估计注浆效果。对注浆过程中存在的问题, 及时进行分析处理。
摘要：以某铁路隧道地表注浆加固工程为例, 根据该工程的场区地质条件, 制定了具体的注浆加固方案, 介绍了岩土注浆施工中的技术要点, 并提出了针对性的质量控制措施, 从而为隧道施工提供安全保证。
关键词：隧道,地表注浆,质量控制
参考文献
[1]张民庆, 彭峰.地下注浆技术[M].北京:地质出版社, 2008:18, 24, 89.