首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 工程施工论文 > 富水炭质千枚岩隧道集束水平袖阀管注浆加固施工技术

富水炭质千枚岩隧道集束水平袖阀管注浆加固施工技术

2024-06-20 23 上传者：管理员

摘要：针对富水炭质千枚岩隧道在开挖过程中，炭质千枚岩遇水软化呈流塑状，导致掌子面失稳发生溜塌无法掘进的问题，本文采用一种新的注浆工艺进行止水与围岩固结。超前注浆采用前进式分段注浆、钻杆后退式分段注浆、集束水平袖阀管分段注浆相结合的注浆施工工艺。结果表明：所采用的超前注浆加固方案合理、施工安全高效，能够对该段富水炭质千枚岩地层实现有效加固，研究成果可为同类工程借鉴。

关键词：
前进式注浆
富水炭质千枚岩
滑塌
隧道工程
集束水平袖阀管注浆
加入收藏

目前在铁路建设中，大跨、富水、断层、浅埋隧道越来越多，隧道工程建设难度极大。千枚岩由于其遇水软化、自稳性差、收敛变形大等特性，极易产生滑塌。

针对此问题，很多学者进行了大量有意义的研究工作。张闯等[1]通过巴西劈裂试验，得到在地下水、层理与孔洞耦合作用下，千枚岩的力学特征与破坏形式；蔡国军[2]等通过不同浸水环境中的岩石直剪试验，总结了水化作用对千枚岩力学特性的影响；牛雪凯等[3]以茂县千枚岩隧道穿越富水地层为背景，对施工工法等提出可行性方案；周艺等[4]结合数值分析和现场监测，得到地下水对千枚岩影响的安全性评价；史振宇[5]以包家山富水区千枚岩隧道为背景，介绍了富水区千枚岩隧道施工方法。

在上述研究中，针对千枚岩的特性进行了大量的室内试验，并针对性地提出了对应的施工方法和支护方式。但是面对流塑状的千枚岩，采用复杂的工法、增强支护结构、增加拱部超前注浆等方式仍无法稳定掌子面。钻孔时往往造成塌孔无法成孔，通常做法是采用套管跟进法成孔，此工艺会造成施工周期延长，施工成本上升。

本文通过西康高铁安康隧道富水炭质千枚岩地层注浆施工，研究一种新的施工工艺，根据炭质千枚岩遇水呈流塑状的地层特点，采用前进式分段注浆、钻杆后退式分段注浆、集束水平袖阀管分段注浆相结合的超前注浆施工工艺。通过一次注浆固结流塑状岩体，下入集束水平袖阀管进行二次注浆，在开挖轮廓线外形成一定厚度的止水加固帷幕，提高固结体的均匀性，同时集束袖阀管可充当锚杆作用，提高隧道围岩整体的自稳性，高质量地完成了富水炭质千枚岩段施工。

1、工程概况

1.1工程地质情况

安康隧道为双线隧道，长度7001m。隧道结构断面如图1所示。隧址区位于秦岭地槽一级构造单元，南秦岭华力西-印支褶皱系二级构造单元，南秦岭褶皱系三级构造单元内，区内构造运动强烈且复杂，为Ⅰ级高风险隧道。隧址区在DK168+953处与枣树-朱家沟断裂（f80）相交。受褶皱、断裂影响，隧址区节理裂隙发育。

DK168+854～DK169+584段落整体埋深较浅，洞身穿越志留系下统千枚岩、炭质千枚岩。纵断面如图2所示。设计为Ⅴ级围岩，Ф42单层小导管超前支护，三台阶法开挖。全环设I20a工字钢支护，间距0.6m。位于弱富水地段，设计最大涌水量4150m3/d。

1.2工程拟解决的问题

DK168+874～DK168+896段，施工过程中右侧上台阶底部及中台阶有线状水，开挖时拱顶出现局部掉块现象。施工至DK168+896时，掌子面千枚岩呈流塑状不能自稳。如图3、图4所示。

监控量测数据显示，日变形速率及累计变形陆续出现黄色预警，其中DK168+894断面累计最大沉降99.3mm,DK168+884断面累计最大收敛76.8mm。如表1所示。

经分析，该段洞身为志留系下统炭质千枚岩强风化层，受褶皱及断层构造影响严重，节理裂隙发育，基岩裂隙水易下渗。炭质千枚岩强风化层遇水后，围岩塑性加大，稳定性差，导致初支变形较大。地表DK168+904处为冲沟，常年有水，对裂隙水进行补给，岩体破碎，流通较好，导致地表水下渗软化围岩。因此在保证支护结构稳定的前提下，对掌子面进行加固后可正常掘进的施工方案亟待解决。

图1安康隧道结构断面图（单位：cm)

图2 DK168+854～DK169+000纵断面图（单位：m)

图3 DK168+896掌子面

2、集束水平袖阀管注浆加固施工技术

2.1工艺原理

针对炭质千枚岩遇水呈流塑状的地层特点，采用前进式分段注浆、钻杆后退式分段注浆、集束水平袖阀管分段注浆相结合的超前注浆施工工艺。通过一次注浆固结流塑状岩体，下入集束水平袖阀管进行二次注浆，在开挖轮廓线外形成一定厚度的止水加固帷幕，提高固结体的均匀性，同时集束袖阀管可充当锚杆作用，提高隧道围岩整体的自稳性。

图4超前水平钻探芯样

2.1.1前进式分段钻孔注浆工艺

由孔口向孔底分段实施注浆：首先安装孔口管，再通过孔口管分段向孔底钻进，分段长度5～8m，然后开始注浆，钻孔一段，注浆一段，逐段推进，直至设计孔深。主要适用于成孔困难的地层。

2.1.2钻杆后退式注浆工艺

由孔底向孔口分段施工注浆，采用钻机一次性钻孔到设计孔深，然后通过钻杆注浆，分段后退，分段长度一般为2～4m，直到注浆从孔底推到孔口加固位置，施工中可根据地质和实际情况调整后退步距。主要适用于涌水量大、成孔性好的地层。

2.1.3水平袖阀管束注浆工艺

水平袖阀管采用Φ25无缝钢管制作，单孔可根据钻孔地质情况下入2～3根不同长度的水平袖阀管束，提升浆液分布均匀性。水平袖阀管注浆结束后留置在地层，可起到锚杆作用。

表1监控量测数据统计表

2.2施工方案

2.2.1地质预报

地质预报是为了搜集注浆地段的工程地质和水文地质情况，为正确选择注浆参数和采取相应的技术参量提供依据。本段落超前地质预报有超前水平钻探、地质雷达、加深炮孔和地质素描等手段，通过对地质预报信息的综合分析，可以比较准确地判明相应施工区域的地质情况，从而可以掌握岩土的渗透性、土颗粒的组成、孔隙率、饱和度及地下水量、水压和水质等物理化学性质，为合理地采取注浆方法和获得理想的注浆效果提供理论依据。

2.2.2注浆设计

(1)注浆范围的选择。

注浆范围与地质情况、开挖方法、对周边的影响密切相关，根据现场地质情况，上半断面为强风化炭质千枚岩，岩体破碎，层间结合差，岩体极破碎，底部有泥塑状混合物流出。下半断面为弱风化千枚岩，本着经济性的原则，选择上半断面进行注浆加固。

(2)注浆段长和注浆孔的布置。

根据钻孔及注浆设备性能及工艺特点，每循环注浆段长选择25m。注浆孔的布置要以浆液扩散不出现空白为原则，因此注浆孔数量以隧道中轴为中心呈伞形布置，如图5所示。

(3)注浆方式的选择。

结合地层特点采用前进式分段注浆、钻杆后退式注浆、集束水平袖阀管分段注浆相结合的注浆工艺。注浆前钻设3～5个注浆孔对掌子面前方地层进行判定，选择适合的钻孔注浆工艺。

(4)注浆参数的选择。

注浆加固范围为开挖轮廓线外6m，扩散半径1.8m，终孔间距≤2.7m，合计60孔。

注浆压力：注浆压力对浆液的扩散范围，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，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，取4～6MPa。

浆液的注入量：指单孔注入量，按假设浆液在地层中均匀扩散公式为：Q=πR2Lnαη

式中：Q———单孔注浆量（m3);R———浆液扩散半径（m）取1.8m;L———注浆孔长（m);n———地层的裂隙（%），取10%;α———浆液在岩石裂隙中的充填系数，视岩石情况取0.3～0.9;η———浆液消耗率，取1.1。

(5)注浆材料的选择及配比。

注浆浆液采用水泥单液浆，选用42.5硫铝酸盐水泥，水泥浆水灰比W∶C=08∶1～1∶1。

水泥细度为通过80μm方孔筛的筛余量不宜大于5%，注浆材料采用重量称量。现场制浆时，先往搅拌机中放入规定量的水，然后加入水泥搅拌均匀。

2.2.3止浆墙

止浆墙止浆效果的好坏，直接关系到注浆成功与否。综合考虑安全性与经济性，厚度取2m。

2.2.4钻孔

(1)孔位布设：将孔位标识在止浆墙上，偏差不大于5cm，钻孔偏斜率最大允许偏差0.5%。在进行钻孔定位时，孔口用全站仪按三维坐标进行控制，钻孔偏角采用直角坐标控制。断面的原坐标及坐标轴方向一致，坐标计算采用绝对坐标法。注浆孔偏角α正负值与X轴正负方向一致，注浆孔立角β正负值与Y轴相同正负方向一致。本隧道坐标原点位置为隧道中线内轨顶上9580mm。参数钻孔如表2所示，注浆加固断面如图6所示。

图5注浆孔布置图

表2钻孔参数表

(2)钻机就位：根据孔位位置将钻机定位，钻头对准孔口，在技术人员指导下按照注浆孔的角度调整钻杆角度。孔位对准后，钻机不得移位，也不得随意起降。

(3)埋设孔口管。先用钻机钻Φ130mm孔2.8m深，安设长3m的孔口管（外径Φ108mm，壁厚5mm，热轧无缝钢管），孔口管外露20cm，管壁与孔口接触处用锚固剂填塞。孔口管端部安装高压闸阀。

(4)钻进成孔：待止浆墙强度达到设计强度70%，孔口管与止浆墙连接牢固，并检查止浆墙及周边范围无渗漏水时方可进行钻孔。通过孔口管分段钻设Φ90mm注浆孔。施工第一个钻孔施工时，要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数。密切观察钻渣或溢水出水情况，出现大量溢水出水时，应立即停钻，分析原因后再进行施工。钻孔时对岩层、岩性以及孔内各种情况进行详细记录，以便为注浆浆液及方案的确定提供依据。钻到出较大的水无法继续钻进时，停止钻孔，安装闸阀，进行关水，测量涌水量和水压力，然后进行注浆。

2.2.5制浆

配制浆液时采用电子秤进行材料称重，严格按照配制顺序将注浆材料逐一加入均匀搅拌，顺序一般为：水、水泥、外加剂及其他材料，控制搅拌时间不小于3min。注浆浆液的温度应保持在5～40°之间。配制的浆液应在4h内用完。

2.2.6一次注浆

钻孔及注浆顺序：由外向内，间隔跳孔，逐渐加密，以达到挤密加固的目的。

针对成孔好的孔，采用钻杆一次性钻到孔底，后退式分段注浆的施工方法。针对成孔困难的孔，通过孔口管分段向孔底钻进，钻孔一段，注浆一段，逐段推进，直至设计孔深。

开始注浆后，随时控制好注浆压力，波动范围不大于注浆压力的20%。在压力突然迅速增加时，应立即停机，以防破管伤人。准确测量吸浆量以此判断是否改水灰比，监测浆液性能（比重、含灰量等），适时调整浆液性能，使浆液性能保持在最佳状态。为防止注入浆液过早堵塞浆液渗透通道及过多的浆液向帷幕范围以外扩散，灌浆浆液浓度遵循由稀到浓的原则逐级改变，在注浆量达到预期数量后注入浓浆对外渗通道予以封堵。对注浆孔周围有裂隙水渗流部位，采取由浓到稀的方式进行注浆，使先注入的浆液与地下水一道流动，在流动通道中凝固，堵塞地下水外排通道，然后换注稀浆，使浆液沿注浆孔内出水通道压入（浆液转换模式必须精确掌握转换时间，过早会导致对出水通道封堵无效，过迟则会堵塞后续浆液的压入通道）。

2.2.7集束水平袖阀管注浆

针对钻孔过程中地质异常地段，即地层相对薄弱地段，采用集束水平袖阀管方式进行二次补充注浆。钻孔过程中详细记录钻孔情况，据此作为袖阀管注浆位置的依据。袖阀管采用Φ25mm钢管制作，长度依据钻孔薄弱位置来确定，在袖阀管端头3m范围内进行管壁开孔，孔径5mm，间距30～50cm，一般2～3根钢管编为1束，通过孔口管下入至指定深度，然后对孔口至第一处薄弱位置进行封孔，封孔采用快硬硫铝酸盐水泥浆液。待封孔强度满足要求后采用硫铝酸盐水泥单液浆对地层薄弱地段进行集束水平袖阀管注浆，注浆压力按照6MPa进行控制。

注浆结束标准：采用注浆量和注浆压力双控，注浆终压4～6MPa。

单孔结束标准：

(1)各孔均达到设计终压并稳定10min以上；

图6注浆加固断面图下载原图

(2)注浆量不小于设计注浆量的80%、进浆速度为开始进浆速度的1/4;

(3)注浆结束时的进浆量小于20L/min;

(4)检查孔涌水量小于0.2L/（m·min)

(5)检查孔钻取岩芯，浆液充填饱满。

全段结束标准：

(1)所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注现象；

(2)注浆后预测涌水量小于1m3/m.d;

(3)浆液有效注入范围大于设计值。

注浆过程应派专人进行过程控制，负责填写注浆记录表，记录注浆时间、注浆压力、浆液消耗量等数据，以便注浆结束后进行效果检查。

2.2.8注浆效果检查

注浆完成后，根据每孔的钻孔及注浆记录进行认真检查、分析。对注浆效果不好，可能存在注浆盲区的区域进行取芯检查，必要时进行补注浆；如图7、图8所示；或进行压水试验，当检查孔的吸水量大于1.0L/（min.m）时，进行补充注浆；或采取连续测流量观测的方法，当所测流量小于设计涌水量时，则注浆效果满足要求。

注浆检查孔在注浆效果检查完成后应采用M10水泥砂浆进行全孔封堵。

经开挖验证，地层浆脉充填明显，掌子面出水量最大为132m3/d，较加固前设计给定掌子面出水量减少2153m3/d。监控量测数据显示注浆段落最大日变形速率2.6mm/天，最大累计变形25mm。注浆加固效果明显。

3、结束语

通过对新建西康高铁安康隧道现场注浆的分析，对其施工工艺及结果进行分析及总结，得出以下几点：(1)炭质千枚岩等遇水软化呈流塑状的地层，可采用一次钻孔分段注浆固结，二次集束水平袖阀管定向注浆施工工艺施作止水帷幕。(2)集束袖阀管可充当锚杆作用，提高隧道围岩整体的自稳性。(3)采用集束水平袖阀管定向注浆的工艺施作后，地层浆脉充填明显，出水量明显减小，监控量测数据稳定，可安全开挖，保证隧道施工进度。研究可为今后炭质千枚岩等软弱地层注浆加固的设计与施工提供一定借鉴与参考价值。

图7孔内成像图

图8取芯芯样图

参考文献:

[1]张闯,任松,张平,等.水､孔洞及层理耦合作用下的千枚岩巴西劈裂试验研究[J].岩土力学,2021,42(06):1612-1624.

[2]蔡国军,程宇航,仲闯,等.千枚岩饱水状态下软化效应试验分析[J].科学技术与工程,2021,21(08):3032-3038.

[3]牛雪凯,姜游.富水炭质千枚岩渐变小间距隧道施工技术研究[J].铁道建筑技术,2016(09):21-24,28.

[4]周艺,何川,邹育麟,等.破碎千枚岩隧道富水区段施工及支护方法[J].公路交通科技,2013,30(05):89-97,117.

[5]史振宇.包家山特长隧道富水千枚岩地段快速施工技术[J].隧道建设,2009,29(01):72-75.

文章来源:蔡书洪.富水炭质千枚岩隧道集束水平袖阀管注浆加固施工技术[J].价值工程,2024,43(17):70-74.