浅谈地表注浆法在穿越隧道坍塌区中的应用
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【文摘】在新建铁路兰州至重庆线兰州枢纽工程的长寿山隧道施工过程中出现坍方冒顶现象。针对该隧道覆盖层薄、岩层松散等特点,采用地表注浆方法,起到了固岩的作用,成功地使隧道穿越了坍塌地段。
中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号：
1概况
新建铁路兰州至重庆线兰州枢纽工程的长寿山隧道,是一座全长为12615 m的特长隧道。该隧道设置8座斜井配合进出口进行施工。该隧道的覆盖层起伏较大，埋深最小处仅为7m，埋深最大处达120m, 整座隧道穿越砂岩、片岩、泥岩夹砂岩、风化石英砂岩、花岗岩等岩层,局部围岩松散破碎、变化复杂且部分地段有地表水、个别地段地下水发育。施工过程中当上、下导坑掘进完成后开挖仰拱基底时,出现坍方冒顶现象:开挖段线路右侧墙脚初期支护被围岩挤压发生变形连带拱部围岩松动持续塌落,坍塌的土石方量达1500 m3,正洞上方的斜井洞口因正洞坍塌影响也发生坍塌，最终斜井洞口仰坡滑塌后地面出现一个30m×25m的坍塌区,附近出现多条宽度不等的裂纹。为了阻止坍塌范围的扩大,及时封闭了掌子面,隧道施工被迫中断。
2地表注浆方案选定
因塌方扰动的范围比较大,坍塌松散的岩层吸水浸湿呈软塑状, 穿越塌方区的难度很大,为此,我们提出了3个方案进行可行性分析比较:
⑴用普通排架或管棚支撑护顶
此方法比较简单,不需要投入很多机械设备,但材料消耗量比较大,工作面比较小,工作受限制,施工进度慢。如排水措施不力,施工过程中塌方范围会扩大,施工安全难以保证。
⑵ 洞内小导管注浆、管棚和锚喷支护相结合
具体的做法是:用42mm的无缝钢管(长为3～5m)在管壁周边钻眼( 每30cm一个)后,以隧道拱圈的外轮廓线为控制方向,呈辐射状打入塌方体。然后以一定的压力,向钢管内注入水泥—水玻璃双液浆, 使之扩散到岩层。岩层固结后,清理坍方,架设钢拱架支撑,挂钢筋网锚喷混凝土。该方案治水和支护措施比较得力,能保证施工安全,但技术和操作比较复杂,机械设备的配套要求比较高,材料的消耗量比较大,施工进度不快。
⑶ 地表注浆方案
施工技术和操作比较复杂,但固岩、堵水的措施比较得力,不需消耗其它支护材料,可争取施工时间,比较主动。
综合以上3 个方案的分析比较, 根据长寿山隧道曹家湾斜井的坍塌区覆盖层不足25m、地面坡度比较平缓、岩层松散破碎等特点, 决定采用地表注浆方案。注浆施工方案由铁道部第一勘测设计院和中铁二十局集团兰州枢纽项目经理部技术人员根据施工现场情况制定, 主要内容有：
①注浆范围:起点(第一排注浆孔)里程HDK52+324,终点(第十一排注浆孔)里程HDK52+349,宽度为以隧道轴线为中心,两侧各10m共20 m,注浆面积500m2,注浆深度从地面到隧道拱脚下1m,如图1所示。
图1：注浆孔断面分布图
②注浆材料:从拱顶以上7 m至拱脚下1m范围内采用水泥—水玻璃双液注浆,水玻璃浓度35～40 Be′,CS浆液的体积比为1∶0.5。在此以上采用纯水泥浆液注浆(见图1)。
③注浆量计算:Q=V·n·a(m3)。V——注浆有效范围内岩体体积(m3)；n——岩体的孔隙率,取0.2～0.3；a——浆液填充率,取0.5～0.6。据此式可计算出水泥、水玻璃的需用量。
④注浆参数:浆液扩散半径R=2m,注浆压力按渗透注浆设计,初压0.2～0.5MPa,终压2～3MPa。
3注浆施工
⑴在洞内掌子面上灌注厚度为0.5m的止浆墙以封闭掌子面,在其地表填0.5 m厚的粘土,并在周围裂缝处喷射一定厚度(5cm)的混凝土覆盖层。
⑵测量隧道中线,根据设计方案在地面上打桩,定出注浆孔和探测检验孔的位置。测量地面标高,计算其深度。
⑶钻孔注浆
①采用XY—100型工程钻机钻孔,用YBX—80 型双缸高压泵注浆。
②注浆顺序,原则上采用由形成闭合圈,再施工内圈,这样可以控制内圈施工时浆液不致扩散跑失,充分固结圈内的破碎岩体。
③注浆方式,根据孔壁的完整情况采用两种不同的方式:第一种, 若孔壁较破碎,采用分段前进式,即全孔自孔口至孔底以5～8 m为一个注浆段,钻进一段,灌注一段,直到孔底最后一段灌完为止。一个注浆孔的完整注浆过程是:钻孔(到第一段注浆孔深)洗孔压水试验(可选择做)注浆扫孔钻孔(至第二段注浆孔深)洗孔压水试验(可选择做)注浆⋯⋯封孔。第二种,若孔壁较完整,则采用由下而上注浆方式,即一次性成孔后,再由确定的注浆段由下至上分段注浆。
④由于设计注浆的深度距隧道顶部较近(接近1m),在坍塌区内注浆时,岩层松散,孔隙大,且已发生过位移,形成较多的裂隙,而且裂隙相互贯通,会使部分浆液流失。为解决这一问题,采用先注入一部分水玻璃原液,紧跟着立即注入浓水泥浆。隔一段时间后,重复以上步骤, 直至浆液不再流失为止,然后再下浆管进行注浆。
⑤单液注浆段,水泥浆液先稀后浓,水灰比依次为1∶0.4、1∶0. 5、1∶0.6、1∶0.7。双液注浆地段,水泥浆的水灰比为1∶1,水玻璃浓度为35～40 Be′,CS 浆液的体积比为1∶0.5,凝胶时间为3 min左右。
⑥注浆结束标准:预注浆各段进浆量小于50 L/min,或总灌注量与设计数量大致相等,并达到设计终压后稳定10min,检查孔的收水量小于1 L/min,注浆后固结体抗压强度大于0.2 MPa。
4、施工注意事项
⑴正式施工前要进行现场注浆试验,根据实际情况确定或调整注浆参数,以指导现场施工。
图2：水泥—水玻璃浆液双液注浆工艺流程
⑵现场应有专人填写“注浆记录表”,记录注浆时间、浆液消耗量及注浆压力等数据。注浆时要仔细观察注浆浓度,根据注入情况和压力表,及时调整水灰比,确保注浆质量。
5、注浆效果
⑴注浆初期,掌子面裂缝或坍塌处,渗流水量较大,注浆结束后, 已无水渗出。
⑵注浆施工前的坍塌区完全得到控制,经过40 天的施工期,又经历了几场大雨,但地表坍塌区平整完好,没有形成裂缝及沉降。
⑶钻孔检验表明,检验孔中水泥固结体较好,岩土裂隙被水泥充填胶结,泥炭层胶结体中水泥约占25%～35%。形成裂缝处的水泥芯呈短柱状、碎块状,固结体的抗压强度0.2～0.4MPa,各项指标达到设计要求,为洞内施工顺利穿越坍塌区创造了条件。