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摘 要:注浆技术是以堵水和加固岩土为目的的,维幕注浆是超前预注浆的一种,主要内容包括注浆工艺、注浆材料和注浆设备等几个方面。
关键词: 隧道; 维幕注浆; 施工工艺
1.前言
注浆技术是以堵水和加固岩土为目的的,实用性强,应用范围广,在隧道及地下工程中,注浆技术主要用于软土地层的加固、富水断层破碎带的堵水加固等,由于围岩软弱破碎,稳定性差,加之水的影响,采用一般的方法,施工极其困难,掘进速度慢,施工安全难以保证。在这种不良地质地段施工,采用深孔超前帷幕注浆全封闭固结止水技术,是一种安全可靠的有效方法。
帷幕注浆技术是超前预注浆的一种,主要内容包括注浆工艺、注浆材料和注浆设备等几个方面。
2.工艺特点
(1)工作面和周边围岩均布孔,进行全断面全封闭深孔注浆固结止水,在隧道开挖断面周边能形成一定厚度的堵水帷幕,对于水源保护要求高、以堵为主的隧道和地下工程尤为合适。
(2)注浆孔深度大,注浆段长度20m以上,可减少注浆与开挖工序的频繁倒换和作业循环次数,故能加快进度。
(3)主要用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水断层带和软弱围岩施工。
3.基本原理
隧道帷幕注浆就是沿开挖轮廓线(含底部)按轴向辐射状布孔,按一定的间距,钻一些直径70～160mm的孔(孔深为20～50m),为了防止开挖面涌水,在开挖面中心也布孔。然后注入按一定比例配制而成的浆液,浆液渗透扩散到破碎带的孔隙中并快速凝固,与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体,在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕,切断地下水流通路,并和周围的岩体固结成一体,从而达到固结围岩和止水,保持围岩稳定、增强施工安全的目的。
.施工工艺流程
图1帷幕注浆施工工艺流程图
5.主要程序说明
5.1超前地质预报
在帷幕注浆施工前,应对不良地质体进行详细的地质调查和超前探测,以便为制定施工方案和确定注浆参数提供依据,因此,钻孔作业前必须把超前地质预报作为一个工序纳入施工过程,防止因地质不准引发各种风险,确保施工安全是非常重要的首道工序。
5.1.1预报内容
预测工作面前方注浆段长范围地质构造和岩性、地下水出露位置和水量大小,以及断层围岩变化情况等。
5.1.2预报方法及步骤
超前地址预报可以按距离分三种形式分别施作:
(1)在加强掌子面常规地质素描的基础上,首先采用TSP-203地震探测系统进行长距离(掌子面前方100m左右)的超前探测,确定不良地质范围和软硬岩层边界。
(2)根据TSP-203预报的不良地质层边界前30m左右采用钻机进行水平超前钻孔和地质雷达(GPR)进行超前探测,进一步验证不良地质段的位置、规模和岩性。水平钻孔在开挖断面的中心线上部和两侧中部各布置一孔,孔深一般超出注浆段5m左右。钻机配备地质勘测仪,直接记录相关的地质参数。
水平钻孔方法主要是采用钻眼排渣取样分析,记录钻速、水质水量变化情况以及开挖后的岩面观测素描,综合判断预报前方水文、地质条件。
(3)采用水平钻孔和地质雷达超前探测后,如对前方的地下水情况仍有疑义时,再用红外线探水仪对地下水储存状况进行进一步的确认。
5.2注浆参数设计
(1)注浆加固范围
隧道注浆加固范围按隧道埋深、地下水压力和浆液固结体强度来确定,通常拱部为开挖轮廓线外3～5m,边墙为开挖轮廓线外2～3m。
(2)注浆段长
注浆段长一般应按钻孔设备的工作能力确定,保证注浆后有一定的开挖长度(包括止浆岩盘厚度),并满足
L=(3～5)D
式中:L为注浆段长(m),D为注浆加固范围。
(3)止浆墙厚度
止浆墙厚度应能满足注浆压力的要求,一般按下式确定:
B=(0.2～0.3)L
(4)注浆孔间距
注浆孔的布设应满足注浆加固范围的要求,在帷幕注浆设计中,注浆孔应全断面布设,注浆孔间距一般应满足下式:
a=R
式中,a为注浆终孔间距(m),R为浆液扩散半径(m)。
浆液扩散半径一般由现场根据试验确定,一般取2～4m。
(6)浆液胶凝时间
浆液胶凝时间一般地段为3分钟,富水地段为30～50s。
(7)注浆终压
注浆终压为1～1.5MPa。
(8)注浆量
一般按注浆范围内围岩体积的5%左右考虑,实注量由钻孔压水试验确定。
采用分段式注浆时,注浆量按下式计算:
Q=πR2hna(1+β)
式中, Q为注浆量,R为浆液扩散半径,h为注浆段长,n为地层孔隙率,a为地层孔隙填率,β为浆液损失率(一般取10%～30%)。
5.3 施工准备
施工准备包括设备、人员进场及室内试验等工作,其中室内试验尤为重要,应对选用的注浆材料品种进行以下试验。
5.3.1主要材料
注浆材料一般选用普通水泥、超细水泥、超细水泥+水玻璃等。
5.3.2主要试验项目
(1)材料配合的试验:确定各种试样的配合比方案。
(2)凝胶时间试验:通过控制和调节凝胶时间确定注浆半径和注浆效果。
(3)结石率试验:确定不同浆液成分的结石效果。
(4)抗压强度试验:确定材料品种和使用范围。
(5)渗透性试验:检验各种浆液的可注性。
(6)粘结强度试验:检测被加固体与浆液的粘结程度和加固效果。
5.4 布孔
在完成现场施工准备后,由测量人员用红漆在掌子面上按注浆设计画出钻孔位置,并标注编号。
5.5 钻孔
5.5.1 钻机
钻孔直径一般为φ70～108mm,钻机一般采用水平地质钻机、锚杆钻机、钻孔台车或管棚钻机钻孔,这些钻机按其机械动作原理分为旋转式钻机和冲击旋转式钻机。旋转式钻机主要用于钻凿中硬岩以下的岩石,特别是在土质、泥岩、风化砂岩等相对软弱的岩层中。在较硬的岩层中则采用冲击旋转钻机比较合适。主要的钻孔设备有:
无锡探矿厂的MD系列锚固钻机。
石家庄煤炭机械厂的TK-5型地质钻机。
煤炭科学研究院西安分院的MK-2型液压钻机。
赤峰钻机厂的土星881、金星9000等钻机。
5.5.2 钻具
钻具的选择应根据地层、钻机型号和注浆方式的等因素综合考虑选定,可供选择的钻具有:
(1)螺旋钻具:由套管、螺旋钻杆、钻头组成。一般适用于第四纪地层。
(2)潜孔钻具:由套管、钻杆和潜孔冲击器组成。
(3)通用钻具:由钻杆和钻头组成,钻杆为常用一般钻杆,钻头一般采用球齿型或柱齿型。
(4)偏心扩孔跟管钻具:由先导钻、扩孔钻、套管、钻杆等组成,其钻具与套管可同步跟进,分离退出,适用于难成孔的破碎岩层。
5.5.3止浆墙设置
为保证注浆施工顺利安全进行,在掌子面设置30～50cm厚模筑混凝土止浆墙,此后各循环利用已注浆未开挖的岩体代替止浆墙,掌子面用喷射混凝土封闭。每孔孔口套管与孔壁之间使用环氧树脂或CS麻丝等充填粘结防止漏浆。
5.5.4埋设孔口管
为保证注浆孔的钻进方向,一般在孔口段安设钢管套管,套管长度3～6 m。孔口管位置、方向检查准确无误后,开始钻注浆孔。
钻孔孔径一般比套管直径要大10～15mm左右。
5.6 下注浆管
(1)在注浆孔按设计位置、深度完成钻孔后,打入带花孔的袖阀套管,再插入带止浆塞的注浆管。袖阀套管两端应安装橡胶皮套,与孔壁密贴,防止注浆浆液漏出。套管出浆孔处使用橡胶皮套作为单向阀套在套管上,保证浆液不回流。
设置在掌子面的注浆孔,安装袖阀套管时应采用PVC塑料管,便于隧道掘进。
(2)止浆塞是实现分段注浆、合理使用注浆压力和控制浆液分布范围、保证注浆质量的一种有效设备,一般由一组穿在注浆管两端的橡胶胀塞组成,可用机械方法或充气、充水方法使其膨胀。可选用的止浆塞有煤炭部门生产的KWS型止浆塞。在缺乏条件的情况下,也可用橡胶圈代替。
5.7注浆
(1)充水试验。安装注浆管、注浆泵就位后,先做充水试验。连接注浆管路,用注浆泵先压水检查管路是否漏水,设备状态是否正常,尔后再做压水试验,以冲洗岩石裂隙,扩大浆液通路,增加浆液充塞的密实性,核实岩石的渗透性。
(2)浆液制备。以双液注浆为例,将预先准备好的水泥、水玻璃浆液按比例分别放在两个容器内,注入符合比例的水进行搅拌,一直至符合要求。搅拌方式可采用机械或人工拌制。
(3)注浆作业。进行帷幕注浆加固时,注浆方法有前进式注浆和后退式注浆两种方式。前进式注浆主要用于围岩破碎严重,成孔困难及地层软弱的地段,后退式主要用于围岩破碎程度相对稍好一些的地段。
前进式注浆采用分段注浆,每段长度3-5m,钻一段注一段,一直钻孔注浆到设计深度;后退式注浆,钻孔至设计孔深后,插入袖阀套管,再插入带止浆塞的注浆管,接上注浆管路,自孔底到孔口进行分段后退式注浆,每段长度控制在2-3m。
后退、前进式注浆的施工步骤如图所示。
后退式注浆施工步骤图
前进式注浆施工步骤图
(4)注浆注意事项
①注浆时先开水泥浆液泵,一般5分钟后根据单液进浆量的大小确定凝结时间,再开水玻璃浆液泵。
②注浆浆液应按先稀后稠、稀浆与浓浆交替、压力与注入浆量相结合的方式进行注浆,注浆压力从低到高逐步增压,凝结时间应先长后短,但不能小于30s。
③每环注浆先注奇数编号的注浆孔,再注偶数编号的注浆孔,并以偶数编号的注浆孔作为检查孔。待本环所有注浆孔注完后,根据压浆孔的出水量确定局部是否需要补设注浆孔,一般每延米的出水量大于0.5L/min,追加钻孔注浆。
④注浆结束标准是孔口压力达到设计终压并维持10～20min,且单位进浆量很少。
⑤注浆流量不变,若压力长时间不上升,浆液应调浓;流量急剧减少,压力上升很快,浆液应调稀一级。
(5)注浆设备
注浆泵主要根据注浆终压要求和注浆材料的种类进行选型,其额定压应力应大于静水压的2.0～2.5倍,双液应选择压力、流量及配比可调的双缸液压式双液泵。
YZB-200/130注浆泵
HFV-5D注浆泵
KBY-50/70注浆泵
搅拌机有QV系列搅拌机、ZJ系列搅拌机。
5.8注浆效果检查
全部注浆结束后,应钻孔检查浆液渗透及固结状况,对注浆效果进行检测。当孔内出水量小于每延米0.15L/min,岩体的物理力学指标有明显提高时,即可进行下一轮注浆的施工。如果注浆效果达不到设计要求,应继续补充注浆直至符合要求为止。
6.结束语
隧道帷幕注浆是一个实践性很强的工作,对注浆工序的各个环节唯一的要求是认真去做,严格地落实制定的实施方案,才能保证帷幕注浆取得成功。
关键词: 隧道; 维幕注浆; 施工工艺
1.前言
注浆技术是以堵水和加固岩土为目的的,实用性强,应用范围广,在隧道及地下工程中,注浆技术主要用于软土地层的加固、富水断层破碎带的堵水加固等,由于围岩软弱破碎,稳定性差,加之水的影响,采用一般的方法,施工极其困难,掘进速度慢,施工安全难以保证。在这种不良地质地段施工,采用深孔超前帷幕注浆全封闭固结止水技术,是一种安全可靠的有效方法。
帷幕注浆技术是超前预注浆的一种,主要内容包括注浆工艺、注浆材料和注浆设备等几个方面。
2.工艺特点
(1)工作面和周边围岩均布孔,进行全断面全封闭深孔注浆固结止水,在隧道开挖断面周边能形成一定厚度的堵水帷幕,对于水源保护要求高、以堵为主的隧道和地下工程尤为合适。
(2)注浆孔深度大,注浆段长度20m以上,可减少注浆与开挖工序的频繁倒换和作业循环次数,故能加快进度。
(3)主要用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水断层带和软弱围岩施工。
3.基本原理
隧道帷幕注浆就是沿开挖轮廓线(含底部)按轴向辐射状布孔,按一定的间距,钻一些直径70～160mm的孔(孔深为20～50m),为了防止开挖面涌水,在开挖面中心也布孔。然后注入按一定比例配制而成的浆液,浆液渗透扩散到破碎带的孔隙中并快速凝固,与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体,在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕,切断地下水流通路,并和周围的岩体固结成一体,从而达到固结围岩和止水,保持围岩稳定、增强施工安全的目的。
.施工工艺流程
图1帷幕注浆施工工艺流程图
5.主要程序说明
5.1超前地质预报
在帷幕注浆施工前,应对不良地质体进行详细的地质调查和超前探测,以便为制定施工方案和确定注浆参数提供依据,因此,钻孔作业前必须把超前地质预报作为一个工序纳入施工过程,防止因地质不准引发各种风险,确保施工安全是非常重要的首道工序。
5.1.1预报内容
预测工作面前方注浆段长范围地质构造和岩性、地下水出露位置和水量大小,以及断层围岩变化情况等。
5.1.2预报方法及步骤
超前地址预报可以按距离分三种形式分别施作:
(1)在加强掌子面常规地质素描的基础上,首先采用TSP-203地震探测系统进行长距离(掌子面前方100m左右)的超前探测,确定不良地质范围和软硬岩层边界。
(2)根据TSP-203预报的不良地质层边界前30m左右采用钻机进行水平超前钻孔和地质雷达(GPR)进行超前探测,进一步验证不良地质段的位置、规模和岩性。水平钻孔在开挖断面的中心线上部和两侧中部各布置一孔,孔深一般超出注浆段5m左右。钻机配备地质勘测仪,直接记录相关的地质参数。
水平钻孔方法主要是采用钻眼排渣取样分析,记录钻速、水质水量变化情况以及开挖后的岩面观测素描,综合判断预报前方水文、地质条件。
(3)采用水平钻孔和地质雷达超前探测后,如对前方的地下水情况仍有疑义时,再用红外线探水仪对地下水储存状况进行进一步的确认。
5.2注浆参数设计
(1)注浆加固范围
隧道注浆加固范围按隧道埋深、地下水压力和浆液固结体强度来确定,通常拱部为开挖轮廓线外3～5m,边墙为开挖轮廓线外2～3m。
(2)注浆段长
注浆段长一般应按钻孔设备的工作能力确定,保证注浆后有一定的开挖长度(包括止浆岩盘厚度),并满足
L=(3～5)D
式中:L为注浆段长(m),D为注浆加固范围。
(3)止浆墙厚度
止浆墙厚度应能满足注浆压力的要求,一般按下式确定:
B=(0.2～0.3)L
(4)注浆孔间距
注浆孔的布设应满足注浆加固范围的要求,在帷幕注浆设计中,注浆孔应全断面布设,注浆孔间距一般应满足下式:
a=R
式中,a为注浆终孔间距(m),R为浆液扩散半径(m)。
浆液扩散半径一般由现场根据试验确定,一般取2～4m。
(6)浆液胶凝时间
浆液胶凝时间一般地段为3分钟,富水地段为30～50s。
(7)注浆终压
注浆终压为1～1.5MPa。
(8)注浆量
一般按注浆范围内围岩体积的5%左右考虑,实注量由钻孔压水试验确定。
采用分段式注浆时,注浆量按下式计算:
Q=πR2hna(1+β)
式中, Q为注浆量,R为浆液扩散半径,h为注浆段长,n为地层孔隙率,a为地层孔隙填率,β为浆液损失率(一般取10%～30%)。
5.3 施工准备
施工准备包括设备、人员进场及室内试验等工作,其中室内试验尤为重要,应对选用的注浆材料品种进行以下试验。
5.3.1主要材料
注浆材料一般选用普通水泥、超细水泥、超细水泥+水玻璃等。
5.3.2主要试验项目
(1)材料配合的试验:确定各种试样的配合比方案。
(2)凝胶时间试验:通过控制和调节凝胶时间确定注浆半径和注浆效果。
(3)结石率试验:确定不同浆液成分的结石效果。
(4)抗压强度试验:确定材料品种和使用范围。
(5)渗透性试验:检验各种浆液的可注性。
(6)粘结强度试验:检测被加固体与浆液的粘结程度和加固效果。
5.4 布孔
在完成现场施工准备后,由测量人员用红漆在掌子面上按注浆设计画出钻孔位置,并标注编号。
5.5 钻孔
5.5.1 钻机
钻孔直径一般为φ70～108mm,钻机一般采用水平地质钻机、锚杆钻机、钻孔台车或管棚钻机钻孔,这些钻机按其机械动作原理分为旋转式钻机和冲击旋转式钻机。旋转式钻机主要用于钻凿中硬岩以下的岩石,特别是在土质、泥岩、风化砂岩等相对软弱的岩层中。在较硬的岩层中则采用冲击旋转钻机比较合适。主要的钻孔设备有:
无锡探矿厂的MD系列锚固钻机。
石家庄煤炭机械厂的TK-5型地质钻机。
煤炭科学研究院西安分院的MK-2型液压钻机。
赤峰钻机厂的土星881、金星9000等钻机。
5.5.2 钻具
钻具的选择应根据地层、钻机型号和注浆方式的等因素综合考虑选定,可供选择的钻具有:
(1)螺旋钻具:由套管、螺旋钻杆、钻头组成。一般适用于第四纪地层。
(2)潜孔钻具:由套管、钻杆和潜孔冲击器组成。
(3)通用钻具:由钻杆和钻头组成,钻杆为常用一般钻杆,钻头一般采用球齿型或柱齿型。
(4)偏心扩孔跟管钻具:由先导钻、扩孔钻、套管、钻杆等组成,其钻具与套管可同步跟进,分离退出,适用于难成孔的破碎岩层。
5.5.3止浆墙设置
为保证注浆施工顺利安全进行,在掌子面设置30～50cm厚模筑混凝土止浆墙,此后各循环利用已注浆未开挖的岩体代替止浆墙,掌子面用喷射混凝土封闭。每孔孔口套管与孔壁之间使用环氧树脂或CS麻丝等充填粘结防止漏浆。
5.5.4埋设孔口管
为保证注浆孔的钻进方向,一般在孔口段安设钢管套管,套管长度3～6 m。孔口管位置、方向检查准确无误后,开始钻注浆孔。
钻孔孔径一般比套管直径要大10～15mm左右。
5.6 下注浆管
(1)在注浆孔按设计位置、深度完成钻孔后,打入带花孔的袖阀套管,再插入带止浆塞的注浆管。袖阀套管两端应安装橡胶皮套,与孔壁密贴,防止注浆浆液漏出。套管出浆孔处使用橡胶皮套作为单向阀套在套管上,保证浆液不回流。
设置在掌子面的注浆孔,安装袖阀套管时应采用PVC塑料管,便于隧道掘进。
(2)止浆塞是实现分段注浆、合理使用注浆压力和控制浆液分布范围、保证注浆质量的一种有效设备,一般由一组穿在注浆管两端的橡胶胀塞组成,可用机械方法或充气、充水方法使其膨胀。可选用的止浆塞有煤炭部门生产的KWS型止浆塞。在缺乏条件的情况下,也可用橡胶圈代替。
5.7注浆
(1)充水试验。安装注浆管、注浆泵就位后,先做充水试验。连接注浆管路,用注浆泵先压水检查管路是否漏水,设备状态是否正常,尔后再做压水试验,以冲洗岩石裂隙,扩大浆液通路,增加浆液充塞的密实性,核实岩石的渗透性。
(2)浆液制备。以双液注浆为例,将预先准备好的水泥、水玻璃浆液按比例分别放在两个容器内,注入符合比例的水进行搅拌,一直至符合要求。搅拌方式可采用机械或人工拌制。
(3)注浆作业。进行帷幕注浆加固时,注浆方法有前进式注浆和后退式注浆两种方式。前进式注浆主要用于围岩破碎严重,成孔困难及地层软弱的地段,后退式主要用于围岩破碎程度相对稍好一些的地段。
前进式注浆采用分段注浆,每段长度3-5m,钻一段注一段,一直钻孔注浆到设计深度;后退式注浆,钻孔至设计孔深后,插入袖阀套管,再插入带止浆塞的注浆管,接上注浆管路,自孔底到孔口进行分段后退式注浆,每段长度控制在2-3m。
后退、前进式注浆的施工步骤如图所示。
后退式注浆施工步骤图
前进式注浆施工步骤图
(4)注浆注意事项
①注浆时先开水泥浆液泵,一般5分钟后根据单液进浆量的大小确定凝结时间,再开水玻璃浆液泵。
②注浆浆液应按先稀后稠、稀浆与浓浆交替、压力与注入浆量相结合的方式进行注浆,注浆压力从低到高逐步增压,凝结时间应先长后短,但不能小于30s。
③每环注浆先注奇数编号的注浆孔,再注偶数编号的注浆孔,并以偶数编号的注浆孔作为检查孔。待本环所有注浆孔注完后,根据压浆孔的出水量确定局部是否需要补设注浆孔,一般每延米的出水量大于0.5L/min,追加钻孔注浆。
④注浆结束标准是孔口压力达到设计终压并维持10～20min,且单位进浆量很少。
⑤注浆流量不变,若压力长时间不上升,浆液应调浓;流量急剧减少,压力上升很快,浆液应调稀一级。
(5)注浆设备
注浆泵主要根据注浆终压要求和注浆材料的种类进行选型,其额定压应力应大于静水压的2.0～2.5倍,双液应选择压力、流量及配比可调的双缸液压式双液泵。
YZB-200/130注浆泵
HFV-5D注浆泵
KBY-50/70注浆泵
搅拌机有QV系列搅拌机、ZJ系列搅拌机。
5.8注浆效果检查
全部注浆结束后,应钻孔检查浆液渗透及固结状况,对注浆效果进行检测。当孔内出水量小于每延米0.15L/min,岩体的物理力学指标有明显提高时,即可进行下一轮注浆的施工。如果注浆效果达不到设计要求,应继续补充注浆直至符合要求为止。
6.结束语
隧道帷幕注浆是一个实践性很强的工作,对注浆工序的各个环节唯一的要求是认真去做,严格地落实制定的实施方案,才能保证帷幕注浆取得成功。