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《此文章摘錄自北京市城德建設(shè)工程有限公司技術(shù)交流版塊》
深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程1# 隧道西坑谷地特殊地段注漿加固
王志德1 曾湘德1 王榮權(quán)1 繆 翬2 劉家珩2
(1.北京市城德建設(shè)工程有限公司，北京100029)
(2.深圳市東江水源工程管理處，深圳518001)
摘 要：文章介紹了深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線這一重要工程在遇到隧道內(nèi)塌方漏水，造成地表變形影響安全而停工4個月后，采用了二重管無收縮漿液注漿工法進(jìn)行止水和巖層加固，解決了技術(shù)難題，取得了極好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：漏水；塌方；注漿；止水；加固
1 工程概況：
深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程是深圳市人民政府為解決市民生活、生產(chǎn)用水供需矛盾的一項(xiàng)市政重點(diǎn)工程。其中1#隧道全長17958米，為無壓輸水特長隧道。隧道穿越深圳市龍崗區(qū)橫崗鎮(zhèn)西坑谷地，此地段地表建筑物密集，有鐵路、公路、橋梁等。隧道埋深為35m~40m，縱向坡度1/3000，斷面為城門洞型，門洞直墻高3.2m，洞頂圓弧半徑2.1m，中心角180°，斷面凈空4.2m×5.3m(寬×高)。
工程第Ⅲ標(biāo)段里程為BK8+890~BK14+140段，其中BK11+516~BK11+655段全長139m，所處巖層為燕山期第四侵入花崗巖、石灰系下統(tǒng)石磴子組和石灰下統(tǒng)測水組下段地層，且有F38斷層破碎帶及影響帶。巖石破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，巖塊可折斷，浸水易軟化或崩解。巖塊中不均勻的夾有弱風(fēng)化巖塊。其中花崗巖以巖脈的形式穿插于大理巖中或絹云母片巖與大理巖接觸帶中，裂隙極其發(fā)育。巖層情況見圖1。
本區(qū)段地下水類型為地層潛滯水、構(gòu)造裂隙水、斷層及溶洞溶槽滯水。其主要依靠大氣降水補(bǔ)給及周圍山坡積水補(bǔ)給，地下水位高，隧道施工至BK11+519段時先后發(fā)生兩次較大的涌水及塌方(2000年5月3日和6月1日)，涌水量約200m3/h。因失水太多，地下水位嚴(yán)重下降造成地表坍塌及開裂，影響距隧道開挖掌子面左前方200m~500m處，約有2萬m2~3萬m2范圍的部分民房。造成直接經(jīng)濟(jì)損失約2000多萬元。針對上述情況，有關(guān)治水專業(yè)隊(duì)伍在該地段地表采取單管深孔注漿工藝進(jìn)行注漿止水加固施工，耗時2月余，用水泥200余噸，但效果欠佳。其后又有多家單位及專家進(jìn)行調(diào)研和實(shí)驗(yàn)均未成功。前后被迫停工約4個月，造成不良的社會影響。我公司通過現(xiàn)場考察和對地質(zhì)情況及涌水狀況的了解，提出了采用二重管無收縮漿液深孔放射預(yù)注漿工法。此工法經(jīng)業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工單位及專家等多方研究論證。通過我公司認(rèn)真組織，精心施工，邊加固處理巖層邊開挖施工隧道歷時約13個月(其中注漿加固時間為4.5個月)，使隧道開挖工作于2001年10月21日結(jié)束。完成施工長度139m，共鉆注漿孔494孔，總有效延米數(shù)為7497.3m，共耗水泥1265 t。實(shí)踐證明，我公司在該段工程采用的注漿工藝是正確的，其有效地止水、堵水，同時加固了松軟圍巖，保證了地下水位的穩(wěn)定，也保證了隧道開挖的安全，效果極其顯著。
2 方案設(shè)計及施工
(1) 施工目的
采用深孔放射預(yù)注漿堵水及加固圍巖，主要以改變松散巖土性狀為目的，使隧道的周圍松散巖土層在一定范圍內(nèi)改變?yōu)椴煌杆畬樱赃_(dá)到巖層在隧道掘進(jìn)開挖面前方及拱頂、邊墻、底部等全方位區(qū)域內(nèi)足以抵抗地下水壓力。
(2) 施工方法的選擇
根據(jù)深圳市地質(zhì)勘察設(shè)計研究院提供的該地段地質(zhì)情況，結(jié)合我公司成熟工藝和豐富施工經(jīng)驗(yàn)，參考原注漿施工(地表深孔單管注漿)失敗的原因，經(jīng)認(rèn)真研究和科學(xué)分析，與業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理、施工單位以及專家等共同確定了圍巖注漿加固方案。具體方法為：通過二重管A、C雙液注漿，對隧洞拱頂、邊墻、底部及初襯外輪廓線外5.0m范圍內(nèi)進(jìn)行全斷面放射型注漿止水加固，形成具有一定強(qiáng)度和止水效果的地下連續(xù)的止水帷幕。
(3) 孔位布置
本工程一般情況采用全斷面布置30個注漿孔，孔位布置見圖2。注漿孔縱向呈放射形。孔位方向角度見表1。
表1 孔位方向角度表：孔深(18m)
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孔 角 號 |
A(B) |
A1 (B1) |
A2 (B2) |
A3 (B3) |
A4 |
A5 (B5) |
A6 (B6) |
A7 (B7) |
A8 (B9) |
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垂直方向夾角 |
21° 向上 |
21° 向上 |
21° 向上 |
11° 向上 |
0° |
8° 向下 |
14° 向下 |
21° 向下 |
21° 向下 |
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水平方向夾角 |
0° |
11° 向左(右) |
21° 向左(右) |
21° 向左(右) |
21° 向左(右) |
21° 向左(右) |
21° 向左(右) |
21° 向左(右) |
11° 向左(右) |
續(xù)表1
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C |
D |
C1 (D1) |
C2 (D2) |
C3 (D3) |
C4 (D4) |
E |
E |
|
垂直方 向夾角 |
14° 向上 |
14° 向下 |
14° 向上 |
0° |
0° 向下 |
14° 向下 |
0° |
8° 向下 |
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水平方 向夾角 |
0° |
0° |
14° 向左(右) |
11° 向左(右) |
11° 向左(右) |
11° 向左(右) |
0° |
0° |
為確保在隧洞開挖輪廓以內(nèi)及外輪廓線外5.0m范圍注漿加固成功，施工過程及時根據(jù)巖層松軟情況調(diào)整注漿孔數(shù)、深度等參數(shù)。在破碎帶及溶槽地段孔位曾增加至59孔、54孔、43孔、39孔。
(4) 注漿材料及漿液配比
本工程注漿材料主要采用525#普通硅酸鹽水泥及濃度為40Be′的硅酸鈉，采用CT-1# 、CT-2#型添加劑，結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況適量加入CT-3#型增強(qiáng)劑。通常采用的三種配比見表2、表3。
表21m3硅酸鈉溶液(A液)配比表 表31m3水泥漿液(C液)配比表：
(原液為40 Be′) (重量比)
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用途 |
封堵 |
灌漿 |
止水 |
用途 |
封堵 |
灌漿 |
止水 |
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水玻璃kg(L) |
685(500) |
456(333) |
456(333) |
W/C 水泥(kg) |
1.57：1 526 |
2.2：1 395 |
3.45：1 264 |
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水 kg(L) |
500(500) |
667(667) |
667(667) |
水 kg(L) |
824 |
868 |
912 |
A液:C液=1:1(體積比)
(5) 漿液材料的特點(diǎn)：
①其特性對地下水而言，不易溶解，無彌散，吸附現(xiàn)象，水穩(wěn)定性好。
②對不同地質(zhì)條件，可灌性好，其凝結(jié)時間可調(diào)節(jié)。
③具有早強(qiáng)，止水效果較佳。
④凝膠體具有微膨脹性。
3 施 工
(1) 主要技術(shù)參數(shù)及控制
① 鉆孔孔徑：50mm(使用鑿巖鉆車時為76mm)；
② 每次鉆孔(注漿)段長18m(沿隧道縱向長度17m)；
③ 每次開挖段長10m~12m；
④ 孔末端間距3.5m；
⑤ 漿液擴(kuò)散半徑2.5m；
⑥ 漿液凝結(jié)時間一般控制在1min~2min (如遇大量涌水封堵時采用快凝型漿液注漿，凝結(jié)時間在10s~30s)；
⑦ 注漿終壓控制在1.5MPa~2.0MPa；
⑧ 單孔注漿結(jié)束原則：單孔注漿在達(dá)到設(shè)計注漿終壓并穩(wěn)定10min~15min；
⑨ 全斷面結(jié)束注漿的原則：單孔(包括檢查孔)涌水量≤0.15m3/h (2.5L/min)或掌子面涌水量≤5 m3/h(100L/ min)。
(2) 注漿方式及施工工藝
① 注漿方式
利用地礦鉆機(jī)或鑿巖鉆車鉆注漿孔，如遇富水地段出現(xiàn)大量涌水時，采用前進(jìn)式二重管注漿或一次式單管注漿及時進(jìn)行封堵，待處理好后，再鉆到設(shè)計深度，采用邊回抽邊注漿的方式進(jìn)行注漿。
在施工至中后期或涌水量較少的地段，一般均采用一次式單管配合二重管雙液注漿工藝，以提高注漿效率，縮短工期。
② 止水、止?jié){墻的施工
為防止注漿時地下水涌出作業(yè)面及跑漿，在注漿地段起始處的掌子面采用2.5m~4.0m厚C20混凝土墻作為止水、止?jié){墻。以后的各注漿循環(huán)段采用預(yù)留5.0m長止?jié){巖盤，并根據(jù)掌子面圍巖情況，選擇素噴C20混凝土或打錨桿掛網(wǎng)片噴射C20混凝土全封閉的措施。實(shí)踐證明多種方法相結(jié)合效果較好。
③ 施工方法
采用TXU-75A型地礦鉆機(jī)鉆注漿孔時，為確保定位準(zhǔn)確、鉆進(jìn)穩(wěn)定、施工進(jìn)度快，采用自制施工臺車(型鋼構(gòu)造，分上下臺階)全斷面同時施工(上臺階施工15孔，下臺階施工15孔)。
圍巖較硬采用鑿巖鉆車鉆注漿孔時，采用先下臺階施工，完成后開馬槽將鑿巖鉆車開至上臺階施工。
④ 鉆孔施工
根據(jù)設(shè)計要求，采用隔孔鉆孔注漿施工。因外插角的定位準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到注漿范圍及工程質(zhì)量，故必須定位準(zhǔn)確。在施工過程中應(yīng)考慮鉆桿自重影響，在原設(shè)計角度的基礎(chǔ)上適當(dāng)增加一定的仰角(上斜孔在原角度上增加1°~ 2°)。鉆機(jī)在定好角度后，必須采取全方位的支掌措施，防止鉆機(jī)顫動影響鉆進(jìn)施工。開鉆前期采用低速鉆進(jìn)，待鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時(一般進(jìn)尺0.5m左右)，將鉆機(jī)速度調(diào)至正常運(yùn)行速度。鉆孔過程應(yīng)密切觀察鉆進(jìn)速度、涌水、巖層等情況，及時作好記錄。如在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)大涌水、涌砂等特殊情況，必須停止鉆進(jìn)，先采取注漿封堵止水等技術(shù)措施進(jìn)行處理。在確定已完成止水后方可停止注漿，繼續(xù)向前鉆進(jìn)。
鑿巖鉆車鉆孔施工(略)
⑤ 注漿施工
a. 二重管鉆桿回抽法注漿：按設(shè)計要求鉆好注漿孔后，進(jìn)行配料注漿(結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，嚴(yán)格遵循工藝要求及漿液調(diào)整原則操作)、按要求每40cm為一循環(huán)。注漿壓力達(dá)到設(shè)計壓力并穩(wěn)定后，回抽一次，以此循環(huán)直至全孔注漿結(jié)束，沖管后進(jìn)行下一孔位施工。工藝流程見圖4。
b. 全孔一次性花管注漿：鉆孔至設(shè)計深度后，全部回抽鉆桿，插入注漿花管(本工程采用自行加工的6分鋼管，見圖5)至設(shè)計深度進(jìn)行注水沖管，確認(rèn)暢通后進(jìn)行配料注漿(漿液操作要求同上)。注漿壓力達(dá)到設(shè)計壓力并穩(wěn)定后，結(jié)束本孔注漿，沖洗管路轉(zhuǎn)下一孔位施工。
c. 注漿時遇涌水等特殊情況，根據(jù)實(shí)際情況特殊處理。
4 注漿施工機(jī)械(見照片1、2)
(1) 注漿泵
采用臥式雙缸同步高壓注漿泵(SYB-60/50型及SYB-140型)，該泵可以調(diào)節(jié)壓力和流量。在選用注漿機(jī)械時應(yīng)使流量和壓力在盡可能的范圍內(nèi)可以控制，并可正確記錄。本工程曾使用的鉆頭、鉆具型號規(guī)格較多，所選機(jī)械最好零件少，構(gòu)造簡單，易清洗，并且漿液不經(jīng)過復(fù)雜的機(jī)械部位。注漿機(jī)組見圖6。
(2) 鉆機(jī)
TXU-75A型鉆機(jī)和CMJ-17型履帶式全液壓鑿巖鉆車
(3) 攪拌機(jī)
SIY雙層攪拌機(jī)
(4) 其它機(jī)具(略)
5 注漿效果
深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線工程1#隧道西坑谷地特殊地段，采用二重管無收縮漿液注漿工法止水、加固松散圍巖后，效果非常顯著，解決了因涌水、塌方影響隧道不能掘進(jìn)施工的大難題，使深圳市供水網(wǎng)絡(luò)干線這一重大工程得以順利完工。
(1) 注漿加固后的圍巖抗?jié)B能力明顯增強(qiáng)。掌子面涌水量由200m3/h降至2m3∕h，圍巖裂隙及溶槽、溶洞被漿液充分密實(shí)，見照片3、4。
(2) 圍巖承載力明顯提高，自穩(wěn)性增強(qiáng)。
(3) 隧道掘進(jìn)施工速度大大加快。加固前一般段每步開挖進(jìn)尺0.5m，西坑谷地特殊地段則根本無法施工。加固后每步開挖進(jìn)尺可達(dá)1.5m~2.0m，見照片5、6。
6 結(jié)束語
圍巖加固注漿是一項(xiàng)隱蔽工程，因?yàn)槊宽?xiàng)工程的自然條件及地質(zhì)條件各不相同，其注漿方法也不應(yīng)該是完全相同。本文所述的洞內(nèi)深孔放射預(yù)注漿工法，在不同條件下可演變?yōu)槎毓?/span>A、C無收縮漿液及單管一次性注漿等工法。前者能較好地適應(yīng)了各種地層的變化。在遇到大涌水時采用前進(jìn)式分段注漿，結(jié)合快凝型較稠漿液快速封堵后鉆至設(shè)計深度，進(jìn)行分段回抽循環(huán)注漿。在一般條件下采用一次性單管注漿。
本工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，設(shè)備的完善是保證成功的重要條件。前期鉆孔時出現(xiàn)卡鉆、塌孔、廢孔現(xiàn)象，造成鉆孔效率較低。當(dāng)采用先進(jìn)鉆孔機(jī)械(鑿巖鉆車)后效率明顯提高。在今后施工中如遇軟硬兼具的地層，我們考慮選用大扭矩、高鉆速、旋轉(zhuǎn)帶沖擊型鉆車，并配以套孔和麻花鉆桿，這樣一方面能保護(hù)孔壁，另一方面能保證鉆泥時排泄通暢。
注漿作為基礎(chǔ)止水加固的一門學(xué)科，必須有科學(xué)的施工工藝、材料配方和先進(jìn)的施工機(jī)械作后盾，同時亦必須強(qiáng)調(diào)施工經(jīng)驗(yàn)的重要性。為了保證這一工藝在工程實(shí)踐中的成功與經(jīng)濟(jì)合理，必須依靠既熟悉工藝深知原理又具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場工程技術(shù)人員的應(yīng)變指導(dǎo)。
本工程的成功實(shí)踐，得到了施工技術(shù)顧問小組、專家和項(xiàng)目部工程技術(shù)人員、深圳市水務(wù)局、深圳市地質(zhì)勘察設(shè)計研究院、中鐵隧道設(shè)計研究院深圳分院及長江水利委員會、深圳工程建設(shè)監(jiān)理中心、深圳東部供水網(wǎng)絡(luò)干線工程項(xiàng)目監(jiān)理部的指導(dǎo)、監(jiān)督。
