劈裂注浆施工方案.doc

隧道劈裂注浆施工方案
1. 工程概况
北京地铁十号线##区间正线2#竖井范围，##至##区间正线竖井以东区间正线，自开始施工以来，虽然采取了水平降水（2＃竖井）和超前注双液浆止水措施，但在开挖过程中仍然存在较大渗水，顶部一个洞室的渗水量最大达3.5m3/h。隧道渗漏严重，掌子面多次突发涌水、涌泥现象而坍塌。为保证施工安全及隧道结构上方管线、道路及两侧建筑物的安全，目前##区间2＃竖井C断面双侧导洞、E断面南侧导洞、##区间向东左右线已暂停施工。
1.1 工程地质及水文地质情况
1.1.1 工程地质情况
##区间2＃竖井范围及##区间竖井以东隧道顶板穿越地层主要为粉质粘土层、粉土层，圆砾卵石层，局部夹有中粗砂层、粉细砂层，顶板地层稳定性较差，无法形成自然应力拱，极易发生坍塌现象。
1.1.2 水文地质情况
区间隧道拱部开挖时主要受上层滞水的影响，区间隧道顶板上方分布有多层饱和的粉土层、砂土层，在渗透水压力作用下，易产生流土、流砂，对施工造成不利影响，甚至危及隧道上方管线、路面以及两侧建筑物的安全。
根据实际施工情况，隧道穿越地层含地下水丰富，水源补给充分，隧道内渗水严重。另据雷达探测，该区域地层疏松，部分地段有空洞。
1.2管线及渗漏水情况
隧道上方地层中管沟多且复杂，各种管沟中都有流动水和积存水。管线埋置相对较浅，距离结构较近，且部分管线年代久，施工中必须采取有效措施保证管线安全。管线见下表。
表1-1 ##区间地下管线明细表
位置
管线名称
规格型号
材质
埋深
距主体结构间距
距竖井通道间距
海淀南路
上水管
D1400mm
铸铁
1.76m
3.5m
1.47m
电信管块
700×500mm
混凝土
1.38m
6.3m
3.24m
天然气
DN300mm
钢
1.63m
5.5m
3.34m
自来水
DN300mm
铸铁
1.2m
5.9m
3.34m
天然气
DN500mm
钢
1.63m
7m
3.22m
雨水管
DN1000mm
混凝土
2.49m
6m
2m
热力管沟
DN800mm
混凝土
1.27m
10m
5.3m
污水管
DN500mm
混凝土
3.75m
11.5m
7.7m
给水管
DN800mm
铸铁
1.25m
10m
6m
电力管沟
1800×2300mm
混凝土
6.9m
9.3m
1.83m

1

2. 前进式劈裂注浆施工方案
2.1 总体思路:
根据隧道穿越地层及地下水情况，隧道前期施工过程的治水情况，为达到“抑制涌水、涌泥及坍塌，改良地层，控制变形，保障安全”的目的，施工过程中采用前进式劈裂注浆止水帷幕施工方案。
2.2 方案的确立
由于隧道内地下水异常丰富，根据C断面侧导洞施工中治水情况显示，出现涌水后封闭掌子面进行注浆，注浆后进行开挖，掌子面及拱顶注浆加固效果不明显，地层内没有形成有效的加固圈，分析原因主要为地下水丰富、地质条件差，多次调整注浆配比未能达到预期效果；根据前段注浆分析以及以往工程洞内注浆止水经验，采用洞内前进式劈裂注浆形成止水帷幕的施工工艺，可达到改良地层，防止突水涌泥的目的。
根据前段时期开挖揭露的地质情况，地层长期受地层游离水的侵蚀，特别是在粉土和砂土中，土体已形成软塑状甚至流塑状，增大了施工难度，直接威胁管线的安全。洞内止水帷幕主要以改善地层松散性及止水为目的，增强粉土与砂土的自稳能力，降低地层的渗透系数，防止开挖过程中土体流泥流沙及坍塌，保证施工和周边管线的安全。
2.3方案原理
施工采用前进式劈裂注浆，它是在钻孔内施加液体压力于弱透水性地层中，当液体压力超过渗透注浆的极限压力时，土体产生水力劈裂，形成裂缝，进浆量突然增大。劈裂面发生在轴力最小主应力面，劈裂注浆在钻孔附近形成网状脉络，通过浆液挤压土体形成浆液骨架作用。在注浆压力作用下，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起土体结构的局部扰动，使地层中原有的裂隙和空隙张开，浆液的可注性和扩散距离增大，从而达到加固的目地，由于注浆后浆液固结体在土体中呈脉络状，因此又称为脉状注浆。常适用于粘性土层或深层注浆。
通过劈裂注浆使拱部松散饱和土形成具有一定强度、渗透系数较小的粘性土层，以达到稳定土体并止水的预期效果。
2.2.3施工工艺流程图
注浆施工工艺流程如图2-1所示。
2.2.4 施工方法
2.2.4.1造设止浆墙
在掌子面造设C20喷砼止浆墙，止浆墙厚度为30cm，以防止注浆过程中冒浆。
2.2.4.2钻孔
（1）测量放线定出注浆孔孔位；
No

Yes

No

Yes

配制浆液

质量检查

第一段注浆达到要求

监控量测

造设止浆墙

钻

孔

结束注浆

补

注

……

注第二段

注浆作业

安设孔口管

图2-1 注浆施工工艺流程图
（2）采用K-100型工程地质钻机按标出的孔位进行钻孔，精确度要求＜1％；
（3）钻孔过程中一般采用套管定位，钻孔直径采用Φ76mm，钻进3m后下入水囊式止浆塞；
（4）在钻孔过程中应做好详细的钻孔记录，对钻孔进行地质描述，观察分析回水岩芯或弃碴状态，用以判断注浆质量和调整注浆参数，指导施工。
2.2.4.3安设孔口管
用CS（水泥、水玻璃）砂浆埋设Φ76mm孔口管，在管口安装Φ76mm球形闸阀，作为封闭钻孔中可能会出现的涌水。
2.2.4.4注浆作业
1、双液注浆系统示意图

图2-2 双液注浆系统示意图
2、浆液配制
（1）水泥浆配制
根据预配制浆液的体积，按配比参数计算出所需的水泥，水和缓凝剂的用量。
在搅拌机内加入计算好的用水量，将计算好的缓凝剂加入，强力搅拌均匀；
待缓凝剂完全溶解后，边搅拌边加入计算好的水泥用量，搅拌均匀后倒入储浆桶内以备注浆。
（2）水玻璃浆液配制
在拌浆桶中加入浓水玻璃，然后边搅拌边加水，同时用玻美计测量其浓度，直至稀释至需要浓度为止。
3、注浆施工
采用双液注浆泵进行注浆作业。
注浆方式采取后退式分段注浆工艺，每次注浆段长0.6m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的钻孔。如此循环，直至该孔结束。注浆过程中应注意：
（1）止浆塞初始停放位置
应根据注浆管长度及注浆管前端开孔位置以及止浆塞构造精确计算止浆塞初始停放位置。
（2）分段后退式注浆
如果采用机械式止浆塞应注意将带有止浆塞的芯管和顶管连接后插入到注浆管孔底，压紧止浆塞使之膨胀，以达到止浆效果。
分段后退式注浆要特别注意止浆塞损坏程度，施工过程中若发现止浆塞存在问题，应立即更换，以免引起注浆管堵塞，造成芯管无法拔出。
（3）注浆过程中如需暂停注浆时，必须先将水玻璃吸浆管拿出放入清水桶中，然后再拿出水泥管，并同时将注浆芯管拔出0.6m，向孔内注清水后再停止注浆，这样既保持管路畅通，又保证注浆段不受注水影响。
2.2.4.5注浆顺序
注浆顺序充分考虑水源影响因素采取前进式分段注浆，逐步向前推进封墙，这样有效地形成挤压、密实作用，达到注浆目的。同时达到控制注浆的目的，以防止浆液过远扩散，对管线造成危害或造成浆液浪费增加成本。
2.2.4.6注浆结束标准
（1）一序孔（单号孔），采取定量定压相结合方式即当注浆量达到设计值或注浆压力达到设计值且注浆量达到设计值80%时作为注浆结束标准。
（2）二序孔（双号孔），采取定压方式即注浆压力达到设计值时作为注浆结束标准。
（3）注浆过程中漏浆严重，不得不停止注浆，但要详细记录，以便采取补救措施。
2.2.5施工材料
2.2.5.1注浆材料特性要求
根据工程特点，采用的浆液要具有以下特性：
1）对地下水而言，不易溶解；
2）对不同地层，凝结时间可以调节；
3）高强度、止水；
4）在粉土和砂土层可注性强；
5）耐久性强。
2.2.5.2浆液材料配比
根据以上材料特性要求，选用水泥-水玻璃双液浆，浆液配置参数见下表：
表2-1 注浆材料参数表
浆液种类
水泥品号
原水玻璃浓度
水灰比 （W:C）
体积比(C:S)
稀水玻璃浓度
水泥—水玻璃双液浆
水泥
40°Be′
1～1.5:1.8
1:1
35°Be′
根据现场实际情况适当加入特种材料以增加可灌性和早期强度。
2.2.6 注浆参数设计
前进式劈裂注浆止水帷幕注浆管采用Ф76mm无缝钢管，壁厚5mm，环向间距0.4m，长度10-15m，扩散半径0.6m，由于结构施工未提供劈裂注浆施工工作室，施工时钻孔按5°～8°外插角进行。具体见下表。
表2-2 注浆参数表
序号
参 数 名 称
隧道富水段
1
注浆管间距
0.4m
2
注浆段长
10～15m
3
浆液扩散半径
0.6m
4
注浆速度
40～60L/min
5
注浆终压
1.2～1.5Mpa
6
注浆步距
3m
7
止浆墙
C20网喷混凝土，厚30cm

图2-3 注浆孔位布置图

2.2.7 注浆机具配套
主要注浆施工机械设备如下表所示。
表2-3 主要机械设备配套表
序号
机具名称
规格型号
单位
数量
备注
1
注浆泵
KBY-50/70
台
6

2
高压胶管
D25mm—Q16Mpa×10
根
30

3
搅拌机
0.3m3,20转/分
台
6

4
储浆桶
0.5m3、1.0m3
个
6

5
注浆芯管
φ56mm×5mm×2m
根
30

6
止浆塞
水囊式

满足施工
7
地质钻机
K-100
台
6

2.2.8 施工人员组织
钻孔3人
配浆3人
注浆3人
注浆检查4人
检验开挖
定孔位观测3人
布孔3人
钻孔就位5人

图2-4 施工人员组织机构框图
3. 注浆效果的检查
注浆结束后，必须进行注浆效果检查。其方法主要有以下几种方法。
3.1分析法
注浆过程中P-q-t曲线，通过对钻孔、注浆记录进行整理，分析每个孔段的注浆压力和注浆速度，以及串浆情况，找出可能存在的注浆盲区。
3.2钻检查孔法
根据注浆记录，在注浆最薄弱的部位确定检查孔。对检查孔进行钻孔检查，检查孔无涌水、涌砂。对检查孔进行注水试验，通过测试其渗透系数综合评价。
注浆结果分析必须及时与监测数据对照，分析差值原因，合理调整注浆施工参数。
4. 监控量测
4.1 监测目的
区间隧道施工过程中必然会引起地表的沉降，而且由于此处开挖断面变大、管线埋深较浅、土质差、地下水丰富，区间隧道的开挖对地表沉降变形的影响也会增加，因此地表沉降作为该地段监测的重点；在施工期间准确掌握地表的沉降情况，及时对地表及洞内注浆参数进行调整，加强支护体系，保证地表和隧道施工的安全。
4.2 监测项目
4.2.1洞内监测
1、拱顶下沉
（1）监测目的
拱顶下沉量测值是反映隧道安全和稳定的重要数据,是围岩和支护系统力学形态变化的最直接、最明显的反映，易于实现量测信息的反馈。
（2）监测仪器
苏光DSZ-2型精密水准仪及钢挂尺。
（3）监测实施方法
①测点埋设
根据设计图纸要求，拱顶测点埋设时，应在掌子面开挖出碴完毕后，拱架架立时，将预埋件焊接至钢架拱顶主筋上，待该环砼喷射完毕牢固后，将预埋件上砼清除干净后，即可进行量测。
拱顶测点布设原则为重要量测地段间距为5m布设一组测点，特殊情况测点可适当加密。
②量测方法
拱顶下沉量测主要采用精密水准仪，量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相较，差值即为累计沉降值。
③数据分析与处理
监测数据的填写、处理与地表下沉相同。如果拱顶下沉超限,可采取以下方法控制拱顶的下沉：改良拱顶岩体或土体的稳定性；改善开挖方法以减小开挖对拱顶围岩的扰动；加强支护等等，或采取以上几种方法进行综合处理。
2、隧道净空收敛
（1）监测目的
隧道开挖后，周边点的位移是围岩和支护力学形态变化的最直接、最明显的反映，净空的变化（收缩和扩张）是围岩变形最明显的体现。
（2）监测仪器
坑道收敛计
（3）监测实施方法
①测点埋设
根据设计图纸要求，收敛测线埋设时，应在掌子面开挖出碴完毕后，拱架架立时，将预埋件焊接至钢架拱腰主筋上，应尽量使两预埋件位于同一轴线上。待该环砼喷射完毕牢固后，将预埋件上砼清除干净后，即可进行量测。测线布设原则同拱顶测点，且同拱顶测点布设在同一断面，为10m布设一组测点。
②收敛量测方法
a、初次量测在钢尺上选择一个适当孔位，将钢尺套在尺架的固定螺杆上。孔位的选择应能使得钢尺张紧时支架与百分表（或数显表）顶端接触且读数在0～25mm的范围内。拧紧钢尺压紧螺帽，并记下钢尺孔位读数。
b、再次量测，按前次钢尺孔位，将钢尺固定在支架的螺杆上，按上述相同程序操作，测得观测值Rn。按下式计算净空变化值：
Un=Rn-Rn-1
Un－第n次量测的净空变形值
Rn－第n次量测时的观测值
Rn-1－第n-1次量测时的观测值
③数据的分析与处理：
首先作出时间-位移及距离-位移散点图，对各量测断面内的测线进行回归分析，并用收敛量测结果判断隧道的稳定性。如果收敛值过大，应改善周围岩体或土体的稳定性，改变开挖方法，尽量减小开挖对周围岩（土）体的扰动；加强支护等，以确保收敛值在规范允许的范围内。
4.2.2 地表监测
1、监测目的
地表沉量测值是反映路面结构和管线、隧道结构安全和稳定的重要数据，构筑安全与否直接、最明显的反映，易于实现量测信息的反馈。
2、监测仪器
莱卡 NA 2002电子水准仪，铟钢尺；
3、检测实施方法
布设原则根据设计图纸要求，在一般地段每10m一个，重要地段是视地质情况加密测点，每隔3～5m布设一个测点。
经过在区间地表沉降槽的监测数据分析显示，隧道开挖影响地表沉降范围距离开挖中线15m左右，受隧道开挖影响最大的一般是是中线位置。
4、监测管理制度
在信息化施工中，监测后应对各种数据进行及时整理分析，判断其发展变化规律，并及时反馈到施工中，以此来指导施工。根据以往经验，采用《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》（TBJ108-92）的Ⅲ级管理制度作为监测管理方式。管理等级见下表。
根据上述监测管理基准，调整监测频率：一般在Ⅲ级管理阶段监测频率可适当放大一些；在Ⅱ级管理阶段则应注意加密监测次数；在Ⅰ级管理阶段则应加强支护，并加强监测，密切关注工程过程，监测频率可达到1～2次/天或更多。

图4-1 洞内监测测点示意图

图4-2 地表沉降测点布置示意图
表4-1 监测管理等级表
管理等级
管理位移
施工状态
Ⅲ
U0＜Uｎ／３
正常施工
Ⅱ
Uｎ／３≤Ｕ０≤Uｎ２／３
加强监测
Ⅰ
Ｕ０＞Uｎ２／３
加强监测并采取相应工程措施
其中Uｎ是监测控制标准。根据招、投标文件、有关规范和类似工程经验确定控制标准。

图4-3 监测组织机构图
针对区间隧道工重要性，监测组由具有丰富施工经验、监测经验及有结构受力计算、分析能力的技术人员担任组长，在组长指导下进行日常监测工作及资料整理工作。为高效完成监测工作，施工过程中严格执行以下措施。
（1）监测组与监理工程师密切配合工作，及时向监理工程师报告情况和问题，并提供有关切实可靠的数据记录。
（2）制定切实可行的监测实施方案和相应的测点埋设保护措施，并将其纳入工程的施工进度控制计划之中。
（3）量测项目人员建立质量责任制，确保施工监测质量；并且人员要相对固定，保证数据资料的连续性。
（4）根据设计文件制定的监控量测管理基准值，当发现超过基准值时，应立即报告监理，并向监理报送应急补救措施。
（5）观测前，对所有仪器设备必须按有关规定进行检验和校核，确保仪器的稳定可靠性和保证观测的精度。
（6）测试元件及监测仪器必须是正规厂家的合格产品，测试元件要有合格证，监测仪器要定期校核、标定。
（7）各监测项目在监测过程中必须严格遵守相应的实施细则。
（8）量测数据均要经现场检查，室内两级复核后方可上报；且量测数据的存储、计算、管理均用计算机系统进行。
5. 沉降控制
采用本方案加强后，每部沉降量控制以C型截面计算结果为例，典型施工阶段施工示意图和地表沉降计算结果下表所示：
6. 质量保证体系
为保证安全，项目部成立质量小组，组长由总工程师担任，组员由项目部安质主任、工程部长、技术主管及现场技术干部组成。
作业班组由24名技术工人组成，其中钻眼作业3人，注浆作业3人，双液注浆机操作手1名。作业班组成员必须经培训合格后方可上岗。
表5-1 C型截面典型施工阶段地表沉降
模拟计算步骤
地表沉降曲线
沉降槽描述

第二步：支护左右上侧导洞

x刻度为5m；y的刻度为0.010m
累计最大沉降10mm，变形槽宽度55m；最大变形位于洞顶中间

第四步：支护左右下侧导洞

x刻度为5m；y的刻度为0.010m
累计最大沉降15mm；沉降槽宽度30m；最大沉降位于左导洞顶部偏左

第六步：支护中部上导洞

x刻度为5m；y的刻度为0.010m
累计最大沉降20mm，变形槽宽度50m；最大变形位于洞顶中间

第八步：支护中部下导洞

x刻度为5m；y的刻度为0.010m
累计最大沉降28mm；变形槽宽度55m；最大变形位于洞顶中间

第十步：拆除临时支撑施做二衬

x刻度为5m；y的刻度为0.010m
累计最大沉降35mm；沉降槽宽度55m；最大沉降位于洞顶中间
7. 质量保证措施
1、注浆时，必须严格控制注浆压力，以防大量跑浆堵塞管道和使地表被隆起。
2、在注浆过程中，如发现从地面裂缝跑浆可以采用双快水泥封缝后继续注浆，当冒浆或跑浆严重时，应关泵停压，待一、二天后进行第二次注浆。
3、注浆过程中应随时检查地表监测点，注浆压力及注浆量根据沉降数据及时调整，防止出现沉降或抬升过大、过快现象发生，引起地面开裂；
4、停浆后，立即关闭孔口阀门，然后拆除和清洗管路，待浆液初凝后，再拆卸注浆管，并用高标号水泥砂浆将注浆孔填满捣实。
5、为了确实地获取注入浆液质量和数量，必须作好注浆记录并保管好全部证明书及测量数据等。
6、施工中应经常监视注入量、注浆压力及管道检查井情况，必要时应变换注浆参数。
7、注浆过程中，随时观察注浆区域的地面情况，如有异常，立即停止注浆作业。
8、检查孔应进行取样检查。检测固结体抗压强度，浆脉渗透状况和固结质量。
9、检查孔注水试验，即注浆前后注水量比较，测定注浆渗透状态和固结状态。
10、在实施注浆过程中的异常情况进行分析和制定处理措施。
8. 安全保证措施
1、进入注浆现场的人员，必须配戴安全帽。注浆施工人员按照作业要求正确穿戴个人防护用品。
2、钻眼、注浆作业过程中，设隔离带，并由专人指挥过往车辆。
3、注浆施工现场的临时用电，必须严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》的有关规范规定执行。
4、注浆临时用电线路的安装、维修、拆除，均由经过培训并取得上岗证的专业电工完成，非电工不准进行电工作业。
5、双液注浆机操作人员，必须取得操作合格证，不准将机械设备交给无本机械操作证的人员操作，对机械操作人员要建立档案，专人管理。
6、操作人员必须按照双液注浆机说明书规定，严格执行工作前的检查制度和工作中注意观察及工作后的检查保养制度。

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