圆梁山隧道高压富水区帷幕注浆及止浆技术.pdf

第25卷,第3期 中国铁道科学Vol125No132 0 0 4年6月 CHINA RAILWAY SCIENCEJune,2004文章编号:100124632(2004)0320027205圆梁山隧道高压富水区帷幕注浆及止浆技术张顶立1,李治国2,张民庆2(11 北京交通大学 隧道及地下工程试验研究中心,北京 100044;21 中铁隧道集团有限公司 科学研究所,河南 洛阳 471009)摘 要:针对圆梁山隧道高压富水区的岩溶水类型及特点,确定合理的注浆范围、注浆方式、注浆压力、注浆材料及注浆量等参数。在此基础上设计高压注浆的封孔和止浆系统,选择套筒的内外径尺寸及粘结剂,并对其可靠性进行分析和检算。针对不同溶洞类型,尤其是充填型溶洞,利用稳定岩层或止浆墙进行高压注浆,在细砂层地段实行分段注浆,循环进度为5 m,不仅实现了安全,而且该系统应用于注浆施工中已取得理想效果,实现5 m3(md)-1的控制渗流量。关键词:岩溶隧道;渝怀铁路;高压富水区;注浆;施工技术 中图分类号:U455149 文献标识码:A 收稿日期:2003206210 作者简介:张顶立(1963),男,江苏沛县人,教授。基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2001G00923)圆梁山深埋特长隧道全长11 068 m,是新建铁路重庆至怀化线最长的隧道,为全线十大控制工程之首。隧道穿越地层主要有毛坝向斜、桐麻岭背斜及其伴生断裂,向斜区内发育较多的横张断裂。毛坝向斜构造区为高水压富水地段,是圆梁山隧道施工中岩溶水防治的重点地段1,2。高水压毛坝向斜段为DK353+200DK355+400,总长2 200 m。毛坝向斜高水位富水区大量排水将引起岩溶地下水水位大幅度下降,增加了生产、生活用水的困难;同时还可能造成大面积岩溶塌陷或地面开裂。为避免隧道修建对环境造成过大危害,拟按“以堵为主、限量排放”的原则实施各项工程措施。毛坝向斜高水位富水区衬砌结构体系由围岩注浆固结圈、初期支护、排水系统和抗水压衬砌结构四部分组成。围岩注浆固结圈起控制排水量、加强岩体结构性能、承受水压及保护洞室稳定等作用;排水系统是尽量排除通过围岩注浆固结圈的渗透水;抗水压衬砌结构承受因排水系统不畅而产生的水压力。在如此复杂的地质环境下可靠地加固溶洞及围岩,是隧道安全施工的重要保证37。1 充填型溶洞的分布及特征 圆梁山隧道施工所揭露的溶洞多为充填型溶洞,充填物为淤泥、粉质粘土及粉细砂层等。根据物探测试结果,毛坝向斜地段的溶洞及地探异常分布情况如图1所示。地探结果在施工中得到了进一步的验证,在平导PDK354+255+PDK354+280为充填型溶洞,如图2所示。溶洞充填物为淤泥质粘土,地层无自稳能力,溶洞和岩层交界面有大量地下承压水存在,施工过程中管棚曾被挤压变形,施工中最大涌水量为12 000 m3d-1。该溶洞与正洞DK354230DK354+290溶洞有明显的水力联系。正洞DK354+460DK354+490充填物为粉细砂层,如图3所示,具有较强的水力联系。施工中出现多次涌砂涌水灾害。在超前地质钻孔施工中,从钻孔中射出高压水,射程达30 m,钻头被顶出,水压达316 MPa。充填型溶洞的充填物由泥砂和硬塑软塑状粘性土组成,且伴随有高压,给隧道的安全施工造成了极大的威胁,这是圆梁山隧道毛坝向斜高压富水图1 毛坝向斜溶洞及地探异常分布纵面图图2PDK354+255PDK354+280淤泥质充填物图3DK354+460DK354+490粉细砂层充填物段施工所面临的现实问题。因此,如何适时、可靠地实施对溶洞充填物的注浆固化将直接影响到圆梁山隧道能否如期建成。2 注浆作用原理及参数选择 考虑到高水压的实际条件、环境保护的要求以及我国大瑶山、南岭隧道的建设经验,圆梁山隧道高水位富水区施工设计的基本思路是以堵为主,限制排量,实现有控制排放的目标。设计采取超前钻孔帷幕注浆和开挖后径向注浆两种堵水方案。帷幕注浆里程为:毛坝向斜段正洞DK353+200DK355+410长2 210 m;平导PDK353+200PDK355+400长2 200 m及相应横通道。不同地段的注浆范围确定如下:可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带、向斜核部区段、正洞开挖轮廓线外8 m、平导开挖轮廓线外5 m实施帷幕注浆;岩层接触带、物探电阻异常处、正洞开挖轮廓线外5 m、平导开挖轮廓线外3 m实施帷幕注浆;开挖后,岩壁大面积淌水地段,实施开挖后正洞开挖轮廓线外5 m、平导开挖轮廓线外3 m全断面径向注浆;对岩体完整、局部出水或注浆后局部出水的地段,采用局部注浆;注浆后流量仍大于控制排水量、注浆固结圈综合渗透系数大于设计控制值或仍有局部出水点时,实施补充注浆。向围岩实施帷幕注浆的作用在于形成围岩注浆固结圈,以限制排水量,实现有控制排放,保证洞室稳定及安全。排水量控制标准为5 m3(md)-1,实际施工中可作适当调整。注浆方式采用超前预注浆、后注浆、局部注浆和补充注浆四种方式。超前预注浆,每一循环长度为30 m,固结范围因岩溶水条件有所不同,正洞分别为8 m和5 m,平导分别为5 m和3 m。为保证注浆效果,超前预注浆压力拟为4 MPa,当充填82中 国 铁 道 科 学 第25卷型溶洞的注浆有困难时可适当提高注浆压力。3 注浆孔密封及止浆系统设计 为了确保注浆效果,当钻孔深度大于8 m时宜采用分段式注浆。当水压不大时,一般采用后退式注浆;当地下水压较大,不能采用后退式注浆时,可采用前进式注浆。但是,无论采用后退式注浆还是前进式注浆,均应有可靠的钻孔密封装置,即实现注浆套筒与钻孔孔壁的固结。由于注浆压力设计为4 MPa,同时考虑到岩溶水的最大压力为416 MPa,因此注浆系统所承受的最大压力应为816 MPa,据此可对注浆孔的封孔和止浆系统进行设计。311 锚固能力的计算注浆系统所用的套筒与钻孔围岩的固结关系类似于全长锚固锚杆的粘固作用。套筒与围岩的粘锚能力常用拉拔试验来确定,但由于拉拔试验时套筒上的粘结剪应力与套筒实际工作时不同,拉拔力并不能作为套筒的粘锚能力。影响粘锚能力的因素异常复杂,包括岩体性质、岩体荷载、粘结剂性质等,单从理论上分析计算粘锚能力十分困难。而通过分析拉拔试验和套筒实际承载状态下的载荷分布规律,可得出粘结能力的计算方法8。31111 拉拔试验时锚杆的载荷分布套筒的抗拔能力主要取决于粘结剂的粘结力。套筒与钻孔之间的间隙宽为定值,则粘结剪应力和套筒与孔壁之间的相对位移成正比,如图4所示。则有图4 拉拔力试验时锚杆受力图(x)=Ks(x)/B=Kxl(x)dx/B(1)式中:s(x)为x点处套筒与钻孔壁之间的相对位移/m;(x)为x点处粘结剂作用于套筒表面的粘结力/MPa;K=K1K2K1+K2;K1,粘结剂的剪切刚度/MPa;K2,围岩体的剪切刚度/MPa;(x)为x点处杆体的拉应变;B为套筒(或杆体)与钻孔之间的间隙宽/m;l为锚固段长/m。F(x)=(x)Ddx(2)式中,F(x)为x点处套筒的轴力/N。(x)=4F(x)ED2(3)联立式(1),(2),(3),则可得(x)=ce-xD8K/E(4)式中c为积分常数。可见,套筒上的剪应力分布为负指数曲线。(1)当x=0时,(0)=c,为粘结强度。(2)当x=l时,(l)=ce-lD8K/E。在中硬岩条件下,锚杆长度达到锚杆直径的15倍时,再增加锚固长度对提高锚杆的抗拔力已无作用;而在软岩条件下,剪应力衰减较慢,增加锚固长度仍然可提高锚杆的抗拔力9。(3)由于(0),随着拉拔力F(0)的增大,(0)也逐渐增大,当(0)=时,粘结剂开始破坏。粘结剂从孔口开始逐渐向深部破坏,最大粘结剪应力点也逐渐向深部转移,当(x)与x轴的积分面积最大时,拉拔力达到最大,拉拔试验可以结束。31112 套筒最大抗拔力的计算假设粘结剂破坏到锚固长度中点,抗拔力F1 max达到最大,则F1 max=l2l D(x)dx D2E/8K1-e-12D8K/E(5)式中,为残余粘结剪应力系数,通常取115。锚杆的抗拔力随锚固长度的增加而增大,若取l=15D,则对于软岩,最大抗拔力为:F1 max=(5188)D2=(01390153)Dl(6)对于中硬岩,最大抗拔力F1 max为F1 max=(213316)D2=(01150124)Dl(7)31113 套筒实际承载分析为便于计算套筒的粘锚能力,假设围岩塑性区已超过套筒与围岩的锚固长度,套筒全长受到粘结92第3期 圆梁山隧道高压富水区帷幕注浆及止浆技术剪应力,中性点位于锚固段中间,以套筒的最大轴力Fmax,即中性点处的轴力来表示其粘锚能力,则有Fmax=Dl4(8)31114 套筒粘锚能力的计算结果(1)软岩FmaxF1 max=Dl/4(01390153)Dl=01470164(2)中硬岩FmaxF1 max=Dl/4(01150124)Dl=11041167在中硬岩情况下,粘锚能力是抗拔力的1104倍1167倍,软岩情况下,粘锚能力是抗拔力的0147倍0164倍。由此即可根据抗拔力来估算粘锚能力。根据对树脂类锚杆抗拔力的测定结果,在中硬岩条件下,其抗拔力为160 kN,可见钻孔与套筒的粘锚力应在160 kN以上。312 锚固可靠性的检算与分析鉴于圆梁山隧道高水位岩溶地段隧道围岩的性质主要为灰岩,为中硬以上的岩层,因此作为止浆系统的注浆套筒装置在高水压条件下可能的破坏形式主要有以下两种情况:(1)钻孔内的套筒被拉断。由于套筒选用碳素钢,其极限抗拉强度假设为t=200 MPa,则套筒被拉断所需的力为:F拉=tS套筒=(010542-010482)200103=38415 kN(2)粘结破坏。这种破坏主要有三种情况:a1 套筒2粘结剂接触面破坏;b1 围岩2粘结剂接触面破坏;c1 破坏面深入到围岩内数毫米,常发生在软弱围岩,一般软岩的抗剪强度小于7 MPa,粘固剂与围岩的粘结强度为5 MPa16 MPa,粘结剂与套筒(或杆体)的粘结强度为6173 MPa1617 MPa。当注浆管受力P达到最大值816 MPa时,套筒受到沿钻孔孔壁向外的力为:F推=pS拉浆管=816103 010482=62125 kN根据拉拔试验结果,套筒的拉拔力可达160kN,由于是在中硬岩条件下,其粘结力应在160kN以上,远大于62125 kN的套筒推力。因此套筒与钻孔的粘锚力足够。由于套筒所受的最大推力仅为62125 kN,远小于套筒所能承受的最大抗拉力38415 kN,因此不可能发生套筒的拉断破坏。综上可见,在采用粘结剂锚固的条件下,套筒与钻孔围岩的粘固是足够可靠的,而且尚有较大的富裕系数。尽管在中硬岩条件下,锚固长度达到锚杆直径(套筒)的15倍时,再增加锚固长度对提高锚杆的抗拔力已无作用,但套筒的粘锚能力却总是与套筒直径、锚固长度成正比。因此,增加套筒及锚固长度对注浆装置的可靠性是有利的。但是,套筒过长不仅浪费大量的粘结剂,而且也给施工造成诸多不便,因此确定本工程中的套筒锚固长度为115 m。313 锚固及钻孔止浆系统设计根据上述分析和计算结果,锚固系统的有关参数见图5所示。图5 注浆孔止浆系统方案4 应用效果分析 在圆梁山隧道高压富水区的施工过程中,按上述设计进行了注浆。为保证注浆效果,对充填型溶洞实施了分段前进式注浆工艺,分段长度2 m5m,必要时建造止浆墙。为克服浆液在充填物中扩散困难的问题以及提高注浆加固效果,针对粉细砂层难以注入和局部存在空洞需要回填的特点,在隧道进出口现场除原有的多台高压注浆设备外,又专门配置了6台30 MPa的高压注浆泵和315 MPa砂浆泵。实现了高压、快速注浆,实际最高注浆压力达到10 MPa,最大注浆量达到616 m3h-1 10。2003年1月4月,对进口平导PDK354+430和PDK354+442段下半断面粉细砂层进行了两个循环20 m的超前预注浆,注浆方式前进式,钻5 m,注5 m,加固范围为隧道开挖轮廓线外510 m。从开挖情况看:纵向10 m范围内的溶隙和砂层得到了较好的劈裂、挤密和加固,这两个循03中 国 铁 道 科 学 第25卷环在前10 m的开挖过程中,未发生大的涌水、突泥。同时,还对进口正洞DK354+255DK354+280段底部进行了预注浆,注浆加固范围为隧底开挖轮廓线外7 m12 m。在圆梁山隧道的施工过程中,尤其是通过高压富水地段时,超前预注浆及其阻水加固效果在很大程度上决定了隧道能否贯通,而止浆系统作为超前预注浆的重要保证,在隧道施工中发挥了重要的作用。参考文献 1 李治国.隧道岩溶处理技术J.铁道工程学报,2002,76(4):6167.2 石新栋.圆梁山隧道主要地质问题及对策J.现代隧道技术(增刊),2002,(10):106110.3 Tony Cooley.Engineering Approaches to Conditions Created by a Combination of Karst and Faulting at a Hospital in Birm2ingham,Alabama J.Engineering Geology,2002,65:197204.4 F Gabrovsek,W Dreybrodt.A Model of the Early Evolution of Karst Aquifers in Limestone in the Dimensions of Lengthand Depth J.Jounal of Hydrology,2001,240:206224.5 Anthony 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parameters such as grouting extent,grouting method,grouting pressure,material type and grouting rate are determined by analyzing the particular Karst aquifers within high pressureand rich water zone in Yuanliangshan tunnel.Borehole occluding procedure and process are developed inaccordance with the specific Karst feature.Inner and outer diameters of the sleeves and adhesives are selected;The system reliability is analyzed and checked so as to secure safety in construction.With different Karst type,special filling Karst,subsection grouting are carried out in fine sand stratum with stable rock wall or groutingwall under high pressure,with a cycle progress of 5 m.With the application of the system in grouting,not onlysafety is ensured,but also ideal grouting effects obtained and seepage discharge of 5 m3(md)-1controlled.Key words:Karst tunnel;Yuhuai railway;High pressure and rich water zone;Grouting;Construction technol2ogy(责任编辑 吴 彬)13第3期 圆梁山隧道高压富水区帷幕注浆及止浆技术