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1、1/9 齐岳山隧道 F11 断层注浆截水帷幕施工技术 卢炜1 汪玉华2（1.中国中铁股份 XX，100039；2.中铁隧道集团 XXXX 科学技术研究所，XXXX471009）摘要:研究目的：山岭隧道在穿越断层破碎带时，经常会遇到高压水，如处理不当，往往会引起突水突泥、坍方甚至泥石流的严重威胁，给施工安全造成极大的威胁，施工进度也无法保证，严重时，还会使周围生态环境发生恶化。因此在隧道穿越该区域时，必须采取一种有效措施来确保施工安全及周边生态环境免遭破坏。研究结论：齐岳山隧道在穿越 F11 断层高压富水带时，在该段钻孔过程中，单孔最大涌水量达到1800m3/h，水压高达 3.2 MPa，给施工
2、带来巨大风险。在施工过程中，按照“以堵为主，限量排放”的原则，采用硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥单液浆、普通水泥水玻璃双液浆，通过合理匹配注浆参数，精心组织施工，对掌子面前方的高压富水地段进行了注浆封堵，形成一道截水帷幕，同时对前方破碎围岩进行了有效加固，为施工创造了条件，确保了隧道施工安全及周边生态环境不被破坏，对今后类似工程具有重要的指导意义。关键词:断层；高压富水；注浆；截水帷幕 中图分类号：U25 文献标识码：A Construction Method of Grouting Water-seal Curtain of F11 Fault in Qiyueshan Tunnel LU W
3、ei1 WANG Yu-hua 2(1.China Railway Group Limited,beijing 100039,China;2.Scientific Institute of China Railway Tunnel Group.Luoyang,Henan 471009,China)Abstract:purposes:When the tunnel cuts through the fault-fracture zone,high pressure water often emerges.If reasonable measures are not taken,it will f
4、requently induce water and mud inrush,collapse even debris flow,which will seriously threaten the construction safetyand delay the construction progress.It will deteriorate ecological environment if not treated properly.When Qiyueshan tunnel cuts through the high pressure and enriched water region i
5、n F11 fault,effective measuresshall be taken in order to ensure the construction safety and the surrounding ecological environment not deteriorated.Conclusions:As Qiyueshan tunnel cuts through the high pressure and enriched water region in F11 fault,themaximum volume ofwater release and water pressu
6、re during boring stage are up to 1800m3/h and 3.2MPa,respectively.According to the principle of“Focusing on blocking and releasing within limitation”,sulphate aluminium cement single-fluid grouting,mon cement single-fluid grouting,and cement and sodium silicate mixed grouting are usedwith the ration
7、al proportioned grouting parameterduring the construction progress;therefore,the high pressure water is effectively controlled,the water-seal curtain is formed and meanwhile the crushed surrounding rockis reinforced,which paves the way for the constructionandensures the tunneling safety and the surr
8、ounding ecological environment not deteriorated.The project case can provide reference for similar works in the future.Key words:fault;high pressure and enriched water;Grouting;Water-seal Curtain 2/9 1.工程概况 齐岳山隧道全长 10.528km，隧道埋深 670m，是宜万线五座风险隧道之一。隧道穿越 F11 断层，该断层为压扭性，岩性成分复杂，岩体破碎且致密，泥质或黏土质含量少，导水能力强，工程
9、性质表现为围岩强度低、稳定性差，在水的浸泡下，工程性质更加恶化。且该段隧道除遭受常规的大气降雨入渗补给外，还遭受上部得胜场暗河管道流的补给，是齐岳山隧道受水威胁最严重的地段。在隧道施工开挖中，将不可避免的面临涌水涌泥、坍方甚至泥石流的严重威胁。在该段钻孔过程中，单孔最大涌水量达到1800m3/h，水压高达 3.2MPa。因此在隧道施工时，必须进行超前帷幕注浆进行封堵，给施工创造条件，以保证施工安全。2.注浆截水帷幕施工 2.1 注浆截水帷幕设计 根据水文地质及施工条件，结合工程类比，确定全断面超前预注浆设计参数，如表 1 所示。表 1 全断面超前预注浆设计参数(Table 1 design p
10、arametersfor full-faceadvanced pre-grouting)参数名称 齐岳山隧道过 F11 断层全断面超前预注浆帷幕 指导思想 以堵为主，限量排放 帷幕厚度 开挖轮廓线外 8m 注浆段长度 2027m 扩散半径 2m 终孔间距 2.8m 注浆终压 68MPa 开挖长度 1519 m 注浆速度 5110 L/min 全断面超前预注浆孔位布置如图 1 所示。全断面注浆纵断面图 A-A 断面图 3/9 图 1 注浆孔位布置图 (Fig.1 Layout ofgrouting holes)2.2 止浆墙施工 止浆墙采用C30混凝土浇筑，厚度为2.5m。为保证止浆墙的稳定，在
11、其周边利用2排环向间距1.5m，排距 1m，长 2m 的25mm 砂浆锚杆与围岩相连，同时在浇注过程时，在周边预埋 1m 长的42mm 导管，管口紧贴初支面，止浆墙浇注完成后，通过导管进行注浆对止浆墙与初支护间的裂隙进行封堵，形成封闭体系，防止超前注浆时跑浆，影响注浆效果1。2.3 注浆材料 注浆材料的选取应结合工程水文地质，从所配浆液的可注性、凝胶时间、结石率、抗压强度等多个方面来综合考虑2。根据 F11 断层地质情况及堵水加固的要求，注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆作为辅助材料。施工过程根据涌水情况及地层吸浆情况进行选择调整。注浆材料配比参数如表 2
12、 所示。表 2 浆液配比参数表(Table 2parametersforslurry ratio)序号 名称 浆液配比 备 注 W:C（水灰比）C:S（体积比）1 硫铝酸盐水泥单液浆（0.61）:1-根据钻孔地质及出水情况进行选择。2 普通水泥单液浆（0.61）:1-3 普通水泥-水玻璃双液浆（0.81）:1 1:(0.31)2.4 钻孔注浆机械、设备选取及配置（1）钻机的选取 钻机的选取主要从钻机性能及其空间适应性、灵活性三个方面入手，经过综合比选在正洞选用意大利 CasagrandeC6 履带式钻机，平导选用日本矿岩 RPD150C履带式钻机及 MZ-200 改进型履带式钻机。（2）注浆设
13、备的选取及配置 注浆设备的选取及配置要与钻机性能相匹配，避免孔钻好后，注浆速度跟不上的情况发生，同时需满足顶水注浆及不同浆液的要求。现场注浆泵配置了 1 台 ZJP/BP-55 和 1 台 KBY-30/120。2.5 注浆顺序 超前帷幕注浆采取约束发散的原则进行，注浆顺序由外到内、由下到上、间隔跳孔分二序孔施工。2.6 钻孔注浆施工工艺（1）在止浆墙上标定孔位，按设计角度采用130mm 钻头低速钻进至 2.2m，安设孔口管；（2）孔口管采用108mm，=5mm 无缝钢管加工，管长 2.5m，孔口管外壁缠绕 5080cm 长的4/9 麻丝成纺锤型，采用钻机冲击安设到要求深度，并用水泥基锚固剂锚
14、固，以保证孔口管安设牢固不漏浆；（3）为防止钻孔过程中突发涌水突泥，孔口管安设完成前端须安设高压闸阀，通过高压闸阀进行钻孔施工；（4）采取前进分段式注浆进行注浆施工，分段长度为 35m，即钻进 35m，注浆一次，注浆结束后，再钻进 35m，依次循环直到钻注到设计深度。施工中可根据地质情况及水量、水压适当调整钻注分段长度。施工中出现跑、漏浆或注浆压力长时间不上升时，改用水泥水玻璃双液浆；（5）若钻孔过程中，遇到较大突涌水，应立即停止钻孔，进行注浆。钻孔注浆施工流程如图 2 所示。不好不好好好补孔注浆继续注浆结 束整体注浆效果检查结束该孔钻孔注浆效果检查浆液制备浆液制备第二分段长度注浆第二分段长度
15、钻孔第一分段长度注浆钻设90钻孔35m前进式分段注浆安设108孔口管及高压闸阀开孔130mm，长220cm测量放线、标定孔位施 工 准 备 图 2 前进式分段注浆施工工艺(Fig.2grouting construction craft of segmently onward mode)2.7 注浆结束标准（1）单孔注浆以定量定压相结合。定量标准：注浆量根据地层围岩孔隙率 10%，单孔每米设计注浆量控制在 2.0m3，当单孔注浆量达到设计注浆量的 1.52 倍，压力仍然不上升，可采取调整浆液配比缩短凝胶时间或进行间歇注浆等工艺使注浆压力达到设计终压，结束该孔注浆3。定压标准：根据地层涌水压力注
16、浆终压定为：6.08.0Mpa，（下半断面前 12m 注浆压力 23.0Mpa）单孔注浆压力达到设计终压并维持 10min 以上可结束该孔。（2）全段结束标准 5/9 设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。按总注浆孔的 10%设计检查孔，检查孔满足设计要求。2.8 注浆效果检查（1）分析法 P-Q-t 曲线法。施工中，为了更为有效的对注浆过程进行适时监控，采用灌浆自动记录系统对注浆过程中压力和流量进行控制，准确记录单孔单段注浆量和注浆压力，并通过自动绘制 P-Q-t 曲线对注浆效果进行分析评价4。DK365+333DK365+313 段 P-Q-t 曲线表现形式如图 3 所示。图 3
17、P-Q-t 曲线（DK365+333DK365+313 段）(Fig.3P-Q-t curve（DK365+333DK365+313section）)注浆过程中，总体趋势均表现为注浆压力随注浆时间呈注浆上升趋势，最终达到设计终压，随着压力升高，速度也呈现明显下降趋势。对于出水量较大的孔，初始压力都在 1.7MPa 左右，注浆速度一般在 30L/min 左右，注浆时间一般跟出水量的大小成正比，随着注浆的进行，浆液逐渐对出水裂隙进行封堵，注浆速度随即下降，注浆压力快速上升，经过对已充填裂隙的快速挤压密实过程后，压力达到或超过设计注浆压力，而停止注浆。对于个别水量较小或无水的注浆孔，初始压力都比较小
18、，但注浆压力上升较快，地层吸浆较小。随着浆液的注入和注浆压力的上升并达到设计注浆压力，出水裂隙被浆液充填密实，地层破碎岩体也得到有效加固，地层取得较好的改良效果。钻孔出水量及注浆量情况分析 注浆施工过程中，根据钻孔过程中的涌水量及注浆过程中的注浆量绘制涌水量时间效应图及对应注浆量时间效应图，如图 4、5 所示。6/9 010203040506070B7B2C3D1C7C5B1D2B4B3D4E9E7E3B6D12F2F5F8F3G3G6G5G2补2补4孔号出水量（m3/h)图 4 钻孔涌水量时间效应图（DK365+333DK365+313 段）(Fig.4time effect map ofw
19、ater release volume byboring（DK365+333DK365+313section）)02468101214B2C2D1C4B1D3A1D8E16E2E10E6E15B6E5F2F5G4G3G6G9G1补4孔号注浆量（m3)图 5 钻孔注浆量时间效应图（DK365+333DK365+313 段）(Fig.5time effect map ofgrouting volume byboring（DK365+333DK365+313section）)由图 4 可以看出，各孔出水量虽然表现出一定的离散性质，但一序孔出水量明显大于二序孔，随着钻孔注浆施工进行，后续孔出水量明显减
20、小，大部分孔表现为无水，说明经过注浆后大的出水裂隙得到有效封堵和固结，注浆效果较为明显。由图 5 可以看出，各孔之间注浆量分布离散性较大，二序孔注浆过程中个别孔仍表现出较大的吸浆量，这与地层裂隙发育的不规则性有着重要的关系，该段岩层层状裂隙及节理极其发育，浆液沿层面裂隙扩散 X 围相对较大，而在垂直岩面方向浆液扩散极其困难，因此浆液扩散各向差异性较大。通过单孔注浆量和对应孔出水量对比可以看出，单孔注浆量和出水量有较为明显的对应关系，出水量大的孔地层吸浆较大，出水量小的孔吸浆量较小，说明对该段地层注浆主要是以封堵地下出水裂隙为主。个别孔出水量虽然比较小，但注浆量仍然较大，表现出局部地层比较破碎，
21、地层孔隙率较大，这与钻孔注浆施工过程中钻孔揭示地质情况一致5。7/9（2）检查孔法 检查孔观察法：按“全覆盖、有重点、无盲区”的原则，重点对钻孔注浆施工过程中可能出现的薄弱环节进行钻孔检查，检查孔数量按注浆孔总数的 10%控制。检查孔在施钻过程中，无卡钻、涌泥、涌砂现象，成孔性较好，但个别检查孔单孔出水量大于 0.2L/minm 的评定标准，不过基本都在2.0L/minm 以内，且在后续对检查孔进行注浆封堵时，地层吸浆量较小，说明经过注浆加固后，地层密实度得到很大提高6。检查孔取芯法。从取芯的情况看，芯样大多成短柱状，可明显看到被浆液充填的裂隙及已经被浆液固结的破碎岩体，浆液充填饱满，加固效果
22、明显。如图 6 所示。图 6 注浆加固体取芯照片（DK365+333DK365+313 段）(Fig.6 the photos of Reinforced solid core by grouting（DK365+333DK365+313section）)（3）孔内摄像 从孔内摄像可以明显看出，前方破碎岩层以及裂隙被浆脉充填，除局部存在缩孔外，大部分区段孔壁顺滑，未见明显坍孔，自稳能力较强。如图 7 所示。图 7 孔内摄像图片 8/9(Fig.7 the photos taken in the hole)3.结论与体会（1）在隧道施工过程中，对高压富水段进行全断面超前帷幕注浆是行之有效的，也是
23、必须的。（2）注浆截水帷幕施工质量的好坏与注浆施工工艺、注浆参数、注浆材料、机械设备等有很大关系7。在注浆施工过程中，只有不断深入研究并解决好各自间相互影响的因素，才能提高注浆截水帷幕的质量。注浆段长：采用前进式分段注浆时，注浆段长度的选取一定要适当，如注浆段过长，一是在注浆过程中，孔越深，浆液到孔底时，压力损失较大，很难保证孔底的注浆效果；二是在钻孔过程中，一方面对钻机性能要求增高，另一方面还大大的增加了重复扫孔的工作量；如注浆段过段，又涉及到工序频繁转换的问题，不利于施工的开展。根据目前的国内机械设备及施工水平，建议注浆段长在 2330m较为适宜。注浆分段长度：采用前进式分段注浆时，对破碎
24、且局部裂隙较大或水量较大地段，一定要严格控制分段长度，以确保浆液在地层中的均匀扩散，如分段长度过长，则对一些细小缝隙很难达到加固效果，但在某一区域，这种细小缝隙达到一定量时，在高水压的作用下，加固圈很容易被击穿。而对于局部围岩相对完整且水量较小地段，则应适当加大分段长度，以减少重复扫孔的数量，加快施工进度。注浆材料：在现场注浆施工过程中，要灵活地根据不同地层，不同水量、水压，注浆的不同时间段，合理的调整注浆材料和匹配浆液配比，即要保证浆液的充分扩散，又要限制浆液扩散过远。一般来说，在围岩破碎，孔隙较大地段，宜采用普通水泥单液浆、普通水泥水玻璃双液浆；在砂层或孔隙较小地段，宜选用超细水泥单液浆、
25、超细水泥水玻璃双液浆、TGRM 浆或 HSC 浆等；当水量较大时，宜采用普通水泥单液浆、普通水泥水玻璃双液浆、超细水泥单液浆、超细水泥水玻璃双液浆、TGRM浆或 HSC 浆中两种或两种以上材料的综合注浆材料体系；当水量较大且水压较高时，还应对浆液的结石率和浆液结石体的抗压强度有要求。注浆速度：应根据不同地层的吸浆率合理调整注浆速度，对裂隙较大地段，注浆速度相应放大，裂隙较小地段，如压断层，则注浆速度要相应放缓，以防速度过快，造成压力升高过快的假象。（3）注浆效果评定应结合工程水文地质及现场施工情况，采取多种方法，综合进行分析。F11 断层在效果评定时，虽个别检查孔单孔出水量大于 0.2L/mi
26、nm 的评定标准，考虑到压性断层岩层破碎但连通性差的特性，如强制达到该标准，势必会大大的增加注浆成本和延长工期。结合 P-Q-t 曲线、钻孔出水量及注浆量情况，检查孔芯样及孔内摄像情况综合进行分析，认为在大管棚超前支护的情况下，可以进行开挖，但建议开挖过程中，在周边施作 5m 超前探孔，对前方地层及水的分布情况进行探测，避免突发涌水。采取上下台阶法进行施工，开挖时应采取非爆破或弱爆破，且进尺控制在 0.5m，开挖完成后应初支要及早封闭成环，并加强施工监测，做好信息化施工。9/9 参考文献：References:1 X 民庆，彭峰.地下工程注浆技术M.：地质，2008.ZHANG Min-qin
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30、hang Mei,Zhang Min-qing,Sun Guo-qing,Technology for Treating Burst Port of Filling Solution Cavity with High-pressure and Rich Water of Yesanguan Tunnel on Yichang-Wanzhou RailwayJ.Journal of Railway Engineering Society,2010(3):81-86 作者简介：卢炜，1977 年出生，男，汉，高级工程师；汪玉华，1977 年出生，男，汉，高级工程师。联系：1 ，：lwcrecg.通信地址：市海淀区复兴路 69 号 9 号楼中国中铁大厦 B 座 502 邮政编码：100039