赣深高铁龙南隧道大型富水断层破碎带施工技术文档格式.docx
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1.2设计概况
DK99+380~+500段和DK99+620~+660段为断层影响带(Ⅴ级围岩),采用3m加固范围超前预注浆加固围岩堵水、φ50mm双层小导管超前注浆预支护、三台阶临时仰拱法施工。
DK99+500~+620段采用8m加固范围超前预注浆加固围岩堵水、φ89mm洞身长管棚+φ42mm小导管超前注浆预支护、六步CD法施工。
Ⅵ级围岩采用Ⅵ级复合式衬砌,隧道支护结构见图3,二次衬砌抗水压能力达0.7MPa。
图3龙南隧道支护结构横断面(单位:
cm)
Fig.3Cross-sectionofsupportstructureofLongnanTunnel(unit:
2施工中遇到的技术难题
2019年5月11日,掌子面施工至里程DK99+421时,右侧仰拱出现溜坍,高度2~3m,宽度约4m,纵向长2m。
2019年5月12日凌晨,掌子面右侧拱部再次溜坍,高度增加至4m,宽度增加至6m。
2019年7月28日晚,掌子面施工至DK99+435时,现场实际揭示围岩为泥盆系老虎坳组(D21)砂岩,褐黄色,全风化夹强风化,呈土夹碎块石状,结构松散,自稳性较差。
现场拱架安装时,掌子面拱部出现溜坍,纵向长度约3.5m,高度约4m,环向溜坍范围为8m。
溜坍体为全风化岩体夹碎石,岩体破碎,地下水较发育,洞内涌水量约为67m3/h。
造成溜坍、涌水的主要因素有以下3方面:
1)DK99+421区域已经进入断层影响带,岩体破碎,结构松散,自稳能力极差;
2)隧址地表山坡及山间谷地溪流发育,地下水发育,隧道爆破开挖的扰动造成构造附近地下水涌出;
3)现场施工中,未查明隧道前方地质情况,隧道提前进入断层核心区域。
由于无法准确预判隧道前方富水及断裂构造,极大地增加了隧道溜坍、突水突泥的风险,因此亟需开展综合地质预报、地表抽水试验来确定合理的隧道排水、加固方案。
3地质预报
3.1地震波反射TSP探测
采用TSP探测掌子面(DK99+429.6)前方的地质情况,査明DK99+429.6~+549.6段构造断裂、软弱夹层等的分布位置,地下水状况,构造裂隙填充物及其性质。
DK99+429.6~+500段纵横波波速整体变化不大,纵横波速比、泊松比变化起伏较大,由此推测该里程段围岩岩体与掌子面基本一致,岩体破碎,节理裂隙发育,裂隙水较发育[11]。
DK99+500~+549.6段纵波波速下降,横波波速呈平稳趋势,纵横波速比、泊松比变化起伏较大,且存在较多负反射界面,由此推测该里程段围岩整体稳定性变差,岩体极破碎,节理裂隙发育,裂隙水发育。
3.2地质雷达
为进一步查明隧道掌子面前方的构造断裂、软弱夹层等的分布位置,地下水状况,构造裂隙填充物及其性质,在DK99+433.2~+463.2(长度30m)段开展地质雷达探测。
现场测试4条线,测线布置如图4所示。
现场数据采集采用点测方法,测量时窗选取613.5ns,采样频率1069.4MHz,每道采样点数656点,道间距0.1m。
图4雷达测线布置示意图(单位:
m)
Fig.4Layoutdiagramofradarmonitoringline(unit:
地质雷达探测处理结果如图5所示。
由图可知,雷达波振幅加强,频率变低,散射波特征明显。
结合掌子面现场开挖情况和勘测资料综合分析,围岩与掌子面围岩基本一致。
围岩受外部挤压切割成大小不一的块状体结构,节理发育,含水量较大,掉块较严重,自稳能力较差,施工中需及时做好支护及防排水。
(a)测线1(b)测线2(c)测线3(d)测线4
图5地质雷达探测处理结果
Fig.5Detectionresultsofgeologicalradar
3.3超前钻孔
2019年8月4日,沿DK99+435掌子面采取2孔超前地质钻孔,探孔里程DK99+435~+465,钻孔速度缓慢,偶有卡钻,孔内渗水。
判断前方30m地质情况为:
1)0~6m为变质砂岩加泥岩,褐黄色,强风化,岩体极破碎,裂隙水发育;
2)6~22m为变质砂岩加泥岩,褐黄色,全风化-强风化,岩体极破碎,裂隙水发育。
2019年8月24日,沿DK99+435掌子面增加1孔超前水平钻孔,设计长度30m。
孔内揭示为砂岩(褐黄色),全风化、局部夹强风化层,岩芯呈黏土夹碎块石状,岩体挤压痕迹明显,节理裂隙发育,地下水发育,推测为断层破碎带。
根据掌子面地质情况,结合超前地质预报成果资料综合判定,隧道已进入F8断层核心区,围岩级别为Ⅵ级。
4地表抽水试验
现场在地表施工了6个φ200mm的水井进行抽水试验,水井布置在隧道主体结构外侧,中心距离结构外侧不小于5.45m,纵向水平间距为10m,如图6所示。
抽水试验自2019年5月6日开始,5月10日结束,历时5d,完成JK10-2、JK11、JK12、JK21-2、JK22-2和JK236口水井的抽水试验。
抽水观测记录如表1所示。
图6F8抽水试验井平面布置图(单位:
Fig.6LayoutplanofpumpingtestwellinfaultF8(unit:
表1抽水观测记录及计算数据
Table1Pumpingobservationrecordandcalculationdata
由表1可知,单井出水量为4.6219~37.4717m3/h,涌水量大小存在差异,反映了场区范围内岩体存在不均匀风化。
由于每口抽水井对其他观测井造成的干扰和影响均较小(观测井降深较小),因此,各试验井渗透系数的计算采用1个中心井(单井)潜水非完整井抽水试验公式,抽水影响半径的计算采用吉哈尔特经验公式。
渗透系数
(1)
式中:
K为渗透系数,m/d;
Q为涌水量,m3/d;
Sw为试验井内水位降深,m;
rw为抽水井半径,m;
H1为承压含水层厚度,m;
R为抽水影响半径,m。
抽水影响半径
(2)
各试验井渗透系数和影响半径通过Maple软件编程并输入相关参数,计算得出渗透系数的取值范围为0.3097~2.8032m/d,抽水影响半径R的取值范围为247.59~763.31m。
结合以上情况分析得出,F8断层内地下水具有承压性,地层渗透性系数小,水力联系不明显,多呈脉状水存在,施工中易遇到静态水突然释放现象。
F8断层洞身范围内采取地表集中井点降水施工方案,降水效果不佳,建议选择排水降压方案。
5穿越富断层区的施工技术
按照"
分水降压、内堵外固、支护结构加强"
的综合措施处理F8断层[14]。
采取迂回导坑(兼作排水洞)、洞内帷幕注浆、地表深孔注浆、洞身管棚等施工措施穿越F8断层施工区域,如图7所示。
图7穿越断层区的加固方案
Fig.7Reinforcementplanforfaultcrossingsection
暂停DK99+435掌子面的掘进,根据不同埋深分别采取地表深孔注浆及洞内帷幕注浆加固岩体、堵水。
同时考虑洞身水压,在已施工初期支护段落左侧选取Ⅴ级围岩作为迂回导坑进洞位置,并在注浆加固的同时进行施工。
注浆加固措施完成后,采取钻孔取芯、孔内成像等手段综合判断注浆效果。
5.1分水降压
隧道处于F8强富水区破碎断层带,极易发生突泥涌水,因此提出在临近隧道处设置"
迂回导坑+排水洞"
进行分水降压,达到排水降压的目的。
5.1.1迂回导坑
由于节理裂隙发育极不规律、地层结构不均一,井点的抽水影响半径大多不具重叠性,因此该方法对F8场区隧道洞身范围内的降水效果不佳。
为进一步探明F8层地质条件,有效排除F8断层地下水,在隧道正洞DK99+400~+640断层段左侧设置了1处迂回导坑,与正洞大里程方向夹角为60°
,与正洞左线线间距25m,长262.42m,迂回导坑设人字坡。
迂回导坑进洞前,根据角度、正洞半径等综合设计进洞方案;
进洞后,严格按设计施工管棚、超前小导管等,采用上下台阶法施工掘进,台阶长度控制在5~8m,下台阶与底板同时开挖。
为避免施工干扰,降低施工风险,迂回导坑开挖掘进不能与正洞处于同一里程,宜超前正洞施工10m左右。
5.1.2排水洞
迂回导坑初期支护完成后,在轮廊线左侧打设φ108mm的排水孔,孔深6m,纵向间距5m;
轮廓线右侧打设φ108mm的排水孔,孔深至正洞注浆轮廓线外5~8m,纵向间距5m。
施工过程中,可根据物探结果及地下水发育情况适当加密排水孔,进一步降低正洞掌子面水压。
排水孔直径为110mm,孔口安装3m长φ108mm(壁厚9mm)的孔口管。
孔口均安装法兰盘,部分排水孔口安装水压力表,达到可控排放的目的。
运营期间迂回导坑排水孔作为永久排水措施保留,导坑内靠正洞侧分别设1处5m×
2.5m×
2.0m(宽×
长×
深)的沉淀池,应保证施工及运营期间排水洞水流通畅。
5.2地层超前预加固
5.2.1洞内超前预注浆加固
对于埋深大于70m的地层,8m加固范围采取超前帷幕注浆措施,施工范围为DK99+435~+540。
按4个循环组织施工[15]:
第1循环施工2m厚C20止浆墙,注浆长度28m,开挖25m;
第2-4循环,注浆长度为28m,预留5m止浆岩盘作为止浆墙,注浆参数如表2所示。
每个循环注浆完成后应进行注浆效果评定。
表2超前帷幕注浆参数
Table2Parametersofadvancedcurtaingrouting
5.2.2地表深孔注浆加固
隧道DK99+540~+630段,地表埋深小于70m,进行地表定向大口径(φ130mm)深孔注浆。
针对洞身拱墙开挖轮廓线8m以外、仰拱基底5m以下岩体固结问题,须改善围岩物理力学性能。
对加固区域四周采用普通水泥-水玻璃双液浆进行间隔跳孔注浆,以形成周边止浆帷幕,减少加固范围内浆液流失。
待周边帷幕成型后,中间孔采用早强硫铝酸盐水泥单液浆进行加固,采用袖阀管分段后退式注浆施工工艺,先外后内,间隔跳孔注浆,具体注浆参数如表3所示。
表3地表深孔注浆参数
Table3Groutingparametersofsurfacedeephole
5.2.3注浆效果评定
5.2.3.1
p-Q-t曲线
2019年9月28日,监理单位组织对龙南隧道DK99+435~+463段8m加固范围的超前预注浆效果进行评定。
注浆过程中,根据现场典型试验孔的注浆压力(p)、流量(Q)、注浆时间(t)数据进行总结,并描绘三者之间的曲线关系,如图8所示。
图8典型试验孔p-Q-t曲线图
Fig.8
p-Q-t
curvesoftypicaltesthole
由图8中可知,p-t曲线显示注浆压力随时间逐步上升,60min后基本达到5.65MPa(终压4~6MPa)左右的平稳状态。
Q-t曲线显示流量随时间不断下降,在第75min左右基本保持在4.6L/min(控制在5L/min范围以内),满足设计要求。
5.2.3.2检查孔取芯
现场对注浆后的围岩进行取芯,显示围岩裂隙被浆液充填或挤压密实,固结良好,原先注浆前无法取出岩芯的部位,已经能够取出柱状固结物,且有明显的浆脉,取芯率为85%,注浆固结效果良好。
注浆前后取芯效果见图9。
(a)注浆前
(b)注浆后
图9注浆前后取芯对比
Fig.9Comparisonofcoringbeforeandaftergrouting
5.2.3.3检查孔注水试验
按照设计要求,对固结岩体进行注水试验。
先将孔内注满水(注浆孔长度为25m),然后将注浆压力控制在1.0MPa。
采用专用的自动记录设备对单位时间内的围岩注水量进行记录,吸水量分别为0.3、0.4L/(min·
m),均<
2L/(min·
m),满足设计要求。
5.2.3.4孔内成像
采用专业的孔内成像设备,对注浆后的岩体进行孔内摄像。
如图10所示,孔内成像显示检测孔内未出现塌孔现象,围岩裂隙中有明显的液浆充填痕迹,孔内无流泥、无坍孔,成孔好。
图10孔内成像
Fig.10In-holeimaging
钻孔情况、渣样检查、注水试验以及孔内成像等表明本循环注浆加固堵水达到预期效果。
5.3开挖
经过超前预注浆和地表深孔注浆,围岩加固效果良好,如图11所示。
断层核心段开挖施工由原来的六步CD法变更为三台阶临时仰拱法。
图11掌子面围岩注浆加固前后对比
Fig.11Comparisonofsurroundingrockbeforeandaftergroutingreinforcement
5.4支护结构加强
断层核心段超前支护采用拱部140°
范围φ89mm长管棚预支护,管棚每循环纵向长15m,两环间搭接3m,采用钢花管和钢管间隔布置,每根长15m,环向间距0.4m。
断层段围岩级别为Ⅵ级,初期支护全环采用HW175型钢加强支护,间距0.5m/榀,衬砌类型采用Ⅵ级围岩型复合式衬砌。
5.5防排水
二次衬砌防水按照GB50108《地下工程防水技术规范》一级标准设计,混凝土抗渗等级不低于P12。
环向施工缝采用背贴式自粘橡胶止水带+中埋式自粘橡胶止水带,纵向施工缝采用中埋式钢边自粘橡胶止水带+混凝土界面剂。
拱墙仰拱初期支护与二次衬砌设置纵、环向可维护塑纤排水滤管,仰拱采用φ50mm单臂打孔波纹管。
拱墙(仰拱)衬砌采用80cm(或90cm)厚C35钢筋混凝土。
5.6监测及防灾预警
5.6.1监测
图12示出龙南隧道距隧道开挖面(DK99+588)100m范围的累计沉降收敛变形情况。
由图12可知,隧道最大累计沉降量为31.75mm,最大累计收敛为36.36mm,均满足正常施工要求。
图12隧道断层区域累计沉降及收敛变形图
Fig.12Accumulatedsettlementandconvergentdeformationoftunnelfaultarea
根据F8断层实际情况,该区段应补充水压力、围岩压力等监测,以便更深入地掌握围岩的稳定状态及锚喷支护效果,更好地指导未开挖区的设计与施工。
5.6.2反坡排水
因进口方向尚未贯通,在2#斜井大里程端采用二级泵站组织反坡排水。
第1级采用移动泵站,设置于仰拱积水坑,配置5台(备用5台)功率为4kW、扬程为5m、流量为100m3/h的移动污水泵,将掌子面涌水抽排至变坡点位置,然后通过中心水沟顺坡排放至斜井喇叭口固定泵站蓄水池内。
第2级泵站采用固定泵站,设置于斜井喇叭口蓄水池,配置3台(备用3台)功率为132kW、扬程为210m、流量为155m3/h的固定水泵。
5.6.3防灾预警
F8断层可能发生突泥涌水,现场设置防灾预警系统,在掌子面附近安装洞内监控系统,由专人进行实时监控。
正洞或辅助导坑应设置声光报警装置,工作面设置具备声、光提示功能的电话机,构成以洞口值班室为中心的应急通信系统。
6结论与建议
本文依托赣深高铁龙南隧道F8富水断层施工,通过开展综合地质预报,研究不同埋深的注浆加固方法、效果以及防灾预警,得到以下结论。
1)加强综合超前地质预测预报工作,建议对断层的规模、富水程度及充填物特征等地质情况进行超前综合判断,精准判定断层破碎带影响范围,降低突涌水风险。
2)通过分水降压,并针对不同埋深进行超前预注浆和深孔注浆加固,做好注浆效果评定,加强超前支护措施,以安全顺利通过区域性断层破碎带。
3)富水断层突水风险极大,应按环水保的要求做好防排水设计,并设置声光报警、应急通讯和洞内监测等防灾预警系统,以防突发事件。
4)针对富水断层突水涌泥的风险,建议进一步研究高压富水隧道的机械化工装,以提高机械带水作业效率及其耐久性。
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