16岩溶隧道劈裂注浆固结流塑粘土和管棚支护开挖工法Word文件下载.docx

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对浆液材料性能要求不高，悬浊液型的水泥浆或水泥、水玻璃的双液浆，适用于流塑粘土。

它具有凝结时间可控，固化后强度高，稳定性较好，操作容易，料源广泛，价格较低，对环境一般不产生不利影响等特点。

管棚施工机具设备简单，价格低廉。

用国产钻孔机可钻直径80~300mm，深45m的水平钻孔，质量和精度能满足设计要求。

（7）按照设计要求，在注浆范围内的流塑粘土经过劈裂注浆，达到整体固结，力学性能符合标准。

按照设计要求管棚钻孔成型，并将钢管安设就位，误差在允许范围内，是劈裂注浆和管棚施工的关键技术。

二、适用范围

本工法可用于各种类型的山岭隧道和地下工程。

适用于本工法的地层为铁路Ⅰ、Ⅱ类软弱围岩的单、双线隧道、公路隧道以及地下铁道等。

劈裂注浆技术，也可单独应用于固结其它类别的软弱围岩，如岩溶流塑粘土、淤泥质土、粉砂、细砂以及其他渗透性弱的各类颗粒状土。

三、施工工艺及流程

（一）劈裂注浆（见图1）

（1）施工前准备：

地质调查，洞内外观测。

隧道衬砌结构与钻注设计。

注浆材料。

钻注机械。

（2）止浆岩盘或止浆墙：

一般较完整的灰岩预留5m岩层作止浆岩盘。

基岩破碎时需设置2m厚的混凝土止浆墙，墙身嵌入围岩0.3~0.5m。

（3）钻孔

1）埋孔口管，并安装球形闸阀，以防止与封闭钻孔中可能出现的突泥涌水。

2）钻机选用：

按地质条件、孔位、孔深选择钻机。

钻孔直径一般为直径108mm，后半部变径为直径89mm。

3）钻机定位与钻进：

钻孔定位开孔误差50mm，钻进中准确控制钻机立轴方向，确保全孔钻进方向（水平偏角），高差（仰俯角）符合要求，首先要保证孔口2m长度的方向准确。

4）扫孔钻孔：

注浆固结后的再次钻进，注意观测，以便调整注浆工艺与参数。

5）钻注顺序：

钻孔→遇岩溶突泥涌水，停钻注浆（停8h）→扫孔钻进，又遇突泥涌水，停钻注浆（停8h）→反复钻注至终孔。

（4）注水试验

1）成孔后先注水数分钟，注水量由小及大，测定吸水量，清洗裂隙。

2）投放连通试料，加水压注，做连通试验。

（5）注浆方法

双液注浆系统（见图2）

1）分段注浆法，根据钻孔的地质条件，可分别采用全孔一次注浆和前进式、后退式分段注浆方法。

遇岩溶发育，已经或有可能突泥涌水时，则采用前进式分段钻注，逐步往前推进，封堵突泥涌水。

2）同步注浆法采用一机多孔或多机多孔施行同步注浆，要求高度集中统一指挥，根据各种反馈信息，采取调控措施，提高注浆质量，加快工程进度。

3）钻注原则

①先外后内：

先从断面外侧，逐步向中间或内侧钻注。

②先疏后密：

每排孔采取间隔式钻注后，再补注中间的加密孔，逐步形成帷幕。

③外密内疏：

毛洞四周布孔较密，隧道断面内布孔少而疏。

④反复钻注：

注浆段各注浆孔均应根据进浆情况反复钻注，保证固结范围达到设计要求。

⑤开孔诱导：

注浆时在需要重点加固处设置通气诱导孔，诱导浆液至设计范围，并适时关闭诱导孔。

4）浆液类型

①水泥浆或水泥水玻璃双液，胶凝时间通过控制体积比调整，必要时可适当加添加剂调整。

②根据注浆设计和注水试验及洗孔情况、泵送能力、注浆过程中注浆压力及进浆情况确定单液或双液。

③为消除地下水质与气温、水泥的影响，应进行现场配比试验，调整胶凝时间。

（6）注浆参数及注浆终结

1）注浆有效范围及注浆段长度：

流塑粘土劈裂注浆有效扩散范围为4~6m，注浆段长为40cm。

2）注浆孔布置：

注浆孔向隧道毛洞（隧道衬砌外轮廓）呈幅射状布孔，终孔位置应钻至隧道毛洞外5m，按3m间距布孔。

实践中应按岩溶地质、注浆扩散与充填情况，随时调整孔距或增减钻孔数。

3）注浆量：

岩溶地质复杂，只能估算被固结的溶洞泥体积乘以注浆率来控制注浆量。

注浆量计算公式：

Q=Vλ

式中Q--注浆量（m3）

v--注浆土量（m3）

λ——注浆率（与孔隙比、压缩指数、注浆压力及注浆方法等相关）。

单孔注浆量不能采取定量注浆方式，即不能以设计总注浆量除以孔数的平均值控制。

原则上根据进浆情况，以充填好岩溶为度，应采取定压注浆方式控制注浆量，允许实际注浆量与设计注浆量有出入，遇岩溶发育溶洞较大时，注浆量相差更为悬殊。

4）注浆压力，注浆压力为高压，对流塑粘土能产生水力劈裂，又控制浆液扩散至设计范围内。

注浆初始压力为2~2.5MPa。

注浆终压；

隧道埋深及水头40~90m时，为4~5MPa。

执行注浆压力规定值时，可在规定值的上下限内调控。

5）注浆终结：

要求到达规定的注浆压力值，并稳压30min，若注浆段初始注浆孔或初始注浆面达不到规定压力值时，要求：

①注浆压力比注浆开始时大；

②单位时间的灌注量较开始时小；

③每孔的洗孔次数与每延米灌注量减少；

④钻孔注水试验不进水；

⑤孔口突泥涌水已被封堵；

⑥岩芯已由流塑粘土转变为固结。

（7）开挖与衬砌

1）注浆终结8h后，根据检查孔的固结土芯样试验，确定是否需施作长管棚或直接开挖。

2）一般采用分部开挖或半断面开挖方法。

3）及时采用喷锚支护与钢架支撑。

4）隧道衬砌采用先拱后墙法。

复合衬砌内层先墙后拱或连续灌法。

（二）长管棚（见图3）

1.开挖管棚工作室

（1）工作室应选择靠近岩溶、围岩稳定、距管棚设计位置地点，以缩短管棚长度，同时确保管棚嵌入完整围岩2m，在软弱围岩中开挖工作室，要加强支护，必要时作混凝土衬砌。

（2）为便于架设钻机，安设钢管，工作室应挖至隧道开挖线以外1~1.5m，最低钻孔以下1m。

（3）如工作室在起拱线以上半断面，一次开挖成型，净孔高，跨度大，工期长，不安全。

因此，宜分步开挖，分步施钻。

即先在两边拱脚分别开挖两个工作室Ⅰ，进行钻孔、安管、注浆之后，再开挖工作室Ⅱ（见图4）。

当开挖工作室Ⅱ时，可弃碴于两拱脚工作室Ⅰ，这样既减少开挖工作量，减少搭拆平台，又便于移动钻机，有利于钻孔作业。

2.搭设平台、安装钻机、测定孔位

（1）搭设钻机平台，钻机平台尽量一次搭好。

钻孔顺序，由高孔位向低孔位进行，可缩短移动钻机与搭设平台时间，使于钻机定位、定向。

（2）两台钻机可平行作业，互不干扰。

（3）安装钻机、钻进前，掌子面精确定孔位。

钻孔平台要稳固。

钻机安装要牢固。

钻机距掌子面，一般不超过2m。

（4）钻机定位要确保钻杆轴线与管棚设计轴线相吻合，钻孔方位要求与隧道中线平行。

同时考虑钻进后，钻杆逐渐增长，引起自重增加所产生的下垂，所以施工仰角要较设计值提高一定数值。

3.钻孔

（1）主要参数：

管棚长度一般为10~45m。

钢管直径一般在80~180mm之间选用。

钢管间距，净距一般为30~60cm。

（2）钻孔应比管棚设计直径大20~30mm，便于插管。

钻头则按氧焊法把6~8颗YG8钨钴合金钢粒焊在厚壁钢管上而成（见图5）。

（3）围岩注浆固结好或岩质较好可一次成孔，局部注浆效果不好的，钻进时可能产生坍孔、卡钻，则需补注浆后再钻进。

（4）钻进时遇未注浆之岩溶出现严重流泥或地质复杂带，不能钻进成孔时，一般应进行补注浆，待围岩固结后再钻进。

也可采用一步钻孔法，即不取岩芯，不回收钻头，用异型接头把钻杆与钢管连接起来，并在钢管前端安装合金钻头（如图6）钢管随进度一根一根连续接长，直到设计位置。

可获得一次成孔40m的效果。

（5）地质钻机成孔质量好，钻孔深度可达40m以上；

YQZ-100型重型风动钻机，适用于不超过15m的钻孔。

（6）钻机开孔时，要低速低压，待成孔1.0m后，压力可升至1.0MPa，遇软质围岩或流塑状粘土，改用低压钻进。

（7）钻孔测斜可用测斜仪量测，也可在钻进中，根据某些参数和钻孔反馈信息判断钻孔是否偏斜及调控措施。

4.安装管棚钢管

（1）根据设计，管径如采用80~180mm壁厚4mm以上碳素无缝钢管，每节管长4~6m。

每节钢管用8mm厚的管箍连接。

（2）15m左右一次成孔的短孔，可用人工将钢管直接插入钻孔。

（1）对20m左右成孔较好的钻孔，可用4.5kW卷扬机反压安装（如图7）。

（4）25m以上深孔，一般用钻机顶进，如遇故障，则需要清孔后，再将管插入。

（5）管节与管箍的丝扣应提前在专用管床上按规定加工。

5.安装管棚钢筋笼及管内外注浆。

管棚钢管安装好后，放置钢筋笼并注浆。

管内设置的钢筋笼，由四根长4m的螺纹钢筋

焊接在壁厚8mm、长8cm的管节上而成（见图8），钢筋直径、管节外径应根据管棚钢管直径大小而定。

钢筋笼在洞外提前预制，在工作面插入钢管时，将每节焊接起来，直至与钢管同长。

管内钢筋在隧道衬砌结构中是为了增加管棚刚度，钢筋接头可以不搭接。

在钢管钢筋笼安好后，进行注浆（钢管上预先钻成梅花形筛孔）。

可采用水泥浆或水玻璃双液压注，分二次进行，第一次对两个工作室1各个钻孔注浆；

第二次对工作室Ⅱ各个钻孔注浆（见图4）。

四、机械设备（见表1）

注XY-2型等地质钻机，可用ZY-100-150型钻机代替。

这种钻机装在钻孔注浆台车（铁五局研制）上效果更高。

五、劳力组合

注浆、管棚施工具有工序多、工种杂、技术性强的特点，要求工人一专多能，既具有隧道工、钳工、起重工、注浆工的独立操作能力，又具有钻工及处理一般故障的能力。

三班制一台钻机作业劳动力组合见表2。

三班制双液注浆劳动力组合见表3。

六、质量控制

本工法除执行《铁路隧道施工规范》（TBJ204-86）和《铁路隧道工程质量评定验收标准》（TBJ417-87）以及《铁路隧道新奥法指南》等有关规定外，其质量控制方法如下：

（一）劈裂注浆

（1）检查孔取样检查：

注塑粘土固结体抗压强度检测：

判断、评定芯样的浆脉分布状况及其固结质量。

（2）检查孔注水试验，注浆前后注水量对比。

（3）仪器检测：

检测浆脉、土体状态。

（4）开挖直观检测与抗压强度检测。

（5）注塑粘土固结体抗压强度要求0.2MPa或根据设计确定。

（6）对注浆过程中的异常现象，如跑浆、压力骤增骤减、围岩扰动、变形等及时分析处理。

（7）对注浆质量的评估是一项复杂而细致的工作，除有详实的记录与原始资料外，还要掌握岩溶地质、水文地质、流塑粘土特点，掌握隧道结构设计与注浆设计，对注浆参数，注浆工艺进行施工全过程有效的调控，并凭借实践经验，方可对注浆质量作出正确的评估（见图9）。

（二）长管棚

（1）有关钻孔的几顶规定

1）孔口应置开挖轮廓线边缘。

2）仰角1°

~1.5°

。

3）钻孔最大下沉量及左右偏移量为孔长1%左右，并应控制在20~30cm以内。

（2）管棚钢管不得侵入隧道开挖线内；

相邻的钢管不得相撞，也不得立交。

（3）管棚钻孔中应在开孔后2m处，孔深1/2处，终孔处三次进行斜度量测，发现误差超限，即改进钻孔工艺进行纠偏，至终孔仍超限时，则应封孔，原位重钻。

（4）钢管与管箍丝扣应上满，使各管节连成一体，受力后不致由连接处脱开。

（5）管棚钢管安装后进行注浆，注浆量一般按钻孔圆柱体的1.5倍，注浆压力一般应达到1.0~2.0MPa（压力值与筛管孔径有关）并稳压15min，若注浆量超限，仍未达规定压力，应继续注浆，但应调整浆液，直至符合注浆质量标准，方可终止注浆。

注浆质量标准，应是确保钻孔周壁岩体、钢管孔隙均为浆液充填，使管棚与围岩固结紧密，增强其整体性。

七、安全生产

本工法执行《铁路施工技术安全规则》（TBJ404-87），执行地质勘测钻孔有关安全规则，还应注意：

（1）对钻孔、管棚设备及施工操作，经常进行安全检查，洞内工作面窄小，施工人员多，应设置各种安全防护罩，电器部分应安装漏电保护器。

（2）每个钻孔都应视作补充地质探孔，并贯穿于施工全过程。

地质资料及时整理上报，为安全施工提供依据。

（3）钻孔作业抽换钻杆时，应防止钻杆被高压泥水冲出孔口伤人。

钻孔中发生大量突泥涌水时，应集中全力及时注浆封堵。

掌握好开孔与正常钻进的压力和速度。

防止断钻杆事故，钻孔中发生卡钻、掉钻、孔斜、坍孔等故障，要积极采取对策，尽快组织处理、抢修、打捞，防止人身事故，防止废孔与损伤钻机。

（4）加强统一指挥，在施工中发生异常情况时，听从机长指挥，及时处理，确保安全质量和工程进度。

（5）对注浆掌子面进行有效通风，操作人员应按劳动保护规定备防护口罩（带活性炭过滤器）、防护眼镜、橡胶或乳胶手套及专用袖套。

（6）眼睛、脸部或皮肤接触浆液时，应立即用清水或生理盐水彻底冲洗20min，严重者送医院治疗。

加强环境保护，对废液、冲洗废液的废水以及沾染有浆液的弃碴均应妥善处理。

（7）为保证劈裂注浆固结与管棚超前支护作用，隧道施工应注意：

1）弱爆破，短开挖，快支撑，快衬砌；

2）加强拱部下沉、围岩收敛变形与应力量测；

3）拱部开挖分段长度不宜超过1.5~3.0m，并应及时加钢架支撑和喷锚支护；

4）要重视管棚钻孔所形成的预裂面，防止管与管之间和管棚下围岩突然坠落伤人。

八、经济效益和社会效益

以南岭隧道DK1935+690~+745长55m全隧突泥涌水最严重的地段为例：

（1）采用劈裂注浆管棚法实际发生费用493.70万元，与冻结法比选方案的概算报价1142.35万元相比，节省648.65万元。

（2）在劈裂注浆管棚支护下，施工安全可靠，顺利地进行了开挖和衬砌。

（3）施工工期比冻结法缩短6个月，确保了南岭隧道施工工期和衡广复线通车的总工期。

（4）开创了隧道施工的先例，拓宽了注浆、管棚技术在隧道施工中的应用。

（5）本工法在某些岩溶、软弱围岩的地下工程、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞等工程中推广与应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

九、工程实例

南岭隧道DK1935+690~+745长55m，为全隧道地质复杂之冠。

该段管道大溶洞与隧道呈45°

交角，为张性断裂带古暗河道，溶洞水平长达85m，高约10~16m,宽度30m，隧道穿越容洞达40m，隧道埋深87m。

1984年6月11日至11月26日相继发生三次大突泥涌水，共涌出流塑粘土11738m3，淹没隧道最大长度177m，地表同时出现大陷坑，面积1583m2，最深陷入15.67m，经铁道部主持三次技术攻关会议，对冻结法、化学灌浆法、旋喷法、电渗法、劈裂注浆管棚法等方案进行比较研究，决定采用劈裂注浆管棚支护综合整治（见图10、11、12）。

管道状岩溶大突泥整治概况：

整治原则是分而治之、层层堵截、综合治理。

采用洞内外六个工作面劈裂注浆固结流塑粘土，隧道拱部长管棚超前支护。

其主要工程数量：

注浆工程为6336.81延米/180个钻孔。

压注水泥9895.12t，水玻璃1070.42t，经检查孔取样检测，注浆质量良好，拱部原设计55根管棚减半为28根，总长594.13m。

劈裂注浆和管棚施工的主要成果

（1）成功地对大溶洞流塑粘土进行劈裂注浆，使土体力学性能改变，含水率递减，大幅度提高流塑粘土的承载力，从而满足了强度，稳定性、耐久性的要求（见表4）。

（2）溶洞开挖裸露之后，实践验证了劈裂注浆的质量，流塑粘土注浆脱水之后固结土体自稳性良好。

全洞开挖施工和边墙挖孔桩基础最深达16m，均无任何涌水突泥现象。

在注浆固结与管棚支护下，开挖净空宽度达13.12m，经受爆破震动，土体仍稳定，复合衬砌施工较顺利。

（3）管棚超前支护，极大地约束了拱部围岩的变形，实例拱腰最大位移值4.46mm，拱顶下沉值为5mm，较用导坑实测变形结果反馈计算值小约50%，保证了施工安全。

成功地跨越了40m的管道型大溶洞和长40m左右的断裂岩溶极发育浅埋区。

管棚对稳定围岩、控制地表沉陷效果十分显著。

管棚钢管基本达到平、顺、直，没有发生平交、立交现象，也没有侵入、远离管棚设计轮廓线。

施工精度达到设计要求。

（4）在实践基础上，从理论上分析研讨了石灰岩岩溶充填流塑粘土劈裂注浆的机理，积累了有益的经验。

（5）本工法在南岭隧道其它岩溶地段，及虎形坳隧道改造、重庆中梁山公路隧道、广州白云山公路隧道、云南老青山引水隧洞等地下工程应用获得成功，取得明显的经济效益与社会效益。

执笔：

谭毓浚

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