隧道富水断层带深孔超前预注浆全封闭固结止水工法

隧道富水断层带深孔超前预注浆全封闭固结止水工法

（TLEJGF-92-28） 一、前言

隧道及地下工程的富水断层带,由于围岩软弱破碎,稳定性差,加之水的影响,采用一般的方法,施工极其困难,作业不

安全,掘进速度慢,工程质量难以保证。在这种不良地质地段施工,采用深孔超前预注双液浆全封闭固结止水技术,是一种安全可靠的有效方法。

本工法是在辽宁省本溪一田师府铁路改线段的八盘岭单线铁路隧道穿越250m富水断层破碎带科学试验与施工实

践的基础上形成的。该断层破碎带内构造裂隙水、节理裂隙水和石灰岩溶蚀裂隙水富集,水量丰富,地表水与地下水连通。

隧道地表附近还有许多村落和工矿企业,要依靠地表出露的几眼泉水提供生活和工业用水,不能因为施工造成水的流失

导致搬迁和破坏生态环境。为此,建设单位明确提出“要保护水源,不准打漏\"。为了达到既保护水源,又加快施工的目的,

第十九工程局与铁道建筑研究设计院组成联合攻关组,开发了深孔超前预注水泥一水玻璃双液浆全封闭固结止水新技术,顺利通过了250m富水

断层带。本项施工新技术,获1991年中国铁道建筑总公司科技进步一等奖。注浆QC小组被评为1992年度国家级优秀QC小组。溪田铁路验收时,该隧道被评为优质工程。

二、工法特点

本工法与周边浅眼预注浆相比,有以下几个特点:

1.工作面和周边围岩均布孔,进行全断面全封闭深孔注浆固结止水,在隧道开挖断面周边能形成一定厚度的堵水帷幕,对于水源保护要求高、以堵为主的隧道和地下工程尤为合适。

2.注浆孔深度大,注浆段长度20m左右,可减少注浆与开挖工序的频繁倒换和作业循

环次数,故能加快进度。

3.采用灵活机动、高效的瑞典液压钻孔台车钻孔、下注浆管,移位、对位方便,钻孔、下管快,作业效率高。凡有液压钻孔台车的工点,不必另配其他的钻孔设备,能发挥一机多用的效果。

三、基本原理和适用范围

（一）基本原理

对于地质复杂的富水断层破碎带,水源保护要求很高。为了防止开挖面涌水,除了沿隧道开挖轮廓线（含底部)按轴

向辐射状布孔外,在开挖面中心,也布孔注浆。注入按一定比例配制而成的水泥一水玻璃双液浆后,浆液渗透扩散到破碎

带的孔隙中并快速凝固,与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体,在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕(加固）,切断地下水流通路,以此达到固结止水、保持围岩稳定、增强施工安全的目的。

(二)适用范围

本工法适用于铁路、公路、水工隧道及其他地下工程的富水断层带和软弱围岩施工,也用于隧道及其他地下工程塌方的处理整治。对于要求保护水资源、防止施工时地下水流失,以及严格控制地表下沉的工程尤为适用。

四、施工工艺和作业要点

(一)施工程序

施工程序见图1。

〈二〉超前地质预报对于构造复杂、水量丰富的大断层带,必须准确预报工作面前方20-25m范围的工程地质和水

文地质情况,以便为制定施工方案和确定注浆参数提供依据,因此,钻孔作业前必须把超前地质预报作为一个工序纳入施工过程。

1.钻孔方法:利用液压钻孔台车施钻深孔,一般在拱顶、起拱线和隧道中下部位各钻一￠76孔,孔深超出注浆段5m左右。

2.预报内容:预测工作面前方注浆段长范围的地质构造和岩性、地下水出露位置和水量大小,以及断层围岩变化情况等。

3.预报方法:采用钻眼排碴取样分析,记录钻速、水质水量变化情况以及开挖后的岩面观测素描,综合判断预报前方水文、地质条件。

(三)钻孔作业

1.布孔:台车就位固定后,由测量工站在台车臂托篮上,用红油漆在掌子面上按设计准确画出钻孔位置,标注编号。

2.钻孔

(1)施钻时台车大臂必须顶紧在掌子面上,以防止过大颤动而影响施钻精度。

〈2)钻机开孔时钻速宜低,钻深20cm后转入正常钻速。

〈3)第一根钻杆钻完后,凿岩机与钻杆脱 离,使用联接套接第二根,依次接杆直至钻到设〈4)钻孔深度达到设计要求后,凿岩机后退带出钻杆,人工用卡钳或大扳手卡紧前杆,凿 下钻杆,按同样方法依次拆卸钻杆退出孔外。

计深度。

岩机反转,松开连接套卸

3.开孔孔径及深度:注浆孔用五岁102钻头开孔,孔内放置长3~6m的φ89钢管(或橡胶止浆 清碴时用￠76钻头。注浆段长度20m,各孔角度和孔深见表1和图4。

塞管)做孔口管,掏孔

4.钻孔深度控制:台车大臂按设计布孔位置点对正,用简易垂球量角器测钻杆仰角,调整 安装导向指示器,控制钻孔偏角。

至设计角度,并在钻杆上

5.台车钻孔工作参数:凿岩台车钻孔作业的推进压力2.5-4.0MPa,回转压5.0-6.0MPa,冲 击压力19-20MPa。

(四)注浆作业

1.注浆材料(1)水泥:选用425号以上的普通硅酸盐水泥,质量应符合《硅酸盐水泥、普通 标》(GB178一85)标准。

硅酸盐水泥的各项指

(2)水玻璃:选用出厂浓度42-45Be,比重1.42-1.45,模数2.4-2.8的水玻璃原液。

(3)拌合水:水质应符合《铁路混凝土及砌石工程施工规范》(TBJ210一86)中第2.4.1条 2.配比控制

水灰比(W/C)为0.8;水玻璃稀释浓度为25-35Be；双液体积比(C/S）为1:0.5-0.7。

3.凝胶与凝结时间控制为满足浆液扩散半径的要求,采用的凝结时间为:一般地段为3分 钟。

双液浆的凝胶时间不同于凝结时间。凝胶时间较短,是指由流动状态变为不流动状态的 体开始失去可塑性的时间。

施工控制分三种情况:

〈1)水灰比固定,水玻璃浓度不变,变换双浆比例。当水玻璃溶液所占比例由小到大,

凝胶时间则由长到短,初、终凝由慢到,快。

(2)水玻璃浓度不变,双液比例固定,变换水灰比。当水灰比由小到大,凝胶时间由

短到长,初、终凝由,快到慢。

的各项规定。

钟,富水地段为1-2分

过程。凝结是水泥浆

〈3)水灰比不变,双液比固定,变换水玻璃浓度。当水玻璃浓度由高到低,凝胶时间

由短到长,初、终凝由,快到慢。

4.作业面布置

为保证施工安全,对于富水断层破碎段,一般采取衬砌紧跟的施工方法。由于作业净空受到限 移动式。为减少管路安装工作量和干扰,以及管路损失,后部输浆管采用硬管 与混合器相连。作业面布置见图2。

制,故注浆站采取

并固定于隧道两侧,前部采用高压胶管

5、注浆连接注浆管路后,用注浆泵先压水检查管路是否漏水,设备状态是否正常,尔后再 岩石裂隙,扩大浆液通路,增加浆液冲塞的密实性,核实岩石的渗透性。对于 再压CS双液浆。标定注浆泵上电接触点压力表的最大压 量。

做压水试验,以冲洗

富水断层破碎带清孔后,先压水泥浆液,

力指标,泵压后观察压力变化及水泥浆和水玻璃的消耗数

记录注浆时间和注浆量。注浆达到标准后,打开三通混合器的减压阀排浆,卸下混合器换 注另一孔。注浆结束

后,拆卸各注浆器件,全部清洗干净,并对注浆泵进行检查保养。

6、作业方式注浆方式采用前进式或全孔一次压入式。钻孔过程中未涌水的,就一钻到 在钻孔过程中,如发现有水,即停止钻孔,采取注一段钻一段的前进式

底,全孔一次压入式注浆;

注桨,直至达到设计段长位置。

在水压、水量较大的情况下,还可采用分层泄水减压、分层注浆方式。即下层管注浆,中 层管放水;中层管注浆,上层管放水,这样逐层抬水把水排挤到拱顶以上规定的止水固结圈以

外。

注浆顺序为由下而上,由里向外。

7.注浆参数(1)注浆压力及单孔扩散半径:注浆压力一般;但地卡水静水压力的2-3倍,考 虑到岩层裂隙阻力,该隧道富水断层带初始压力3MPa,终压4-5MPa。单孔浆液扩散半径4m。 度取80-100L/min。钻孔出水量

(2)注浆速度:钻孔出水量>50L/min时,注浆速

=0-50L/min时,注浆速度取60-80L/min。

〈3〉注浆扩散范围:注浆有效范围为开挖轮廓线外4.Om(塌方段为5.Om)。

(4〉注浆量:一般按注浆范围内围岩体积的5%左右考虑,实注量由钻孔压水试验确定。

本隧道单孔注浆量V=11.8m3。

8.注浆中几个问题的处理

〈1)注浆时如遇窜浆或跑浆,采用间隔一孔或几孔注浆方式。

(2)注浆中,注浆量和注浆压力是两个关键参数。一般规律是:初始阶段压力较低,注

入量增大;正常阶段压力和注入量呈小的波浪式起伏状态,但总的比较平稳;压密注满阶段注入 量迅速递减而压力迅速升高;在注浆中根据设计注浆量和压力按照上述规律进行控制。

(3)对于塌体注浆,由于空隙率大,局部还有空洞,常遇到吃浆量很大而注浆压力上不去的 量为主,一般达到设计的注浆量后,稳压几分钟即可停止注浆。

情况。对此,以控制注浆

五、机具设备

（一)本工法所用机具设备(见表2)

(二)主要注浆配件1.制作注浆孔口管,管长3m、6m两种,管尾焊接联接套,联接套长 98mm,它的另一头带有梯形螺纹丝扣,也可用止浆塞做注浆管,止浆塞采用

56mm,内径90mm,外径

自制橡胶止浆塞。

2.羊角式注浆嘴套帽

注浆嘴套帽内口径螺纹能与孔口管尾外螺纹扣套接。帽头上钻两个孔,接成羊角式接头, 85mm,与三通混合器连接。

接头直径30mm、长

3.三通混合器三通混合器外形尺寸92mm×92mm×62mm,为逆止阀型,有4个孔,其中2个内 纹孔接注浆管的入口,有一内径为30mm螺纹孔为出浆口,一个减压排浆口。逆止阀 入羊角注浆嘴里。

径为28mm的螺

使双液混合后不能返流,直接流

4.注浆孔口管顶进联接套顶进联接套尺寸注浆嘴套帽相同,在帽上套焊一个纤尾套,接在 上。

钻孔台车的凿岩机

5.注浆管

￠25高压胶管长5m和10m,每一台注浆泵长短各配2根。￠25无缝钢管管路配长30-50m,水 各一条管路。

泥浆和水玻璃浆

钢管连接用钢制管节对接,高压胶管与钢管连接配件为快速接头或缩头锁接。

六、质量标准与检查

本工法除应执行《铁道隧道工程质量评定验收标准》(TBJ417一87)和《铁路隧道施工

规范》(TBJ204一86)等的有关规定外,根据富水破碎断层带施工特点,还应符合以下标准:

〈一)注浆质量标准

1.一次注浆段长度不大于20m;

2.注浆帷幕厚度不小于4.0m

3.堵水率不低于90%;

4.注浆结石体7天的单轴抗压强度不小于5MPa。

〈二)质量检查要求

1.注浆量要达到设计的80%,全部注浆孔要符合单孔注浆结束的标准;

2.钻孔检查,按设计检查孔的位置、角度钻探,注浆固结帷幕>4m,不合格时应补注;

3.取注浆结石体岩芯,取样试件7天抗压强度>5MPa;

4.检查孔每孔出水量在原钻孔出水量的10%以下;

5.开挖检查浆液渗透及固结状况;

6.认真做好注浆施工记录(注浆量及注浆压力变化〉,以便综合分析判断。

七、劳动组织及安全注意事项

(一〉劳动组织

深孔超前预注浆工序多,要求工序衔接紧凑,因此施工组织安排要合理,使各道工序协调作业工序为四大项:钻孔、运料、配料、注浆。

每班施工作业人员29人,劳动力组织见表3。

动作。

〈二)安全注意事项本工法除应执行《铁路隧道施工技术安全规则》(TBJ404一 取以下措施:

87)有关规定外,还应采

1.地质超前预报和监控量测应在施工中贯彻始终。

2.施工排水沟要及时疏排,严防积水。

3.针对富水断层破碎带深孔注浆固结止水施工的特点和要求,制定安全实施细 则。

4.加强全员安全意识教育,坚持安全第一的思想,不盲目追求进度,以防止塌方。 料,作为突水应急堵漏之用。

5.要配备少量聚胶醋材

6.注浆作业人员应戴口罩、眼镜和软手套,以防止水泥粉尘和水玻璃溶液对人体 造成伤害。

7.要有良好的照明条件。

八、经济效益和社会效益

以溪田线八盘岭隧道F6、F7断层破碎带(长度250m〉施工为例进行分析:

深孔注浆一次注浆段长20m,开挖长度16-17m,与8m注浆段长比较,减少2个注浆

循环,施工速度提高一倍,单口月注浆循环2次,月成洞26.5m,达到国内断层段隧道施工的 先进水平。

直接经济效益达148万元。固结止水帷幕厚度达4-5m,堵水率达94%-100%,围岩固 工安全度高,整个断层段施工无一人伤亡。

结强度为5.6MPa,施

改变了施工作业环境,减轻了工人劳动强度,工效高,质量好,使隧道比原计划提前 阁水库蓄水和旧线拆除能按时进行，受到了建设单位的好评。

3个月贯通，保证了观音

九、工程实例

本溪-田师府铁路改线工程的八盘岭隧道中,F6、F7两条大断层位于隧道纵深腹部,呈南北走向,属于区域性断裂主干

断层,洞身穿越断层的总长为250m(DK67十250-DK67十500)。由于受东西向主压应力的作用,F6和F7这两条压性逆断

层内褶皱和逆冲形迹丛生,岩体挤压破碎严重,多呈碎石状镶嵌结构,局部还有闪长玢岩等岩脉侵入。断层破碎带内构造

裂隙水、节理裂隙水和石灰岩溶蚀裂隙水富集,水量丰富,平均涌水量达1万m3/d。同时,由于地表水与地下水连通,而且

F6、F7在地貌上又为低谷带,两侧地表水向该段汇集,造成了地下水位高于线路设计标高137m,给施工造成很大困难。更

为棘手的是,附近有许多村落和工矿企业,其生活用水和工业用水均依赖分布于F6、F7低谷一带的三眼泉水。建设单位明确提出“要保护水源,不准打漏\以免因搬迁造成巨大的赔偿损失。

鉴于F6、F7断层破碎带长度大、水量多、地质差,又位于隧道中部,为了达到既保护水源，又加速进度的目的，址

九局和铁道建筑研究设计院等单位组成专题攻关小组，进行了认真的调查研究,确定采取全封闭深孔双液预注浆固结止水和大管棚施工方法。

根据超前地质钻探后的地质情况和出水量确定断面布孔数量及钻孔深度和外插角度。具体做法是:每一注浆段长为

20m,每个断面沿隧道开挖面布设注浆孔19个,其中,在隧道中心轴线水平布孔1个,拱部周边布孔7个,两边墙各3个,底边5

个。注浆质量检查孔4个(拱顶1个,左右拱脚各1个,底板1个)。钻孔角度,中部1#孔为水平方向,其余18个孔分别为上仰和下俯,各孔的外插角沿隧道的开挖方向呈轴射状(见图。。

1992年2月底,出口端施工接近F7断层,全封闭深孔注浆方案尚未开始实施,由于涌水引起大塌方,塌方段长12m,现

塌量近3000m3,塌穴高距隧顶40m,平均涌水量800m3/d左右。为此,采用了止浆墙深孔预注双浆全封闭固结止水辅以大管棚施工方案,塌体止水固结获得成功。注浆段经钻孔检查,在开挖轮廓线外形成了帷幕环,符合设计要求。堵水

率达94%-100%,仅用了两个月时间就顺利地通过塌方段。

八盘岭隧道250m富水断层破碎带的工程实践表明,全封闭深孔双液预注浆固结止水是成功的,不仅达到建设单位

提出的“保护水源、不准打漏\"的要求,而且施工安全,进度加快,使该段的工期比原计划缩短了3个月,单口月成洞26.5m。

同时还解决了深孔(20m)注浆的→系列技术和工艺问题,为今后只准堵水的地下工程的施工提供了新的经验,同有实用参考意义。