厦门海底隧道风化深槽全断面帷幕注浆方案设计

第20卷　第2期石家庄铁道学院学报Vol.20　No.2 2007年6月JOURNAL OF SH I J I A ZHUANG RA I L WAY I N STITUTE Jun.2007

厦门海底隧道风化深槽全断面帷幕注浆方案设计

胡文涛

(中铁二十二局集团厦门翔安隧道项目部,福建厦门　361102)

摘要:厦门翔安海底隧道海底段穿越F1、F2、F3三处全强风化深槽和F4风化囊,风化深槽地段围岩破碎,岩体强度低,水压大,自稳能力差,在极端地质条件下存在发生渗透破坏的可能,施工风险极大。为确保隧道安全通顺利通过风化深槽、防止涌突水,对风化槽地段采用全断面帷幕注浆技术加固围岩,就全断面帷幕注浆技术参数确定、施工工艺和施工方法进行论述。

关键词:帷幕注浆;风化槽;注浆加固;海底隧道

中图分类号:T U94+3　文献标识码:A　文章编号:10063226(2007)02013005

1　概述

断层、海底风化槽及软弱地层常常是引起隧道坍方与失稳破坏的主要因素,处理不当常常会引起投资增加、工期延迟,危及人员与设备的安全,尤其是海底隧道,这种危害性会更大,甚至造成灾难性的后果。其一是可能产生高围压问题,对支护结构造成威胁;其二是通透性的突水涌泥问题。可以说,其中任何一种情况的发生都将预示着工程的巨大的损失或失败。海底隧道在处理断层及软弱地层时主要解决两个问题:一是如何加固地层,使其具有足够的承载能力以保持隧道的稳定性;二是如何防止海水通过断层及软弱带进入隧道,这需要充分利用调查导坑及地质预报系统进行详细探测,取得有关断层的力学性质、范围及水文条件等资料,运用辅助施工措施对断层进行加固及对地下水进行封堵后方可进行开挖[1]。

2　地质条件

厦门翔安海底隧道工程场区基岩以燕山早期第二次侵入的花岗闪长岩及中粗粒黑云母花岗岩为主,基岩按风化程度可分为全、强、弱、微四个风化带。主要不良地质包括隧道洞口段全强风化花岗岩层,海域F1、F2、F3三处全强风化深槽和F4风化囊。风化深槽及其影响带工程地质为:以W3强风化花岗岩为主,夹二长岩岩脉,两侧为弱风化花岗岩,围岩级别为Ⅳ～V级,主要组成为弱风化花岗闪长岩、强风化花岗闪长岩、强风化二长岩岩脉,其中强风化二长岩脉因高岭土矿物含量较高,具有弱膨胀潜势。

3　全断面超前帷幕注浆方案设计

3.1　方案设计

海底隧道位于海底水位以下,要穿越复杂的地层和断层破碎带、海底风化槽等不良地质体,而海底隧道对施工排水和永久防水要求较高。施工期间无法自然排水,地层涌水将会导致巷道被淹没,机具被损坏,人员受伤害等现象。对隧道开挖区域及周围围岩一定范围内地层进行注浆加固非常必要,采取全断面超前预注浆,在隧道开挖土体及周边围岩一定厚度范围内进行超前预注浆加固,形成止水帷幕以阻截地下水渗入,增强地层自稳能力,达到顺利开挖支护的目的。全断面注浆设计布置见图1。

3.2　参数确定

(1)注浆段长。既要考虑保证注浆质量,同时又要尽可能减少工序转换时间,利于加快施工速度,保障作业安全,根据钻注设备的能力、效率以及注浆有效范围等加以确定。一般注浆段长不要太长,实现短

收稿日期:20070518

作者简介:胡文涛　男　1972年出生　工程师

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图1　全断面超前预注浆设计(单位:c m)

段长,快循环,同时亦可减少塌孔卡钻等事故,提高钻孔利用率。以前国内深孔注浆钻孔由于受到钻孔机械性能的限制,多在20m以内,根据目前国内外钻孔机械发展情况,地质钻机钻进100～200m已经很轻松,但从注浆施工角度来说,钻进30～50m较为方便。根据经验,注浆范围与段长的关系为L=(3～5)D,其中,L为注浆段长,D为开挖轮廓线外注浆厚度。大瑶山隧道用小导管注浆,注浆段长6～8m,军都山用管棚注浆,注浆段长16m,圆梁山隧道深孔帷幕注浆钻孔长度30m,歌乐山隧道钻孔深度26～30m。南岭隧道DK1936+207处岩溶带注浆钻孔深度35～50m,可见国内隧道工程随着科技的发展钻孔深度越来越深,日本20世纪70年代在青函隧道帷幕注浆施工中就采用50m长的注浆深度[2]。翔安海底隧道全断面注浆可采用30m的注浆段长。

(2)注浆压力注浆压力是浆液在受注地层内运动受到的阻力,阻力来自于地下水的静水压力、裂隙壁的摩阻力、浆液本身粘着力和凝胶过程中的阻力及推动浆液前进的动力。所以说,它是每一孔及每一阶段一个变化值,从浆液流动来说,压力越大,扩散范围越大,注浆速度也高,从而可以减少钻孔数和提高作业效率,但是注浆压力过高可能会造成串浆和浆液扩散超过设计范围造成浪费。因此注浆压力既不能过大,也不能过小。根据多数工程实例,注浆压力取静水压力的2～3倍。即P=(2～3)P

,其中,P为注

0为渗透地下水压力。浆液在裂隙中的摩擦阻力受裂隙大小、延伸方向和其中存在的填充物有浆终压,P

关,同时取决于浆液的密度和粘度。综合上述各种因素,翔安隧道全断面帷幕注浆压力取值为:钻孔深度小于30m时为2～4MPa,钻孔深度大于30m时为:4～6MPa。

(3)浆液扩散半径。扩散半径是指单个注浆孔注浆时浆液在围岩中扩散的有效范围,一般对其的影响因素归纳为:浆液的浓度和凝胶时间、岩层裂隙大小、透水系数、注浆压力及压注时间等。对于具体地层,当浆液和注浆压力确定后,其有效扩散半径应该是一个稳定值。水泥系悬浊液浆液扩散半径R

=

e

γ

ghγe/2s+r,其中,γw为水的单位质量;h为注浆压力(或水头);γe为孔隙等效半径;s为注浆材料凝胶强w

度;r为注浆孔半径。高压深孔全断面注浆扩散半径设计考虑为2m,小导管及径向后注浆扩散半径设计为0.8～1m。

(4)注浆加固范围。注浆的目的就是通过注浆使隧道开挖轮廓线外一定厚度的围岩固结成一个封闭止水帷幕,防止地下水涌入开挖面而导致岩体失稳,同时形成一个承载结构,承载水压力和围岩压力,防止围岩松动破坏[3],保障施工安全。根据预注浆加固地层可以有效的改善围岩整体结构、调整原岩应力状态、制约围岩松动变形发展的作用机理[4],注浆有效范围根据涌水压力,围岩应力以及隧道几何特征和施工方法等,并考虑注浆与支护共同作用加以确定。注浆区域应根据围岩止水的有效范围进行计算,当为硬岩时,全断面预注浆一般加固范围为开挖毛洞半径的2～3倍,当为软岩时,全断面预注浆一般加固范围为开挖毛洞半径的3～5倍。根据地质情况及工程类比,同时根据地质情况和隧道围岩变形破坏规律,对注浆加固范围进行了有限元计算,计算结果显示,在海底隧道软岩部分,注浆加固范围在开挖轮廓线外5m隧道是安全的,硬岩地段注浆的目的是为了堵水。

(5)注浆孔布置。全断面帷幕注浆孔间距一般为注浆扩散半径的1.5～1.75倍,即L=(1.5～1.75)R,可根据注浆加固范围、注浆扩散半径均匀布置。厦门东通道海底隧道在潮间带、断层带、海底风化槽部位经全断面注浆及辅以超前小导管补充注浆,小导管沿开挖轮廓线周边布设。小导管为Ф42钢花

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管,长3.5m,环向间距0.4m,每循环加固3m,开挖2m。

(6)注浆速度。注浆速度根据地层渗透系数、注浆压力等因素经试验后确定,一般来说岩层裂隙带、砂砾石地层,注浆速度可为50～200L/m in,砂层为30～50L/m in。

4　注浆施工工艺

4.1　深孔注浆工艺

(1)施工准备。按设计在掌子面将钻孔位置放出,用红油漆标出注浆孔位置;在孔口管附近钻设2～3个固定锚杆孔;将钻具对准注浆孔孔口位置,调整钻机至钻孔方向和设计钻孔方向一致,固定钻机。

(2)开孔。钻机采用低压力、慢钻速Φ130钻头开孔,钻深2～3m,退出钻杆。

(3)孔口管安装。孔口管安装可采用锚杆固定和锚固剂固定法,在孔口管距法兰盘端部30c m、60c m 处缠绕棉纱两道,孔内放入环氧树脂锚固剂,将孔口管顶入孔内(锚固剂固定),或将孔口管顶入孔内,用锚杆固定。

(4)钻孔注浆。当采取后退式分段注浆工艺时,将钻孔钻至设计深度,后退5m,利用止浆塞止浆开始注浆,本段注浆结束后,再后退5m继续注浆,如此往复直至结束;当采取前进式分段注浆工艺时,通过孔口管钻进5m后,停止钻孔,进行注浆施工,之后再继续钻孔至10m,再注浆,如此循环下去,直至完成该孔的钻孔及注浆施工。施工中每次钻注段长为5m。若采取后退式分段注浆工艺时,可在钻孔完成后,下入注浆管,并在钻孔内安设一泄水管,用棉纱封堵袖阀管周围的钻孔空隙,然后开始注浆,当泄水管开始漏浆时,关闭泄水管,继续完成正常注浆施工。

4.2　钻孔注浆注意事项

①孔过程中,遇到钻出水量明显增加时,应停止钻进,尽量减少钻注施工过程中水量排出,安设注浆管注浆;②配制浆液应严格按照制浆要求按顺序投料,不得随意增减数量;水泥浆搅拌好放入储浆桶后,在吸浆过程中应不停搅动,防止浆液离析,影响配比参数;注浆泵吸浆头应用纱网包裹,防止大颗粒吸入卡在注浆泵的圆球与胶圈间造成吸浆能力减弱,并间隔一定时间提起吸浆头晃动,防止浆液堵塞吸浆头;

③注浆管路连接完毕后,先压水检查注浆管路的密闭性,各种连接必须连接牢固,防止高压下脱开伤人;注浆开始时,先打开进浆阀,再关闭泄浆阀,注浆结束时,先打开泄浆阀,再关闭进浆阀,待泄压后拆卸注浆管路;注浆过程中如接到停电通知,应立即停止制浆,清洗搅拌机,如有时间,可将已制好的浆液注完,如无时间,应立即停止注浆,拆卸管路,清洗注浆泵及注浆管路;注浆过程中遇到突然停电时,应立即拆卸下双液混合注浆胶管,用高压水冲洗净管内的浆液,与洞外联系后如停电时间较长时,注浆管全部拆下冲洗,注浆泵也要拆洗,将搅拌机中浆液放入储浆桶后清洗搅拌机;④注浆过程中,若地层吸浆量很大时,注浆压力长时间不上升,可通过调整浆液配比,缩短浆液凝胶时间,以达到控域注浆目的;注浆过程中,如注浆压力突然上升,立即停止注浆泵工作,打开泄浆阀泄压,找明原因后再决定该孔是否继续注浆,如系管路堵塞,清除故障后继续注浆,如管路未堵塞,接管注浆时仍旧出现压力突然上升,可结束该孔注浆;注浆过程中,如发生串浆现象,可关闭该窜浆孔继续注浆,但若发生频繁时,应加大钻孔与在注浆孔的间隔或钻一孔注一孔,减少串浆现象;注浆过程中,如跑、漏浆现象严重时,可通过间歇注浆技术或通过调整浆液配比缩短凝胶时间的方法进行封堵,但若无效时,可暂停该孔注浆;注浆过程中,应保持注浆管路畅通,防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断;⑤施工中应做好排水准备工作,以防施工中大量涌水形成危害;准备好抢险材料,做好抢险准备工作。

4.3　注浆效果检查

注浆结束后,可采取两种方式进行效果检查与评定。①分析法。绘制注浆施工过程中的P2Q2t曲线,根据P2Q2t曲线分析判断注浆效果;反算注浆后地层的浆液填充率,根据填充率判断注浆效果。②钻检查孔法。根据注浆状况,确定检查孔位置。对检查孔进行钻孔检查,检查孔钻深为开挖段长度以内并预留3 m段。检查孔出水量应小于0.2L/m in?m;对检查孔进行注水试验,在P=1MPa时,地层吸水量小于2～5L/m in?m。

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4.4　注浆结束标准

①单孔结束标准。注浆过程中压力逐渐上升,注浆量逐渐减少,当注浆压力达到设计终压,并持续保持10m in以上;或总注浆量大于注浆量的80%以上即可结束本孔注浆。②全段结束标准。设计的注浆孔全部注完成后,要对该段的注浆效果进行评价,只有经过评价认为注浆效果达到要求后,方可结束本段注浆。评价方法有如下几种:根据注浆量进行判断,实际的注浆量应达到设计量的80%以上,过少的注浆量很难保地层的加固效果;钻检查孔时,浆液充填饱满,密实;压水试验时,吸水率小于0.2L/m in或出水量小于10L/m in。根据后续注浆孔的钻进情况对前面注浆孔的注浆效果进行确认,一个孔注浆完成后,其邻近的孔在钻进中应能看到水泥浆,并且成孔相对容易;用TSP202对全段的注浆效果进行检查,岩体的密实度应比注浆前有增加。

5　注浆设备

5.1　海底隧道注浆特点及对设备的要求

针对海底隧道风化槽、裂隙带地质情况,受岩石风化节理、裂隙、断层的影响,可能出现突水突泥等灾害,隧道不良地质地带注浆非常重要。该隧道注浆堵水规模大,要求钻孔注浆的机械配置要求满足数量多、性能优、功率高的特点。海底隧道注浆压力要可控,根据地质报告及海底水压实际情况和现场注浆施工需要配置高压及低压注浆泵。钻孔注浆技术复杂多样,基本上要采用目前国内外所有的注浆技术。需要预备超前帷幕注浆、径向注浆、局部顶水注浆和补充加固注浆多种主要注浆方案;注浆方式多,采取前进式分段注浆、后退式分段注浆和全孔一次性注浆几种注浆工艺;材料选择运用范围广,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2水玻璃双液浆等多种注浆材料。海底复杂地质条件注浆技术在国内尚属首次。因而要求钻孔注浆机械配套要系列化、多样化。

5.2　主要设备的选型及其主要技术参数

①钻机。钻孔设备主要选择MK25(超前探孔和超前预注浆钻孔时采用)、MK D25S(超前探孔和超前预注浆钻孔时采用)和GY2100(径向注浆钻孔时采用)三种地质钻机及TY228风动凿岩机(径向注浆钻孔时采用)。②注浆泵。根据现场不同的注浆参数要求,可选择高、中、低三种类型的注浆泵,形成注浆设备的系列化。高压泵选用ZJB(BP)230A注浆泵(全断面超前预注浆)和GZ B2YS注浆泵(用于径向注浆),中压泵选用YZ B2130/14注浆泵(用于径向注浆)和GZK BY26/12注浆泵(径向注浆及局部补充注浆),低压泵选用K BY250/70注浆泵(用于径向注浆)。③制浆设备。制浆设备自制或选择定型产品,性能指标如下:搅拌机容积300L;叶片转速48r/m in;电机功率1.5k W;体积￠700×800mm。④机械设备运输。由于海底隧道作业空间限制,频繁搬运机械设备将严重影响施工进度,可把机械设备组装在平板台车上,便于运输,抢险时急用。

6　结束语

全断面帷幕注浆具有堵水效率高、耐久性强,且兼有加固地层的作用,特别是在防水要求高或富水软弱地层隧道中,注浆几乎成为隧道围岩防水问题的必要手段[5]。日本的青涵海底隧道、我国的大瑶山隧道、南岭隧道、军都山隧道、圆梁山隧道等,都采用了全断面或帷幕注浆方式进行围岩堵水和地层加固,并取得了较多成功的经验。总结这些成功的经验并在实践中不断的改进和提高,为厦门翔安海底隧道快速、高效的建成做出贡献。

参　考　文　献

[1]刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术[M].北京:中国铁道出版社,2001.

[2]刘招伟.圆梁山隧道岩溶突水机理及其防治对策[D].武汉:中国地质大学土木工程学院,2004.

[3]持田丰.青函隧道的破碎带的稳定处理[J].汪景俊,译.隧道译丛,1978(6):14225.

[4]于学馥,郑颖人,刘怀恒.地下工程围岩稳定分析[M].北京:煤炭工业出版社,1980.

[5]佐腾昭.青函隧道超前导洞F21断层的突破[J].汪景俊,译.隧道译丛,1989(9):64265.

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Full2face Curt a i n Grouti n g for the W ea thered

D itch i n the Con structi on of Sea Tunnel i n X i a m en

Hu W en t ao

(Xiang’an Tunnel Pr oject in Xiamen,the12th China Rail w ay Bureau Gr oup,Xia men361102,China) Abstract:The under2the sea part of Xiang’an Tunnel in Xia men goes thr ough thor oughly weathered ditches at F1,F2and F3,and a weathered sag areaat F4.The r ock at the weathered ditches is fractured and weak with high water p ressure and l ow stability,subject t o the possibility of seepage and breakage under extre me geol ogical conditi ons,p resenting very high risks t o the tunnel constructi on.I n order t o make the tunnel go thr ough the dit2 ches safely and p revent water burst,full face curtain gr outing is adop ted t o strengthen the r ock.This paper ex2 p lains the deter m inati on of para meters and constructi on technol ogy and methods for the full face curtain gr outing.

Key words:curtain gr outing;weathered ditch;gr outing;sea tunnel

(责任编辑　车轩玉) (上接第102页)

Advance i n Research of PP/PVC Blend

Zhou Ju1,　Hao Zhe2,　D i a o J i a nzh i1

(1.School of Material Science and Engineering,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang050043,China;

2.Logistics Gr oup,Shijiazhuang Rail w ay I nstitute,Shijiazhuang050043,China)

Abstract:Devel opment of PP/P VC poly mers blends in mor phol ogical structure,ther mal p r operties,dy2 na m ical mechanical p r operties,rheol ogical p r operties and physical mechanical p r operties etc is revie wed in this article.The influence of non2reactive,s pecial interacti on gr oup,hyperbranched poly mer compatibilizer on PP/ P VC blends is discussed res pectively.The compatibilizers added in PP/P VC blends can increase mechanical p r operties,reduce the phase separati on and i m p r ove the co mpatibilizati on of PP/P VC blends.Es pecially,com2 bining hyperbranched poly mer co mpatibilizer and other compatibilizer can i m p r ove the p r operties of PP/P VC blends more effectively.

Key words:PP/P VC;blend;compatibilizer;p r operty(责任编辑　车轩玉) (上接第119页)

Qua lity Con trol of H i gh2performance Concrete

i n Prefabr i ca ti n g of Box Beam i n Pa ssenger D ed i ca ted L i n e

Fan Hong

(ShiTai P DL Pr oject,13th China Rail w ay Bureau Gr oup,Yuxian045100,China) Abstract:Based on the constructi on of post2tensi oning p rel oad stress box bea m p refabricating in Shi2Tai rail w ay passenger dedicated line,the author intr oduces the concep t of high2perf or mance concrete,and generali2 zes vari ous fact ors which influence the quality of box bea m concrete,and the measures for quality contr ol and technol ogy i m p r ove ment.

Key words:passenger dedicated line;p refabricating of box bea m;high2perfor mance concrete;durability; quality contr ol(责任编辑　刘宪福)