高水压地段注浆止水

圆梁山隧道高水压地段注浆止水第一节概述一、工程概况毛坝向斜高压富水区段位于DK353+200～DK355+400，长2200m。在毛坝向斜高压富水区段施工中，该段地下水丰富，并先后揭示出三个深埋充埋填型溶洞，如图3-1-1所示。图3-1-1圆梁山隧道毛坝向斜地质及溶洞分布图二、注浆堵水原则受地质条件及环境因素的影响和控制，圆梁山隧道毛坝向斜采取“以堵为主，限量排放”的注浆堵水原则，限排标准为5m3/m·d。三、注浆堵水方案（一）注浆堵水方案分类圆梁山隧道注浆堵水方案主要包括预注浆和后注浆两种。预注浆是指在开挖面采取超前钻孔，通过钻孔进行注浆施工，以达到注浆堵水、加固地层的目的。预注浆包括全断面超前预注浆、局部超前预注浆和探水孔超前预注浆三种。后注浆是指在开挖施工及初期支护完成后，对开挖面不能满足工程质量要求时而采取的一种注浆措施，后注浆包括径向注浆（含回填注浆）、局部注浆和补充注浆三种。（二）注浆堵水方案选择原则注浆方案的选择原则应以掌子面能否满足进行安全开挖施工为前提，并充分考虑开挖支护完成后采取后注浆的施工难度、施工质量保证、施工造价等综合因素。一般情况下，若掌子面前方地质条件能满足安全开挖施工要求，则应首先进行掌子面的开挖施工，在开挖施工完成后进行后注浆措施，以达到注浆堵水、加固围岩的目的；若掌子面前方地质条件不能满足安全开挖施工要求，则应首先在掌子面进行预注浆措施，以达到注浆堵水、加固围岩的目的，满足隧道的安全开挖施工要求。（三）圆梁山隧道毛坝向斜注浆方案选择标准圆梁山隧道毛坝向斜注浆方案的选择标准主要参考依据：（1）铁道部第二勘测设计院地质设计资料《新建铁路重庆至怀化线补充技术设计圆梁山隧道设计图（第五册，共九册）》所提供的相关内容；（2）现场进行的TSP超前地质预测预报资料、洞内地质素描分析资料，以及现场超前地质探孔预测预报资料等。圆梁山隧道毛坝向斜注浆方案选择标准如表3-1-1所示。圆梁山隧道毛坝向斜注浆方案选择标准表3-1-1方案选择标准超前预注浆方案一①可溶岩与非可溶岩接触带，断层破碎带及毛坝向斜核部；②施工中可能发生严重突水突泥等地段；③探水孔流水量≥10m3/h。方案二①岩层接触带，物探电阻异常带；②施工中可能发生严重突水突泥等地段；③探水孔流水量≥10m3/h。后注浆方案三①一般富水地段；②岩体完整，探水孔流水量2m3/h≤Q＜10m3/h，开挖后大面积淌水。方案四①一般富水地段；②岩体完整，探水孔流水量2m3/h≤Q＜10m3/h。③开挖后局部有较大的流水；④初支完成后不能满足铁铁道部第二勘测设计院设计的排水量≤5m3/m·d要求，不能确保结构防排水的等级需要；方案一为全断面超前预注浆方案，注浆加固范围为开挖工作面以及开挖轮廓线外5m（平导）/8m（正洞）。方案二为全断面超前预注浆方案，注浆加固范围为开挖工作面以及开挖轮廓线外3m（平导）/5m（正洞）。方案三为径向注浆加固方案，注浆加固范围为开挖轮廓线外3m（平导）/5m（正洞）。方案四为局部注浆和补充注浆加固方案。四、注浆材料注浆材料应根据堵水要求、加固要求，以及是否作为永久性支护结构等方面，并从无毒性污染这一角度综合考虑进行选择。对于一般破碎地段，主要采用普通水泥单液浆。当进行注浆堵水施工，必要时，辅以普通水泥-水玻璃双液浆。对于深埋充填型溶洞，应根据溶洞地质特征和注浆加固方案要求，从堵水性、耐久性和工艺可操作性综合考虑进行注浆材料选择。（1）针对淤泥质粉土和粘性土地层，可利用其抗剪能力差的特点，选择普通水泥单液浆进行劈裂注浆。当局部涌水量大时，辅以普通水泥-水玻璃双液浆。（2）在地层涌水量较大的地段，以及粘性土溶洞体，可采用具有高强性和抗分散性特点的TGRM浆、HSC浆或超细水泥-水玻璃双液浆，以实现可控域注浆。（3）针对粉细砂层充填型溶洞，由圆梁山隧道2#溶洞砂样筛分结果，并结合目前国内外超细型材料（主要指超细水泥）的生产现状，选择10μm的超细材料作为主要材料进行高压动水粉细砂层的注浆加固堵水施工，这虽然不能满足以下J·C·King判式的要求，但使用10μm的超细水泥进行粉细砂层的注浆，可以得到远超过普通水泥的可注比。在注浆时，浆液能得到主脉劈裂下的渗透性，这将大大地提高注浆加固效果，有效地保证高压富水粉细砂层条件下的安全施工。式中：N（通常取1N）—注浆比；15D—地层的粒径累计曲线的15%的颗粒直径；85D—注浆材料粒径累计曲线的85%的颗粒直径。结合高压动水的特点，在2#高压动水粉细砂层溶洞中注浆施工，采用任何单一的注浆材料都难以达到理想的固砂堵水效果。各种注浆材料在高压动水粉细砂层条件下性能优缺点，如表3-1-2所示。1585151DDN高压动水粉细砂层条件下注浆材料性能表表3-1-2根据可行性、可注性、可靠性、无毒性、易操作性等要求，针对圆梁山隧道高压动水粉细砂层填充型溶洞，宜采用多种注浆材料综合进行注浆施工。经试验研究，形成了以［普通水泥单液浆］→［超细水泥单浆］→［HSC浆/TGRM浆］→［普通水泥-水玻璃双液浆］→［超细水泥-水玻璃双液浆］为主体流程的浆液选择程序。这样充分利用各注浆材料的优点，达到“既实现扩大范围注浆，又可实现控域注浆；既满足高强度加固堵水要求，又可保证开挖施工容易；既达到加固砂层目的又满足降低造价要求的综合型注浆材料配套体系。现场注浆材料名称优点缺点普通水泥单液浆（简称C浆）①凝胶时间长，具有较长的可注期。②具有较高的固结体强度。③单价低。①初凝时间长，易被地下水稀释，影响其凝胶化性能和强度。②终凝时间长，强度上升缓慢，不利于注完浆后就立即进行开挖施工。③颗粒粗，在细砂层中注浆困难。超细水泥单液浆（简称MC浆）①终凝时间较长，具有较好的可注期。②固结体强度高。③颗粒细，在细砂层中可以大量注入，达到较好的固砂堵水效果。①终凝时间长，易被地下水稀释，影响其凝胶化性能和强度。②终凝时间较长，强度上升慢，不利于注完浆后就立即进行开挖施工。③单价高。HSC浆或TGRM浆（简称HSC浆或T浆）①具有较好的抗分散性，能有效地控制注浆区域。②早期强度高，利于注完浆后就立即进行开挖施工。①粘度大，初凝时间短，易堵管。只能在水大（Q≥40m3/h）条件下进行注浆堵水，不利于在其它条件下注浆施工。②粘度大，难于注入粉细砂层。普通水泥-水玻璃双液浆（简称C-S浆）①凝胶时间可控，可以达到控域注浆目的。②可注性较好，在扰动后的粉细砂层中有一定的可注性。③早期强度较高，利于注浆后就立即进行开挖施工。①颗粒粗，在未扰动的粉细砂层中可注性差。②抗压、抗剪强度较低，易被高压水破坏。超细水泥-水玻璃双液浆（简称MC-S浆）①可注性最好，在粉细砂层中能得到较细的劈裂脉。②凝胶时间可控，可达到控域注浆目的。③早期强度较高，利于注浆后就立即进行开挖施工。①抗压、抗剪强度较低，易被高压水破坏。②单价高。材料选择流程如图3-1-2所示。注浆压力上升到3～4MPa2MP2MPa注浆1～2h注浆压力不上升注浆压力上升到3～4MPa2MP2MPa注浆压力上升到2～3MPa2MP2MPa注浆压力缓慢上升到1～2MPa2MP2MPa注浆8h注浆压力迅速上升注浆到设计标准继续注入C浆注入HSC浆或T浆注入MC-S浆注入C-S浆注入MC浆注入C浆图3-1-2注浆材料动态选择流程图圆梁山隧道溶洞注浆材料选择及配比如表3-1-3、表3-1-4所示。表3-1-3圆梁山隧道注浆材料选择表注浆施工方案注浆材料超前预注浆非溶洞体富水地段普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆淤泥质溶洞普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆粉细砂层溶洞普通水泥单液浆、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、HSC浆综合应用粘性土溶洞TGRM浆、HSC浆、超细水泥-水玻璃双液浆底部加固注浆超细水泥单液浆、TGRM浆、HSC浆径向加固注浆一般地段普通水泥单液浆特殊地段超细水泥单液浆表3-1-4圆梁山隧道注浆材料配比表浆液名称原材料浆液配比普通水泥单液浆32.5R普通硅酸盐水泥水灰比W:C=0.6:1～1:1超细水泥单液浆20μm超细水泥水灰比W:MC=0.6:1～0.8:1TGRM单液浆42.5RTGRM-Ⅱ材料水灰比W:C=0.6:1～1:1HSC单液浆42.5RHSC材料水灰比W:C=0.6:1～1:1普通水泥-水玻璃双液浆32.5R普通硅酸盐水泥35Be′以上水玻璃水灰比W:C=0.6:1～0.8:1水玻璃浓度30～35Be′水泥浆、水玻璃体积比C:S=1:0.3～1:1超细水泥-水玻璃双液浆20μm超细水泥35Be′以上水玻璃水灰比W:MC=0.6:1～1:1水玻璃浓度30～35Be′水泥浆水玻璃体积比MC:S=1:0.3～1:1五、注浆设计参数（一）注浆圈加固厚度注浆圈加固厚度主要应满足开挖施工安全要求，开挖后抗水压要求。以往多数隧道注浆设计时注浆加固范围按开挖直径的3～4倍来确定，日本青函隧道注浆时考虑到地层的不良原因，注浆加固范围设计为开挖直径的5倍。随着注浆材料的不断开发，注浆技术的不断提高，目前我国地下工程施工中，注浆加固圈厚度B一般情况下应满足下式要求：式中：B——注浆加固圈厚度（m）；D——开挖断面宽度或高度（m）。根据注浆加固圈计算公式，结合圆梁山隧道工程及水文地质特点，以及开挖施工状况，圆梁山隧道毛坝向斜注浆加固圈厚度选择标准如表3-1-5所示。表3-1-5圆梁山隧道毛坝向斜注浆加固圈厚度选择标准表参数值全断面超前预注浆径向注浆平导3m5m3m正洞5m8m5m（二）浆液扩散半径根据注浆堵水要求和注浆加固后的抗水压要求，结合圆梁山隧道工程地质及水文地质特点，注浆材料选择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单液浆和HSC单液浆六种注浆材料。根据注浆材料的颗径尺寸，采取工程类比，浆液扩散半径选取为：R=2m。在现场注浆施工过程中，可根据注浆施工中地层的吸浆能力，注浆效果的检查评定等状况，对浆液扩散半径进行动态调整。（三）注浆孔终孔间距根据注浆加固交圈理论，注浆后应能形成严密的注浆帷幕。在注浆终孔断面上，根据注浆扩散半径进行注浆设计时，不应有注浆盲区存在，这样，在进行注浆设计时，注浆孔终孔间距a应满足下式要求。Ra3式中：a——注浆孔终孔间距（m）；DB)3~2(R——浆液扩散半径（m）。（四）注浆段长度注浆段长度一般应综合考虑选择钻机的最佳工作能力、余留止浆墙厚度、根据注浆加固圈要求进行注浆设计时盲区最小时的最佳设计孔数等等内容。根据工程类比，经过进行预设计，在进行超前预注浆施工时，注浆段长度L选择为：L=30m。（五）止浆岩墙厚度止浆岩墙主要是指在进行超前预注浆施工时，为满足抵抗注浆施工过程中注浆压力的要求而采取的止浆模式。在注浆工程施工中，除第一循环止浆岩墙采用模筑混凝土施工外，其它循环段止浆岩墙主要由模筑混凝土+上一注浆循环余留段共同组成。1.第一循环注浆施工采用模筑混凝土止浆岩墙。止浆岩墙厚度一般按下式进行计算。式中：D——止浆岩墙厚度（m）；P——最大注浆压力（MPa）；A——注浆断面面积（m2）；——混凝土容重（t/m3）。上式计算结果一般偏大，在国内煤矿部门进行注浆施工时，一般采用如下经验数值。当注浆压力P2MPa时，取D=1m；当注浆压力P=2～5MPa时，取D=1.5～2.0m；当注浆压力P=5～7.5MPa时，取D=2.5～3.0m。根据计算公式，并结合国内煤矿部门的经验数据，在圆梁山隧道毛坝向斜注浆施工中，止浆岩墙厚度按表3-1-1-6进行取值。表3-1-6圆梁山隧道毛坝向斜止浆岩墙厚度选择标准表参数值注浆加固圈厚度2m3m5m8m平导0.8～1.0m1.0～2.0m下导坑0.5～0.8m0.8～1.0m正洞1.5～2.0m2.0～3.0mAPD1002.自第二循环开始，当采取余留上一注浆循环止浆墙时，一般情况下，止浆岩墙厚度D按下式进行计算。LD)3.0~2.0(式中：D——止浆墙厚度（m）；L——注浆段长度（m）。在进行超前预