帷幕注浆技术

1隧道帷幕注浆技术隧道帷幕注浆技术同济大学同济大学20082008年年0404月月2727日日2内容提要内容提要z注浆技术概述z帷幕注浆原理z帷幕注浆材料z帷幕注浆设计z帷幕注浆施工z隧道帷幕注浆工程实例23地下水治理的必要性z隧道施工中的突发涌水影响施工安全z地下水侵蚀围岩、影响隧道的稳定z地下水流失可能导致地面塌陷、环境破坏z地下水的流通影响隧道的使用寿命4治水理念的转变“以排为主，排堵结合”“以堵为主，防堵结合”35注浆技术概述z注浆技术起源于地下工程的特殊需要z注浆的目的：堵水、防渗、加固地层z广泛应用于各类地下工程z注浆技术：注浆理论、注浆材料、注浆工艺和注浆设备等四大部分6注浆法分类z按注浆工作与隧洞的掘进顺序分类预注浆：地面预注浆、工作面预注浆后注浆：壁后注浆、围截注浆等47按注浆压力大小分类z静压注浆充填（裂隙）注浆渗透注浆压密注浆劈裂（挤压）注浆置换注浆z高压喷射注浆8按注浆工艺流程分类z单液注浆用一台注浆泵和一套输浆系统完成注浆工作z双液注浆应用两台注浆泵或一台双液注浆泵和两套输浆管路同时注浆，两种浆液在混合器混合后，注入含水岩层或需加固的岩层中。59隧道工程中常用注浆方式10611注浆理论的发展z注浆工程设计仍处于半理论、半经验状态z注浆机理：渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆、高压喷射注浆z传统的注浆工艺是基于渗透理论12帷幕注浆的原理z加固范围：隧道开挖土体及周边一定厚度围岩z作用：形成止水帷幕以阻截地下水渗入，增强地层自稳能力713注浆材料水泥浆材化学浆材14水泥浆材的特点z水泥浆材结石体强度高、造价低廉、材料来源丰富、浆液配制方便、操作简单，z普通水泥颗粒大，这种浆液一般只能注入到直径或宽度大于0.2mm的孔隙或裂隙中。815化学浆材的特点z化学浆材可注性好，浆液粘度低，能注入到细微裂隙中z一般的化学浆液都具有毒性z价格昂贵z结石体强度比水泥浆液的结石体强度低16帷幕注浆常用浆材z单液水泥类浆液z水泥－水玻璃类浆液z超细水泥浆液z改性超细水泥浆液917单液水泥类浆液z以水泥为主，添加一定量的附加剂，用水调剂成的浆液，采用单液方式注入岩土层。z附加剂：指能改善水泥浆液性能的速凝剂、早强剂、塑化剂、悬浮剂等。18纯水泥浆的基本性能z随着纯水泥浆水灰比的增大，水泥浆的粘度、密度、结石率、抗压强度等都有十分明显地降低，初凝、终凝时间增长。1019附加剂对水泥浆性能的改善z速凝剂速凝剂能够缩短水泥浆凝固时间，如氯化钙、水玻璃、苏打、碳酸钾、硫酸钠等。z速凝早强剂多为复合附加剂，它不仅缩短水泥胶固时间，而且提高水泥结石体早期强度，对注浆堵水具有较好的作用。常用的速凝早强剂有三乙醇胺加氯化钠、三异丙醇胺加氯化钠、二水石膏加氯化钙等。20z悬浮剂提高水泥浆的稳定性，降低水泥浆的析水率，使水泥颗粒能长时间悬浮于水中。亚硫酸盐、纸浆废液、食糖、硫化钠等z塑化剂降低水泥浆粘度，提高水泥浆液的可注性和流动性。膨润土、高塑性粘土等z其他附加剂1121单液水泥浆的特点z材料来源丰富、价格低廉、结石体强度高、抗渗性能好、单液注入方式、工艺简单、操作方便z可注性较差，难以注入中细砂、粉砂层和细小的裂隙岩层，而且水泥浆凝固时间长，并有容易流失造成浆液浪费，易沉淀析水、强度增长慢、结石率低、稳定性较差22水泥－水玻璃（CS）类浆液z以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定的比例以双液方式注入，必要时加入附加剂所组成的注浆材料。z克服了单液水泥浆的凝结时间长且不能控制、结石率低等缺点，提高了水泥注浆的效果，扩大了水泥注浆的适用范围。z可用于防渗和加固注浆，在地下水流速较大的地层中采用这种混合型的浆液可达到快速堵漏的目的。1223水玻璃及其作用z分子式：Na2O·nSiO2z作为速凝剂使用z作为主材料使用，增强早期强度z一般要求水玻璃的模数为2.4～3.424水泥与水玻璃的化学反应机理z水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的，在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙：z当加入水玻璃后，水玻璃马上与新生成的氢氧化钙反应，生成具有一定强度的凝胶体水化硅酸钙：1325水泥－水玻璃浆液的性能z胶凝时间水泥浆越浓则反应越快水玻璃越稀则反应越快z结石体抗压强度水泥浆越浓抗压强度越高，通常5～10MPa水泥浆与水玻璃体积比1:0.4～1:0.6时，抗压强度最高26水泥－水玻璃浆液的适宜配方以425号或525号普通硅酸盐水泥为例z水泥浆的水灰比为0.8:1～1:1z水泥浆与水玻璃的体积比1:0.5～1:0.8z水玻璃模数2.4～3.4，浓度22～40°Bé（°Bé＝145－145/d）1427水泥－水玻璃浆液的特点z浆液的凝胶时间可准确控制在几十秒至几十分钟范围内；z结石体的抗压强度达5～10MPa；z凝结后结石率可达100％；z结石体的渗透系数为10-3cm/s；z可用于裂隙宽度为0.2mm以上的岩体或粒径为1mm以上的砂层；z材料来源丰富，价格较低；z对环境及地下水无污染；z采用双液方式注入，施工工艺较单液复杂。28超细水泥（MC）浆液z超细水泥注浆材料由极细的水泥颗粒组成，平均粒径为4um，最大粒径约等于10um，比表面积在8000cm2/g以上。z可注性很好，能注入渗透系数为10-3～10-4cm/s的细砂，可注性与化学浆液相似。z结石体强度大大高于化学浆液，对地下水和环境无污染。z需要专用的注浆工艺设备，操作技术要求高。z价格昂贵。1529改性超细水泥浆液z改性的主要目的改善浆体的流动性使浆体在凝固过程中有微膨胀性增强耐久性z代表性产品TGRM水泥基灌浆材料HSC超细早强特种水泥灌浆材料301631帷幕注浆的浆材选择z根据岩溶水赋存情况和涌水量大小而确定z当遇到断层破碎带或涌水量大时，选用单液或双液浆。z当遇到粉细砂、小裂隙岩层时，则选用MC浆液、TGRM浆液或HSC浆液等。32帷幕注浆设计z注浆范围z注浆压力z注浆孔布置z注浆段长度z注浆量1733注浆范围z当围岩为硬岩时，全断面预注浆一般加固范围为开挖毛洞半径的2～3倍；当围岩为软岩时，全断面预注浆一般加固范围为开挖毛洞半径的3～5倍。z对可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带、及向斜核部预测水压大，极可能产生严重突水突泥地段，预测地下水压力大于等于3.0MPa时，注浆加固范围为正洞开挖轮廓线外8m左右；z对可溶岩与非可溶岩接触带、断层破碎带、及向斜核部预测水压大，极可能产生严重突水突泥地段，预测地下水压力小于3.0MPa且大于等于2.0MPa时，注浆加固范围为正洞开挖轮廓线外5m左右；34z对不同年代地层岩层接触带，物探异常区，预测水压大，可能产生严重突水突泥地段，预测地下水压力小于2.0MPa且大于等于1.0MPa时，注浆加固范围为正洞开挖轮廓线外3m左右；z岩体完整，其结构性能可保证开挖安全，但大面积淌水且流量大于控制排水量，且预测地下水压力小于1.0MPa时，实施开挖后全断面径向注浆，注浆加固范围为正洞开挖轮廓线外5m左右；z岩体完整，其结构性能可保证开挖安全，但局部出水且流量大于控制排水量时，仅对出水处局部注浆；z注浆后流量仍大于控制排水量，注浆固结圈综合渗透大于设计控制值或仍有局部出水点时，采用补注浆。1835注浆压力z一般情况下P＝（2～3）P0z地下水静压不大时P＝（2～4）＋P0式中P为注浆终压（MPa），P0为地下静水压力（MPa）36浆液扩散半径与注浆孔间距z注浆孔间距L＝Arr为浆液扩散半径，A为系数（1.5～1.7）z由外围向内逐渐加密1937注浆段长度z根据地层情况、注浆压力及机械设备能力等综合考虑。z注浆段长度控制在50m以内比较适宜。z经验公式：L＝(3～5)D式中：L为注浆段长，D为开挖轮廓线外注浆厚度。382039帷幕注浆施工z止浆墙与止浆岩盘z注浆方式z结束注浆标准z注浆施工工艺40止浆墙与止浆岩盘z在帷幕注浆前，保证关水成功。即将出水孔关闭后，掌子面无大股漏水；z保证止浆岩盘能承受注浆时静水压2～3倍的高压(3～5MPa)；z在钻孔注浆埋设孔口管时，保证止浆岩盘的完整性不受影响。z止浆盘岩厚度：结构完整性好的III级围岩预留3m；IV级围岩预留4m；V级围岩预留5m。2141止浆墙的厚度z计算公式一42z计算公式二2243帷幕预注浆施工方式前进式44后退式2345注浆施工方式的选择20～30全孔后退式＜２不发育15～20分段后退式2～5不够发育10～15分段前进式5～10较发育5～10分段前进式＞10发育注浆分段长（m）注浆方式钻孔涌水量（m3/h）岩层裂隙程度46注浆次序和速度z注浆次序先注外圈，后注内圈，同一圈由下而上间隔施作。z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/min；砂层为30～50l/min。2447注浆结束的标准z单孔结束标准注浆压力逐步升高至设计终压注浆结束时的进浆量小于允许值检查孔涌水量小于允许值z全段注浆结束标准所有注浆孔均已符合单孔结束条件注浆后预测涌水量小于允许值48注浆效果检验z根据注浆状况，选择注浆范围内可能存在薄弱环节的部位布设检查孔，其数量一般应达到注浆孔数量的5％～10％。z根据检查孔涌水量、取芯率和强度来决定是否需要补充注浆。2549注浆施工工艺流程50渝怀线歌乐山隧道帷幕注浆z穿越地层地质条件极其复杂，涌水量大z环境保护要求高，不能出现大的地下水流失z本隧道设计规定的排放标准为1.0m3/d·m2651帷幕注浆设计z注浆范围歌乐山隧道地下水压力小于3.0MPa且大于等于2.0MPa，故注浆加固范围为正洞开挖轮廓线外5m。部分地段开挖后，岩体完整且局部出水量大于控制排水量时，采用局部径向固结注浆。52z注浆材料固结孔口管和封孔注浆时选用CS双液浆；当注浆孔涌水量小于30l/min，选用TGRM水泥基特种灌浆材料；当注浆孔涌水量在30～200l/min范围内，选用凝胶时间为4～6min的单液或CS双液浆；当注浆孔涌水量大于200l/min，选用凝胶时间为3～4min的单液或CS双液浆。2753z注浆段长度施工现场的水平钻机均为ZYG-150型，该钻机的最佳钻进深度为20～40m。每循环注浆段的长度确定为24～30m，分3环实施，第1环长10m,第二环长18m，第三环长30m。z注浆孔布置以隧道开挖面中心为圆心，注浆孔呈环行等间距布置；浆液扩散半径为2～3m，注浆孔底间距为3～4m。54z帷幕注浆布置图24～30m285556z止浆墙和止浆盘岩的厚度混凝土止浆墙厚度确定为2.5m；第一循环帷幕注浆施作完成并开挖后，预留一定厚度的止浆岩盘作为第二循环的混凝土止浆墙，其后依次类推。帷幕注浆每循环止浆岩盘的厚度确定为5m。z注浆压力隧道帷幕注浆的终压力确定为9MPa（静水压力3倍）。2957z注浆方式当钻孔过程中未遇见泥夹层或涌水，就一钻到底，全孔一次压入式注浆；在钻孔过程中遇到泥夹层或涌水，立即停止钻孔，采取注一段钻一段的分段前进式注浆，直至终孔。58注浆配套设备z钻孔设备根据不同用途，选用了ZYG150全液压钻机及YQ100风动钻机。ZYG150钻机由机头(钻杆推进器)、操作台、液压泵站三部分组成，之间通过高压管及快速接头连接。z注浆设备选用了三种不同类型的注浆机，用于不同条件下的注浆。分别为ZG6310往复式柱塞泵(单液注浆机)，KBY50/70全液压双液注浆泵、2TGZ60/210可调式高压注浆泵(双液注浆机)。3059钻孔设备性能参数60注浆设备性能参数往复式柱塞泵全液压双液注浆泵可调式高压注浆泵3161z制浆设备JZ350叶片式搅拌机四台z混合器自行加工T形混合器并安装回浆管，使注浆管路可同时用于单液注浆和双液注浆；Y形混合器方便两台单液泵联注。z多功能自行式钻孔台车62z轨行式钻孔注浆列车3263隧道洞口排水量观测结果64环境监测z观测点设置环境监控的范围：线路北侧6.1km，南侧7.8km，东西两侧沿隧道轴向长约2.5km的灰岩区域，面积34.75km2。监测对象：地表水库6座、泉井30个、暗河