劉 浩
(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 豐潤 064000)
隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)越來越受國家重視。但在工程建設(shè)過程中不可避免遇到各種災(zāi)變問題,其中突水突泥災(zāi)害頻繁出現(xiàn)。對于突水突泥的災(zāi)害治理已經(jīng)為學(xué)者所重視并取得一定的研究成果[1-2],但是目前的研究主要集中于漿液本身的凝結(jié)和配合比設(shè)計,鮮有涉及雙液注漿技術(shù)的研究[3-4]。本文以滇中引水工程獅子山隧洞為依托工程,對雙液注漿的應(yīng)用效果進(jìn)行研究,研究結(jié)果可為依托工程及類似工程的設(shè)計、施工提供參考。
滇中引水工程獅子山隧洞主洞全長21.172km,隧洞凈空斷面尺寸為9.2m×9.2m。隧洞共設(shè)四條施工支洞,其中4號支洞為永久檢修支洞。獅子山隧洞3號支洞與主洞交叉樁號為DLII41+515.361。突水突泥部位位于獅子山隧洞3號支洞主洞控制段上游側(cè),隧洞埋深約453.513m。獅子山隧洞縱斷面見圖1。
突涌部位位于FⅢ-71斷層構(gòu)造破碎帶附近,地層巖性為斷層角礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖、斷層泥,受構(gòu)造擠壓作用,斷層帶巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,結(jié)構(gòu)破碎,強(qiáng)度低,擠壓變形問題突出,頂拱及邊墻易發(fā)生塌方失穩(wěn)破壞,存在線狀至股狀流水現(xiàn)象,突水突泥風(fēng)險高,垮塌范圍主要集中于隧洞中部及頂部,其影響范圍左側(cè)向外向下游方向延伸,右側(cè)向外向上游方向延伸。
第1次突水突泥:2020年11月28日,隧洞出渣過程中發(fā)生第一次突水突泥事件(見圖2),突水突泥突涌體總量約3000m3,突泥約1200m3,突水約1800m3,突涌長度約54m。因現(xiàn)場決策正確、及時,突水突泥未造成人員傷亡事故。突水突泥發(fā)生后,制定了施工超前大管棚通過突涌施工段的施工方案。
圖2 現(xiàn)場突水突泥情況
第2次突水突泥:2021年3月6日,在對DLII40+147.6處進(jìn)行更換拱架過程中發(fā)生了第二次突水突泥事件(見圖2),拱頂排水管水量忽大忽小、由清變渾濁,拱頂發(fā)生異響,突涌體總量約5200m3,突泥約2800m3,突水約2400m3,突涌長度約124m,造成現(xiàn)場一臺濕噴機(jī)被困。同時造成已施工完成的超前大管棚折斷4根(順?biāo)饔覀?cè))。
突水突泥的發(fā)生與地下水的變化密不可分,通過對突涌部位水量、水質(zhì)、水色的變化情況進(jìn)行定時觀測、統(tǒng)計,得到如下結(jié)論:
a.第1次突水突泥前,掌子面為線狀裂隙水,單位時間出水量在3~5m3/h左右,水質(zhì)清澈透亮,無雜質(zhì)。突水突泥發(fā)生前線狀滲水水色由清澈轉(zhuǎn)渾濁色,水中含有泥沙懸浮物。
b.第1次突水突泥后,在掌子面拱頂處出現(xiàn)兩處股狀涌水,股狀涌水水量基本穩(wěn)定在60~70m3/h,水質(zhì)清澈,無雜物。
c.第2次突水突泥發(fā)生前拱頂排水管水量忽大忽小、水質(zhì)由清變渾濁。
d.第2次突水突泥后股狀涌水水量減少,涌水量基本穩(wěn)定在45m3/h,無明顯變化。
為進(jìn)一步探明突水突泥發(fā)生的誘因,項目部采用了物探結(jié)合鉆探的施工方法進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報,預(yù)報結(jié)果如下:
物探:推測突涌部位為 FⅢ-71斷層構(gòu)造破碎帶,地層巖性為斷層角礫巖、凝灰質(zhì)角礫巖夾斷層泥,斷層帶內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)破碎,強(qiáng)度低,頂拱及邊墻易發(fā)生掉塊、塌方失穩(wěn)破壞,發(fā)育線狀至股狀流水現(xiàn)象,突水突泥風(fēng)險高,圍巖極不穩(wěn)定,預(yù)判圍巖類型為Ⅴ類。
鉆探:鉆探結(jié)果顯示,DLII40+151.0~DLII140+35.0段圍巖巖性為凝灰質(zhì)火山角礫巖,局部為泥質(zhì)充填,巖體結(jié)構(gòu)破碎,圍巖整體強(qiáng)度低,存在卡鉆現(xiàn)象,存在股狀涌水及線狀水出露,綜合判定為Ⅴ類圍巖。DLII40+135.0~DLII40+131.0段節(jié)理裂隙發(fā)育,較破碎,圍巖強(qiáng)度較高,鉆進(jìn)速度勻速較慢,綜合判定為Ⅴ類圍巖。
通過兩次突水突泥的規(guī)模比較、涌水量變化及超前地質(zhì)預(yù)報分析,發(fā)現(xiàn)受斷層構(gòu)造破碎帶影響,在地下水的作用下,斷層泥、角礫巖填充的排水通道隨地下水向已開挖掌子面遷移并且進(jìn)一步打開,突水突泥是地下水與斷層帶破碎巖體(或斷層泥)相互作用下的共同產(chǎn)物。第二次突水突泥規(guī)模較第一次勢頭更大,僅采用超前大管棚施工不足以通過突涌段落,需要進(jìn)一步加強(qiáng)超前預(yù)支護(hù)措施以通過該不良地質(zhì)洞段。
通過對掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果、突涌物及地下水變化等綜合分析,突水突泥的產(chǎn)生,與地下水對巖體或斷層泥的浸濕、沖刷等破壞作用有關(guān),要保證隧洞開挖支護(hù)通過突涌段的安全性、穩(wěn)定性,必須采用相應(yīng)的排水措施或堵水措施,以消除或減輕地下水對隧洞施工造成的安全隱患。雙液注漿技術(shù)能夠有效處理地下水涌水量較大(單孔涌水量大于30L/min)、突水突泥等不良地質(zhì)洞段,因此擬對突涌段應(yīng)用超前預(yù)灌漿雙液注漿技術(shù)以安全平穩(wěn)地通過突涌段落。
止?jié){墻施工完成后(止?jié){墻厚2m,施工里程為DLII40+153.5~DLII40+151.5),對DLII40+153.5~DLII40+123.5進(jìn)行超前預(yù)灌漿施工,超前預(yù)固結(jié)灌漿的固結(jié)范圍為開挖輪廓線外5m范圍內(nèi),隧底以開挖輪廓線為界進(jìn)行控制,隧洞輪廓線以內(nèi)不灌漿。
3.1.1 孔位設(shè)計
超前預(yù)灌漿灌漿孔漿液擴(kuò)散范圍按100cm設(shè)計,共設(shè)計六環(huán)超前灌漿孔,每環(huán)21孔,合計126孔。按環(huán)間分序、環(huán)內(nèi)跳孔的原則進(jìn)行注漿,第一環(huán)、第三環(huán)、第五環(huán)為Ⅰ序環(huán),第二環(huán)、第四環(huán)、第六環(huán)為Ⅱ序環(huán)。超前預(yù)固結(jié)灌漿先施工Ⅰ序環(huán)孔,后施工Ⅱ序環(huán),Ⅱ序環(huán)作為Ⅰ序環(huán)的檢查孔,如Ⅰ序環(huán)灌漿效果不理想,則利用Ⅱ序環(huán)進(jìn)行補(bǔ)灌。超前預(yù)灌漿布孔見圖3。
圖3 注漿設(shè)計
3.1.2 漿液配合比設(shè)計
考慮到掌子面局部涌水量較大(集中出水量約45m3/h,Q>30L/min),若只采用普通水泥單液漿無法完全起到堵水止水的目的,因此,超前預(yù)灌漿注漿施工漿液采用普通水泥(摻加rw-HPC注漿專用水泥添加劑)+水玻璃漿液雙液漿。rw-HPC注漿專用水泥添加劑添加至普通硅酸鹽水泥中能夠起到縮短凝結(jié)時間、提高漿體結(jié)石率、降低漿體的壓力泌水率、提高巖體的抗壓強(qiáng)度等綜合作用。
根據(jù)雙液注漿生產(chǎn)性試驗確定的漿液配合比,最終確定的注漿材料及規(guī)格型號、配合比如下:42.5級普通硅酸鹽水泥,rw-HPC注漿專用水泥添加劑,水玻璃模數(shù)2.4~3.4,波美度35;水泥和rw-HPC注漿專用水泥,添加劑為均為粉狀料,單位膠凝材料所含水泥比例為85%,含rw-HPC注漿專用水泥添加劑比例為15%。水泥漿水灰比0.8 ∶1~1 ∶1(質(zhì)量比),水泥漿 ∶水玻璃漿=1 ∶0.6~1 ∶1(體積比)(見表1),施工過程中根據(jù)具體情況適當(dāng)調(diào)整配合比。
表1 漿液配比參數(shù)
3.1.3 注漿壓力控制
注漿的擴(kuò)散機(jī)理包括滲透擴(kuò)散、劈裂擴(kuò)散、裂隙填充、擠壓填充。結(jié)合突涌段地層情況,選用劈裂注漿方式能夠較好地起到堵水、固結(jié)巖體的效果。
注漿終止壓力的控制很大程度上決定注漿能否達(dá)到預(yù)期效果,如注漿終止壓力過小則漿液無法對地層裂隙填充密實,擴(kuò)散范圍無法達(dá)到注漿設(shè)計時所確定的范圍,起不到注漿堵水的效果。擴(kuò)大注漿終止壓力,可以使注漿擴(kuò)散范圍進(jìn)一步得到保證,提高漿液和圍巖結(jié)石體的強(qiáng)度和不透水性,但劈裂注漿終止壓力過大容易引起地層裂隙增大,因此需要通過生產(chǎn)性試驗確定合理的注漿終壓,實現(xiàn)注漿擴(kuò)散范圍可控。
通過注漿生產(chǎn)性試驗,當(dāng)注漿終止壓力為3~5MPa時能夠起到較好的固結(jié)堵水效果,同時注漿過程中必須對注漿壓力不斷進(jìn)行觀察控制并通過注漿記錄儀對相關(guān)注漿參數(shù)進(jìn)行實時記錄。
當(dāng)灌漿段在最大設(shè)計壓力下,注入率不大于1L/min繼續(xù)灌注30min,即可結(jié)束灌漿。無法達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)時,可視具體情況,采用定量法或定壓法確定結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。
通過生產(chǎn)性注漿試驗,在最大注漿壓力5MPa條件下,注入率在30~40L/min左右,如繼續(xù)注漿,雖注入率會下降,但注漿壓力會迅速上升至10MPa以上。也就是注入率在當(dāng)前條件下無法降低至1L/min的停漿標(biāo)準(zhǔn),如果以1L/min作為注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn),既不現(xiàn)實又會造成漿液流失、時間浪費等問題。
結(jié)合分序跳孔注漿的鉆孔注漿流程,采用定量、定壓相結(jié)合的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行注漿。對同環(huán)內(nèi)Ⅰ序孔采用注漿終壓(3MPa)+注入率(50~60L/min)作為停漿標(biāo)準(zhǔn),Ⅱ序孔采用定注漿終壓(5MPa)+注入率(30~40L/min)作為停漿標(biāo)準(zhǔn)。同時按照多孔少注的原則進(jìn)行注漿量控制,如果一個孔注漿量很大,其他孔注漿量很少,會造成固結(jié)范圍內(nèi)注漿均一性較差。因此采用定量、定壓相結(jié)合的注漿方式可以使每個注漿孔都發(fā)揮其應(yīng)有的作用,實現(xiàn)預(yù)期注漿效果。
按照超前預(yù)灌漿設(shè)計,鉆孔注漿施工時先施工Ⅰ序環(huán)孔(第一、三、五環(huán)孔,每環(huán)21孔,共63孔),后施工Ⅱ序環(huán)孔(第二、四、六環(huán)孔,每環(huán)21孔,共63孔)。Ⅰ序環(huán)孔施工完成后采用壓水試驗進(jìn)行了注漿效果檢查,壓水試驗孔為4孔(不小于灌漿孔總數(shù)的5%),每5m一個試段。Ⅰ序環(huán)孔施工完成后在注漿達(dá)到預(yù)期效果的條件下取消了Ⅱ序環(huán)孔施工,為加快通過突涌段提供了安全保障、進(jìn)度保障?,F(xiàn)場注漿見圖4。
圖4 現(xiàn)場注漿情況
獅子山隧洞3號支洞上游側(cè)突泥涌水處理過程中,首次使用了rw-HPC注漿專用水泥添加劑,通過生產(chǎn)性工藝試驗合理確定了雙液注漿的漿液配比,并利用定量、定壓相結(jié)合,多孔少注的注漿方式實現(xiàn)了注漿堵水、固結(jié)巖體的雙重目的,為隧洞安全、平穩(wěn)、快速地通過突涌段提供了必要保障。同時通過上述施工技術(shù)的使用,減少了超前鉆孔注漿量,節(jié)省了施工工期,提高了經(jīng)濟(jì)效益,為類似工程地質(zhì)條件下的決策、設(shè)計、施工提供了借鑒經(jīng)驗。