浅析风积砂隧道塌方处理施工技术

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  摘要:本文结合作者实际施工经验,介绍了小导管注浆的加固原理、施工工艺及加固效果检验的施工情况。
  关键词:风积砂隧道;塌方;处理;施工技术
  [ Abstract ] Combined with the practical construction experience, this paper introduced the small duct grouting reinforcement principle, construction technology and reinforce construction effect test.
  [ Key words ] wind blown sand tunnel; collapse; treatment; construction technology
  中图分类号:TU74 文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
  
  我国公路建设事业正在高速发展,特殊地质隧道的采用越来越广泛,但随之塌方事故也越来越普遍发生,研究总结特殊地质隧道塌方处理的施工技术无疑具有十分重要的现实意义。而对于砂质隧道塌方处理相应的施工处理技术和方法还不够完善,尤其不良地质地段施工,还没有成型的系统的可供运用的施工塌方处理模式。现将该风积砂隧道塌方处理施工技术的具体情况介绍如下。
  1 工程概况
  某隧道是国道306线控制工程,隧道进口里程K515+940,出口里程K516+230,全长290m,隧道开挖净空宽×高为12.38m×9.31m。地质情况:中低山区,地势险要,多悬崖峭壁,地形起伏较大,开挖断面处于松散风积砂丘中,砂丘主要为粉细砂、稍湿,粘土含量极少,其围岩属于Ⅰ类。坡面植被稀少,多为荆棘植物或蒿草,最大埋深约34m;隧道通过地区由进口向出口依次为粉砂层、细砂层、中砂层,局部见基岩风化壳出露。
  2 塌方处理施工技术
  2.1 塌方的基本情况
  由于风积砂隧道的特殊地质围岩,并且在开挖进尺较大时或施工扰动下,则造成隧道拱顶塌陷,形成一个倒漏斗状砂堆,致使整个掌子面处于危险状态,影响施工安全,需要及时处理塌方问题。
  2.2 塌方处理方法
  在经棚隧道风积砂软弱围岩地质塌方处理施工中采用小导管注浆技术,在围岩松散软弱的不利地形地质条件下,顺利解决塌方问题,贯通隧道。
  2.3 小导管注浆的作用原理
  小导管在隧道塌方时打入掌子面和围岩,不仅改变了围岩的初始应力状态,而且直接影响应力的二次分布;小导管自身及注浆通过不同的作用机理对围岩进行综合性的加固,见图1。
  
  
  2.4 小導管注浆参数的选择
  2.4.1 小导管参数设计
  2.4.1.1 小导管的直径一般取φ=32~50mm,,太大则不宜用简单的工具钻眼和打入,此时则趋向于用大管棚的方法;太小则起不到导管的支撑和注浆通道的作用,此时则趋向于用地层注浆方法加固地层。
  2.4.1.2小导管的长度是依据一次开挖长度和围岩的自稳能力来确定的。围岩的自稳能力由岩体的内摩擦角φ来确定。小导管的长度由下式进行计算:
  
  式中,L为小导管的长度,m;φ为围岩的塌落角度, (°);H为围岩的塌落高度,m。在施工中,一般塌落角度φ<60°,根据以上计算,小导管长度控制在3.5~6m之间。岩体较差时,长度取大值,岩体较好时,长度取小值。
  2.4.1.3 外插角度的大小:依据注浆半径r和小导管长度确定小导管打入角度,以保证浆液至少能够渗入洞室开挖的外轮廓,甚至更应该取小值。小导管的外插角度按下式计算:
  
  式中,α为小导管的外插角, (°);r为注浆半径,m;L为小导管的长度,m。
  2.4.1.4 小导管间距的确定:在进行围岩预加固施工时,若岩体非常破碎,比如风积砂层,则采用密排的原则,取2d(d为小导管的直径)间距;在断裂破碎带地段取30cm左右。间距太大时,小导管的棚架作用很难体现。
  2.4.2 浆液参数设计
  2.4.2.1 浆液的选择:注浆作用主要是浆液以填充、渗透和挤密的方式填充岩体的空隙并排出土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气占据其位置,浆液将包围原来的松散颗粒并胶结成一个整体,使岩体的物理力学性质向具有更好承载力的方向发展,同时起到防渗。浆液要考虑可注性、凝胶体强度、机械设备、凝聚时间、材料来源、价格和是否有毒,根据现场及经验,如表1,本工程采用水泥-水玻璃浆液。
  
  
  
  2.4.2.2 注浆压力的确定:注浆压力值与地层土的密度、强度和初始应力、钻孔深度、位置及注浆次序等因素有关,根据注浆前的注水试验数据先选定一经验的注浆压力值,然后再根据压力变化情况作适当的调整。a.压力逐渐上升,但达不到要求的压力,说明存在以下几种可能,即浆液在粘土中形成劈裂渗透,或浆液浓度低、凝胶时间长或部分浆液逸出;b.注浆开始后压力不上升,甚至离开初始压力值呈下降趋势,表明浆液外溢;c.压力上升后突然下降,表明浆液可能从注浆管的周围溢走,或注速过大,扰动土层,或遇到空隙薄弱部位;d.压力反复升降,总的趋势呈逐渐上升,凝胶时间段的浆液常出现这种现象;e.压力上升很快,而速度上不去,表明土层密实或凝胶时间过短;f.压力有规律地上升,即使达到容许压力时注浆速度也正常,这表明注浆是成功的;g.压力上升后又下降,然而后来又开始上升,并达到预定的要求值,这可以认为是d种情况的空隙部位已被浆液填满,这种情况也是注入成功的例子。
  2.4.2.3 注入速度:即单位时间的注入量,一般根据注浆前的注水试验测出的p-q曲线及设计注入形态的要求,来选定适合的注入速度。根据经验注入速度一般为5~20L/min。
  2.4.2.4 注入量:取单根小导管注浆量然后相加比较合理。
  
  式中,Q为总用浆量,m3;qi为单根小导管浆量,m3;r为注浆半径,m; li为小导管长度,m;λ为单位注入率,%;n为空隙率,%;a为填充率,%。从实践经验知道,对粘性土而言,如果注入率不保持在30%以上数值,则注入效果不明显,故一般确定在30%~50%。对砂性土或大颗粒空隙而言,注入率λ取空隙率n。
  2.5 小导管注浆施工
  小导管注浆的效果好坏很大程度上取决于其注浆工艺及各注浆参数运用是否合理。不同的地质条件,不同的注浆目的,所采用的注浆工艺及注浆参数是不相同的,故在研究小导管注浆时就必须研究注浆工艺。
  2.5.1 浆液制作
  2.5.1.1 水泥类浆液。水泥浆是水泥和水按照一定的比例拌合而成的浆液,属悬浊型浆液。水灰比可选择在1~2•5的范围内,在浆液内掺入适当的外加剂,以达到浆液速凝或缓凝的效果。搅拌时间增长,粘度略有增加;而结石强度却迅速下降。搅拌3h比搅拌1h的浆体结石强度下降30%,搅拌4h比搅拌lh的浆体结石强度下降50%。必须严格控制水泥浆液的搅拌时间,通常在60min左右。
  2.5.1.2水泥-水玻璃双液浆。它是将水泥浆液和水玻璃浆液按照一定的体积比在混合器混合后一起压入岩体的浆液。水泥浆和水玻璃浆液的体积比一般根据水泥浆浓度而定,当水灰比大于1时,可以定为1:0.4~1:0.6,当水灰比小于1时,为1: 0.6~1: 0.8。这样不仅强度增加,凝结时间缩短,而且节省水玻璃。
  2.5.2 注浆工艺
  2.5.2.1 注浆方式。单液浆有纯水泥浆、水泥砂浆和水玻璃浆液等,水泥类浆液主要用于空隙较大且以增加岩体强度为目的,水玻璃浆液主要用于空隙较小的岩层中且以止水为目的,注浆顺序由下到上。注浆方式见图2、图3。
  2.5.2.2 注浆程序和方法:a.注浆管路系统的试运转。用1.5~2倍注浆终压对系统进行吸水试验检查,并接好风、水、电,检查管路系统是否耐压,有无漏水,试运转时间一般20min;b.注浆压力的控制。一次升压法:在规定压力下,每一级浓度浆液的累积注浆量达到一定限度后,调换浆液配比,逐级加浓;随着浆液浓度的逐级增加,裂隙逐渐被填充,注浆量逐渐增加,直至达到结束标准。此法适用于透水性不大、裂隙不甚发育的较好岩层。分级升压法:注浆开始时,使用最低一级的压力压注,当注浆量增加到一定程度,再将压力升高一级,当注浆量又增加到一定程度,再将压力升高一级,如此直到在规定压力下,单位注浆量达到设计标准,结束注浆。采用三个阶段时,可选用0.4P, 0.7P,1P或0.5P, 0.8P, 1P。此法适用于岩体透水性大,难于很快达到规定压力值,或者虽能达到规定压力值,但单位注浆量极大的情况,这种方法可以减少浆液的过度流失,节省压浆材料;c.凝胶时间的控制。通过调整浆液浓度和掺入外加剂来进行控制。水泥-水玻璃浆液也可以通过调整水泥浆和水玻璃的体积比来控制;d.一般注浆选用4MPa以上的高压注浆泵施工。
  
  
  
  2.5.2.3 注浆结束标准。注浆压力达到设计终压或注浆量达到设计值,稳定20min。
  2.5.2.4 注浆施工的注意事项:a.注浆压力、注入速度、注浆量和岩体的性质是决定因素,要把握注浆压力和注入速度,保证注浆量;b.发生串浆时,应同时注浆;在单泵条件下应将注浆孔及时堵塞,可用高压风或高压水冲洗,然后再注浆;c.注单液水泥浆时压力突然升高,则可能发生堵塞,敲打或滚动注浆管以疏通浆液通道,否则就近补管;d.注双液浆时压力突然升高,进行单液注浆或注清水,待泵压正常时,再进行双液注浆;e.注浆量很大,压力长时间不升高,则应调整浆液浓度和配比,缩短凝胶时间,进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆,使浆液在裂隙中有相对停留时间,以便凝胶;f.渗入性注浆单孔注浆量不得少于平均每孔注浆量的80%,劈裂压密注浆单孔注浆量不得少于平均每孔注浆量的60%,超过偏差必须补管注浆;g.注浆效果检查在小导管搭接范围内进行,渗入性注浆通过钻孔检查注浆厚度,小于30cm时,应补管注浆;劈裂、压密注浆,采用小撬棍或小锤轻轻敲打钢管附近,判断固结情况,并配合风钻钻速测试;h.注浆前严格检查机具、管路及接头的牢固程度,以防高压伤人。
  2.6 小导管注浆效果检验
  检验注浆前后围岩的渗透系数和围岩的粘聚力和内摩擦角强度的变化,并据此推断采用小导管注浆是否达到了预期的效果,是否能够满足在一定的施工方法下保证隧道塌方的稳定。
  2.6.1 统计计算注浆量。可利用注浆过程中的流量和压力自动曲线进行分析,从而判断注浆效果。
  2.6.2 利用静力触探测试加固前后土体力学指标的变化,用以了解加固效果。
  2.6.3 在现场进行抽水试验,测定加固土体的渗透系数。
  2.6.4 采用现场静载荷试验,测定加固土体的承载力和变形模量。
  2.6.5 采用钻孔弹性波试验测定加固土体的动弹性模量和剪切模量。
  2.6.6 采用标准贯入试验或轻便触探等动力触探方法测定加固土体的力学性能,此法可直接得到注浆前后原位土的强度,进行对比。
  2.6.7 进行室内试验。通过室内加固前后土的物理力学指标的对比试验,判定加固效果。
  2.6.8 采用Y射线密度计法。它属于物理探測方法的一种,在现场可测定土体的密度,用以说明注浆效果。
  2.6.9 使用电阻率法。将注浆前后对土所测定的电阻率进行比较,根据电阻率差说明土体孔隙中浆液的存在情况。
  3 结语
  根据实际注浆数据进行系统和全面的分析,结果表明风积砂隧道塌方地段因采用小导管注浆加固措施而其土体渗透性和强度效果达到了预期要求,实践证明此塌方预防施工方法具有施工工艺简单,可操作性强、施工处理快速等特点,同时施工安全可靠,施工方案对策可行,经济效益明显,为类似地质围岩隧道及其它地下工程预防塌方施工处理技术积累了相关经验,以备后续建设项目借鉴。
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