浅谈注浆工艺在隧洞超挖回填中的应用
摘要:大量工程实践证明,围岩较差的隧道开挖中不可避免地在支护与围岩之间存在一定超挖空洞。基于这一工程施工的具体问题,文章结合临沂市30万吨/d供水工程引水源头隧洞提出了一种用于隧洞超挖回填注浆的新方法,并具体阐述了该方法的施工工艺、重要环节以及关键问题等。最后,采用一些有效而又简单易行的检测方法对本次注浆效果进行检测,结果表明该方法是可行而有效的。
关键词:隧洞;超挖;回填注浆
由于岩体质量的差异与爆破工艺的限制,浅埋暗挖的隧洞掘进工程施工中超挖与塌方是正常而又难以避免的,尤其在工程地质条件较差的IV与V类岩体中。而超挖导致的结果是一次支护与隧洞围岩之间出现一定量的空洞,这对于维持洞室的稳定是极其不利的,也是工程安全的隐患。因此,如何有效地对隧洞掘进中的超挖进行回填处理成为许多隧洞工程施工中的一个关键技术问题。以临沂市30万吨/d供水工程引水源头隧洞为例,本文介绍了注浆工艺在隧洞超挖回填中的应用。
1、工程概况
临沂市30万吨/d供水工程是解决临沂城水资源短缺,优化水资源配置,合理利用水资源的一项关系国计民生的战略性工程。引水源头隧洞工程是该工程的关键工程。隧洞进口位于蒙阴县的岸堤水库,出口位于蒙阴县界牌镇的马头崮村,全长3773m,隧洞设计采用城门洞形式,尺寸为2.0mx2.0m,为有压隧洞。
隧洞地层岩性主要以砂岩、砾岩为主,岩层倾向南西15o,倾角75o。工程区发育有相当数量的破碎带,尤其是隧洞出口受断层影响,岩体较为破碎。岩体围岩类别以IV类与V类为主。地下水类型以基岩风化裂隙水为主。总之,各类破碎带与地下水问题是影响隧洞施工安全与造成隧洞超挖的主要原因。
2、隧洞超挖与注浆关键问题
为了使回填注浆达到最好效果,笔者首先对临沂市30万吨/d供水工程引水源头隧洞中一次支护与隧洞围岩之间的空洞分布特点进行了抽样调查。调查手段包括风钻钻探揭示、超声波检测以及掌子面形态图分析等。结果表明,已完成隧洞中大部分均存在大小不同的空洞,尤其是洞顶以上部分;此外,这些空洞分布具有不均匀、不连续等特征,这也给注浆回填带来巨大的困难,是对注浆工艺的高要求。
根据工程的这一实际状况,并考虑到钢筋格栅拱架喷射混凝土(一次支护)的柔性支护强度较低,在参照前人对注浆工艺研究与经验的基础上确定了注浆回填的关键技术原则:
⑴按常规回填注浆要求,单作业面沿隧洞掘进方向(纵断面方向)不超过50m;
⑵单作业面(横断面上)注浆应从侧墙底部至腰线逐步到拱顶实施一次灌浆;
⑶考虑到一次支护抵抗外界压力的能力小,采用充填式小压力注浆;
⑷注浆宜从低到高、单向赶浆,小压力、分层、对称注浆。
3、注浆回填施工方法
根据本注浆方法的关键技术原则,笔者又选择一段典型隧洞进行注浆回充填试验。根据试验所选注浆压力、布孔方式、结束标准等基本能满足回填注浆要求等注浆参数,最后规范了注浆方法的实施细则,并将其规程化,以便同类工程中借鉴。
⑴孔点布置与钻孔
孔点布置与钻孔是本方法顺利实施的前提与基础。本文给出的孔点布置是在多个工程中实施并反复修改确定的。在钢筋格栅拱架喷射混凝土(一次支护)结构体上,按照一定的布局钻孔,确定注浆、回浆与排气等孔位。
沿掌子面方向(横断面),自隧洞底面向上每0.5～1m布置一层孔;沿洞轴线方向(纵断面),每隔3m布置一圈孔。钻孔深度应确保穿过喷射混凝土结构体,且深入围岩5～10cm,孔深一般0.5～1m;遇大塌方地段,钻孔深度应适当增加,保证钻孔穿过混凝土喷射体。钻孔孔径为50mm,钻孔方向垂直于喷射混凝土。
⑵埋管
埋管是注浆工艺的一个辅助性环节,但对注浆效果也很重要。首先,钻孔完成后,应逐一检查并验收。埋管采用直径25mm钢管,外缠棉纱用钢钎嵌入固定,钢管长50cm,外漏20cm。埋管时要确保钢管没有被水泥等堵塞。
⑶浆液参数与备料
浆液采用42.5级普通硅酸盐水泥,材质同C30喷射混凝土用水泥,采用纯水泥浆或水泥砂浆关注,水灰比为0.6:1～0.5:1,水:灰:砂比为1:1:2。一般超挖形成的空洞体积不大,采用纯水泥浆;对大塌方部位或地段(尤其是拱顶),采用水泥砂浆灌注。
⑷注浆
现场注浆是本方法的关键所在。注浆的关键技术问题包括注浆方式、注浆压力与注浆顺序等。
本文采用的注浆方式为小压力充填式注浆,以孔口回浆,孔内充填注浆。
注浆压力控制在0.03～0.1MPa之间,小压力注浆,缓慢分级升压,每级压力不超过0.02MPa。
注浆顺序以从低到高,从下到上,单向赶浆,对称同时灌注。具体从最底层起,分层灌浆,选两侧墙同高程对称的2个孔先后进浆(一侧灌浆孔结束,灌另一侧灌浆孔),其他孔敞开(排气、回浆),待同高程其他孔有浆流出,控制进浆压力,充分排气;待排浆比重与进浆比重相同时,扎管封闭,依此类推,封闭同层灌浆孔。当上层灌浆孔有浆液串出时,更换灌浆管到此串浆孔,从串浆孔进浆灌注,灌浆方法同上。对无浆液串出的孔,单独进浆灌注。
当顶层灌浆孔出浆封闭,灌注一段时间,记录注浆量,如注浆量小于1L/min,延续5min,可结束该段灌浆,闭浆待凝,浆液凝固8h后方可拆管。
⑹特殊情况的处理
灌浆过程中如有外漏,可采取嵌缝封堵、降低压力、加浓浆液等方式处理,必要时可掺速凝剂,加速浆液凝固。
灌浆过程中如有发现洞壁混凝土观测有裂缝、起包、脱落等异常现象,应立即停止灌浆,分析、查明原因,以及时采取应对措施。
4、注浆检测与效果评价
注浆工艺好坏的判定需要经实际检测来确定。结合试验段与隧洞注浆的实际情况,本文对隧洞超挖回填注浆质量检测采用多种操作性强而又简单的检测方法:
⑴检查孔观察法
检查孔观察法是通过对检查孔进行观察,察看检查孔成孔是否完整,是否涌水、涌砂、涌泥,检查孔放置一段时间后是否坍孔,是否产生涌水、涌砂、涌泥,通过观察,定性评定注浆效果。
⑵检查孔取芯法
对检查孔进行取芯,通过对检查孔取芯率、岩芯的完整性、岩芯强度试验等进行综合分析,判定注浆效果。若芯样无空洞或不密实现象,或空洞、不密实部位为水泥结石充填,则表明注浆质量合格。
⑶力学指标测试法
对岩芯试件进行力学指标测试,通过分析力学指标,确定注浆效果。
根据上述各项检测结果,临沂市30万吨/d供水工程引水源头隧洞一次支护后采用本方法进行的回填注浆,取得了很好的生产效果,这也确保了该工程质量的达标。
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