《1  工程概况》

1  工程概况

宜万铁路齐岳山隧道全长 10 528 m(DK361 +255~DK371 +783),隧道最大埋深670 m。 如图1 所示,齐岳山隧道穿越中下侏罗统上下沙溪庙组、新田沟组、自流井组、珍珠冲组和三叠系须家河组、巴东组、嘉陵江组、大冶组,以及二叠系长兴组、吴家坪组、茅口组等地层,其中可溶岩长4.7 km,占隧道总长度的 45 %,可溶岩均处在隧道进口端。 齐岳山隧道穿越区段可分为中山区(进口 ~DK364 +900)、中山谷地(DK364 +900 ~DK365 +150)和低中山区(DK365 +150 ~出口),3 个区域分别对应齐岳山构造溶蚀地貌、中部得胜场溶蚀槽谷地貌和西部碎屑岩剥蚀地貌,主要地质构造为齐岳山背斜、箭竹溪向斜,以及规模较大的断层 15 条。 其中,隧道中部得胜场槽谷区施工难度最大,与齐岳山背斜合称该隧道施工的两大难题。

《图1》

图1 齐岳山隧道工程地质图

Fig.1 The geological map of Qiyueshan Tunnel

得胜场槽谷呈狭长带状展布( 见 图 2),长68 km,宽 550 m,槽谷下发育 F11 断层。F11(得胜场逆断层)垂直切割线路,断裂带地表出露在DK365 +030 ~+145,走向 35°~45°NE,倾角 50°~70°,断层破碎带宽 60 ~100 m,局部可达 150 m 左右,发育  灰岩、角砾状灰岩与  页岩、泥灰岩分界面附近。 断层带由断层角砾岩、破裂岩、断层泥等构成,局部可见角砾的圆化现象,并在角砾状灰岩的角砾上可见擦痕,胶结物以钙泥质为主,易被溶蚀。该断层显示有多期活动性,规模大,发育多条次级分支断层。 沿断层岩溶洼地、漏斗、泉水十分发育。 断层破碎带及其附近张裂隙是控制岩溶水管道发育,甚至导致隧道施工中与管道水贯通的关键因素。

《图2》

图2 得胜场槽谷地形地貌

Fig.2 Physiognomy of Desheng field groove

预测 F11 断层地段正常涌水量 11 292 m3/d,最大涌水量 114 632 m3/d。 F11 断层地表钻孔取心照片见图 3。

《图3》

图3 F11 断层地表钻孔取心照片

Fig.3 The surface drilling photo of F11 fault

《2 技术方案论证》

2 技术方案论证

《2.1 F11 断层前期施工》

2.1 F11 断层前期施工

齐岳山隧道出口平导于 2007 年 10 月 5 日自PDK365 +359 进入 F11 断层施工。 超前深孔钻探表明:断层由构造角砾岩、泥灰岩夹断层泥、碎屑状泥质灰岩夹灰岩组成,岩体极其破碎,断层内富含高压水,超前探孔单孔最大涌水量为 1 800 m3/h,水压力 2.5 MPa。

齐岳山隧道出口正洞于 2008 年 7 月 16 日自DK365 +355 进入 F11 断层施工。 超前深孔钻探表明:断层由构造角砾岩、泥质灰岩夹页岩、断层泥组成,岩体极其破碎,断层内富含高压水,超前探孔单孔最大涌水量为 51 m3/h,水压力 1.6 MPa。 针对F11 高压富水断层,采取全断面帷幕注浆堵水措施。现场施工技术数据统计如表 1。

《表1》

表1 F11 断层前期全断面帷幕注浆施工技术数据统计表

Table 1 Data of full -face curtaingrouting of F11 fault

《2.2 技术方案论证》

2.2 技术方案论证

针对高压富水断层,按照“以堵水为主、限量排放”的施工原则,采取全断面帷幕注浆技术措施,达到了堵水效果,满足了工程安全开挖要求。 但不能否认的事实是,全断面帷幕注浆时间长、工效低、造价高。 齐岳山隧道 F11 断层长度约 200 m,按全断面帷幕注浆方案实施,工期是难以保证的。 因此,必须寻求更加合理的技术方案。

2009 年 2 月 20 日,铁道部宜万铁路建设指挥部邀请 10 位院士在湖北宜昌召开“宜万铁路复杂岩溶隧道释能降压专项技术及齐岳山隧道 F11 断层技术方案研讨会”,建设指挥部提出对 F11 断层采取“注浆加固、分水降压、交替推进、带水作业”的施工原则。 2009 年 5 月 17 日,铁道部宜万铁路建设指挥部再次邀请相关院士等 5 位专家在湖北恩施召开“齐岳山隧道 F11 断层施工技术方案研讨会”,建设指挥部继续完善 F11 断层施工原则,提出“注浆加固、分水降压、快挖快封、加强监测、综合治理”的施工技术方案。 专家们对 F11 断层采取以注浆加固为主的方案予以了肯定,认为只有摈弃全断面帷幕注浆方案,采取“外堵内固”注浆技术方案才能从根本上解决齐岳山隧道 F11 断层快速施工难题。

针对高压富水断层,采取“外堵内固”注浆技术方案,在国内外文献中无先例可以借鉴,是否可行?如何实施? 这需要在工程实践中进行研究、验证。

《3 外堵内固注浆新技术设计思路与理念》

3 外堵内固注浆新技术设计思路与理念

《3.1 全断面帷幕注浆技术》

3.1 全断面帷幕注浆技术

日本青函隧道全长 53.85 km,其中海底段长23.3 km。 在海底段施工中,针对高压富水断层破碎带,为了隧道安全施工,采取超前预注浆以阻止高压涌水。 1969 年 2 月,本州端斜井开挖到 1 225 m 处遇到 F15 断层,由于超前预注浆堵水效果差,发生突涌水,水压力 2.6 MPa,水量 660 m3/h,涌水将斜井淹没 150 m。 之后,经反复研究,首先采用水泵将水排走,然后在掌子面施作混凝土止水墙,钻孔 230 余个,注入 715 t 水泥和 260 m3水玻璃浆液,用了 7 个月时间才通过该断层。 在青函隧道施工中,尽管采取了预注浆措施,但仍发生了 4 次涌水灾害。 日本青函隧道针对高压富水断层,研究了全断面帷幕注浆技术[1,2]

全断面帷幕注浆的基本思路如图 4。 设定随着隧道开挖,将要产生一定的松动范围,在松弛区外侧一定范围内进行注浆并形成一个止水地带,用该止水带与水压抗衡,这样强大的水压就不能直接作用于初砌或支护上[3]。 全断面帷幕注浆设计时,假定地层是均匀的,外侧水压力均匀分布。 因此,需要对松弛区进行注浆堵水加固,注浆堵水加固范围与水压力有关,水压力越高、水量越大,加固范围也就越大。 根据日本青函隧道研究结果,对于高压富水断层,注浆加固半径 R 与隧道半径 a 的关系为:R =(4~6)a[4]

《图4》

图4 全断面帷幕注浆设计思路

Fig.4 Design of full -face curtain grouting

《3.2 外堵内固注浆设计理念》

3.2 外堵内固注浆设计理念

外堵内固注浆设计思路如图 5。 同样,设定随着隧道开挖,将要产生一定的松动范围,在松弛区外侧一定范围内进行注浆并形成一个止水地带,用该止水带与水压抗衡,这样强大的水压就不能直接作用于衬砌或支护上。 但对于止水地带的形成,外堵内固注浆设计与全断面注浆设计存在着本质的不同。 外堵内固注浆设计时,假定地层是不均匀的,受不均匀地层所影响,具有不均匀的透水性,因此,外侧水压力不是均匀分布。

《图5》

图5 外堵内固注浆设计思路

Fig.5 Design of grouting of outsideblocking and inside solid

3.2.1 灰色地层、分区定位

1)假定地层不均匀,处于灰色状态。

2)按注浆加固的理念进行基本注浆区设计。

注浆加固范围为隧道开挖轮廓线外 3 ~5 m,即隧道周边 0.5 ~1 倍洞径范围。 注浆设计时,按内外两圈注浆孔设计,外圈孔为隧道开挖轮廓线外 3 ~5 m,内圈孔为隧道开挖轮廓线外 1 ~3 m。

3)选取 4 ~6 个外圈注浆孔,对隧道周围灰色地层进行分区探测(如图 5 中分为 6 个区)。 通过探测,根据探孔的水量和水压力,将隧道外划分为弱水区和强水区。 探孔作为注浆孔应严格按要求进行注浆。

3.2.2 外堵内固、区域强化

1)对于超前探孔,根据水量大小确定注浆参数。 对于水量大的孔,以顶水注浆为原则,采取定压注浆,注浆压力为水压力的 2 ~3 倍,从而有效地封堵地下水裂隙通道。 经过顶水注浆,使强水区的水量和水压力降低。

2)按基本注浆区设计进行注浆。 注浆时,严格按“先外圈后内圈,同圈孔间隔跳孔” 的注浆顺序进行。

3)注浆严格采取前进式分段注浆。 根据钻孔出水量和钻孔成孔状况,对注浆分段长度(注浆步距)采取三级控制标准进行等级管理。

按钻孔出水量分为三档:10 m3/h为第一档;10 ~30 m3/h 为第二档; >30 m3/h 为第三档。 按钻孔成孔状况分为三档:无坍孔为第一档;轻微坍孔为第二档;严重坍孔为第三档。 等级划分按红、黄、绿3 种情况进行控制管理(见表 2)。

《表2》

表2 钻孔注浆等级划分表

Table 2 Classification of drillinggrouting grading

钻孔注浆分段长度按管理等级选择(见表 3)。

《表3》

表3 钻孔注浆等级划分参数选择表

Table 3 Parameters ofdrilling grouting grading

4)基本注浆区注浆完成后,将强水区作为加强注浆区,增加钻孔进行补注浆,同时检查区域出水情况,加强范围为基本注浆区外 1 ~2 m。

3.2.3 环环相扣、过程控制

外堵内固注浆设计的总体注浆机理为:堵裂隙、减少水量;固围岩、改良地层。 注浆时,先通过区域定位孔进行无约束注浆堵水,从而使地层中水量得到有效控制,然后按“合理步距、封堵水流;由外到内、环环相扣;间隔跳孔、锁定水源;增加补孔、区域加强”的注浆理念进行注浆施工。

环环相扣注浆顺序:外圈孔→内圈孔→稳面孔→补强孔→检查孔→管棚孔。

过程控制:为确保注浆效果,应严格按注浆顺序进行注浆施工。 注浆过程中,每个注浆孔都必须严格执行注浆参数。

3.2.4 注浆效果检查评定标准化

针对高压富水断层,注浆的作用既要达到堵水要求,又要满足加固地层的需要,因此,检查项目必须包含对堵水和加固双重作用的检查,同时注重过程控制的检查。 对堵水作用的检查主要应进行堵水率和注浆后地层渗透水能力的检查。 对加固作用的检查主要进行地层密实度检查和注浆后地层稳定性检查。 结合目前国内外注浆效果检查评定方法,确定采取 p -Q -t 曲线分析法、钻孔出水量分析法、注浆量分析法、检查孔出水量测定、检查孔稳定分析(成孔试验)[5 ~7]。 其中,钻孔出水量分析法和检查孔出水量测定是对堵水作用的检查,p -Q -t 曲线分析法、注浆量分析法和检查孔稳定分析是对加固作用的检查。 F11 断层注浆效果检查评定方法如图 6。

《图6》

 

图6 F11 断层注浆效果检查评定方法

Fig.6 Evaluation method of F11 faultgrouting effect

1)p—Q—t 曲线法:对于注浆过程 p—Q—t 曲线,一般要求 p—t 曲线呈上升趋势,Q—t 曲线呈下降趋势,注浆结束时,注浆压力必须达到设计终压,注浆速度达到设计速度,只有这样,才能证明原地层已被浆液填充饱满,达到注浆加固效果。

2)钻孔出水量分析法:钻孔出水量分析法通过分析钻孔出水量时间效应分布和注浆堵水率变化,评判注浆堵水效果。 总体来说,随着钻孔注浆的进行,地层被逐渐填充密实,透水率越来越小,因此,钻孔出水量应呈逐渐减少趋势,注浆堵水率会不断地提高,最终注浆堵水率应达到 80 %以上。

3)注浆量分析法:注浆量是地层吸浆能力的直接反映,地层注浆量越大,说明地层越松软,透水能力也越强,因此,钻孔注浆过程注浆量时间效应分布可以说明随着注浆的进行,地层加固密实度的变化规律,从而达到对注浆加固效果的检查评定。 注浆量分析法是通过按注浆顺序绘制注浆量时间效应分布直方图。 直方图应呈下降趋势,注浆结束时,后序注浆孔基本应达到吸不进浆液的状态。

4)检查孔出水量标准:检查孔法是分析钻孔注浆效果最直接的方法,也是目前被认为最可靠的方法。 对注浆可能存在的薄弱环节(一般为注浆量少的孔、涌水量大的孔、注浆终孔交圈位置等)钻检查孔,测定检查孔出水量,从而判断注浆堵水效果。 检查孔原则上钻孔深度小于钻孔注浆段落长度 1 m,检查径向加固厚度小于预设计加固厚度 1 m 范围。检查孔允许出水量采用 2 L/( min· m)标准。

5)检查孔稳定分析法:对检查孔进行观察,判断检查孔是否完整,检查孔放置一段时间后是否不坍孔,从而判定经注浆加固后地层的稳定性。 目前,可采用更先进的孔内成像技术,对检查孔进行孔内摄像,要求检查孔完整、不坍孔、不缩孔,从而检查评定注浆加固效果。

《4 外堵内固注浆设计与应用》

4 外堵内固注浆设计与应用

在提出外堵内固注浆设计理念后,通过研究,在齐岳山隧道出口 DK365 +318 ~+293 段注浆循环为例进行试验研究及应用。

《4.1 超前深孔钻探》

4.1 超前深孔钻探

2009 年 6 月 16 日,齐岳山隧道出口正洞开挖到 DK365 +318,通过 6 个超前加固注浆孔兼超前探孔对隧道前方地质进行超前深孔钻探,探测表明:隧道前方 0 ~10 m(DK365 +318 ~+308)段地层较为破碎,主要以碎石及碎屑为主,卡钻严重,钻进速度较慢,出水量较小。 10 ~18 m(DK365 +308 ~+300)段地层以中厚层状分布为主,钻进速度较快,出水量随着钻深而增加。 18 ~25 m(DK365 +300 ~+293)段为主要集中涌水带,地层软弱破碎,根据冲出物分析,该区段主要为碎石夹泥层,水量发生突变明显,地层吸浆能力较强。 25 m(DK365 +293)以后地层出水量有所减小,地层较为破碎。 通过超前钻孔并结合后续注浆孔施工分析,该加固段主要在DK365 +302 ~+295 段存在明显集中涌水带,工作面右侧地层含水量较左侧强。 探测段钻孔最大出水量 84 m3/h,实测水压为 1.2 MPa。

《4.2 注浆设计》

4.2 注浆设计

采取堵水加固注浆设计,注浆设计参数如表 4,

《表4》

表4 DK365 +318 ~+293 段注浆设计参数表

Table 4 Parameters of DK365 +318 ~ +293 grouting

注浆设计如图 7。

《图7》

图7 DK365 +318 ~+292 段注浆设计图(单位:cm)

Fig.7 Design of DK365 +318 ~+292grouting (unit:cm)

《4.3 注浆施工》

4.3 注浆施工

2009 年 6 月 17 日开始进行钻孔注浆施工,7 月5 日完成,历时 19 天。 现场钻孔注浆照片如图 8。

《图8》

图8 注浆结束后照片

Fig.8 Photo after grouting

《4.4 注浆效果检查评定》

4.4 注浆效果检查评定

4.4.1 p—Q—t 曲线分析法

该循环注浆仍以封堵裂隙水为主,曲线与前循环趋势一致,注浆流量随着注浆压力上升逐渐减小,压力上升到 5 MPa 后,产生明显突变,迅速上升达到设计终压,注浆流量降低到 5 ~10 L/min 结束单孔注浆。

4.4.2 钻孔出水量分析法

绘制钻孔过程中各钻孔出水量时间效应曲线如图 9 所示。

《图9》

图9 钻孔出水量时间效应

Fig.9 Time effect of bored out water

由钻孔出水量时间效应图可以看出:各钻孔最大出水量存在一定的差异,最先施工的 6 个注浆孔兼超前探孔出水量最大达到 150 m3/h,平均达90 m3/h,注浆后水量明显减小,主要的出水裂隙被有效封堵。 外圈孔施工完成后,二圈孔钻孔出水量有明显的减小,大部分在 20 m3/h,这说明采取“环环相扣、由外到内”的注浆方式对提高注浆效果十分明显。 对施工过程不同阶段钻孔中最大涌水量进行统计,分析各阶段堵水率,如表 5。

《表5》

表5 各阶段注浆堵水率

Table 5 The grouting blocking water rate of all stages

从表 5 可以看出,前期 5 个注浆孔兼超前探孔钻孔施工过程中,平均涌水量达到 90 m3/h,最大150 m3/h。 注浆结束后,在外圈孔施工过程中,单孔平均最大涌水量为 50 m3/h,堵水率达到 45 %。 随着由外及内注浆施工的逐渐推进,二圈孔施工完成后堵水率达到 83.6 %,补充注浆孔后进行检查孔施工过程堵水率达到 97.8 %,达到了预期的堵水效果。 另外,由外及内的施工工序,后续钻孔出水量减小后,有利于快速施工,也达到了约束注浆的目的。

4.4.3 注浆量分析法

绘制注浆过程各钻孔注浆量时间效应图如图 10,

《图10》

图10 钻孔注浆量时间效应

Fig.10 Time effect of drilling grouting amount

从中可以看出:

1)注浆仍以封堵岩层出水裂隙为主,出水量和注浆量有明显的对应关系,涌水量大的孔注浆量也大。 随着注浆进行,出水裂隙逐渐被封堵,地层吸浆量明显降低,堵水效果明显。

2)先施作的孔吸浆量明显大于后施作的孔,外圈孔吸浆量大于二圈孔,这说明随着注浆进行,透水裂隙被封堵后,地层逐渐密实,达到堵水与加固的目的。

对超前加固注浆孔各段吸浆量进行统计,计算各段地层延米吸浆量及所占比例,计算结果见表 6。

《表6》

表6 注浆量纵向分布表

Table 6 Vertical distribution of grouting amount

 

由表 6 可以看出,地层吸浆能力与超前探孔揭示的地质情况基本对应,18 m 前地层较为致密,出水量小,吸浆能力低,18 m 以后裂隙发育,地层破碎富水,吸浆能力强,占总注浆量的 64 %,进一步印证了该段地质情况及注浆堵水效果。

4.4.4 检查孔出水量分析法

注浆结束后,根据该循环钻孔注浆施工过程出水区域分布情况,全断面布设 8 个检查孔兼补充注浆孔,并重点对工作面右侧一定范围进行检查,检查孔终孔位置如图 11。

《图11》

图11 检查孔终孔断面布置(单位:cm)

Fig.11 The final -hole sectionlayout of check -hole (unit:cm)

检查孔设计深度为 25 m,终孔在开挖轮廓线外 3 m 处,为了进一步对薄弱区域加强补充注浆,钻深到 25 m 对检查孔出水情况进行评判后,继续钻进至终孔 28 m 再次进行补充注浆,检查孔检查结果如表 7。

《表7》

表7 检查孔检查结果表

Table 7 Test results of check -hole

经注浆效果检查,符合检查孔出水量小于2 L/(min· m),检查孔无坍孔的注浆效果检查评定标准要求。

4.4.5 检查孔稳定性分析法

对 3 个检查孔进行孔内摄像,从孔内摄像可以明显看出,前方破碎岩层以及裂隙被浆脉充填,除局部存在缩孔外,大部分区段孔壁顺滑,不坍孔,自稳能力较强。 孔内成像及孔底成像照片如图 12,

《图12》

图12 孔内成像照片

Fig.12 Photo of hole imaging

图 13所示。

《图13》

图13 孔底成像照片

Fig.13 Photo at the end of hole

 

《4.5 开挖施工》

4.5 开挖施工

钻孔注浆及管棚施作完成后进行开挖,2009 年7 月 6 日开挖开始,到 7 月 25 日开挖到 DK365 +300 封闭掌子面进入下一循环钻孔注浆施工。 现场开挖照片如图 14。

《图14》

图14 开挖照片

Fig.14 Photo of excavation

《5 进度与经济效益评价》

5 进度与经济效益评价

以齐岳山隧道 F11 高压富水断层为例,外堵内固注浆技术与全断面帷幕注浆技术进度与经济效益进行比较(见表 8)。

《表8》

表8 外堵内固注浆与全断面帷幕注浆技术参数比较表

Table 8 Parameters comparison of outside blocking and inside solid grouting with full section curtain grouting

注:1.注浆孔数量含管棚孔数量;2.注浆量计算时,地层孔隙率取 15 %,浆液填充率取 80 %,浆液损失率取 5 %;3.外堵内固注浆按10 %的加强注浆考虑;4.方案比较所占比例 =外堵内固注浆 /全断面帷幕注浆;5.效益比例 =1 -方案比较所占比例

《6 结语》

6 结语

1)依托齐岳山隧道 F11 高压富水断层,采取外堵内固注浆设计理念,打破了高压富水地层全断面帷幕注浆设计理念,这是在院士和专家指导下一次巨大的思想创新和技术进步。 外堵内固注浆设计理念以地层的不均匀性、地下水量和水压力分布的不均匀性为假定条件,这个条件符合实际。 通过齐岳山隧道工程实践,该技术具有巨大的应用推广价值。

2)外堵内固注浆技术是一项综合技术,它包括灰色地层、分区定位;外堵内固、区域强化;环环相扣、过程控制;注浆效果检查评定标准化 4 个部分的内容。 外堵内固注浆设计的总体注浆机理为堵裂隙、减少水量;固围岩、改良地层。 注浆时,先通过区域定位孔进行无约束注浆堵水,从而使地层中水量得到有效控制,然后按“合理步距、封堵水流;由外到内、环环相扣;间隔跳孔、锁定水源;增加补孔、区域加强”的注浆理念进行注浆施工。

3)与全断面帷幕注浆相比,由于注浆理念调整和注浆设计的变化,外堵内固注浆孔数量为全断面帷幕的 50 %左右,延米注浆量减少约 50 %,循环时间在水量大时缩短 80 % 以上,中等水量时缩短50 %以上。