破碎围岩注浆加固堵水施工工法.docx
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破碎围岩注浆加固堵水施工工法
破碎围岩注浆加固堵水施工工法
1.前言
由西部中大建设集团承建的安康高速公路磨河村隧道，左线隧道长4182m，右线隧道长4217m，是双向四车道高速公路隧道，净宽11.25m，净高5.2m，隧道衬砌为复合式衬砌。
由明洞进入正洞的浅埋段，围岩破碎富水，地质情况复杂，容易发生塌方、突泥、涌水等地质灾害。
能否通过浅埋破碎富水围岩段，这是保证隧道施工及运营阶段的安全与稳定性、延长隧道的使用寿命必须考虑的问题。
承建单位针对本项目的难点成立了专门的课题组。
研究成果在磨河村隧道施工中得到了成功的应用，经过鉴定达到了国内领先水平，形成了一系列关键施工技术，申请了三项实用新型专利（一种槽形开孔注浆小导管，一种俯斜式小导管注浆方式，一种仰斜式小导管注浆方式），并结合施工工艺、组织管理等，编写了《破碎围岩注浆加固堵水施工工法》。
2.工法特点
2.0.1槽形开孔注浆小导管，制作工艺简单，比传统小导管溢浆效果好。
2.0.2采用仰斜、俯斜式注浆小导管，改变了注浆管和排气管的布置方式，使浆液扩散和空气排放更加科学合理，有助于孔眼内的浆液扩散，在自重和压力作用下提高了孔眼内部浆液的密实度，防止注浆孔和排气孔的堵塞，增强了注浆加固堵水的效果，注浆质量易于控制。
2.0.3与超前支护相结合，抑制了破碎围岩的松弛变形，避免高压水直接作用在隧道衬砌上，提高了支护结构的安全性。
2.0.4采用径向注浆有效地改善了初期支护背后围岩性能,加强了初期支护与围岩的密贴程度,提高了围岩和初期支护的承载力和自稳力,有效地控制了沉降和变形，可促使围岩与结构早日趋向稳定。
3.适用范围
本工法适用于穿越破碎围岩、富含地下水、需要抑制围岩松弛变形的隧道及其它地下工程，也可用于处理坍方体及抗渗防水加固。
4.工艺原理
将槽形开孔小导管打（钻、压）入地层，结合仰斜和俯斜式小导管注浆的特点，合理设置排气管与注浆管，使浆液通过小导管渗透、扩散到围岩孔隙或裂隙中，以改善围岩物理力学性能，提高软弱、破碎围岩的整体稳定性，抑制坑道周边围岩的损伤和围岩松动区的扩展，减小富水破碎围岩的渗透性和支护结构承受的水压力，降低隧道运营后发生病害的可能性，延长隧道的使用寿命。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
开挖施工
注浆施工过程中，按照以下施工流程操作：
施工准备→确定注浆孔位置和数量→钻孔→安装注浆管→制备注浆液→注浆→检查注浆效果→注浆结束。
注浆过程的工艺流程图见图5.1
富水破碎围岩段
钻孔
装注浆管
配制浆液
注浆
否
补孔
结束
图5.1注浆工序流程图
5.2操作要点
5.2.1径向注浆设计参数
通过径向注浆可起到加固围岩和堵水的作用。
一般径向注浆设计参数主要根据地层特点进行确定，并经现场试验后不断完善。
1.注浆范围的确定
因注浆的目的、周围环境、围岩条件的不同，其注入加固位置及范围也不同。
按经验一般径向注浆加固范围为：
①一般裂隙地段B=（0.2～0.5）D；②溶洞间隔段B=0.5D；③溶洞段B=（0.5～1）D。
D为开挖断面宽度（m）。
本次径向注浆加固范围为开挖轮廓线外3m。
径向注浆图见图5.2.1-1。
图5.2.1-1径向注浆图
2.现场施工时浆液扩散半径常根据经验取值：
①一般在中细砂层、粉质粘性土中取0.5～0.8m；②中粗砂、砂卵石中取0.8～1.2m；③断层破碎带取1.5～2m。
对扩散半径取值的高低，应综合比较注浆目的、效果、钻孔和浆液费用等因素确定。
3.多排（圈）孔注浆设计，应充分发挥注浆孔的扩散潜能，以获得最大的注浆体厚度，减少钻孔数量。
布设注浆孔时，应避免出现孔与孔之间的搭接不紧密的“窗口”或“注浆盲区”。
多排（圈）孔的最佳搭接为等边三角形梅花形布置，如图5.2.1-2，注浆孔间距与扩散半径的关系为：
，R为扩散半径（m）。
因此，对于多排（圈）孔进行注浆孔设计时，注浆孔间距应满足式：
。
故径向注浆孔按梅花形布置，开孔环向间距1m，排距1m。
图5.2.1-2孔排间的最优搭接图
4.注浆管采用Φ42mm、长3m的注浆钢花管。
注浆管前端加工成圆锥状并封死，花管部分长2m，在花管段上沿纵向间隔20cm、环向间隔120°按梅花形布设45×3mm的槽形溢浆孔，管尾部分采用两道Φ6mm的圆形钢筋焊箍，其中一道用于连接注浆芯管，另一道绕上棉纱后用于止浆。
注浆孔采用风钻钻孔，成孔直径Φ50mm，成孔后下入Φ42mm注浆管。
槽形开孔小导管见图5.2.1-3。
图5.2.1-3槽形开孔小导管
5.注浆材料采用普通水泥—水玻璃双液浆和普通水泥单液浆，以双液浆为主。
双液浆配比为：
水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1、水泥浆与水玻璃体积比1∶1、水玻璃模数2.4～2.8，水玻璃浓度35
。
普通水泥单液浆浆液配比为：
水灰比0.8∶1。
6.一般根据注浆经验注浆速度为：
①对于粉质粘性土中注浆，注浆速度宜取20～40L/min；②对于砂砾石层等孔隙较大的地层注浆，注浆速度宜取40～60L/min；③对于断层破碎带注浆，注浆速度宜取60～120L/min。
7.注浆终压为：
①对于以堵水为主要目的的注浆，注浆终压按式：
计算，式中
为注浆终压（MPa），
为现场实测静水压力（MPa）；②对于以加固为主要目的的注浆，
取0MPa，即注浆终压为2～4Mpa；③对于浅埋工程注浆施工，注浆终压按式
计算，式中
为注浆终压（MPa），K为系数，
为覆盖地层的容重（KN/m3），H为覆盖层厚度（m）。
8.单孔注浆量
式中Q—单孔注浆量（m3）；
η—地层孔隙率；
R—浆液扩散半径（m）；
h—注浆孔长度（m）；
α—浆液有效填充率（0.6～0.7）；
β—浆液消耗率（10%～20%）。
5.2.2注浆施工准备工作
1.了解注浆设计图纸和资料。
2.注浆设备和材料准备。
按照设计准备注浆设备，对钻机、浆液搅拌机，注浆泵等都要进行保养，并进行试运转，必要时还需进行特性试验。
3.加工槽形开孔小导管，准备施工器材。
4.人员组织配备及培训。
5.2.3钻孔并安装槽形开孔小导管
1.测量放样，在设计孔位上作标记。
2.施工时采用风枪钻孔，钻孔至设计深度后并用高压风清孔。
3.对于仰斜孔的注浆小导管，在围岩中沿一定轮廓线按仰斜角度钻设孔眼，孔眼内放置小导管，在孔眼的端口位置放置止浆塞，将长注浆管通过止浆塞穿入到小导管内部，将长排气管通过止浆塞穿入到孔眼内部，端部用速凝水泥砂浆堵塞紧密，并进行止浆和固定处理。
具体安装见图5.2.3-1。
图5.2.3-1仰斜孔小导管
4.对于俯斜孔的注浆小导管，在围岩中沿一定轮廓线按俯斜角度钻设孔眼，孔眼内放置小导管，在孔眼的端口位置放置止浆塞，将短注浆管通过止浆塞穿入到小导管内部，将短排气管通过止浆塞穿入到孔眼内部，端部用速凝水泥砂浆堵塞紧密，并进行止浆和固定处理。
具体安装见图5.2.3-2。
图5.2.3-2俯斜孔小导管
5.2.4注浆
1.注浆管布设完毕后，在注浆管周围喷射混凝土封闭，以防止注浆过程中跑浆，保证注浆效果。
2.注浆材料采用检验合格的普通水泥—水玻璃双液浆和普通水泥单液浆。
水泥浆的配制按料重先轻后重的顺序投料，按要求的W/C先在搅拌筒内添加好清水，在开动搅拌机的情况下，缓缓加入要求的水泥量。
搅匀后（一般为5分钟），经5×5mm孔的网筛过滤后，即可放浆供注浆用，为实现连续制浆、连续注浆，必须配备1—2个储浆桶。
3.注浆方式。
径向注浆采用全孔一次性注浆方式进行施工。
4.注浆顺序。
一般先注内圈孔后注外圈孔（若需设双排孔时），先注无水孔后注有水孔，同时宜按两序孔进行，即先跳孔跳排注单序孔，然后注剩下的二序孔。
这样，通过实施约束型注浆模式，实现挤压密实，提高围岩整体性和密实性的注浆目的。
根据降水漏斗原理，一般是从拱顶顺序向下注，如遇窜浆或跑浆，则间隔1个孔或几孔灌注。
5.注浆采用注浆泵进行。
采用水泥—水玻璃浆液时，一般采用先单浆液再双浆液，浆液由稀到浓交替进行。
要先开水泥浆泵注水泥浆，用水泥浆把钻孔中的静水压回裂隙中去，再开水玻璃浆液泵压注，即实现双液注浆。
双液浆注浆工艺流程图见图5.2.4。
图5.2.4双液浆注浆工艺流程图
6.注浆管路系统的试运转。
在注浆前将各种设备连接成注浆系统，接好风、水、电，连接好各种管路系统，用1.5～2倍于注浆终压对系统进行吸水试验检查，检验管路系统能否耐压，有无漏水；检查管路连接是否正确；检查设备机具是否正常。
确保系统均处于良好的状态方可进行注浆作业。
7.注浆施工中认真填写注浆记录，随时分析和改进作业，注浆参数应根据注浆试验结果及现场情况调整。
8.注浆结束标准控制。
一序孔注浆结束标准以定量定压相结合的原则进行控制。
注浆施工过程中，以定压为第一控制原则，注浆终压为2～3MPa，如果长时间注浆压力不上升，应调整注浆材料配合比，如果注一段时间后压力仍不上升，可按定量标准进行注浆控制，注浆量以单孔注浆量不超过5m3为原则。
二序孔注浆结束标准以必须达到设计注浆终压的原则进行控制。
9.注浆效果检查。
每循环注浆设3个检查孔，以检查注浆充填情况。
检查孔深依据检查孔的开孔位置及角度确定，利用地质钻机钻孔采取岩芯并作压水试验，判断注浆效果。
注浆效果判断标准为：
检查孔采岩芯，观察注浆的充填情况，浆液固结体应充填密实，固结良好。
如不能达到上述要求，则要根据情况进行补孔注浆，直到满足上述要求为止。
5.2.5注浆异常现象及处理
1.串浆是指在注浆过程中，浆液由周围注浆孔流出的现象。
串浆时及时堵塞串浆孔，按定量注浆进行控制，必要时对多个注浆孔同时进行注浆。
2.当水泥单液浆或水泥—水玻璃注浆量很大、压力长时间不升高时，则应调整浆液浓度配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间隙式注浆，使浆液在裂隙中停留时间延长，以便凝胶，但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。
3.泵压突然升高时，可能发生堵管，应停机检查。
当堵管时，要敲打或滚动以疏通注浆管，无法疏通时要补管。
6.机具设备及劳力配置
6.1机具设备
注浆设备主要包括钻机、钻具、注浆设备、搅拌机、注浆管路总成、止浆塞和混合器等，除钻机与钻具是成孔设备，其他的设备是制备、输送浆液，并将浆液注入岩层裂隙或软土地层中的机具。
本工法主要机具设备配备见表6-1。
表6-1主要机具设备配备表
序号
机具名称
规格
用途
数量（单位）
备注
1
风钻
钻孔
1台
2
吹风管
Φ25钢管
吹孔
1根
3
注浆泵
KBY-50/70型双液注浆泵
注浆用
2台
4
注浆嘴
注浆用
1个
5
搅拌机
立式叶片轮搅拌机
拌水泥浆
2台
6
混合器
孔口球阀混合器
混合浆液
1个
7
注浆桶
盛放浆液
2个
8
波美计
测浆液浓度
3个
9
流量计
LD型电磁流量计
测浆液流量
2个
10
大锤
打管
1把
11
木尺
计测注浆量
1把
12
高压胶管
Φ25
输浆
耐压值16MPa
13
汽车
运输
2辆
6.2劳力配置
注浆施工主要分为钻孔和注浆两道工序。
钻机工、注浆工、拌浆工及辅助工等由工地负责人统一协调，做好有关工序操作人员组合搭配工作；配备1～2名施工员负责施工技术和统计工作。
另外可按工程量大小适当配备材料员、机修工和电工等工种。
7.质量控制
本工法除执行《公路隧道施工技术规范》（JTJF42－2009），《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）和《工程建设标准强制性条文》（公路工程部分）等有关规定，还应符合以下标准：
7.0.1检查钻孔、打管的质量是否满足设计要求。
7.0.2注浆材料应满足设计要求，严禁使用过期结块的水泥，必要时进行检验。
7.0.3注浆过程中，要根据不同情况选择合适的浆液和浆液配比。
7.0.4浆液配比应符合设计要求，配浆时最大误差为：
水泥、水玻璃、水为±5%，外加剂为±1%。
7.0.5浆液应搅拌均匀，一般水泥浆搅拌时间为3～5min，但不得超过30min。
未搅拌均匀或沉淀的浆液严禁使用。
7.0.6注浆过程中压力突然升高，应及时查找原因，进行处理，确因浆液凝胶时间过短，则应停水玻璃泵，只注水泥浆，待泵压恢复正常后再进行双液注浆。
7.0.7注浆过程中，应保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断。
7.0.8注双液浆时，要经常注意浆液的吸入比例，测试浆液凝胶时间，确保浆液强度和注浆堵水效果。
7.0.9采用取样检查法、静力触探法、电阻率法、声波测试法等测试加固前后岩土体强度指标的变化，根据现场情况进行试验不断调整注浆参数，以确保加固堵水效果。
7.0.10一台泵发生故障时，应立即换上备用泵继续注浆。
7.0.11双液浆注浆结束后或注浆确实需要停较长时间时，则先停水玻璃泵，后停水泥浆泵，并用清水清洗管路，以防堵管。
7.0.12注浆过程中要做好注浆记录，记录每孔的钻孔情况、注浆压力、浆液流量、注浆量、以及注浆过程中发生的事故等，为效果分析提供数据。
7.0.13严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业。
当未达到注浆结束标准时，应进行补孔注浆。
7.0.14统计计算注浆量，对注浆效果进行判断。
注浆效果应满足设计要求，否则应补注。
7.0.15加强统一指挥，在施工中发生异常情况时，听从机长指挥，及时处理，确保施工质量和工程进度。
8.安全措施
8.0.1防止断钻杆事故，钻孔中发生卡钻、掉钻、孔斜、坍孔等故障，要积极采取对策，尽快组织处理、抢修，防止人身事故，防止废孔与损伤钻机。
8.0.2注意机械使用、保养、维修，注意用电安全，经常进行检查，杜绝漏电，并派专人操作和维修，非机电修理人员不得随意拆卸设备。
8.0.3施工完毕，立即拔出注浆管，彻底清洗注浆管和注浆泵，不准残留水泥浆。
8.0.4注浆管路及连接件必须采用耐高压装置，当压力上升时，要防止管路连接部位爆裂伤人。
8.0.5孔口管、止浆塞要安装固结牢固，施工期间严禁人员站在其冲出方向前方，以防止孔口管、止浆塞冲出伤人。
8.0.6在围岩破碎及富水段钻孔注浆施工，必须安设反压防喷装置，以确保施工人员安全。
8.0.7要有良好的通风照明条件。
8.0.8建立健全安全岗位责任制，实行逐级专人负责安全，定期进行安全教育。
9.环保措施
9.0.1贯彻“预防为主，保护优先，遵纪守法”的原则，“三废”按规定排放。
9.0.2全面控制施工污染，减少污水、空气粉尘及噪声污染、水土流失，确保达到国家环保措施。
9.0.3对各类施工机械、机具采取定人定点控制，对操作人员进行安全、环保教育。
9.0.4隧道内必须连续通风，粉尘、有害气体含量低于规范要求值，风量、风速满足规范要求。
9.0.5对施工现场的粉尘进行洒水降尘，勤洗施工机械车辆，使产生的粉尘危害减至最低程度。
9.0.6加强环境保护意识，对废液、冲洗液以及沾染有浆液的弃渣均应妥善处理。
9.0.7对施工中产生的污水及油水设置沉淀池进行沉淀过滤，对沉淀池中污油水加以处理，达到环保部门要求的排放标准后方可排放，采取油水、污水分类排放。
9.0.8加强施工机械设备的维护保养，尽量减少施工噪声对周围居民的影响。
9.0.9注浆所使用的水泥应符合相关规范要求，施工用水应达到应用水标准，细骨料应使用天然洁净的河砂，严禁使用海砂，确保浆液达到无毒无污染要求。
9.0.10弃碴时要由专人指挥、堆放整齐、边坡平整，弃碴场需设置挡墙。
施工过程中杜绝随意倾倒弃碴和弃土。
施工完毕后，对弃碴场及时平整，并做好绿化、防护，避免水土流失。
9.0.11施工中的环境保护监控与检测结果满足建设单位和设计文件要求，并确保工程所处环境及水不受污染。
10.经济效益
10.0.1加固了破碎围岩、堵水效果好，围岩的稳定性提高了，抑制了隧道围岩松动圈范围进一步扩大。
施工安全度高，达到了预期安全目标。
施工作业环境得到了改善，减轻了工人劳动强度，工效高，质量好。
10.0.2减少了运营阶段的渗漏水病害，延长了隧道的使用寿命，大大降低了运营阶段的维护费用。
10.0.3较好地解决了在这类破碎富水围岩中隧道施工的难题。
同其它方法相比，本工法工艺简单，操作方便，成本比较低。
10.0.4本工法在穿越某些含有岩溶、断层破碎富水围岩的铁路隧道、公路隧道、引水隧洞等其它地下工程中得到了推广与应用，取得了显著的经济效益和社会效益。
11.工程实例
国家高速公路十堰至天水联络线陕西境鄂陕界至安康公路A-CD44合同段的磨河村隧道是双向四车道高速公路隧道，左线隧道长4182m，右线隧道长4217m，净宽11.25m，净高5.2m，隧道衬砌为复合式衬砌。
磨河村隧道明洞进入正洞的浅埋段，围岩破碎富水，地质情况复杂，容易发生塌方、突泥、涌水等地质灾害。
在洞口浅埋破碎富水围岩段应用破碎围岩注浆加固堵水施工工法，工法采用Φ42mm、长3m的槽形开孔小导管，注水泥—水玻璃双液浆，保证了工程的顺利进行。
广陕高速公路古家山隧道位于四川省广元市棋盘关，古家山隧道左线长2102m，右线长2066m，是双向四车道高速公路隧道，净宽10.25m，净高5.0m，隧道衬砌为复合式衬砌。
古家山隧道地质十分复杂，山体总体呈单斜构造，有断层、岩溶等不良地质体存在，隧道洞身将会遇到含水的碳酸盐岩和不含水的碎屑岩接触带、断层破碎带、暗河等软弱破碎结构带。
古家山隧道在通过断层破碎带时应用破碎围岩注浆加固堵水施工工法，采用Φ42mm、长3m的槽形开孔小导管，注水泥—水玻璃双液浆，进行了围岩的径向注浆加固堵水，保证了工程的顺利进行。
国家高速公路十堰至天水联络线陕西境鄂陕界至安康公路A-CD44合同段的庙沟隧道是双向四车道高速公路隧道，净宽11.25m，净高5.2m，隧道衬砌为复合式衬砌。
庙沟隧道明洞进入正洞的浅埋段，围岩破碎富水，地质情况复杂，容易发生塌方、突泥、涌水等地质灾害。
在洞口浅埋破碎富水围岩段应用破碎围岩注浆加固堵水施工工法，采用Φ42mm、长3m的槽形开孔小导管，注水泥—水玻璃双液浆，进行了围岩的径向注浆加固堵水，保证了工程的顺利进行。
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