高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法

2023-05-26 13:09:41 1

高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法
【專利摘要】本發明公開一種高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，包括：通過隧道超前地質探測確定隧道圍巖等級達到三級以上；在隧道掌子面施做止漿牆，並在止漿牆中下部鑽出至少三個探測-洩水孔；在止漿牆上沿隧道開挖輪廓線的內周間隔標定至少十五個注漿孔位；當至少十五個注漿孔位都完成鑽孔注漿後，測量每個探測-洩水孔的出水量；當測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘時，直接開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於10升/米*分鐘且小於等於20升/米*分鐘時，增鑽探測-洩水孔直至測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘後，開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於20升/米*分鐘時，在進行全斷面帷幕注漿施工後，開挖隧道。
【專利說明】高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隧道和地下工程施工方法，特別涉及一種高壓富水隧道的超前預報、注漿加固、檢測效果和開挖施工方法。
【背景技術】
[0002]在新建鐵路隧道施工過程中經常遇到各種特殊地層，如:裂隙、破碎帶、軟弱夾層、溶洞等，而且這種特殊地層大都會伴隨有高壓富水存在，給隧道施工作業帶來巨大困難和安全風險。目前國內鐵路工程領域遇到類似特殊地層後，均採用前進式全斷面帷幕注漿的施工措施加固改良地層，但是每一個工程都有它的特殊性，有些工程偏向於加固，有些工程偏向於堵水，有些工程需要堵水、加固兩者兼顧，還要結合超前大管棚支護措施。此外，還要考慮工期、施工成本、施工安全等因素。如果對注漿方案的選擇得當，就能以較小的施工成本達到設計預期的注漿效果。
[0003]如中國專利申請公開第101638987A號所揭示的一種用帷幕注漿加止漿牆穿越高壓富水斷裂帶的隧道施工方法，其含有下面的步驟:步驟1、隧道掌子面清理結束後，採用HY303紅外探測儀近距離探測前方圍巖及隱伏含水狀況，每次探測長度15?20m ;同時採用MGJ-50水平超前鑽機向前方通過鑽孔鑽探驗證，每次鑽探長度30?50m，綜合分析掌子面前方圍巖完整狀況、出水狀況，對圍巖穩定性進行綜合評定；步驟2、在掌子面修築鋼筋混凝土止漿牆以加快注漿施工速度，防止漏漿，最大注漿壓力可達到7Mpa ;步驟3、帷幕注漿:沿隧道掘進方向鑽孔3-4環，先鑽外圈孔後鑽內周孔、同一圈孔先鑽下部孔後鑽上部孔，間隔交替鑽孔施工；鑽孔開孔直徑不小於110mm，終孔直徑不小於91mm ;為控制鑽孔的方向，在孔口設輔助管:輔助管採用Φ 108、壁厚5mm的熱軋無縫鋼管，長度3m，按照鑽孔參數表進行布設；鋼管外露不小於0.2m，並事先加工好絲扣，以便與注漿器連通進行注漿施工；布設時採用雙層Φ 16鋼筋骨架安裝固定，並預埋入止漿牆中；鑽孔後採用前進分段式注漿，分段長度4m?5m,注眾速度5?110(L/min),先低壓注眾加固後方巖盤,後採用高壓深孔注漿；注漿順序為按照對稱開孔、先注無水孔、後注有水孔的原則，由外向內，同一圈孔間隔施工；注漿採用普通水泥漿、普通水泥-水玻璃雙液漿。
[0004]又如中國專利申請公開第101798930A號所揭示的一種隧道高壓富水斷層帶的快速施工方法，當隧道平導和正洞進入高壓富水斷層帶時，包括以下步驟:(I)在正洞與平導之間增設至少一個洩水支洞作為長期分水降壓通道，對斷層交界面上盤水量水壓進行逐級降壓，洩水支洞施工超前正洞50-200m，對於正洞和平導大股出水採用引排不堵；(2)待正洞水壓降到0.3-0.5Mpa時採用信息化跟蹤精確注漿方法進行注漿加固，具體方法如下:A、施作止漿牆；設置孔口管、注漿管B、測量鑽孔湧水C、壓水試驗D、布孔、鑽孔作業a、先施作3-5個作為外圈孔的超前地質探孔，分布在拱頂、拱腰及拱腳處，根據超前地質探孔的監測結果探明實際地質情況及水文條件，優化後續布孔設計山、施作其餘外圈孔，為環形布置，注眾加固圈厚度為3.5?5m,相鄰外圈孔開孔間距為1.5m,終孔間距為3m ;c、施作至少一層內周孔，在外圈孔內側呈環形布置，注漿加固圈厚度為1.5?2m，相鄰外圈孔開孔間距為1.5m， 終孔間距為3m ;d、施作工作面穩定孔，在工作面上半斷面按照相鄰孔之間上下左右間距均為1.5m、且為梅花形的原則布孔；在工作面下半斷面按照相鄰孔之間上下左右間距均為3.0m、且為梅花形的原則布孔；e、施作檢查孔，根據上述外圈孔、內周孔、工作面穩定孔的湧水量和注漿量分析結果，布置檢查孔，主要布置在地質條件差或注漿薄弱區域的異常孔附近，採用一個異常孔周圍布置兩個檢查孔的原則；f、施作管棚孔，在開挖輪廓線外拱部90°~120°範圍內布孔，布設間距40~50cm，外插角5°~7° ;E、注漿作業a、注漿順序:注漿過程按照外堵裂隙、內固圍巖，由外及內、間隔跳孔的約束法進行注漿順序控制，具體注眾順序依次為超如地質探?L 一其餘外圈孔一內周孔一工作面穩定孔一檢查孔一管棚孔，注漿過程中，內層孔作為外層孔的檢查孔，相鄰孔互為檢查孔；b、注漿方式:採用前進式分段注漿，分段長度根據出水量及地層破碎程度進行控制:出水量小於Q < IOmVh時，分段長度小於IOm/段；鑽孔出水量10m3/h ^ Q 30m3/h時，停止鑽進立即進行注漿處理；地層無坍孔，分段長度小於IOm/段；地層出現輕微坍孔，分段長度小於或等於5m/段；地層出現嚴重坍孔，停止鑽進注漿；c、注漿材料選擇:以硫鋁酸鹽水泥單液漿、普通水泥單液漿為主，普通水泥-水玻璃雙液漿、超細水泥漿為輔，其中硫鋁酸鹽水泥單液漿水灰比為(0.8~1.2): 1，普通水泥單液漿水灰比為(0.6~1.2): 1，普通水泥-水玻璃雙液漿水灰比為(0.8~1.2): 1，體積比為
I: (0.3~I)，超細水泥漿水灰比為(0.8~1.2): I ;F、超前大管棚施工選擇圍巖較好地段為管棚搭接段落，採用無工作室管棚施工，施工中對搭接段和管棚後段採用小導管加強施作，管棚材料採用Φ76-Φ108πιπι無縫鋼管；G、玻璃纖維錨杆穩定工作面超前注漿結束後，在工作面上半斷面的鑽孔內放入中空玻璃纖維錨杆並進行注漿施工，使具高抗拉強度的錨杆通過漿液和軟弱地層固結成為整體，形成縱向錨固柱；(4)拆除止漿牆止漿牆採用爆破法拆除，在其橫斷面方向，先掏心，周邊預留50-100cm，逐圈採用爆破方法擴挖，在其縱向方向，分段爆破長度為50cm ;在孔口管位置爆破加強；(5)採用快挖快封技術對正洞和平導進行開挖A、短距離超前和周邊鑽探在施工過程中加強前方及周邊5.0m範圍內的鑽孔探測，正洞每循環上導施工6個孔，下、中導各施工2個孔；平導每循環上導施工3個孔，下、中導各施工2個孔；孔數實行分級管理，根據開挖長度的不同及時進行調整，對於前IOm可減少至3個孔，後IOm施工6個孔；B、對正洞採用三臺階七步開挖法進行施工，平導採用上下臺階開挖法進行施工。
[0005]然而，如上所述的現有技術施工方法存在以下的缺點和不足:採用全斷面帷幕注漿施工方法，注漿加固、堵水效果良好，但注漿周期較長，導致總體施工進度較為緩慢，整個施工工期嚴重滯後。
[0006]因此，提供一種能夠節約施工成本、提高施工效率的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法成為業內急需解決的問題。

【發明內容】

[0007]針對現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種能夠在保障施工安全的前提下大幅提高施工效率並降低施工成本的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測、注漿加固開挖方法。
[0008]根據本發明，提供一種高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其包括:(I)通過隧道超前地質探測來確定隧道圍巖等級達到三級以上；(2)在隧道掌子面施做止漿牆，並在止漿牆中下部鑽出至少三個探測-洩水孔；(3)在止漿牆上沿隧道開挖輪廓線的內周間隔標定至少十五個注漿孔位，至少十五個注漿孔位分為至少五個A序注漿孔位、至少五個B序注漿孔位以及至少五個C序注漿孔位，A序注漿孔位和B序注漿孔位交替分布於隧道開挖輪廓線的內周的中上部，C序注漿孔位分布於隧道開挖輪廓線的內周的下部；
(4)在至少五個A序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個A序注漿孔後，接著在至少五個A序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個A序注漿孔，同時對上一個A序注漿孔進行注漿，直至至少五個A序注漿孔位都完成注漿；(5)在至少五個B序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個B序注漿孔後，接著在至少五個B序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個B序注漿孔，同時對上一個B序注漿孔進行注漿，直至至少五個B序注漿孔位都完成注漿；(6)在至少五個C序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個C序注漿孔後，接著在至少五個C序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個C序注漿孔，同時對上一個C序注漿孔進行注漿，直至至少五個C序注漿孔位都完成注漿；以及(7)當至少十五個注漿孔位都完成注漿後，測量每個探測-洩水孔的出水量；當測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘時，直接開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於10升/米*分鐘且小於等於20升/米*分鐘時，增鑽探測-洩水孔直至測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘後，開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於20升/米*分鐘時，在進行全斷面帷幕注漿施工後，開挖隧道。
[0009]圍巖等級的確定方法可以是直接採用國家有關部門提供的現有勘探數據，或者是有關部門採用勘探儀器在施工前臨時得出的數據。
[0010]優選地，本發明採用隧道超前地質探測系統，其能夠預測隧道施工中的不良和特殊地質問題，解析度高，精度高，預報距離長。預報的地質情況可以包括但不限於:①軟弱巖層的分布、②斷層及其影響帶、③節理裂隙發育帶、④含水情況、⑤溶洞、⑥圍巖類別。通過超前地質預報，能夠及時地了解掌子面前方的地質情況，為隧道施工和及時合理地調整支護參數提供依據，有效地控制地質災害的發生，確保支撐隧道的巖石牢固可靠和施工質量，改善工地的安全，贏得了施工時間，降低成本，提高隧道掘進的進度，將風險降低到最小。
[0011]可選擇地，隧道超前地質探測系統可以採用地震反射法和/或地質雷達法。
[0012]其中，地震反射法是一種快速、有效、無損的隧道地質預報技術。能在隧道(洞)施工開挖前提供幫助，其目的在於迅速超前地提供在開挖周圍及前方的三維空間的工程地質預報。
[0013]地震反射法採用了回聲測量原理。地震波在指定的震源點(通常在隧道的左邊牆或右邊牆，大約24個炮點布成一條直線)用小量炸藥激發產生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面(即波阻抗差異界面，例如斷層、巖石破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。反射信號的傳播時間和反射界面的距離成正比，故而能提供一種直接的測量。
[0014]地震反射法的特點如下:預報範圍從IOOm到150m ;操作簡單,對工作環境無要求，成果豐富，對施工過程無防礙；兩個小時內完成量測準備工作，一般一次量測時間為30—50分鐘；對不良地質體的地質性質判斷一般較準確，解析度可達到lm，預報的距離誤差小於5 %，對地質體規模識別準確度達85%以上；通過配套分析軟體，可很方便地完成數據處理、評估。
[0015]例如，在隧道地質預報工作中使用的儀器可以是瑞士 AMBERG公司生產的TSP203和VSP等地震反射預報系統。
[0016]其中，地質雷達法是基於地下介質的電性差異，向地下發射高頻電磁波，並接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術。其工作過程是由發射天線送入地下一高頻電磁脈衝波，當其在地下傳播過程中遇到不同的目標體(巖土體、空洞等)的電性介面時，有部分電磁能量被反射回來，被接收天線所接收，並由主機記錄，得到從發射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。地質雷達方法是由已知條件推斷未知情況的方法，當地下介質的波速已知時，可根據測到的精確t值求得目標體的位置和埋深。根據反射波組的波形與強度特徵，通過同相軸的追蹤，可研究地下介質特徵、地下結構，確定反射波組的地質含義。
[0017]地質雷達法操作簡單，對施工幹擾小，可對巖溶、斷層破碎帶、地下水賦存情況進行探測，探測目標的深度通常在30m以內，該方法對有地下水的地質條件非常敏感。例如，可以採用美國GSSI公司的SIR-20型地質雷達。
[0018]通常，圍巖等級按照表I來劃分。本發明所指的隧道圍巖等級達到三級以上包括表I中的1、π、ιπ級。
[0019]表I圍巖等級表
[0020]
【權利要求】
1.一種高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，包括: (1)通過隧道超前地質探測來確定隧道圍巖等級達到三級以上； (2)在隧道掌子面施做止漿牆，並在所述止漿牆中下部鑽出至少三個探測-洩水孔； (3)在所述止漿牆上沿隧道開挖輪廓線的內周間隔標定至少十五個注漿孔位，所述至少十五個注漿孔位分為至少五個A序注漿孔位、至少五個B序注漿孔位以及至少五個C序注漿孔位，所述A序注漿孔位和所述B序注漿孔位交替分布於所述隧道開挖輪廓線的內周的中上部，所述C序注漿孔位分布於所述隧道開挖輪廓線的內周的下部； (4)在所述至少五個A序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個A序注漿孔後，接著在所述至少五個A序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個A序注漿孔，同時對上一個A序注漿孔進行注漿，直至所述至少五個A序注漿孔位都完成注漿； (5)在所述至少五個B序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個B序注漿孔後，接著在所述至少五個B序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個B序注漿孔，同時對上一個B序注漿孔進行注漿，直至所述至少五個B序注漿孔位都完成注漿； (6)在所述至少五個C序注漿孔位的其中一個孔位鑽出一個C序注漿孔後，接著在所述至少五個C序注漿孔位的另一個孔位開始鑽下一個C序注漿孔，同時對上一個C序注漿孔進行注漿，直至所述至少五個C序注漿孔位都完成注漿；以及 (7)當所述至少十五個注漿孔位都完成注漿後，測量每個所述探測-洩水孔的出水量；當測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘時，直接開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於10升/米*分鐘且小於等於20升/米*分鐘時，增鑽探測-洩水孔直至測得單孔最大出水量小於等於10升/米*分鐘後，開挖隧道；當測得單孔最大出水量大於20升/米*分鐘時，在進行全斷面帷幕注漿施工後，開挖隧道。
2.如權利要求1所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述步驟(4)、(5)和(6)中，採用分段鑽孔注漿施工，當所述至少十五個注漿孔位的上一段鑽孔注漿施工都完成後，繼續進行所述至少十五個注漿孔位的下一段鑽孔注漿施工，直至達到每個注漿孔的設定長度。
3.如權利要求2所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述分段鑽孔注漿施工過程中，當所述至少十五個注漿孔位的上一段鑽孔注漿施工都完成後，經過注漿液的終凝時間，鑽機鑽頭掃孔上一段完成的注漿孔後，接著上一段鑽出的注漿孔繼續進行所述至少十五個注漿孔位的下一段鑽孔注漿施工。
4.如權利要求3所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，鑽孔注漿施工的分段條件為:當所述隧道掌子面的總出水量為O~10立方米/小時時，鑽孔注漿施工的分段長度為8~12米；當所述隧道掌子面的總出水量為10~30立方米/小時時，鑽孔注漿施工的分段長度為3~7米；當所述隧道掌子面的總出水量大於30立方米/小時時，立即停止鑽進，進行注漿加固。
5.如權利要求1~4中任一項所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述步驟(4)、(5)和(6)中，採用分段供漿，每個注漿孔的前二分之一至四分之三範圍內選用水泥-水玻璃雙液漿，每個注漿孔的後四分之一至二分之一範圍內選用硫鋁酸鹽水泥單液漿。
6.如權利要求5所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，水泥-水玻璃雙液漿的體積比為1:1，其中普通水泥的水灰比為0.8~1.0:1 ;硫鋁酸鹽水泥單液漿的水灰比為0.6~1.0:1。
7.如權利要求1~4中任一項所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述步驟(7)中，開挖隧道時，僅開挖上一循環注漿加固隧道的前三分之二至六分之五，預留上一循環注漿加固隧道的後六分之一至三分之一作為下一循環注漿加固隧道的止漿盤。
8.如權利要求1~4中任一項所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，所述 全斷面帷幕注漿施工包括在所述隧道開挖輪廓線的外周的中上部增加至少十五個管棚孔，在所述至少十五個注漿孔位的內周增加至少十個補充注漿孔。
9.如權利要求1~4中任一項所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述步驟(1)中，隧道超前地質探測採用地震反射法和/或地質雷達法。
10.如權利要求1~4中任一項所述的高壓富水隧道寬張裂隙超前探測注漿加固開挖方法，其特徵在於，在所述步驟(4)、(5)和(6)中，每個注漿孔的單孔注漿結束壓力大於等於6兆帕。
【文檔編號】E21D11/10GK103982201SQ201410219910
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】謝達文, 張亮, 魏祥龍 申請人:北京中鐵瑞威工程檢測有限責任公司