1、青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术第 30 卷 第 4 期岩石力学与工程学报Vol.30 No.42011 年 4 月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringApril，2011青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术王 乾 1，曲立清 1，郭洪雨 2，王全胜 3(1. 青岛国信胶州湾交通有限公司，山东 青岛 266500；2. 浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006； 3. 中铁隧道集团科研所，河南 洛阳 471000)摘要：针对青岛胶州湾海底隧道施工过程中存在的断层破碎带涌水，通过理论分析、室内和现场试验及实际应用 对普通水泥
2、浆、超细水泥浆、特制硫铝酸盐水泥浆及水泥水玻璃双液浆 4 种注浆材料进行研究试验，确定以超 细水泥为主进行超前预注浆。并经过实践确定并验证注浆关键参数：浆液扩散半径为 1.52.0 m，注浆终止压力 为 34 MPa，注浆加固厚度为 56 m。对分段前进、分段后退及全孔一次性注浆 3 种注浆方式进行试验比选，确 定全孔一次性注浆、分段前进为主的注浆方式。在施工过程中，研究开发以三臂凿岩台车和高速制浆机制浆、高 压注浆泵注浆、注浆记录仪自动记录注浆参数的信息化钻孔注浆设备配套系统，通过采取分区钻孔、分区注浆、 钻注平行作业，实现超前预注浆的信息化快速施工。注浆效果检查以检查孔出水量(检查孔出水量
3、满足设计每延米 不大于 0.15 L/min 且局部出水量小于 3 L/min)、检查孔压水试验为主，辅以 TSP 物探对比法、钻孔电视分析法、 开挖揭示法及 P-Q-T 曲线分析法。经过 31 段注浆，证明材料、参数、注浆方式的选择是可靠的。 关键词：隧道工程；海底隧道；预注浆；注浆加固技术；出水量中图分类号：U 459.5 文献标识码：A 文章编号：10006915(2011)04079013GROUTING REINFORCEMENT TECHNIQUE OF QINGDAO JIAOZHOU BAY SUBSEA TUNNELWANG Qian1，QU Liqing1，GUO Hong
4、yu2，WANG Quansheng3(1. Qingdao Guoxin Jiaozhou Bay Traffic Co.，Ltd.，Qingdao，Shandong 266500，China；2. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning，Design and Research，Hangzhou，Zhejiang 310006，China；3. Scientific Research Institute of China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Luoyang，Henan 47100
5、0，China)Abstract：With a view to water inflow of the fractured fault zone occurred in the Qingdao Jiaozhou bay subsea tunnel construction and via theoretical analysis，laboratory and field test as well as practical application，the experimental investigation on general cement paste，ultrafine cement pas
6、te，specially made sulphoaluminate cement paste and cement-sodium silicate double liquid are all conducted；and the necessity of advance pre-grouting with the material of ultrafine cement is obtained. Moreover，the key parameters of grouting have been ascertained and confirmed in practice，i.e. the grou
7、t diffusion radius is 1.52.0 m，the terminate pressure in grouting is 34 MPa，the reinforced ply of grouting is 56 m. Through the experimental comparison of multistage forward grouting，multistage retrograde grouting and one-off grouting，the optimal grouting method is determined；i.e. adopting the multi
8、stage forward way of one-off full hole grouting. In the construction process，a system of coordinating informationized hole-drilling grouting equipments is probed and developed with the three-boom drill jumbo and top-speed pulper for slurrying，high-pressure grouting pump for grouting and grouting rec
9、order automatically logging the grouting parameters. By implementing the strategy of drilling and grouting conducted at each deployed position simultaneously，drilling and grouting operated on a parallel basis，a highly efficient and informationized advance pre-grouting is thus realized. The grouting
10、effectiveness is mainly focused on the hydraulic收稿日期：20101011；修回日期：20110216作者简介：王 乾(1986)，男，2008 年毕业于北京交通大学桥梁与隧道工程专业，现为硕士研究生，主要从事隧道工程管理方面的研究工作。E-mail：shilw第 30 卷 第 4 期 王 乾等：青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术 791 discharge of drilling holes(according to the design requirements，hydraulic discharge per linear meter sho
11、uld not exceed 0.15 L/min and local discharge shall be no more than 3 L/min)，and assisted in packer test of hole，which are further supplemented by tunnel seismic prediction(TSP) geophysical prospecting comparison，drilling TV analysis，excavation and tunnel face analysis as well as P-Q-T curve analysi
12、s. By the practical grouting for 31 stages，the above mentioned materials，parameters and grouting methods are all proved to be feasible and reliable. Key words：tunnelling engineering；subsea tunnel；pre-grouting；grouting reinforcement technique；water inflow1 引 言20 世纪 40 年代日本修建的关门海峡水下公路 隧道，是世界最早用钻爆法修建的水
13、下隧道之一。 为了解决对微小裂隙的注浆，采用水玻璃、重碳酸 钠、硅氟化钠混合浆液注浆，取得了一定的效果。 1964 年，日本又修建了闻名世界的青函海底隧道，该隧道穿越津轻海峡，全长 53.85 km，海底段 23.30km，隧道在海面下最大埋深 240 m，其中水深 140 m。 青函海底隧道采用全断面超前预注浆加固技术取得 了良好的效果，主要采用具有良好渗透性的水玻璃 和超细高炉矿渣水泥。截止目前，挪威已经建成了 约 100 km 的水下隧道，均采用钻爆法施工1，采用 超前预注浆的方式对海底不良地质段进行处理。我国也意识到水下隧道对缓解交通压力的作 用。青岛胶州湾海底隧道从 20 世纪 80
14、 年代开始论证，到 2006 年开始建设，用了近 30 a 的时间。目前厦门东通道翔安海底隧道与青岛胶州湾海底隧道 均在建设中，还有一些海底隧道正在筹划中。海底 隧道建设面临诸多的问题2-3，在胶州湾海底隧道的 建设中，通过理论分析、现场试验和应用，研究出 了一套适合于胶州湾海底隧道的施工方法，胶州湾 海底隧道采超细水泥进行预灌浆加固堵水。整个隧 道共完成注浆 31 段，均取得了良好的效果。多种注 浆方案、注浆材料、注浆工艺、机械设备的综合运 用和研究开发，实现了注浆技术在青岛胶州湾断层 破碎带施工中的成功应用，较好地解决了断层破碎 带和微裂隙快速注浆的难题，在理论上有创新和 突破，在技术上具
15、有独创性和开拓性，实际应用效 果良好。2 胶州湾海底隧道地质情况2.1 地质情况概述胶州湾海底隧道连接青岛市主城与辅城，南接 薛家岛，北连团岛，下穿胶州湾湾口海域。胶州湾 隧道为城市快速道路隧道，设双向六车道，设计车速 80 km/h。工程采用钻爆法进行施工。胶州湾海底隧道位于团岛和薛家岛之间，全长 6 170 m，隧道轴线处海面宽约 3.5 km，最大水深约为 42 m。隧道海 底穿过区域均为火山岩，在前期地质详勘过程中对 隧址钻孔的弱微风化段进行了抽水试验以及压水 试验，确定了隧道破碎带的渗透系数和透水率。其 中 F44 断层破碎带内岩体为碎裂镶嵌碎裂结 构，裂隙以密闭型为主，少数为微张型
16、，裂隙面浸 染迹象不甚明显；该破碎带宽度小于 30 m，透水率 510 Lu，渗透系数为 0.030.06 m/d，为弱渗透性。 隧道共通过渗透性等级从微中等共 18 条主要断 层破碎带。基岩主要为微风化花岗岩、花岗斑岩、火山角 砾岩、火山角砾凝灰岩、流纹斑岩，并有较多辉绿 岩脉、石英正长岩脉侵入。根据围岩风化及完整程 度以及隧道上方顶板厚度等状况，隧道围岩分为 II， III，IV，V 四个级别的围岩类型。2.2 地质预报方法为了确定前方的断层破碎带情况，采用了多种 综合地质超前预报方式4，主要采用物探手段(TSP 超前地质预报、地质雷达探测法、瞬变电磁法探测)、 钻探取芯以及地质编录、开挖
17、验证的手段进行前方 含水断层的预报，取得了良好的成果。同时，在海底全程打设长探孔(探孔深度30 m)， 在钻探中根据钻机在钻进过程中的推力、扭矩、转 速大小、岩粉成分、成孔难易以及出水情况来判断 前方的地层情况，同时进行涌水量和水压测试，判 断掘进工作面前方地层的含水情况。服务隧道 23 孔，行车隧道 35 孔，若工作面有出水情况可适当 增加探孔数目。掌子面孔口位置距开挖轮廓线 0.5 1.0 m，终孔位于开挖轮廓线外 1.53.0 m。探孔每 循环搭接长度，服务隧道 6 m，行车隧道 8 m。探孔 出水量是选择注浆方式的主要参数。3 注浆材料选择注浆材料根据可行性、可注性、环保性、经济 性及
18、工艺实施难度综合考虑选择。目前，国内外常 792 岩石力学与工程学报 2011 年用的注浆材料可以分为水泥基浆液(普通水泥浆、超 细水泥浆及特制硫铝酸盐水泥等)和非水泥基浆液 (改性水玻璃、环氧树脂等)。考虑海底隧道处于腐蚀环境下，注浆材料应满 足耐久性和耐腐蚀性的要求，主要对普通水泥、超 细水泥(MC)、快硬硫铝酸盐水泥(HSC)等几种水泥 基浆液进行了试验。对凝胶时间、凝结时间、强度、 耐久性、配合比等物理力学特性进行试验，3.1 注浆材料特性及室内试验对普通水泥单液浆、超细水泥浆、HSC(特制硫 铝酸盐水泥)及普通水泥水玻璃双液浆进行对比， 主要的对比情况如表 1 所示：表 1 4 种浆
19、液性能对比Table 1 Comparison of properties of four grouts宜在高水压、水流速大的条件下注浆施工，浆液结 石体具有微膨胀性，胶结后，能有效地封堵住各种 出水通路，注浆后堵水效果显著，适宜于富含水且 有一定水压的破碎岩层、出水管道地层等；普通水 泥水玻璃双液浆可注性较好，配制容易，使用 方便，考虑到其种种特性(如白浊)，不建议在海底 隧道中使用。初步考虑以普通水泥、HSC、MC 为主要浆材， 普通水泥水玻璃作为辅助浆材，海底断裂破碎带 应主要采用 HSC 及 MC。对几种浆液进行室内试验， 从浆液的稳定性来看，在水灰比为 11 的条件下得 出超细水泥的
20、最终析水率及析水速度都较低；对于 较大的水灰比，超细水泥的结石率较高，黏度小， 但流动度不如普通水泥和硫铝酸盐水泥；从室内试 验来看，现场注浆采用的水灰比不宜小于 11，否浆液种类比表面积/(cm2g1)可注入裂隙 胶凝时间结石体抗压 强度则浆液的流动性将受到较大影响。3.2 注入试验普通水4 000胶凝时间长，不 结 石 体抗压 粒径大，可注入 易调节，注浆过 强度高，抗剪在一断层破碎带，对普通水泥单液浆、硫铝酸超细粒径约为普 结 石 体抗压 通水泥的 1/4，最 强 度 高，早 大颗粒不超过 20 终凝时间仍较 强、高强；水m，渗透注浆时 长，受地下水稀 灰比较大时，8 200能注入宽度大
21、于 释影响，对其凝 结 石 体略有 0.05 mm 的裂缝；胶性能会产生 收缩；性能稳泥浆 0.5 mm 裂隙超细 水泥程中浆液易流 强度高，收缩失；初凝时间长 率大盐水泥及超细水泥进行了注入试验。3.2.1 普通水泥单液浆试验普通水泥单液浆采用 11 及 1.21 两种水灰 比进行试验。试验结果如下：(1) C19 孔，孔深 21 m，水灰比 WC=11， 在压注 2 min 时，孔口密封垫片被冲破，注浆量较HSC(特制 硫铝酸盐水 泥)普通水泥适宜于岩石的细 影响小裂隙或致密的 黏土层等地层胶凝时间太短 时，可注性变 差； W C =3 800 与普通水泥相仿11 较为合适；较好的抗分散
22、性胶凝时间短且 可渗透注入裂隙容易控制；水泥定，析水性流动 性 都比普 通水泥浆好结石率高，抗 压强度高；早 强、高强早强，胶结体 后期强度低，小。(2) C36 孔，孔深 7.4 m，WC=11，压力上升很快，达到 2.5 MPa，孔口密封垫片被冲破，注入 124 L。填满该孔需注入 46.6 L 左右。(3) C25 孔，孔深 7.4 m，WC=11，注浆 1min，压力达 3 MPa，注入 67.4 L。(4) C510 孔，孔深 17 m，WC=1.21，注浆 2 min，密封垫冲破，压力达 5 MPa，注入 46.2 L。水玻璃双液浆 为 0.2 mm 以上的岩体浆越浓，反应越 快受
23、 水 长期浸 泡容易分解； 收缩率大(5) C25 孔，孔深 7.4 m，WC=1.21，注浆 2 min，压力达到 5 MPa，注入 96.04 L。 从试验数据中来看，普通水泥由于颗粒相对较普通水泥浆材料来源丰富，价格低廉且注浆的 工艺较为简单，常常作为首选的注浆材料，但是由 于其胶凝时间的一些特性，限制了其应用；超细水 泥性能较普通水泥优越，价格略高，超细水泥比表 面积 8 200 cm2/g普通水泥 4 000 cm2/g快硬硫铝酸盐水泥 3 800 cm2/g，可注入的裂隙较普通水泥细小，水压高、流速大的情况下会有一定的浆液损失；HSC(特制硫铝酸盐水泥)能有效控制注浆区域，适粗，在
24、裂隙密闭地层压入困难，浆液仅能填满注浆 钻孔，不能进行有效的劈裂和扩散。3.2.2 硫铝酸盐水泥单液浆试验 硫铝酸盐水泥单液浆试验水灰比为 11。在现场选择 3 孔进行试验。试验结果如下：(1) C28 孔，孔深 32 m，WC=11，共注浆 20 min，注浆量 474.7 L。从注浆记录时间压力曲线来看，压力呈直线上升趋势，最终压力达到 4.7第 30 卷 第 4 期 王 乾等：青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术 793 MPa。从流量时间曲线来看，流量呈逐渐增大， 达到最大值时，又逐渐下降，达到最大压力时的流 量为 3.9 L/min。(2) C216 孔，孔深 31 m，WC=11，共
25、注16 min，注浆量 593.3 L。从注浆记录时间压力曲 线来看，压力呈缓慢上升趋势，达到峰值后突然下 降，然后又上升至最大压力，最终压力达到 4.3 MPa。 从流量时间曲线来看，流量呈逐渐增大，达到最 大值时，逐渐下降，达到最大压力时的流量为 18.4 L/min。(3) 6+9902 孔，孔深 5 m，WC=11，共注 10 min，注浆量 201.1 L。从注浆记录时间压力曲线来看，压力呈直线上升趋势，最终压力达到 3.57MPa。从流量时间曲线来看，流量呈逐渐增大， 达到最大值时，逐渐下降，达到最大压力时的流量 为 10.2 L/min。从试验情况来看，与普通水泥浆一样，硫铝酸
26、盐水泥注入量也不大，这是因为快硬硫铝酸盐水泥 和普通水泥的颗粒相差不大，只是成分上有所差 别，颗粒相对较粗，在细小裂隙内注浆量很难增加。 3.2.3 超细水泥试验超细水泥以 11 的水灰比进行注浆，该水灰比可注入性较好，注浆量比较大。另超细水泥以 0.81 的水灰比对 B25 孔进行 试验，孔深 15 m，于 15：50 开始，16：01 结束， 累计注浆量 401.6 L，最大压力 3 MPa。该孔起始流 量较大，之后随着压力上升，流量逐渐下降，在压 力达到最大时，降至第一个低值，随后又有所增大， 注浆压力逐渐上升，在 7 min 后达到最大，随后压 力减小。该孔在压力达到最大时，孔口密封爆
27、裂， 随后压力下降，流量上升。填满该孔需要浆量 96.5 L，总注入量 401.6 L，注入量较小。 浆液较浓后，在地层中的注浆机制首先是积聚压密，然后是劈裂渗透，主要适用于软土地层，而 裂隙岩体一般采用较稀的浆液进行劈裂注浆。采用 11 或 1.21 的普通水泥或快硬硫铝酸 盐水泥注浆，虽能注入一部分，但其扩散范围有限， 容易引起群粒堵塞效应。而采用 0.81 的超细水泥 浆由于其浆液较浓，流动性较差，黏度较大，容易 积聚；注浆时，容易引起裂隙入口处渗浆通道的堵 塞，导致注浆压力上升较快，注浆量较小。3.3 注浆材料选取标准根据室内试验、现场试验，并结合各种浆液的性质，决定注浆材料的选取标准
28、为：(1) 单孔钻孔出水量40 L/min 时，采用超细水 泥单液浆。(2) 单孔钻孔出水量为 4080 L/min 时，按普 通水泥浆超细水泥单液浆的顺序选用。(3) 单孔钻孔出水量80 L/min 时，按硫铝酸盐 水泥浆普通水泥浆超细水泥单液浆的顺序选 用。4 注浆设备的应用4.1 钻孔设备在注浆工程中，钻孔机械应根据工程所需要的 孔深、孔径等参数来确定。胶州湾隧道断面较大(内 净空高 8.218 m，宽 14.426 m)，对机械的要求较高。 为满足大规模注浆要求，从施工工期和设备综合利 用方面考虑，海底隧道钻孔需要的钻机应具备钻孔 速度快、有高性能旋转冲击动力头装置、大范围钻 孔方向、
29、钻杆安装拆卸方便、移动方便等条件。常规地质钻机的代表是煤炭科学研究院西安分 院生产的 MKD 系列钻机，其特点是单个体积较小， 价格相对较为便宜，用于大断面钻孔时，为提高施 工效率，需要搭设钻孔台架及多台联合钻孔注浆。 由于胶州湾隧道断面较大，断层破碎带较长，且施 工要求较高，因此，常规地质钻机的实用性不高， 不建议采用。液压凿岩台车及凿岩机的出色代表有阿特拉斯 Rocket Boomer 353E/H178、日本矿研的 RPD150C 多功能全液压钻机、意大利卡萨 GrandC6 钻机及 张家口宣化恒通鑫钻孔机械有限公司的 HTYM808 多功能液压钻机等。阿特拉斯 353E 使用64 mm
30、 钻杆，矿研 RPD 150C 使用65 mm 钻杆。阿特拉斯 353E 钻设注浆 孔 35 个，累计钻进 794.98 m，用时 2 145 min，平均钻进效率 0.33 m/min。矿研钻设注浆孔 38 个，累计钻进 831.22 m，用时 5 940 min，平均钻进效率为0.14 m/min，台车的钻进效率大约是多功能钻机的2.4 倍。同时台车采用轮胎式行走，多功能钻机采用 履带式行走，进场和定位均比较慢。阿特拉斯 353E 的移动范围比较大，台车就位后可在掌子面范围之 内进行移动，而多功能钻机只能在附近 2 m 的位置 移动，需要随时调整位置。凿岩台车用于打设炮眼孔和锚杆孔的 R3
31、8(H35/ 794 岩石力学与工程学报 2011 年R32)5.5 m 六角形钻杆无法满足深孔施工要求，经 过现场不断改进，最终选择了进口 T383.66 m 圆形 加长钻杆，解决了深度钻孔问题。在注浆施工中， 钻进深度一般为 2040 m，钻孔偏差值大小直接影 响超前预注浆止水和加固效果，通过改进钻杆类型， 严格控制孔位误差、低冲击慢钻进、控制一次加固 长度等措施严控钻孔偏差，保证孔底偏差不大于孔 深的 1/40。采用三臂凿岩台车进行钻孔使得注浆的效率得到提高。凿岩台车配备直径为 65 及 89 mm 等多种 钻头，在注浆实施过程中，完全发挥了钻进潜力， 三臂同时钻进，大大提高了钻孔速率。在进行详细 对比后，提出了以改进三臂凿岩台车为主、多功能 钻机为辅的超前预注浆系统，极大地提高了超前预 注浆的钻孔效率。4.2 制浆及注浆设备现场制浆设备采用二级搅拌系统，一级搅拌采 用采用黑旋风工程机械有限公司生产的高速制浆机 ZJ400，转速可达 1 440 r/min，二级搅拌采用转速 85 r/min 的 LJ300 搅拌机，从现场注浆实施来看， 采用高速制浆机
