青岛胶州湾海底隧道围岩注浆加固技术Word文档格式.docx
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出水量
中图分类号:
U459.5文献标识码:
A文章编号:
1000–6915(2011)04–0790–13
GROUTINGREINFORCEMENTTECHNIQUEOFQINGDAOJIAOZHOUBAYSUBSEATUNNEL
WANGQian1,QULiqing1,GUOHongyu2,WANGQuansheng3
(1.QingdaoGuoxinJiaozhouBayTrafficCo.,Ltd.,Qingdao,Shandong266500,China;
2.ZhejiangProvincialInstituteofCommunicationsPlanning,DesignandResearch,Hangzhou,Zhejiang310006,China;
3.ScientificResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang,Henan471000,China)
Abstract:
WithaviewtowaterinflowofthefracturedfaultzoneoccurredintheQingdaoJiaozhoubaysubseatunnelconstructionandviatheoreticalanalysis,laboratoryandfieldtestaswellaspracticalapplication,theexperimentalinvestigationongeneralcementpaste,ultrafinecementpaste,speciallymadesulphoaluminatecementpasteandcement-sodiumsilicatedoubleliquidareallconducted;
andthenecessityofadvancepre-groutingwiththematerialofultrafinecementisobtained.Moreover,thekeyparametersofgroutinghavebeenascertainedandconfirmedinpractice,i.e.thegroutdiffusionradiusis1.5–2.0m,theterminatepressureingroutingis3–4MPa,thereinforcedplyofgroutingis5–6m.Throughtheexperimentalcomparisonofmultistageforwardgrouting,multistageretrogradegroutingandone-offgrouting,theoptimalgroutingmethodisdetermined;
i.e.adoptingthemultistageforwardwayofone-offfullholegrouting.Intheconstructionprocess,asystemofcoordinatinginformationizedhole-drillinggroutingequipmentsisprobedanddevelopedwiththethree-boomdrilljumboandtop-speedpulperforslurrying,high-pressuregroutingpumpforgroutingandgroutingrecorderautomaticallyloggingthegroutingparameters.Byimplementingthestrategyofdrillingandgroutingconductedateachdeployedpositionsimultaneously,drillingandgroutingoperatedonaparallelbasis,ahighlyefficientandinformationizedadvancepre-groutingisthusrealized.Thegroutingeffectivenessismainlyfocusedonthehydraulic
收稿日期:
2010–10–11;
修回日期:
2011–02–16
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•
dischargeofdrillingholes(accordingtothedesignrequirements,hydraulicdischargeperlinearmetershouldnotexceed0.15L/minandlocaldischargeshallbenomorethan3L/min),andassistedinpackertestofhole,whicharefurthersupplementedbytunnelseismicprediction(TSP)geophysicalprospectingcomparison,drillingTVanalysis,excavationandtunnelfaceanalysisaswellasP-Q-Tcurveanalysis.Bythepracticalgroutingfor31stages,theabovementionedmaterials,parametersandgroutingmethodsareallprovedtobefeasibleandreliable.Keywords:
tunnellingengineering;
subseatunnel;
pre-grouting;
groutingreinforcementtechnique;
waterinflow
1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53.85km,海底段23.30
km,隧道在海面下最大埋深240m,其中水深140m。
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100km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年代开始论
证,到2006年开始建设,用了近30a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80km/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6170m,隧道轴
线处海面宽约3.5km,最大水深约为42m。
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F4–4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,裂隙面浸染迹象不甚明显;
该破碎带宽度小于30m,透水率5~10Lu,渗透系数为0.03~0.06m/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≥30m),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2~3孔,行车隧道3~5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0.5~1.0m,终孔位于开挖轮廓线外1.5~3.0m。
探孔每循环搭接长度,服务隧道6m,行车隧道8m。
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14种浆液性能对比
Table1Comparisonofpropertiesoffourgrouts
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1∶1的条件下得出超细水泥的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1∶1,否
浆液种类
比表面积
/(cm2·
g-1)
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
4000
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
µ
m,渗透注浆时长,受地下水稀灰比较大时,
8200
能注入宽度大于释影响,对其凝结石体略有
0.05mm的裂缝;
胶性能会产生收缩;
性能稳
泥浆0.5mm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1∶1及1.2∶1两种水灰比进行试验。
试验结果如下:
(1)C1–9孔,孔深21m,水灰比W∶C=1∶1,在压注2min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=
3800与普通水泥相仿
1∶1较为合适;
较好的抗分散性
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)C3–6孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,压力
上升很快,达到2.5MPa,孔口密封垫片被冲破,
注入124L。
填满该孔需注入46.6L左右。
(3)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,注浆1
min,压力达3MPa,注入67.4L。
(4)C5–10孔,孔深17m,W∶C=1.2∶1,注
浆2min,密封垫冲破,压力达5MPa,注入46.2L。
水玻璃双液
浆
–为0.2mm以上
的岩体
浆越浓,反应越快
受水长期浸
泡容易分解;
收缩率大
(5)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1.2∶1,注
浆2min,压力达到5MPa,注入96.04L。
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8200cm2/g>普通水泥4000cm2/g>快硬硫铝
酸盐水泥3800cm2/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1∶1。
在现
场选择3孔进行试验。
(1)C2–8孔,孔深32m,W∶C=1∶1,共注
浆20min,注浆量474.7L。
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
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3.9L/min。
(2)C2–16孔,孔深31m,W∶C=1∶1,共注
16min,注浆量593.3L。
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4.3MPa。
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18.4L/min。
(3)6+990–2孔,孔深5m,W∶C=1∶1,共
注10min,注浆量201.1L。
曲线来看,压力呈直线上升趋势,最终压力达到3.57
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10.2L/min。
从试验情况来看,与普通水泥浆一样,硫铝酸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1∶1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0.8∶1的水灰比对B25孔进行试验,孔深15m,于15:
50开始,16:
01结束,累计注浆量401.6L,最大压力3MPa。
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7min后达到最大,随后压力减小。
该孔在压力达到最大时,孔口密封爆裂,随后压力下降,流量上升。
填满该孔需要浆量96.5L,
总注入量401.6L,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1∶1或1.2∶1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0.8∶1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为:
(1)单孔钻孔出水量≤40L/min时,采用超细水泥单液浆。
(2)单孔钻孔出水量为40~80L/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≥80L/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8.218m,宽14.426m),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、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RocketBoomer353E/H178、日本矿研的RPD–150C多功能全液压钻机、意大利卡萨Grand–C6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φ64mm钻杆,矿研RPD–150C使用φ65mm钻杆。
阿特拉斯353E钻设注浆孔35个,累计钻进794.98m,用时2145min,平
均钻进效率0.33m/min。
矿研钻设注浆孔38个,累
计钻进831.22m,用时5940min,平均钻进效率为
0.14m/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2m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R38(H35/
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R32)×
5.5m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T38×
3.66m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20~40m,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89mm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ZJ–400,转速可达1440r/min,二级搅拌采用转速85r/min的LJ–300搅拌机,从现场注浆实施来看,采用高速制浆机
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- 青岛 胶州湾 海底隧道 围岩 加固 技术