CN111946367B - 一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法，包括：在待穿越断层带一侧的第一掌子面钻孔并进行初步注浆固结，固结后在主机盾体、首节管和第二节管周围加注聚氨酯填充超挖间隙，使聚氨酯在主机盾体周围形成保护圈，防止注浆的浆液固结主机盾体和管节，再从待穿越断层带另一侧的第二掌子面以仰角钻孔，孔位在第二掌子面上部逐环布置，孔深延伸至靠近第一掌子面，最后利用第二掌子面的孔位对待穿越断层带进行帷幕固结注浆，固结后可继续顶进。本发明对长距离富水断层带进行注浆加固，封堵涌水，防止顶进过程中发生卡机和卡管等，降低了长距离岩石顶管施工风险。

Description

一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法

技术领域

本发明涉及顶管施工技术领域，具体是涉及一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法。

背景技术

随着国内基础设施建设的加快，长距离岩石顶管工程的大量兴建，将不可避免地面临长距离岩石顶管穿越断层破碎带的隧洞进行施工，而穿越断层破碎带的隧洞所在的地形地貌一般是地表水易汇集的地带，且隧洞穿越的断层破碎带岩体本身完整性差，受断层影响，岩体破碎、抗压抗剪强度低、无自稳能力、和富水的特点，从而使得长距离岩石顶管穿越该断层破碎带时，面临被卡机、卡管等巨大的施工风险。如何在长距离岩石顶管施工的情况下对要穿越的断层破碎带进行提前灌浆，加固松散的危岩体，封堵涌水，防止隧洞顶进过程中发生卡机和卡管，降低穿越富水断层破碎带的施工风险，是本领域亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法，通过超前加固松散的危岩体，封堵涌水，防止隧洞顶进过程中发生卡机和卡管，降低顶管隧洞施工风险。

为了达到上述目的，本发明提供了一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法，包括：

在待穿越断层带一侧的第一掌子面钻孔并进行初步注浆固结；

在主机盾体、首节管和第二节管周围加注聚氨酯填充超挖间隙，使聚氨酯在主机盾体周围形成保护圈；

从待穿越断层带另一侧的第二掌子面以仰角钻孔，孔位在第二掌子面上部逐环布置，孔深延伸至靠近第一掌子面；

利用第二掌子面的孔位对待穿越断层带进行帷幕固结注浆。

可选的，进行初步注浆固结前，先向第一掌子面方向钻孔，在第一掌子面进行局部注浆固结，再钻孔取芯探明断层状态，根据断层状态对第一掌子面进行初步注浆固结。

可选的，进行局部注浆固结时从顶管机主机人孔位置向第一掌子面方向钻孔。

可选的，进行局部注浆固结时，根据钻孔后出水情况采用单液浆、双液浆或化学浆液。

可选的，进行初步注浆固结后，根据围岩状况在顶管机主机前方沿隧洞四周斜向上钻孔并安装锚杆加固围岩。

可选的，安装锚杆加固围岩时，第一掌子面方向的围岩加固采用树脂锚杆。

可选的，在第二掌子面以仰角钻孔时钻孔深度60～100米。

可选的，以仰角钻孔时最***注浆孔的仰角根据钻孔深度设置，使孔位延伸至第一掌子面顶部2倍孔径以上位置。

可选的，在第二掌子面以仰角钻孔时，一边钻孔一边注双液浆堵水。

可选的，进行帷幕固结注浆时从第一掌子面方面观察，防止所注浆液浆流向顶管机盾体及管节外部超挖空间。

本发明提供的穿越富水断层隧洞注浆加固方法包括：在待穿越断层带一侧的第一掌子面钻孔并进行初步注浆固结，固结后在主机盾体、首节管和第二节管周围加注聚氨酯填充超挖间隙，使聚氨酯在主机盾体周围形成保护圈，再从待穿越断层带另一侧的第二掌子面以仰角钻孔，孔位在第二掌子面上部逐环布置，孔深延伸至靠近第一掌子面，最后利用第二掌子面的孔位对待穿越断层带进行帷幕固结注浆，固结后可继续顶进。本发明对长距离富水断层带进行注浆加固，封堵涌水，防止隧洞顶进过程中发生卡机和卡管等，降低了顶管隧洞施工风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是本发明一实施例提供的穿越富水断层隧洞注浆加固方法示意图；

图2是发明明一实施例提供的第二掌子面的钻孔孔位示意图；

图3是发明明一实施例提供的第一掌子面与仰角钻孔位置示意图。

其中：10-第一掌子面，20-第二掌子面，30-仰角注浆孔，40-管节。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1是本发明一实施例提供的穿越富水断层隧洞注浆加固方法示意图，参见图1所示，顶管机从断层带两侧的第一掌子面10和第二掌子面20相对方向顶进。第一掌子面10围岩破碎，刀盘被卡死，地下水大，在第二掌子面20地质钻孔探明地质情况时出水较大，结合地质资料，综合判定主机已进入滴水岩断层，为了防止主机脱困后继续顶进过程中发生卡机和卡管等风险，申请人提出一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法，以加固松散的危岩体，封堵涌水，防止隧洞顶进过程中发生卡机和卡管，降低顶管隧洞施工风险。

参见图1所示，清理刀盘内碎石块并露出第一掌子面10后，采用地质钻机从人孔位置向第一掌子面10方向钻孔，第一次完成钻孔3m左右，在掌子面进行局部注浆固结。注浆固结视钻孔后出水情况确定采用双液浆、单液浆或者化学浆液。完成3m范围的局部固结注浆后，采用地质钻机继续钻孔取芯，以探明断层的宽度和状态。在钻探的过程中，视围岩的具体情况而确定是否完成一段取芯，固结注浆一段，直至探明断层宽度和状态。

断层探明后，调整钻机方向，继续在第一掌子面10钻孔并进行初步注浆固结。初步固结后，人工清理第一掌子面的松散岩块，以便创造出安全的作业空间，进一步清理机头周围的松散岩块，并视围岩状况在主机范围钻孔并安装锚杆加固围岩。掌子面方向的围岩加固采用树脂锚杆，以便不影响后续顶管机施工。同时在主机盾体、首节管和第二节管周围灌注聚氨酯，以填充超挖间隙并形成保护圈，防止水泥浆固结管节及盾体。第一掌子面10周围固结一定范围后，采用人工清理第一掌子面10并形成工作面，清理刀盘及盾体周边的围岩，检查聚氨酯在盾体周围形成的保护圈效果。如果效果不好，继续补注完善保护圈。

保护圈完成后，从第二掌子面20方向钻孔固结灌浆，在主机四周形成稳定的围岩体和保护圈，以确保后续恢复顶进顺利完成。具体施工方面包括：采用钻注一体机在第二掌子面20钻孔，边钻边注双液浆堵水，为后续顶管施工贯通做好准备；钻孔以一定角度的仰角向前施做，孔位在第二掌子面10上部逐环布置，钻孔深度60～100米，以仰角钻孔时最***注浆孔的仰角根据钻孔深度设置，直至仰角注浆孔30孔位达到第一掌子面10顶部6m(不小于2倍洞径)以上位置，利用第二掌子面20的仰角注浆孔30对断层破碎带进行帷幕固结灌浆。作为本领域技术人员，容易理解的是，钻孔孔深延伸至靠近第一掌子面10，但不能钻穿第一掌子面10。在钻孔过程中，为防止卡钻，采用边钻边注浆固结。固结过程中，要安排在第一掌子面10观察，防止水泥浆流向盾体四周。必要时，在盾体四周注聚氨酯或其它防盾体固结材料。固结完成后，恢复顶进。

从第二掌子面20方向钻孔注浆的主要工艺包括：钻机就位→孔位定位→钻孔→裂隙冲洗及压水试验→灌浆及灌浆质量检查。注浆方式采用纯压式，方法采用环向间隔分序加密、由浅入深进行分段钻孔、分段注浆。采用RPD-75C钻机进行钻孔，先进行孔口段钻孔，安装孔口管，孔口管锚固牢固后，继续就位钻机，采用Φ65钻头进行钻进，钻孔达到设计深度后开始进行注浆。每钻6m，进行一次注浆，直至全部达到设计孔深并注浆完成，并检查注浆效果，不符合要求，进行补注浆。

【孔位设计】

本实施中纵向固结堵水长度约70m，在第二掌子面20仰角钻孔的孔位分为5个孔位环，总孔数50个，左右对称布置，呈锥形发散延伸至靠近第一掌子面10。图2是发明明一实施例提供的第二掌子面的钻孔孔位示意图，具体孔位布置如图2所示：A环孔孔数15个，外扬角6.5°；B环孔13个，外扬角5.1°；C环孔11个，外扬角3.7°；D环孔7个，外扬角2.4°；E环孔4个，外扬角0.65°。由于从第二掌子面20进行钻孔，钻孔到达现有第一掌子面10呈发散状态，图3是发明明一实施例提供的第一掌子面与仰角钻孔位置示意图，孔深70m后接近第一掌子面的分散状态如图3所示，图2和图3中40为管节。E环孔距洞轴线1.085m，每环孔以环向间距2m的距离辐射分散，灌浆后达到固结围岩及止水的目的。

【注浆钻孔】

钻孔前，用全站仪对设计开口位置进行精确放样，并用红油漆做好标记。钻机就位后，先钻孔3-5m深，安装孔口管，孔口管口连接法兰盘，安装止浆阀，并采用双液浆对孔口段进行注浆，以锚固孔口管，并加固止浆岩盘。孔口管安装严格控制外插角度，并逐孔记录。孔口管锚固牢固后，重新定位钻机，进行注浆孔钻进角。钻机定位时，保证钻杆角度与之前记录的孔口段角度吻合(不吻合增大钻进阻力，影响钻进速度)。钻孔过程中对钻孔数据进行实时监控，并进行分析，便于调整注浆参数。注浆孔孔位偏差不大于10cm，孔底偏差值不大于孔深的1/40。

钻孔分环分序进行，分环施工顺序为：A→C→E→B→D；每环孔内先施工序号为奇数的孔，再施工其他数孔。每环孔孔距根据设计要求进行精确测量放样进行布置，A环孔灌浆孔弧长距为0.327m；B环孔灌浆孔弧长距为0.314m；C环孔灌浆孔弧长距为0.337m；D环孔灌浆孔弧长距为0.393m；E环孔灌浆孔弧长距为0.393m。检查孔位置可在基本孔之间布置，孔数为总孔数的5％。

【钻孔冲洗】

灌浆采用回转式钻机钻进的方式进行施工。钻孔口径φ56mm金刚石钻头分段钻进，直至终孔钻至要求深度。钻孔至设计深度后，对孔深和孔底残留物进行检查，不符合要求的，应及时处理。对合格钻孔采用大流量压力水脉动方式进行孔壁冲洗与裂隙冲洗，直至回水澄清并延续10min结束，冲洗水压力为灌浆压力的80％，读值若大于1Mpa时，采用1Mpa。灌浆孔冲洗后应立即连续进行灌浆作业，因故中断超过24h。则应在灌浆前重新进行灌浆冲洗。

【浆液拌制】

1、灌浆材料

(1)水泥：采用42.5普通硅酸盐水泥。

(2)水：现场灌浆用水均采用洞内已经布置的施工用水。

(3)水玻璃：在出水的情况下，注双液浆。

2、制浆

(1)制浆材料称量

制浆材料必须称量，称量误差应小于5％。水泥等固相材料应采用重量称量法。

(2)浆液搅拌

各类浆液必须均匀搅拌，测定浆液密度并作好记录。纯水泥浆液的搅拌时间:使用普通搅拌机时，不小于3min，使用高速搅拌机时，不少于30s。浆液在使用前过筛，从开始制备至用完的时间应小于4h，超过4h则视为废浆。

①浆液采用重度比进行配置，水泥采用称重法称量，加水采用自动计量器，称量误差不大于5％。

②水泥浆液采用高速搅拌机搅拌，纯水泥浆液的搅拌时间不少于5min，浆液在使用前过筛；浆液自制备至用完的时间不超过1h。

③为了保证浆液质量，采用集中制浆，水泥单液浆水灰比0.6:1，现场技术员根据钻孔地质情况和试验室提供的浆液参数选取胶凝时间最佳的配合比，注浆泵司机在技术员的指导下控制副缸行程开关调整副缸的行程，确定水泥浆和水玻璃在同段时间内的体积比。

【注浆】

1、灌浆顺序

灌浆按环向分序，环内加密，孔内分段施灌的原则进行。先施工奇数序孔，再施工后序孔。其中奇数序孔灌浆采取自浅而深、孔口封闭、孔内循环的灌注方式施工，后序孔灌浆采用自浅而深灌注方式施工。

奇数序孔灌浆采用自浅而深分段循环法进行施工，每段长度5-6m。其它孔段灌浆时，孔口无涌水的孔段灌浆结束后不用待凝，但在地质条件复杂有断层、破碎带的地区灌浆后要待凝，待凝时间根据实际情况来定。灌浆时灌浆塞塞在已灌段段底以上0.5m处，以防漏灌。

2、灌浆压力

灌浆压力随着基岩性质及灌浆孔位的不同而变化，因此，灌浆压力须在灌浆试验时确定。灌浆时，灌浆压力应尽快达到规定的极限值，注入率大的孔段采用分段升压；灌浆过程中，不允许降压，必须保证在规定的恒压下连续灌浆，渐深渐增原则。

3、浆液水浓度标准

(1)浆液水灰比按灌浆试验确定的参数执行，浆液由稀到浓逐级变换。浆液水灰比可采用5:1、3:1、2:1、1:1、0.8:1、0.6:1或0.5:1共六个比级，开灌水灰比可采用5:1比级。变浆标准为当灌浆压力保持不变，注入率持续减少时，或当注入率保持不变而灌浆压力持续升高时，不得改变水灰比。

(2)当某一级浆液注入量已达300L以上，或灌浆时间已达1h，而灌浆压力和注入率均无显著改变时，更换浓级水灰比浆液灌注，当注入率大于30L/min时，根据施工具体情况，可越级变浓。

(3)灌浆过程中，注浆压力或注入率突然改变较大时，应立即查明原因，采取相应的措施处理。

(4)必要时可灌注水泥砂浆，水泥砂浆配合比采用水:水泥:砂为1:1:1或0.6:1:1两种比级的浆液。

(5)灌浆过程中应定时测记浆液比重，必要时应测记浆液温度。

(6)灌浆压力表应安装在回浆管上，并配有油浆隔离设备，灌浆时以指针摆动的平均值作为控制压力的标准。

4、特殊情况处理

(1)灌浆过程中，发生冒浆、漏浆，根据具体情况采用嵌缝、表面封堵、低压、浓浆、限流、限量、间歇法进行处理。

(2)灌浆过程中发生串浆时，如串浆孔具备灌浆条件，可以同时进行灌浆，一泵灌一孔，否则将串浆孔用塞塞住，待灌浆孔灌浆结束后，串浆孔再行扫孔冲洗，而后继续钻进和灌浆。

(3)灌浆过程中如回浆变浓，换用相同的水灰比的新浆进行灌注，若效果不明显，延续灌注30min即可停止灌注。

(4)灌浆工作必须连续进行，若因故中断，可按照下述原则进行处理:

①应及早恢复灌浆，否则应立即冲洗钻孔，而后恢复灌浆。若无法冲洗或冲洗无效，则应进行扫孔，然后恢复灌浆。

②恢复灌浆时，应使用开灌比级的水泥浆进行灌注。如注入率与中断前的相近，即可改用中断前比级的水泥浆继续灌注；如注入率较中断前的减少较多，则浆液应逐级加浓继续灌注。

③恢复灌浆后，如注入率较中断前的减少很多，且在短时间内停止吸浆，应采取补救措施。

(5)孔口有涌水的灌浆孔段，在灌浆前应测记涌水压力和涌水量，根据涌水情况可选用下列措施处理：

分段灌浆、缩短的灌浆段长、提高的灌浆压力、浓浆结束、屏浆、闭浆、纯压式灌浆、掺加速凝剂、待凝、压力灌浆封孔。

(6)灌浆段注入量大，灌浆难于结束时，采用如下措施处理：

低压、浓浆、限流、限量、间歇灌浆；浆液中掺加速凝剂；灌注稳定浆液或混合浆液。该段经处理后仍应扫孔，重新依照技术要求进行灌浆，直至结束。

【注浆结束标准】

采用自上而下分段灌浆时在设计压力下，当注入率不大于1L/min时，持续灌注60min后，灌浆即可结束；采用自下而上灌浆时在设计压力下，当注入率不大于1L/min时继续灌注30min，灌浆可以结束。

【封孔】

灌浆结束后，及时进行验收，验收合格的灌浆孔才能进行封孔。采用“分段压力灌浆封孔法”施工。封孔浆液采用水灰比0.5:1的水泥浆液，封孔灌浆压力采用最后一段灌浆的压力进行。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，包括：

在待穿越断层带一侧的第一掌子面钻孔并进行初步注浆固结；

在主机盾体、首节管和第二节管周围加注聚氨酯填充超挖间隙，使聚氨酯在主机盾体周围形成保护圈；

从待穿越断层带另一侧的第二掌子面以仰角钻孔，孔位在第二掌子面上部逐环布置，孔深延伸至靠近第一掌子面，采用钻注一体机在第二掌子面钻孔，边钻边注双液浆堵水，为后续顶管施工贯通做好准备；钻孔以一定角度的仰角向前施做，孔位在第二掌子面上部逐环布置，以仰角钻孔时最***注浆孔的仰角根据钻孔深度设置，使孔位延伸至第一掌子面顶部2倍孔径以上位置；

利用第二掌子面的孔位对待穿越断层带进行帷幕固结；

从第二掌子面方向钻孔注浆的主要工艺包括：钻机就位→孔位定位→钻孔→裂隙冲洗及压水试验→灌浆及灌浆质量检查；注浆方式采用纯压式，方法采用环向间隔分序加密、由浅入深进行分段钻孔、分段注浆。

2.根据权利要求1所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，进行初步注浆固结前，先向第一掌子面方向钻孔，在第一掌子面进行局部注浆固结，再钻孔取芯探明断层状态，根据断层状态对第一掌子面进行初步注浆固结。

3.根据权利要求2所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，进行局部注浆固结时从顶管机主机人孔位置向第一掌子面方向钻孔。

4.根据权利要求2所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，进行局部注浆固结时，根据钻孔后出水情况采用单液浆、双液浆或化学浆液。

5.根据权利要求1所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，进行初步注浆固结后，根据围岩状况在顶管机主机前方沿隧洞四周斜向上钻孔并安装锚杆加固围岩。

6.根据权利要求5所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，安装锚杆加固围岩时，第一掌子面方向的围岩加固采用树脂锚杆。

7.根据权利要求1所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，在第二掌子面以仰角钻孔时钻孔深度60~100米。

8.根据权利要求1所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，在第二掌子面以仰角钻孔时，一边钻孔一边注双液浆堵水。

9.根据权利要求8所述的穿越富水断层隧洞注浆加固方法，其特征在于，进行帷幕固结注浆时从第一掌子面方面观察，防止所注浆液浆流向顶管机盾体及管节外部超挖空间。

Images