CN115126441B - 垂直深部钻孔注浆止浆工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道工程技术领域，提供了一种垂直深部钻孔注浆止浆工艺，通过采用地表垂直钻孔，通过分区注浆阻断富水岩溶地带导水通道的注浆方案，可解决目标岩溶段动水速度快，注浆材料难以留存的问题，形成待建隧道***止水带结构，从而提高富水岩溶段隧道开挖阶段的围岩稳定性，提高隧道掘进阶段的安全系数，适用范围较为广泛。

Description

垂直深部钻孔注浆止浆工艺

技术领域

本发明属于隧道工程技术领域，尤其涉及一种隧道穿越发育于大型河流附近的富水岩溶地质带的垂直深部钻孔注浆施工工艺。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

近年来，城市地铁隧道迅速发展。城市地铁隧道建设过程中经常会遇到不良地质体，发育于大型河流附近的岩溶地质就是常见的一种，其特点是岩溶通道发育，连通性好，侧向补给水源丰富，流速快，处理不当极易引发涌水、突泥、塌方等地质灾害。因此，隧洞穿过往往成为工程中的控制性因素。

目前，隧道施工过程中，注浆法是处理隧洞穿过岩溶不良地质的常用办法。一方面，岩溶地质注浆，是在一定压力下将浆液压入岩溶通道，利用自身硬化后的产物充填岩溶裂隙，达到阻断过水通道，实现堵水的目的。另一方面由于浆液自身水化作用，可在孔隙中形成具有一定强度的结合体，增强掌子面前方岩土体强度。目前常用的注浆方法有全断面超前预注浆，周边帷幕注浆以及局部断面注浆等。目前常规岩溶地质段注浆工艺仍存在浆液扩散距离不均匀，跑浆现象严重、易被地下水稀释、结石体强度增长缓慢等缺点，不能满足隧道施工期的排水和堵水要求，不仅不利于后续的施工，同时也对运营期间的排水提出了更高的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种垂直深部钻孔注浆止浆工艺的隧道施工方法，通过采用地表垂直钻孔，通过分区注浆阻断富水岩溶地带导水通道的注浆方案，可解决目标岩溶段动水速度快，注浆材料难以留存的问题，形成待建隧道***止水带结构，从而提高富水岩溶段隧道开挖阶段的围岩稳定性，提高隧道掘进阶段的安全系数，适用范围较为广泛。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种垂直深部钻孔注浆止浆工艺，包括：

对预注浆段进行超前地质预报，结合土工试验确定目标段导储水通道的工况，将目标段分为若干个重点加固区与一般加固区组成的连续的区域，制定注浆方案；

在划分的注浆区域内进行预注浆试验，确定注浆压力；

在地表沿隧道前进方向确定隧道开挖轮廓线，将注浆孔分为外排帷幕钻孔、中间排钻孔以及内部充填钻孔；

对隧道两侧及顶部进行快速注浆，形成止水墙；先对隧道两侧外排帷幕钻孔进行注浆作业，注浆顺序按由中间向两侧，隔排跳孔的原则进行，沿隧道横截面方向，施工顺序为自止水墙外侧向隧道中心线方向施工，即得。

本发明的第二方面，提供了上述的工艺形成的地下连续止水墙。

本发明的第三方面，提供了上述的地下连续止水墙在隧道施工中的应用。

本发明的有益效果

(1)本发明通过在待开挖的岩溶地质区域隧道正上方的地表注浆对隧道周边土体进行加固，阻断了隧道前进方向上的岩溶动水，形成平行于隧道开挖轮廓线的止水墙，为后续开挖提供安全保障。本发明创新性地从地表垂直向下注浆，通过分区精细化加固方案，采用水泥-水玻璃双液浆，实现胶凝时间可调，确保岩溶动水条件下浆液的凝结，同时实现浆液扩散距离可控。沿隧道轮廓外侧形成有效的地下连续止水墙截断岩溶动水，同时有效加固隧道周边的岩溶破碎带，提高了隧道掘进过程中的安全系数，应用较为广泛。

(2)本发明提出的地表垂直深孔注浆技术可针对岩溶富水地带的隧道施工，该方法成本低、施工速度快，可以有截断岩溶地区的地下动水，有效降低隧道开挖阶段突涌水发生的可能性，提高隧道开挖阶段的施工安全，提高施工效率。

(3)本发明施工方法简单、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的施工方法流程图；

图2为本发明的钻孔结构示意图；

图3为本发明的注浆方法示意图；

图4为本发明的注浆止水墙示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

一种垂直深部钻孔注浆的隧道施工方法，包括：

第一步：对预注浆段进行超前地质预报；

可采用地震波法、探地雷达法、地面垂直钻孔取芯等方法，对开挖段进行综合超前地质预报，结合土工试验确定目标段导储水通道位置、大小、水量、水压以及岩土体渗透系数及泊松比等物理特征，将目标段分为若干个重点加固区与一般加固区组成的连续的区域，进而精细化制定注浆方案。

第二步：预注浆。现场配置水泥—水玻璃浆液，确保浆液岩溶动水条件下的留存度。在划分的注浆区域内进行预注浆试验，确定注浆压力。最终确定注浆压力在1.5-3.0Mpa之间。

第三步：施作地表垂直注浆孔。在地表沿隧道前进方向确定隧道开挖轮廓线，将注浆孔分为外排帷幕钻孔、中间排钻孔以及内部充填钻孔。重点加固区采取4m*4m的梅花形布孔，一般加固区采取排距为6m*6m的梅花形布孔。

第四步：对隧道两侧及顶部进行快速注浆，形成止水墙。

注浆设计深度为待开挖隧道拱顶上方4-6m至隧道下方4-6m。

首先对隧道两侧外排帷幕钻孔进行注浆作业，对于浅地表区段，采取前进式分段注浆工艺，每次进尺3m，利用孔口管进行止浆。深层岩溶发育带采取后退式保压注浆工艺，由深向浅分段注浆。注浆顺序按由中间向两侧，隔排跳孔的原则进行，沿隧道横截面方向，施工顺序为自止水墙外侧向隧道中心线方向施工。注浆过程中，先通过膨胀止浆塞与钻孔壁紧密贴合，以此维持注浆压力，并实现分段注浆。

采取单孔注浆量与注浆终压相结合的双控标准来控制注浆结束。终压达到设计终压并且超过初始注浆压力0.5倍或稳定时间超过10min，实际注浆量达到设计80％以上。

地表注浆量计算公式：

ΣQ＝vnα(1+β)

式中：∑Q为总注浆量(m³)、v为注浆加固体体积(m³)、n为地层空隙率、α为地层空隙充填率(取0.9～1)、β为浆液损失率(取0.15)。

第五步：注浆效果检查

注浆结束后才可采取参数分析法、检查孔法和钻孔分析法结合等手段，综合检查注浆效果。

所述止水墙式隔水结构可在隧道轮廓线外侧4-6m内形成封闭的止水区域，可有效截断岩溶动水。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

如图1至图4所示，垂直深部钻孔注浆止浆工艺，包括以下步骤：

第一步：对预注浆段进行地质超前预报；

可采取地震波探测，地质雷达对预注浆段进行探测，综合多种探测手段，尽可能的获取开挖段前方导水通道位置形态、水压、涌水量大小、岩土体渗透系数以及泊松比等物理特征。以此为依据，按照不同部位及溶洞、断层发育情况将目标段分为多个连续的区域，并制定精细化注浆方案。

第二步：通过对施工段的预注浆，测得实际所需的注浆参数。先根据试验注浆取得的浆液扩散相关数据来确定注浆压力，注浆钻孔的间距和数量。最终可以确定注浆压力为1.5～3MPa之间，注浆孔间距地表注浆孔间距4-6m。

第三步：钻孔布置

在地表沿隧道前进方向确定隧道开挖轮廓线，并根据物探报告在地表进行钻孔布置。将钻孔分三类：外排帷幕钻孔、中间排钻孔以及内部充填钻孔。外排帷幕钻孔可增强治理区域周边地层的充填挤密程度，限制后续充填浆液的扩散范围；中间排钻孔采用较高压注浆，增强挤密效果；内部充填钻孔，采用低压渗透充填方式进行注浆。

基于物探报告以及土工物理力学性试验结果，沿水平方向进行区段划分，每区段内不同的溶洞发育情况设置不同的注浆参数，结合地应力分布规律，采用不同的注浆工艺进行施作，控制注浆扩散范围。一般加固区采取排距为5m*5m的梅花形布孔，重点加固区采取3m*3m的梅花形布孔。

隧道最外侧的帷幕钻孔(防护孔)和内部充填钻孔均采用模袋封孔工艺对套管进行封固。开孔孔径为108mm，开孔至基岩10m，采用套管；剩余段钻孔直径为75mm。

第四步：钻孔施工

(1)钻孔位置依据平面图施放，孔位偏差不大于50mm。

(2)钻孔施工采用垂直定向钻进工艺，避免钻孔任意倾斜情况，防止由此导致的注浆扩散盲区，提高溶洞靶向式注浆及注浆帷幕完整性，确保整体注浆效果。钻进过程中，尤其是断层破碎带基岩段，出现钻孔冲洗液漏失较快的情况时，应停止注浆，进行双液注浆加固后方可进行下一步的钻孔钻进工作。

(3)钻孔清洗：各段钻孔结束后，立即以大量清水冲洗孔底，冲洗时间至回水清净为止，并不大于20min；裂隙冲洗方法应根据不同的地质条件，通过现场注浆试验确定。压水试验采用简易压水，简易压水试验应在裂隙冲洗后或结合裂隙冲洗进行。压力为注浆压力的80％，并不大于2MPa时，压水20min，每5min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率q表示。

(4)钻至设计深度后，埋入注浆管、回浆管，注浆管管底与孔底留置50cm距离，防止孔壁土、石掉落及沉渣堵塞注浆管，钻孔终孔并冲洗后空置时间不宜超过24h。

第五步：注浆材料选择

针对本发明中岩溶地层通道发育，连通性好，侧向补给水源丰富，流速快的特点，选择速凝类注浆材料C-S双液浆注浆材料。该材料是以水泥和水玻璃为主剂，两者按一定比例采用双液注浆方式注入，可以注入尺寸较小的孔隙和裂隙内部，使浆液得到有效扩散，同时其凝固时间可控，可在地下水流速较大区域内实现快速封堵。

(1)水泥浆液以采用425#普通硅酸盐水泥加水搅拌后适当添加骨料及工业盐水灰比为1：0.5～1:1(重量比)。

(2)水玻璃浆液浓度一般为50～56波美度(Be′)，Be′对C－5浆胶凝时间和强度有影响。Be′小凝胶快Be′大凝胶慢。注双液浆时通常用30～40Be′的水玻璃这需事前加水用泵循环搅拌稀释。通过计算：浆50～56波美度(Be′)稀释成30～40Be′的水玻璃加入水的量为V_水≈1.03V_原≈V_原。水泥浆水与水玻璃浆水体积比对凝胶时间和强度的影响在C：S＝1：0.3～1:1的范围内S浆体积减小凝胶速度加快强度也高；S过量强度低适且的体积比为1：0:4～1：0.6凝胶时间为29.8～41.5s。

第六步：对隧道两侧及顶部进行快速注浆，形成止水墙。

注浆设计深度为待开挖隧道拱顶上方4-6m至隧道下方4-6m。

首先对隧道两侧外排帷幕钻孔进行注浆作业，对于浅地表区段，采取前进式分段注浆工艺，每次进尺3m，利用孔口管进行止浆。深层岩溶发育带采取后退式保压注浆工艺，由深向浅分段注浆。注浆顺序按由中间向两侧，隔排跳孔的原则进行，沿隧道横截面方向，施工顺序为自止水墙外侧向隧道中心线方向施工。注浆过程中，先通过膨胀止浆塞与钻孔壁紧密贴合，以此维持注浆压力，并实现分段注浆。

1.过程动态调控原则

(1)注浆过程中，持续未见浆液压力抬动情况，表明土层存在较多孔隙结构，为确保浆液凝胶时间，可适当增大注浆速率；当接近单孔设计注浆量但仍未见浆液压力抬升情况时，表明前方土体存在较大孔隙，经确认无浆液泄流通道后，应选用水泥-水玻璃双液浆对空隙土体充填挤密，及时填补孔隙，保证均匀的加固效果。

(2)当注浆压力持续较高时，表明被注土体内部存在孔隙率较低或渗透性能较差，应及时更换强渗透性水泥基注浆材料施作，并确定剩余注浆量。

2.注浆结束标准

(1)当注浆压力达到设计终压，并且超过初始注浆压力0.5倍后；

(2)当注浆压力达到设计终压，且稳定时间超过10min；

(3)注浆压力应通过现场试验进行适当调整；实际过程中根据不同的注浆材料对注浆终压进行微调。

(4)当注浆量达到单孔设计注浆量后；

(6)若注浆压力未达到设计终压，通过调整浆液凝胶时间达到设计终压。以水泥浆为例，若注浆压力未达到设计终压，可以制配一定量的水玻璃，按照水泥水玻璃体积比1:1～4:1之间补充注浆，直至达到设计终压。

(7)单孔注浆速率持续低于5L/min；

以上标准满足其中之一即停止注浆。

3.注浆量估算

按地层空隙率、地层空隙充填率、浆液损失率三个系数进行总注浆量的计算，公式如下：

∑Q＝vnα(1+β)

式中：∑Q为总注浆量(m³)、v为注浆加固体体积(m³)、n为地层空隙率、α为地层空隙充填率、β为浆液损失率。

在不同区域进行注浆时，由于钻孔方式以及配套的注浆工艺不同，实际的注浆量可能与理论值有差异，实际注浆统计量以监测仪器数据为准，但要求与计算理论值误差小于20％。特殊情况下根据实际情况调整结束标准。

4.注浆工艺

根据目标段地质特点，浅地表区段，采取前进式分段注浆工艺，由浅入深，分段加固，逐层推进。采用止浆塞控制反浆。针对深部岩溶发育带，采用采取后退式保压注浆工艺，即在注浆段内由末端进行注浆，每次注浆段长控制为0.6m～1.2m，注完第一注浆段后，后退注浆芯管，进行第二注浆段的注浆，以此下去，直至完成注浆段注浆。同时在注浆过程中对注浆液的凝固时间进行实时测定，确保注浆效果。随深度增加，注浆终压可逐渐提高。

在完成一个垂直注浆孔的注浆工作后，采取跳孔注浆的方式，即先进行单序孔的注浆，再进行双序孔袖阀管补充注浆。同时，为了防止出现串浆的情况，在进行跳孔注浆时，控制跳孔的距离逐渐加大，并采取定量注浆控制单孔注浆量。

第七步：注浆过程监控

根据前期物探与钻探情况，在隧道治理区域布设监测点进行注浆及开挖过程中的动态监测，监测内容包括：

(1)注浆过程中地表变形实时监测预警

注浆过程中，采用DSZ-3水准仪对注浆区域地表***进行实时监测，控制单孔注浆***量不致过大，注浆总过程导致地表***量不超过规定值，确保注浆过程中路面、建筑物、管线的安全。

(2)注浆参数在线监测

分别对注浆过程中注浆压力、流量进行监测，依据监测注浆孔口注浆压力、流量变化，确保注浆压力不至过大，注浆量达到设计值，依据设计方案严格控制注浆扩散范围，确保注浆效果。

第八步：注浆效果检查

注浆效果检验是评价注浆加固效果的依据，本发明拟采用参数分析法、检查孔法和钻孔CT法相结合的多手段综合检验方法，对注浆治理效果进行科学检验和***评价。

(1)注浆施工P-Q-t曲线

在注浆施工过程中，注浆压力和注浆量以P-Q-t曲线表示。注浆过程中，若P-Q呈正相关趋势，则表明存在跑浆通道，浆液在加固圈内留存率低，注浆加固效果较差；若P-Q呈逆相关趋势，即随着压力升高，注浆量逐渐减少，表明浆液逐渐防治跑浆通道和松散区域，最终满足注浆的加固效果。

(2)注浆量空间分布统计分析

通过分析每序次钻孔注浆量和注浆量的空间分布特征，获取预注浆加固的薄弱环节，对注浆加固区域围岩的注浆加固效果进行***的评价分析。若后序次的注浆量较前序次的注浆量显著降低，说明通过前序次的注浆，掌子面前方的松散空隙得到显著充填，后期地层耗浆量降低，注浆加固效果明显。当注浆量分布相对均匀，注浆量大的孔和注浆量小的孔呈间隔状态时，浆液在隧道周边形成均匀稳固的注浆加固体，有效减少注浆盲区。

(3)检查孔法

根据注浆状况，选择注浆范围内可能存在薄弱环节的注浆部位布设检查孔，并且从以下两个方面检查：

1)检查取芯状况：检查孔采用取芯钻机取得完整岩芯，通过检查岩芯中注浆材料固结体的充填情况和固结强度来检验注浆加固效果。

2)测试注浆后地层渗透能力：以检查孔压水试验结果为主，结合钻孔岩芯及钻孔全景成像检查、注浆记录等进行综合评定。压水检查在注浆结束14天后进行，压水检查孔数为注浆孔数的5％。注浆后基岩透水率合格标准为：q≤0.5Lu(6.475×10^-6/cm/s)。其中墙体混凝土与基岩接触段及以下一段的透水率合格率应为100％，其余各段合格率应达90％以上。不合格孔段透水率不超过设计规定值的150％，且分布不集中。检查不合格的部位进行补充注浆，直至达到合格为止。

(4)钻孔CT法

采用跨孔CT电阻率法对治理区域进行探查，能够对钻孔之间注浆改造后地层进行更精准探测。通过对比分析注浆前低阻异常区，更加细致的成像解释可以确定注浆治理后岩溶区、断裂构造区及底板岩溶发育区的位置和规模，为评价堵水加固效果提供精细的依据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，包括：

对预注浆段进行超前地质预报，结合土工试验确定目标段导储水通道的工况，将目标段分为若干个重点加固区与一般加固区组成的连续的区域，制定注浆方案；

在划分的注浆区域内进行预注浆试验，确定注浆压力；所述注浆压力在1.5-3.0Mpa之间；

在地表沿隧道前进方向确定隧道开挖轮廓线，将注浆孔分为外排帷幕钻孔、中间排钻孔以及内部充填钻孔；钻孔施工采用垂直定向钻进工艺，避免钻孔任意倾斜情况；

对隧道两侧及顶部进行快速注浆，形成止水墙；先对隧道两侧外排帷幕钻孔进行注浆作业，对于浅地表区段，采取前进式分段注浆工艺，深层岩溶发育带采取后退式保压注浆工艺，由深向浅分段注浆；注浆顺序按由中间向两侧，隔排跳孔的原则进行，沿隧道横截面方向，施工顺序为自止水墙外侧向隧道中心线方向施工，即得。

2.如权利要求1所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，所述超前地质预报采用地震波法、探地雷达法或地面垂直钻孔取芯法。

3.如权利要求1所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，所述重点加固区采取4m*4m的梅花形布孔，一般加固区采取排距为6m*6m的梅花形布孔。

4.如权利要求1所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，注浆设计深度为待开挖隧道拱顶上方4-6m至隧道下方4-6m。

5.如权利要求1所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，注浆过程中，采用膨胀止浆塞与钻孔壁紧密贴合。

6.如权利要求1所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，采取单孔注浆量与注浆终压相结合的双控标准来控制注浆结束。

7.如权利要求6所述的垂直深部钻孔注浆止浆工艺，其特征在于，终压达到设计终压并且超过初始注浆压力0.5倍或稳定时间超过10min，实际注浆量达到设计80％以上。

8.权利要求1-7任一项所述的工艺形成的地下连续止水墙。

9.权利要求8所述的地下连续止水墙在隧道施工中的应用。