姜广文
(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400700)
不良地质情况下的江底隧洞施工面临的风险性极大,特别是防突水问题是江底隧道施工的重中之重,如果处理不好,会造成严重后果[1-2]。分水江水下隧洞工程,以“地质预报为先、多道设防为主、防水排水互相结合”为原则,在推进施工时根据工况进行合理排水,并采取全断面超前帷幕注浆,有效规避了水底隧洞不良地质带涌水等突发事件,实现了隧洞安全顺利贯通。
1.1 工程概况
千岛湖配水工程分水江水下隧洞全长1160m。位于浙江省杭州市桐庐县横村镇,桐郑公路沿山脚穿过,江底隧洞洞段总长度为1009m,隧洞横断面为马蹄形,隧道底宽480cm,隧道高度690cm,中部宽720cm。
1.2 水文地质条件
右岸山坡及河滩处地下水位埋深4.5~6.0m,大多为砂砾卵石层,透水系数局部大于10-2cm/s。分水江水下隧洞洞底最低处位于水平面以下50m处,河床段上覆岩体厚度一般为9~30m,其中平距0~150m,上覆岩体厚度40~70m,围岩多为块状的晶屑凝灰岩,岩体完整性较好,围岩类别以Ⅱ类为主;
平距150~250m,上覆岩体厚度30~40m,围岩多为块状的晶屑凝灰岩,岩体完整性较好;
平距250~310m,上覆岩体厚度较薄,一般20~30m,平距310~450m,上覆岩体厚度15~45m,平距450m以下,隧洞洞身多为唐家坞组砂岩,围岩类别以Ⅲ类为主。输水隧洞穿越分水江,从勘探成果来看,河床部位近200m长度范围内岩石破碎,隧洞顶部与河床段最低处距离只有16m,还穿过F1、F3两条断层影响带,断裂构造发育,存在突水等影响施工安全的地质隐患(见图1)。
图1 穿江隧洞纵剖面布置(单位:mm)
2.1 抽排水量
根据招标文件说明,输水隧洞穿江段总排水量控制标准为:分水江1号支洞工作面、分水江2号支洞工作面、分水江检修放水井合计的连续两周稳定涌水量排水量超过8000m3/d,即333m3/h。
2.2 抽排布置
在输水隧洞穿江段江底平坡与两侧斜坡连接处各设置1处集水坑,在斜坡段中段设置1处集水坑,在分水江1号、2号支洞交叉口各设置1处集水坑。集水坑内设置水泵。掌子面及沿线洞壁渗流水收集后抽排至集水坑,然后通过水泵、抽排水管路抽排至支洞外[3]。抽排水布置见图2,抽排水设备配置见表1。
图2 抽排水布置示意图
表1 抽排水设备配置情况
2.3 抽排管路
抽排管路为φ200钢管,布置安装在隧洞一侧,在出现局部大流量涌水情况下,调集备用抽排水设备投入工作,同时将原有供风管(安装在排水管同侧,φ200钢管)进行改造,使其成为排水管路,以便以最快速度排出突涌水[4](见图3)。
图3 抽排水管路调整示意图
隧道超前全断面帷幕注浆的作用主要是止水和加固地层,减小地层涌水量,保证正常施工。
3.1 注浆设计
a.注浆材料。根据施工经验,并综合各类浆液特性进行比较分析,结合相关地质条件,进行双液注浆。注浆材料的具体配合比在注浆试验以及现场施工中不断优化和完善。
b.注浆范围。超前预注浆加固范围:B=(3~4)D;
超前注浆加固圈厚度:B1=(B-D)/2。式中:D为隧道开挖直径(m),按照地质情况,隧洞穿江段注浆加固区间是30m,加固圈厚度为开挖轮廓线外7.7~8.0m。
c.布孔参数及浆液扩散半径。输水隧洞穿江段超前帷幕注浆采用环形布孔,在注浆终孔断面上,最大孔间距为3.42m,按照不存在注浆盲区的原则,注浆扩散半径拟定为2m。
d.注浆压力。输水隧洞穿江段超前帷幕注浆压力拟定为2~5MPa,局部和补注浆压力为1~3MPa。
e.止浆墙厚度。将孔口管固定在止浆墙上,为兼顾降低施工成本和确保隧洞安全,该隧洞止浆墙厚度设置为1.5m。
f.布孔设计。按照设计要求对超前帷幕注浆孔位进行布置(见图4~图5)。
图4 穿江隧洞帷幕注浆开孔布置示意图(单位:cm)
图5 穿江隧洞帷幕注浆终孔布置示意图(单位:cm)
g.设计参数。选用超前帷幕注浆设计参数 (见表2)。
表2 穿江隧洞帷幕注浆设计参数
3.2 工艺流程
穿江隧洞全断面超前帷幕注浆在第一次注浆前设置止浆墙,止浆墙厚1.5m;
注液区域是上部及左、右两侧为7.7m,下部为8.0m。穿江隧洞全断面超前帷幕注浆工艺流程[5]见图6。
图6 穿江隧洞全断面超前帷幕注浆流程
3.3 施工工艺
3.3.1 止浆墙和孔口管安装
第一循环超前帷幕注浆前设置1.5m厚C25混凝土止浆墙。终点算出钻进坡度和水平角(方位角),套管外露长度保持30~40cm。超前帷幕注浆采用RPD-150C型钻机钻孔,开孔钻头直径101mm,安装φ89孔口管,成孔直径约110mm;
终孔钻头直径63mm,成孔直径约80mm[6]。注浆钻孔结构见图7。
图7 注浆钻孔结构示意图
3.3.2 钻孔
RPD-150C型钻灌一体钻机[7]能钻灌取芯,并自动记录钻进数据。设备能够自动地记录孔深、钻速、旋转扭矩、旋转数、给进力、打击压力等各项钻孔数据,同时可以通过配套的钻杆注浆,实现钻灌一体化。最大转速为80r/min,采用电动作为动力,发动机功率75kW。钻速平均10m/h(0~40m)、8m/h(40~80m)、6m/h(80~110m)、5m/h(>110m)。钻孔施工的钻孔次序(顺序)为先外后内,先上后下。由于穿江隧洞断层影响带主要为由断层泥、碎裂岩组成,浆液扩散直径必须超过4m。在钻进的同时随作业班做好记录。
a.浆液配合比控制。浆液配合比[8]见表3。
表3 浆液配合比
b.浆液选择原则[9]。地下水丰富时水灰比取低值,较丰富或不丰富时水灰比取高值;
洞身开挖范围以外采用双液浆重点加固,开挖范围以内采用单液浆进行止水。
c.注浆方式及工艺。为确保注浆质量,加快施工进度,实施钻注一体,钻机达到设计深度以后,采用分段钻杆后退式注浆方式。工艺流程见图8,后退式注浆顺序见图9。
图8 注浆流程
图9 注浆顺序
3.4 超前帷幕注浆施工强度
超前帷幕注浆施工强度[10]见表4。
表4 超前帷幕注浆施工强度
根据超前地质预报成果,对穿江段56+025.9~55+995 .9区间和55+986.9~55+969.9区间进行两次超前预帷幕注浆后,在掌子面对灌浆效果进行质检,结果表明:检查孔基本没有出现渗水现象。
分水江穿江隧洞,按照“超前做好地质预报、严格进行钻孔注浆、缩短开挖距离、加强支护力度、迅速封闭开挖面、提高量测频率”要求进行施工,依据超前地质预报,制定排水方案,针对出水量较多、地质情况较差情况,采用不同的灌浆参数进行止水。有的放矢进行超前预注浆后,总注浆费和抽排水费分别节约260万元和90万元。2016年12月18日,隧道提前28天安全贯通。施工过程中,没有出现涌水、坍塌等情况,通过监测,相关数据符合设计要求。
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