隧道超前帷幕注浆施工工法

隧道超前帷幕注浆施工工法

中铁二十三局集团有限公司

关培山金坤学

1 前言

近年来，随着我国高速铁路及客运专线建设的快速发展，我国的铁路隧道越修越多，越修越长，特别是我国东南部、西部山区的铁路建设将有许多长大或特长铁路隧道修建，洞身穿越的地质条件也将越来越复杂，其中超前帷幕注浆技术是穿越富水断层的必要手段，该方法技术标准高、施工工艺复杂、工期较长、成本较大，如果在实施处理过程中稍有不慎，对断层涌水封堵效果会带来遗留问题，甚至造成封堵失败，针对上述问题，结合我单位承建的向莆铁路青云山隧道F9断层带超前帷幕注浆封堵涌水的成功实践，特制定本工法。

2 特点

2.1止浆墙采用台阶施工技术

根据现场实际情况，创造性的将止浆墙设计成台阶形式，减少了止浆墙的工程数量和施工难度，节省了清理涌水带来的废渣清理量；钻机、注浆设备在二级平台作业，提高了机械钻孔、围岩注浆的施工工效（隧道上半断面钻孔、注浆时利用止浆墙的二级台阶作为施工平台），为快速处理和穿越涌水塌方地段赢得了时间。

1.2帷幕注浆孔采用上半断面进行开孔布置技术

帷幕注浆孔采用上半断面的开孔布置，节省钻机开孔移动的距离，提高钻机的机械效率；开孔位置通过计算机程序进行计算，利用激光全站仪进行钻机钻杆位置、方向控制，方法比较新颖、可靠。

1.3注浆采用分段前进式注浆工艺

注浆采用分段前进式注浆工艺，按照先外环后内环，自下而上的注浆方式进行，有效防止塌孔卡钻现象，并通过缩短分段长度减少了其压力损失，确保了注浆压力的有效性。

1.4注浆前采用高压水洗孔工艺

在注浆前采用高压水洗孔工艺，确保浆液的有效扩散半径；浆液采用单液、双液、单双液综合式，并根据P-Q-T关系进行动态调整，浆液填充饱满，注浆效果好。

1.5隧道拱顶塌方空腔采用长管棚、回填混凝土加固技术

隧道拱顶塌方空腔部位采用长管棚加固、回填混凝土的方案不仅有效阻止了水的侵入，而且也为隧道开通后的运营提供安全保障，有效防止了遗留问题的发生。

3 适用范围

本工法适合于：①公路、铁路、水利工程等隧道涌水、涌泥或塌方严重地段；

②水下隧道富水围岩段（如含水砂层）；③地下水位的变化造成地层变形；④因可能会影响到周边重要构筑物安全的地段；⑤地下水十分丰富的断层破碎带等。

4 工艺原理

超前帷幕注浆技术就是沿着开挖轮廓线和开挖工作面，按照一定的间距、直径、深度、倾斜角进行钻孔，并向孔内注射水泥浆液，使浆液在开挖轮廓线外一定范围内形成一定厚度的隔水帷幕和加强圈，从而穿越强富水或者围岩破碎层。另外帷幕注浆完成、开挖前，采用超长管棚对隧道拱顶部位进行补强加固和混凝土的回填拱部空腔，有效阻止水的再次侵入，同时也为隧道开通后的运营提供安全保障。

5、施工要点

5.1方案确定

根据设计图纸提供的前方围岩性质，结合超前地质预报资料、现场涌水塌方体情况、掌子面围岩性质等指标综合判定是否进行超前帷幕注浆施工，并确定帷幕注浆的施工参数（加固圈的厚度、一次帷幕注浆的长度、止浆墙的厚度和位置、开挖后注浆加固地段的衬砌型式、防水型式等）。

超前地质预报需按下列标准施做：

1）在设计断层位置前后200米范围内采用TSP及地质雷达全程覆盖进行探测预报，TSP探测有效搭接长度不小于30米。

2）在距设计断层影响带前后50米范围内或TSP预报的异常带前30米范围内进行超前水平钻孔，探明地质及富水情况。布孔原则：钻孔3个（拱顶部位1个，起拱线部位2个），搭接长度不小于8米。

3）每循环都要进行超前炮孔探测地质情况，探孔不少于3个，孔深不小于5米，原则上拱顶1个，两侧起拱线各1个。

4）距异常带前方10米采用超前水平钻孔进行加密细探，布孔5个，拱顶1个，两侧拱腰、起拱线处各1个。详细探明地质及含水情况后，经建设、设计、监理、施工单位四方现场确定施工方案后，方可进行下道工序施工。

5）一般地段根据地质素描确定是否采用超前探测措施。

6）及时监测洞内水量、水压及地表水径流量的变化，做好相关记录。

5.2设备选型

为提高工作效率，钻孔设备必须选择具有风动、液压、可调钻孔角度的多功能凿岩机，注浆机采用双液注浆机和单液注浆机相结合的方式进行。

6、施工方法

6.1止浆墙施工

根据确定的施工方案，并结合现场涌水及塌体情况，保证施工安全，止浆墙施作位置一般在掌子面退后8～10m处开始施作，呈台阶式设置；止浆墙基础扩挖施作临时仰拱，扩挖深度80～120cm，并施作抗滑锚杆；止浆墙采用分层浇筑，每层浇筑高度2～3m，直至浇筑到洞顶完成；在线路两侧边墙分层次预埋6～8组Φ200泄水钢管，并配止水闸阀，止浆墙按照单面模板的方式架立外模，内侧采用集中引排水的方式，使止浆墙内侧混凝土直接覆盖于坍塌体之上。止浆墙施工示意图如图1所示。

图1 止浆墙施工结构图

6.2钻孔布置

根据变更设计图纸的要求，帷幕注浆孔呈圆环布置，隧道开挖轮廓线按照确定的衬砌类型开挖边界线，结合拟采用的钻机设备的作业空间及操作旋转灵活性，并充分考虑到隧道四周加固圈及注浆扩得散半径的对称性，采用隧道上半断面进行开孔布置，辐射至隧道全断面加固圈的方式进行，以衬砌拱顶开挖轮廓线以下400cm为基准圆心进行布置，其孔口布置图如图2所示。

根据扩散半径及设计终孔间距3~4m的要求，终孔布置均按照隧道轮廓线外8m并与之同心的圆环进行布置，计算孔口与孔底坐标，并以此为依据计算其钻孔时隧道轴向水平偏角与立角。钻孔布置纵断面图如图3所示，孔底如图4所示。

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初期支护

图 2 开孔布置图

图 3 钻孔纵断面图

图 4 各序钻孔终孔布置图

由于采用半断面布置开孔，加之钻孔数量相对较大，为了保证每一钻孔的孔口与孔底坐标控制，采用精确测量孔口坐标，准确控制钻孔水平偏角和立角的措施，对各个钻孔坐标及角度进行了计算，其计算如表1所示。

表1 8m加固圈注浆循环开孔参数表

序号孔

号

开孔坐标终孔坐标角度

孔长

（cm）

隧道纵

向孔深

（cm）

钻机后

摆长度

（cm）横轴

(X，cm)

纵轴

（Y,cm）

横轴

（X，cm）

纵轴

(Y,cm）

偏角

（o）

立角

（o）

1 A1 0 330 0 1203 0.0 14.0 3607 3500 0

2 A2 69 32

3 313 1146 4.0 13.2 360

4 3500 -24

3 A3 136 30

4 589 101

5 7.4 11.4 3600 3500 -44

4 A4 198 272 85

5 820 10.

6 8.

7 3603 3500 -64

5 A5 253 229 1059 577 13.0 5.5 3608 3500 -78

6 A6 299 176 1189 284 14.3 1.

7 3613 3500 -86

7 A7 350 116 1246 -40 14.4 -2.5 3616 3500 -87

8 A8 365 49 1246 -364 14.1 -6.5 3633 3500 -85

9 A9 353 -25 1191 -720 13.5 -10.9 3665 3500 -80

10 A10 318 -25 1043 -995 11.7 -15.2 3704 3500 -69

11 A11 246 -25 847 -1239 9.7 -18.9 3753 3500 -56

12 A12 178 -25 541 -1386 5.9 -21.1 3773 3500 -34

13 A13 108 -25 219 -1467 1.8 -22.4 3787 3500 -10

14 A14 38 -25 -60 -1482 -1.6 -22.6 3792 3500 9

15 A15 -32 -25 -337 -1446 -5.0 -22.0 3790 3500 28

16 A16 -102 -25 -623 -1358 -8.5 -20.6 3781 3500 48

17 A17 -172 -25 -840 -1242 -10.8 -18.9 3765 3500 62

18 A18 -242 -25 -1070 -1051 -13.3 -15.9 3740 3500 77

19 A19 -312 -25 -1222 -794 -14.6 -12.0 3697 3500 86

20 A20 -382 -25 -1295 -500 -14.6 -7.5 3648 3500 88