明挖隧道涌水搶險(xiǎn)中二次快速注漿的實(shí)踐

周陽(yáng)宗

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100000)

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明挖隧道涌水搶險(xiǎn)中二次快速注漿的實(shí)踐

周陽(yáng)宗

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100000)

摘要：明挖隧道圍護(hù)樁穿越砂層時(shí)，在地下水豐富的情況下樁間旋噴難以形成止水帷幕，因此在開(kāi)挖過(guò)程中樁間經(jīng)常發(fā)生涌水現(xiàn)象，如不及時(shí)搶險(xiǎn)很快就會(huì)在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外形成空洞，造成地面塌陷。采用樁間二次注漿止水工藝：一次注漿對(duì)砂層空隙進(jìn)行填充減小流速；二次注漿繼續(xù)填充砂層空隙，對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行封堵。此措施有效地防止了隧道外部涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，保證了隧道安全，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：隧道；砂層；涌水；注漿止水

明挖隧道圍護(hù)樁在穿越流砂層等惡劣地質(zhì)時(shí)，由于地下水位高、地下暗河等原因，旋噴樁在樁間難以形成有效的止水帷幕，在開(kāi)挖過(guò)程中樁間出現(xiàn)多次涌砂、涌水事故，形成危險(xiǎn)段，如何在短時(shí)間內(nèi)對(duì)涌水部位進(jìn)行封堵成為解決危險(xiǎn)源的關(guān)鍵措施。

1 工程概況

本工程區(qū)間明挖段位于惠州大道，惠州火車(chē)站附近，南北走向，附近地勢(shì)較平坦，現(xiàn)主要為交通道路、商鋪和居民區(qū)。

隧道里程：GDK104+027.522～GDK105+559.500，長(zhǎng)1 531.978 m，寬27.4～40.4 m，隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?1 200 mm@1 350 mm(局部采用?1 000 mm@1 200 mm)鉆孔灌注樁+樁間旋噴樁止水的形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂設(shè)置冠梁。隧道內(nèi)設(shè)置內(nèi)支撐體系(部分區(qū)域采用內(nèi)支撐+預(yù)應(yīng)力錨索體系)，豎向設(shè)3～5道內(nèi)支撐，第1、2道支撐為1.0 m×1.2 m的混凝土支撐，水平間距約9 m；其余均為?600 mm、t=16 mm鋼管支撐，水平間距約3 m。隧道中間加設(shè)1～2排臨時(shí)立柱，縱向間距約9.0 m。見(jiàn)圖1。

隧道發(fā)生涌水的區(qū)域地質(zhì)情況為：

(1)素填土①1，主要成分為風(fēng)化黏性土，砂巖、磚或砼碎塊堆填，厚0.50～5.80 m。

(2)粉質(zhì)黏土①2，硬塑，土質(zhì)較均勻，黏性一般，含砂粒，具中壓縮性。厚1.70～18.40 m。

(3)粉砂③3，淺黃、灰白色，級(jí)配差，稍密，飽和。

圖1　明挖隧道斷面及地質(zhì)斷面示意圖

厚1.10～4.60 m，層頂高程-4.49～6.94 m，層底高程-5.59～2.34 m。

(4)細(xì)砂③4，稍密，飽和。厚2.50～9.00 m。

(5)中砂③5，級(jí)配差，稍密，飽和。厚1.70～10.30 m，層頂高程3.00～13.45 m，層底高程-2.46～11.45 m。

(6)粗砂③6，級(jí)配一般，稍密，飽和。厚2.90～8.50 m，層頂高程0.64～8.93 m，層底高程-4.72～4.43 m。

(7)粉質(zhì)黏土，硬塑，為含礫砂巖風(fēng)化殘積土，遇水易軟化，具中壓縮性。厚1.30～16.00 m。

(8)下伏基巖為下第三系含礫砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，砂狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，按風(fēng)化程度可分為全風(fēng)化含礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖和弱風(fēng)化含礫砂巖3個(gè)亞層。

地下水位埋深2～3 m，受季節(jié)影響較大。沖積中粗砂層具有強(qiáng)透水性，發(fā)生涌水的土體物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)指標(biāo)

2 工程難點(diǎn)

由于砂層厚度大，且地下水非常豐富，砂層處于飽和狀態(tài)，旋噴樁難以形成有效的止水帷幕，因此，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，出現(xiàn)了非常大的涌水現(xiàn)象，最大流速達(dá)0.3～0.4 m/s，流量最大時(shí)達(dá)0.2 m3/s，見(jiàn)圖2、圖3。涌水同時(shí)帶出大量土體顆粒，不迅速止水的話(huà)，在樁體背后迅速形成空洞，造成路面塌陷，造成市政管線(xiàn)變形或斷裂，后果相當(dāng)嚴(yán)重。因此，本工程最大難點(diǎn)在于開(kāi)挖發(fā)生涌水時(shí)，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，迅速止水，同時(shí)補(bǔ)充流失的土體顆粒。由于水流非?？?，且水壓較高，如何止水是關(guān)鍵問(wèn)題。

圖2明挖隧道樁間漏水圖圖3明挖隧道樁間搶險(xiǎn)圖

3 樁間止水的方法

在城市軌道交通設(shè)計(jì)中，樁間止水最常用的方法為旋噴樁止水。對(duì)于普通地層咬合旋噴樁止水效果明顯，但在地質(zhì)情況為砂層且地下水非常豐富時(shí)，旋噴樁往往難以成樁，起不到應(yīng)有的止水效果。因此，對(duì)于地下水豐富且砂層厚度大的明挖隧道，注漿止水成為最有效的補(bǔ)救措施。

4 雙液漿二次堵水工作原理

在地下水動(dòng)力學(xué)中，飽和含水砂層被稱(chēng)為飽水砂土，飽和砂土是一種多相介質(zhì)，由土顆粒和水構(gòu)成，地下水在其中流動(dòng)規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜[1]。本工程滲水點(diǎn)為承壓水類(lèi)型，地下水水力梯度高，地下水在砂層中滲流速度非?？欤嗨Ａщp液漿在噴出注漿管的瞬間就被快速流動(dòng)的地下水稀釋沖刷，如果稀釋后的雙液漿不能迅速凝固，水泥顆粒隨著地下水涌出，起不到止水作用；同時(shí)，由于水流涌出速度快，難以一次注漿即完成止水。故堵水提出分成兩步：第1步對(duì)砂層空隙進(jìn)行填充，減小砂層的孔隙率及降低砂層的滲透系數(shù)；第2步即在地下水流速降低的情況下，繼續(xù)填充砂層空隙，直到將地下水止住為止。

5 快速止水注漿工藝

5.1 漿液凝固時(shí)間調(diào)節(jié)

堵水原理圖見(jiàn)圖4。第1次注漿目的是填充砂層空隙，減小滲透系數(shù)K。雙液漿在A點(diǎn)開(kāi)始混合，從B點(diǎn)射出，在C點(diǎn)隨水流滲出。為了達(dá)到漿液在C點(diǎn)正好凝固的效果，t1為漿液從混合點(diǎn)A流入至涌水點(diǎn)C所需要的凝固時(shí)間。

圖4　注漿止水原理圖

第1次注漿的雙液漿凝固時(shí)間t1確定：

(1)

式中：L1為注漿管長(zhǎng)度；L2為出漿口距離滲水點(diǎn)外側(cè)的距離；V1為漿液在注漿管內(nèi)流動(dòng)的速度；K0為地下水在水力梯度J作用下的滲透系數(shù)。

在注漿一定時(shí)間后涌水流速明顯減小，土體顆?？障侗惶畛?，第1次注漿填充后砂層孔隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系：

(2)

式中：e0為注漿前土體孔隙率；e1為注漿后土體孔隙率；k1為注漿后改良土體的滲透系數(shù)；k0為注漿前改良土體的滲透系數(shù)；x為擬合系數(shù)，T.P.Clement[2]等提出x=19/6。

經(jīng)過(guò)第1次填充后，砂層滲透系數(shù)變小，因此，對(duì)凝固時(shí)間進(jìn)行第2次調(diào)節(jié)，目的是堵住滲水點(diǎn)。同理，第2次注漿的雙液漿凝固時(shí)間t2為漿液從A點(diǎn)至C點(diǎn)的凝固時(shí)間：

(3)

水泥與水玻璃的主要化學(xué)反應(yīng)為:

Ca(OH)2+NaO·nSiO2+mH2O→Ca·nSiO2·

(4)

水泥本身的凝結(jié)和硬化主要是水泥水化析出凝膠性的膠體物質(zhì)所引起的,在硅酸三鈣的水化過(guò)程中產(chǎn)生氫氧化鈣:

(5)

在混合液中水泥與水玻璃的反應(yīng)快,水泥本身的水解化學(xué)反應(yīng)要慢得多[3]。因此，為了調(diào)配出合適的漿液凝固時(shí)間(終凝)，根據(jù)上述化學(xué)反應(yīng)原理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水流速度，將水玻璃(45Be′)與水泥漿液(1∶1)按不同配比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5　水泥水玻璃雙液漿凝固時(shí)間曲線(xiàn)圖 現(xiàn)場(chǎng)操作根據(jù)情況初擬雙液漿配比和凝固時(shí)間，試注漿后認(rèn)為合適就用此配比及凝固時(shí)間進(jìn)行注漿，否則進(jìn)行調(diào)整，直至適合為止。

5.2 注漿管布置

隧道涌水部位大部分在地表以下8～15 m，隧道發(fā)生涌水時(shí)水量大、速度快，涌水同時(shí)帶走大量土體顆粒，如不及時(shí)處理很快就形成塌方。因此，注漿管布置速度要快，為了搶速度，在塌方前將水止住，采取在出水口直接插管的方式布置注漿管，插管深度4～6 m之間，插管結(jié)束后立即對(duì)管周堆沙袋封閉，并立即開(kāi)始注漿。

根據(jù)二次注漿堵水理論，第1次插管法為應(yīng)急措施，目的是減小地下水流動(dòng)速度，同時(shí)對(duì)砂層空隙進(jìn)行填充；在第1次注漿堵水的同時(shí)在地面上鉆孔，將注漿管插入涌水點(diǎn)以下，進(jìn)行二次注漿堵水。

5.3 注漿壓力控制

由于水流急，滲透速度快，第1次注漿壓力很小，不超過(guò)0.1 MPa；第2次注漿壓力隨著涌水停止及注漿量的增加不斷增大，二次注漿在涌水停止時(shí)繼續(xù)注漿，直到填充空隙完畢，此時(shí)注漿壓力可達(dá)到0.5 MPa。

6 結(jié)束語(yǔ)

本段隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖差，地下水異常豐富，開(kāi)挖困難，施工風(fēng)險(xiǎn)大。堵水工藝的成功實(shí)施，確保了惠州大道的正常交通運(yùn)營(yíng)及市政管線(xiàn)的安全，將隧道開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響降到最低，取得了滿(mǎn)意的經(jīng)濟(jì)效益。

實(shí)踐證明，對(duì)大方量快流速的涌水采用在樁間二次注漿止水的方法是成功的，確保了本工程明挖隧道的順利貫通。同時(shí)為類(lèi)似工程的施工提供了寶貴的借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]吉小明.譚 文.飽和含水砂層地下水滲流對(duì)隧道圍巖加固效果的影響研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(S2)：3655-3662

[2]Clement T P,Hooker B S,Skeen R S.Macroscopic models for predicting changes in saturated porous media properties caused by microbial growth[J].Ground Water,1996，34(5):934-942

[3]劉玉祥.柳慧鵬.水泥水玻璃雙液注漿中的最優(yōu)參數(shù)選擇[J].礦冶，2005，14(12)：1-3，22

On the Application of the Quick Two-Times Slip-Casting to the Treatment of Water Gush in an Open-Cut Tunnel

Zhou Yangzong

(16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China)

Abstract:When the retaining piles for the construction of an open-cut tunnel go through a sandy stratum where underground water is abundant, the rotary spraying among the piles can hardly help a water-stopping curtain form,in which case water gush often happens among the piles in the course of excavation. If the problem of water gush were not solved in time,cavities would be formed outside the retaining structure,as a result of which ground would collapse.In such a case,the water-stopping process of twice-slip-casting among the plies is adopted:the first-time slip-casting aims at filling the cavities or cracks among the sandy stratum to slow down the velocity of the water gush and the 2nd-time slip-casting aims at continuing filling the cavities among the sandy stratum so as to block all the water-gushing points.The technical measures mentioned above help effectively prevent water and sand gush outside the tunnel so that the safety of the tunnel is ensured,with good social and economic benefits achieved.

Key words:tunnel;sandy stratum;water gush;slip-cast concrete to stop water

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0058-04

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.016

作者簡(jiǎn)介：周陽(yáng)宗(1977—)，男，高級(jí)工程師，主要從事工程管理工作

收稿日期：2016-01-29