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隧道工程现场注浆试验设计

作者::熊佳佳 | 字数:3190 时间:2019-10-08 来源:

摘要:注浆是一种应用广泛、非常实用的工程施工技术。当前,我国隧道工程建设缺乏完善的现场注浆试验设计、施工、质量控制体系,给隧道工程现场注浆质量和工程整体施工质量控制带来不利影响。本文针对某隧道工程浅埋段岩溶区的现场注浆试验实际与实施展开探讨,提出了适合岩溶区公路隧道地质条件的现场注浆试验设计标准与实施方案,希望能为类似工程的现场注浆试验设计、施工提供参考。

关键词:隧道工程;现场注浆;注浆试验

1引言

目前,注浆技术在水电水利领域的应用非常广泛,在理论、试验、设计、质量检测等方面的发展领先于其他行业。而在公路隧道工程建设领域,注浆技术的应用还在初级阶段,大部分技术都借鉴于水利水电工程的注浆,本行业的注浆技术理论与实践体系尚未完善。而且水利水电工程与公路隧道工程存在差异,全部参考水利水电工程的注浆技术规范会给公路隧道工程的施工带来问题。在此背景下,本文就岩溶区隧道工程现场注浆技术的试验设计与实施展开探讨。

2隧道工程现场注浆试验区地质概况

通常情况下,应该优先选择地质环境具有代表性的地段区域作为现场注浆试验区。如有必要,还可以根据实际情况选取多个区段设置多个现场注浆试验区。地表注浆通常选择加固区,因此,可以选取加固区的一段作为注浆试验区,目的尽量降低成本,减少环境污染,同时还应该考虑现成地形、水电、运输、水文地质条件等多个因素。本次注浆试验选择某隧道加固区部分地段作为试验区域,进行地表注浆试验。该地区埋深最浅,地质条件复杂,隧道洞跨为12.7m,埋深为6~25m,h<2D。从图1可以看出地质条件极为复杂。

3影响试验区现场注浆效果的地质问题

1)裂隙发育程度高有利于扩散浆液,但大量的裂隙不利于控制注浆量及浆液配比。存在的溶洞将导致浆液涌入溶洞,注浆压力下降,浪费浆液,增加施工成本。2)地表注浆试验区的岩层包含软岩夹层,如泥岩,可能会被浆液软化,导致岩层空隙率、裂隙率提升,损坏岩层结构,增加地表沉陷的危险,同时大大增加了浆液的用量,使施工成本大大增加;此外,泥岩等软岩夹层的碎屑混入到浆液中,会降低注浆的加固作用。3)地下水也会影响到注浆效果,第一,地下水径流可能带走浆液,导致浆液无法在预定区域内凝结,无法达到预期效果;第二,地下水会使浆液浓度下降,改变注浆压力;第三,注浆地层中存在的承压水,会增加注浆临界压力,增加注浆难度,提高注浆成本;第四,如果存在大量充水溶洞、溶腔,则须中断注浆,改用混凝土充填等方式填充溶洞。

4试验区现场注浆试验设计与实施

4.1试验区注浆试验设计标准

注浆标准对工程质量有很大影响,其主要是指注浆后围岩的坚固性、连续性、渗透性、完整性。具体来说,包括注浆后的加固范围、加固强度、弹性波速、防渗透性能、注浆量、耗浆量、终孔压力、浆液流量值等等。根据以上指标与试验区的实际地址条件,得出防渗、强度是本次现场注浆试验的核心设计标准:防渗透性能应该达到透水率q不超过5Lu,强度以10%的岩芯抗压强度提高率作为试验设计的强度标准。此外,注浆量以设计注浆量Q为标准,孔序单位耗灰量递减率设计标准值为25%~75%,单孔注浆完毕的控制标准包括两方面,一是注浆压力的终值,以达到或接近设计的注浆终压,并保持超过10min为准;二是注浆流量小于1L/min.m,并保持超过10min,只要满足其中一个条件就代表注浆完毕。本次注浆的主要目标是将围岩渗透率控制在5Lu以内,如表1所示,岩体的透水率q<5Lu时,防渗透等级达到弱透水,岩体基本处于相对不透水状态。

4.2试验区注浆材料及浆液配比

目前,注浆材料已经从单一的粘土浆液发展成水泥浆液、水泥-水玻璃浆液、水泥-粘土溶液以及其他化学浆液综合使用。注浆浆液主要有主剂、掺合料、外加剂构成。主剂原料通常为水泥、水玻璃、粘土以及各种化学浆液;掺合料原料主要有砂、煤灰、膨润土、水玻璃;外加剂根据实际情况可选取氯化钙、水玻璃、萘系高效减水剂、木质素磺酸盐类、高塑性粘土等。现场注浆试验初期有必要进行注浆材料的选取和配比试验。结合试验区地质条件,本次试验将使用水泥浆液作为主剂,根据注浆目的、地层物理力学性质、环境水的侵蚀作用以及就近采购等原则,确定选择蓥峰32.5R普通硅酸盐水泥做为主剂材料。其物理化学性能指标均规定。为了克服纯水泥浆液的缺点,通常在实际应用中会在水泥浆液中掺入一定量的掺合料配制成水泥-水玻璃溶液,综合考虑普通水泥浆液流动性、稳定性及结石强度等,推荐水泥-水玻璃浆液的配比为:水泥浆液水灰比1∶1,水泥浆液与水玻璃体积比1∶1。以解决纯水泥浆液凝结时间无法控制,耗时太久,结石率低的问题。

4.3试验区现场注浆试验参数选择

对于现场注浆试验来说,试验参数的选择非常关键,因为参数选取将对注浆效果、成本带来直接影响。主要的注浆试验参数包括注浆深度、孔距、排距、扩散半径、压力及注浆量等。

4.3.1注浆深度

注浆深度主要和工程性质、加固岩土体的界限,地质构造等因素有关。此隧道地表注浆的目的是加固围岩,增加岩土体的承载力,减少隧道开挖带来的地下水大量流失,因此,注浆深度必应该到达隧道基底以下。根据此隧道地表注浆试验区地质条件,综合考虑隧道埋深以及注浆质量等因素,将隧道基线以下6m到基线以上18m作为注浆范围,因此,注浆深度为24m。单孔注浆分长度为8m的三段。

4.3.2注浆宽度

注浆宽度主要和注浆目的、围岩的稳定性、隧道开挖后地下水的压力有关。本次隧道注浆试验区地表注浆目的是减少隧道开挖带来的地下水,降低施工事故的发生率,减少对环境的破坏。注浆宽度过小,无法实现注浆目的,过大则会增加施工成本,施工时间。通常来说,隧道开挖影响的范围是以隧道轴线为基准的洞径的三倍。因此隧道地表注浆宽度选择以隧道洞的轴线为中线,左右各取15m。

4.3.3注浆压力

注浆压力是指注浆段上承受的压力,对于控制注浆质量来说非常重要。在注浆时,使用较大压力可以将浆液压入到细小的岩层裂隙、孔隙中,还能扩大浆液的扩散范围,降低需要钻的孔数,降低施工成本,缩短施工时间;同时较大的注浆压力可以快速析出其中浆液中水分,使结石密实饱满。然而过高的注浆压力将造成岩体破坏,形成更大的裂隙,导致注浆难度增加,引发地表抬动,损失大量浆液。根据试验区岩体特征,地表注浆压力初值P0取值范围为0.5~1.5×105Pa,注浆方法系数m1取值范围为0.5~0.6×105Pa/m,注浆段平均埋深D为12m,注浆次序系数m2的取值范围为1~1.5。则根据最大注浆压力的经验公式,P=P0m1m2D,计算出最大注浆压力P的取值范围为0.65~1.05MPa。

4.3.4浆液扩散半径

在特定施工工艺条件下,岩层土体中的浆液扩散距离用浆液扩散半径来表示,是注浆时确定注浆孔位置的关键参数之一。计算注浆扩散半径的方法有多种,均有各自的适用范围。此隧道地表注浆扩散半径主要采用柱形扩散理论推导的公式计算,得到扩散半径为1.3m。

4.3.5注浆孔设置方式与数量

注浆试验孔的设置没有固定规律可循。一般来说,在透水性好的地段,孔距应大一些;反之,则孔距应小一些。之后再根据单位注浆量、透水率的变化,确定孔距、排距。试验区Ⅰ序孔距为8.00m、4.00m、Ⅱ序孔距为4.00m、2.00m,Ⅲ序注孔距为2.24m,Ⅳ序注浆孔的位置布置了注前测试孔和注后检查孔,竖井试验区布置了13个注浆孔,5个注前测试孔和5个注后检查孔。

5结语

综上所述,本文针对某隧道工程现场注浆技术的试验设计与实施进行了探讨、分析了影响试验区现场注浆效果的地质问题,并针对实验设计标准,浆液材料选择和配比进行了探究,确定了各项现场注浆试验设计参数,形成了一套适合于隧道工程的现场注浆实验设计与实施方案。

作者:熊佳佳 单位:衡阳公路桥梁建设有限公司

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