地表深层注浆施工技术.doc

地表深层注浆施工技术1前言1.1地表深层注浆加固作用的机理注浆法是利用压力将能固化的浆液通过钻孔注入岩土裂隙中，使其物理力学性能改善的一种方法，主要作用是加固围岩与封堵地下水。注浆的基本理论主要有：渗透注浆理论、压密注浆理论、劈裂注浆理论及注浆施工控制理论等。对于隧道地表注浆的浅埋段来说，主要采用渗透注浆，其机理是注浆浆液在注浆压力作用下，克服各种阻力而渗入到岩土的裂隙、孔隙中，使裂隙、孔隙中水、空气被挤出去，浆液充填裂隙、孔隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度提高。一般地说，压力越大，注入的浆液量越多，扩散的距离也就越远，加固的效果也就越好。但注浆材料的渗透性好坏与诸多因素有关，如岩土的孔隙率及孔隙大小、材料的可注性、注浆的施工方法、岩体的非均质性、地下水的流动、注浆材料的胶凝时间特性等。1.2地表深层注浆工艺原理注浆通常采用“孔内卡塞”、“孔口封闭”两大类注浆技术，相应的注浆工艺为“段顶堵塞、自下而上、分段注浆”、“孔口封闭、孔内循环、自上而下、分段注浆”。 “孔内卡塞” 注浆技术是通过钻孔到设计标高后，在孔内安装止浆塞实施分段注浆，这种方法能够节省浆液，降低施工成本。“孔口封闭”注浆技术是在孔口段（2.53m）用注浆栓塞封闭进行首段注浆后，埋设孔口管，而后自上而下分段钻进，安设孔口封闭器进行注浆，如此循环钻注直至结束。2工艺流程及操作要点2.1地表深层注浆工艺流程图结束施工准备(浇注止浆板、确定参数、机具检修等)钻孔（安设导管）注浆管连接孔口管连接压水检查是否达到要求压力流量是否达到要求围岩地质调查(土质、孔隙率)等)注浆清管拌浆是是否否2.2注浆材料的选择及浆液配比2.2.1原材料质量浆液是由主剂、固化剂以及溶剂、助剂经混合后所配成的液体，分“溶液型和悬浊液型”两大类。具体为水泥、水玻璃、速凝剂或缓凝剂。水泥一般选择标号32.5R以上普通硅酸盐水泥，水玻璃选择工业水玻璃，水玻璃模数为2.42.8，波美度3540Be，水为无污染的沟水。2.2.2浆液密度或比重测定浆液相对密度的测定采用比重称。2.2.3浆液流变参数水泥浆液粘度的测试方法通常采用1006型漏斗粘度计，容积700mL，测试流出500mL浆液所需的时间。流变参数的测定采用六速旋转粘度计，以不同的剪切速率通过测量获得相应的剪切应力，求出塑性粘度和屈服强度。2.2.4浆液流动性将拌制好的浆液装满圆锥内，然后迅速上提，测定浆液在玻璃板上的扩散直径，表征其流动性。2.2.5浆液的凝结时间凝结时间包括初凝和终凝时间，测试仪器为锥形维卡仪。2.2.6浆液结石的强度、渗透性等将浆液装入20mm20mm20mm试模中，试件终凝成型后拆模，置于快速养护箱内养护至3d、7d、28d，分别在压力机上测试其3d、7d、28d抗压强度。2.3钻孔方法2.3.1不跟管钻进在地质条件较好的地方，不易塌孔，通常钻孔不小于2.5m深度后，设置孔口管，外露2030cm，作为钻孔导向管。钢管外壁缠麻丝，用早强速凝锚固剂固定在钻孔中，安装牢固，角度与设计钻孔角度一致。2.3.2跟管钻进由于地质条件较差，钻孔时常发生塌孔，钻孔过程中采用边钻孔边下套管的办法进行钻注施工，导管下至岩石层为止，钻进过程中若遇岩石，则更换钻机钻头为冲击偏心器，偏心器外安装套管，钻孔时偏心器不断冲击岩石，由于偏心器的作用，钻孔孔径略为大于导管直径，从而致使套管自动下降，套管安装到不易坍塌的岩石层为止，再改换潜孔冲击钻头钻至设计标高。2.4注浆参数的选取2.4.1注浆试验段选取为了掌握施工工艺与地质特性，可根据小范围施工，掌握钻孔时间，成孔的难易程度，以便决定采用多少台钻机钻孔；根据钻孔岩层裂隙发育及出水量情况，可以估算注浆量；通过在相邻孔之间钻孔和取样观察浆液扩散情况，推算浆液达到设计扩散半径时需要的压力，同时根据进浆速度，可以选用相应浓度的浆液或双液浆比例；在试验段施工过程中，能够检查止浆塞的效果，以便选用合适的止浆塞。通过对上述初拟注浆参数的核对，掌握人力、机械配置与效率，合理安排施工，能为以后大面积注浆施工积累经验。2.4.2水泥-水玻璃双液浆比例采用C-S双液浆，在同时满足强度、工作性、耐久性和经济性四项基本要求的前提下，还考虑水玻璃浓度、水泥浆水灰比、C-S液的体积比、胶凝时间。如果注浆区地下裂隙发育，吸浆量大，浆液凝结时间要求较短，但胶凝时间过短易导致堵管，故胶凝时间必须适中。一般双液浆配合比采用0.8:11:1。2.4.3注浆压力P=P0+m1m2D （1）式中P0容许压力初值（Pa）；m1注浆方法系数；m2注浆次序系数；D 注浆段埋深（m）。综合考虑隧道的埋深、地表布孔方式及岩石风化程度进行计算确定。地表注浆的压力一般在0.52.5MPa之间，施工中应根据实际情况调整注浆压力，确保浆液扩散半径不小于设计要求。2.4.4扩散半径计算注浆扩散半径的公式方法较多，而各适用条件不同，采用不同的方法对注浆扩散半径进行计算，以求得合理的注浆扩散半径R。按照在砂砾石地层中注浆柱形扩散理论推导的公式，在岩石地层的计算公式： 。一般采用工程类比法地表注浆扩散半径为1.02m。2.4.5单孔注浆量与总注浆量单孔注浆量采用充填注浆计算，计算公式：L=R2Hn （2）式中R浆液扩散半径，取1.3m1.5m；H注浆高度（m）；n 岩体裂隙率；浆液充填系数。注浆总量还要考虑岩体的空隙率、注浆体积及无效浆液的损失系数。上式计算结果只能是一个理论值，实际注浆量可以利用灌浆自动记录仪记录进行计算。2.5注浆施工工艺与方法2.5.1注浆方式（1）后退式注浆当钻孔能较好成孔，孔壁较规则，为避免重复钻孔工作，一次性钻至设计孔底，然后由下到上分段式注浆，在分段位置安设止浆塞，该范围注浆完成后，待合适时间提出止浆塞固定到下一个位置，再实施注浆，直至设计注浆位置高度。（2）前进式注浆当钻孔易坍孔或水量极大，孔壁严重不规则，止浆塞不能安装，坍孔处理也十分费工费力，在这种情况下，采用从上到下分段前进式注浆。先钻注第一段，然后再钻注下一段，如此循环至设计深度。当成孔十分困难时，虽然长度不足一段，但依然实施分段注浆后再钻注下一段。2.5.2注浆管连接通常采用KZY80型双液注浆泵压浆，水泥浆和水玻璃浆在距注浆孔810m位置用“Y”型结构混合，水玻璃及水泥浆出浆管上分别安装流量计和控制阀门控制流量，然后进入注浆孔，与止浆塞导管相连。在注浆管上安装自动流量计记录注浆过程中流量、压力等变化，为排泄钻孔内空气，在孔口高压注浆上连接三通管，主要目的是安装一个排泄阀，既能排除孔内空气，使注浆饱满，也能排除多余回流浆液。2.5.3钻孔冲洗及裂隙冲洗钻孔冲洗是将残存在孔底和粘附在孔壁的岩粉、岩屑等杂质冲出孔外，以免堵塞裂隙的进口，影响浆液注入。裂隙冲洗常用压力水或风将岩石裂隙或空洞中所充填的松软的、风化的泥质充填物冲出孔外，或是将充填物推移到需要注浆处理的范围以外。裂隙冲洗干净后，有利于浆液进入裂隙，并与裂隙面胶结坚固，起到防渗和固结作用，提高岩体强度、改善岩体模量的均匀性以及降低岩体的透水性。2.5.4止浆塞安装采用机械式止浆塞控制分段注浆压力和注浆范围，其原理是利用中心管穿一串胶塞，两端用托盘限位，固定上端托盘，下端托盘沿中心管移动，用注浆钻杆下端连接止浆塞，下到预定止浆位置，通过钻杆在孔口施加一个机械压力使胶塞产生纵向压缩横向膨胀与孔壁挤紧，达到封堵与止浆目的。表2-1 止浆塞技术参数 项目参数备注外径（mm）90、110每节高度（mm）100 胶筒长度（mm）500800承受压力（MPa）20 图2-3 止浆塞2.5.5注前压水试验止浆塞压缩1012cm使胶囊膨胀后，上端在孔口位置固定，然后进行压水试验，试验压力为注浆终压的80，当检测到注浆孔无返水现象判定为达到止浆要求。否则，要重新进行止浆塞安装固定。压水试验试段长度与注浆段长度一致，在孔口安装孔口封闭器后，将射水管下至距孔底10cm处，在回水管路上量测压水压力，同时测量流量，据此可粗略了解各灌浆段在灌浆前的岩体渗透性，查看各次序注浆孔透水率变化的规律，指导注浆工作的进行。2.5.6注浆操作先打开混合器注浆阀，先注水约23min，使围岩孔隙畅通。然后注水泥浆约3min至正常后，迅速将两个吸浆龙头分别放进水泥浆桶和水玻璃桶，实施双液注浆。停止灌注时，先停水玻璃泵，后停水泥浆泵，并用清水清洗管路，以预防堵管。注浆完成后，止浆塞应在适当的时间拔出，拔出时打开泄浆阀，观察其凝结情况，如不见还浆，即可试拔，过长时间，浆液凝固不易拔出，根据现场情况，大致停浆25min拔管较合适。2.5.7注浆顺序为防止窜浆，实施隔孔注浆，灌浆孔钻孔分3个次序进行，先钻序孔，再钻序孔，最后钻序孔，即2.5.8注浆结束标准最理想状态是达到终压完全不吸浆，但在实际施工中难以做到，一般标准是：本区段由多孔组成，结束标准不以单孔控制，以设计区段控制，当最后一个孔的末次注浆压力达到设计值，并且该区段注浆总量接近设计值时，即可结束注浆。单孔注浆结束标准：（1）以注浆压力的终值控制，当注浆压力由小增大，注浆量由大到小，最终达到或接近设计的注浆终压，并维持10min以上。（2）注浆流量随时间逐渐减少，最终小于1L/min.m，并维持10min以上。遇到大裂隙时，在压力上不去进浆量很大的情况下，经过浆液浓度的变换仍达不到终压与注浆量的标准时，采取间歇注浆，待养护24 h后复注，以控制设计的注浆量和达到设计终压。2.6分析比较止浆塞分段注浆与无塞注浆技术2.6.1全长注浆将注浆孔打到终深以后，进行全孔一次注浆，其优点是一次钻孔，一次完成注浆，减少安设、起拔止浆塞和其它辅助工序时间，以加快注浆堵水施工进度。其缺点是，由于注浆段高的加大，为保证注浆质量，需采用高压注浆来保证孔下部浆液的扩散距离，全长注浆材料消耗大，中途不得中断。适用条件是：含水层厚度不大，离地表近，钻孔深度内上部岩层裂隙不够发育，下部岩层裂隙较发育，或整个注浆孔裂隙发育较均匀的情况下宜采用全长注浆。2.6.2分段注浆当注浆深度较大时，钻孔一般穿过较多的含水层，上下岩层裂隙大小与发育程度不一样，在一定注浆压力下浆液扩散距离不一样。另外，静水压力随着注浆深度的增加而增大，在一定注浆压力下，上部岩层裂隙进浆多扩散距离远，下部岩层裂隙进浆少扩散距离近，甚至不扩散。此时，宜采用上行式分段注浆。其优点是无重复钻孔，加快注浆进度，但需要性能良好、工作可靠的止浆塞。2.7注浆质量检测方法与标准2.7.1质量合格标准单个注浆区域的注浆孔全部注完后，在怀疑注浆薄弱的地方钻检查孔取芯，观察浆液充填情况，要求浆液充填饱满且固结体抗压强度大于0.4MPa，同时进行压水试验：在1.0MPa压力下检查孔进水量应小于2L/minm，检查频率为5。否则应加密钻孔注浆。2.7.2压水试验为了了解岩土体的渗透性，对比注前、注后岩土体透水性变化情况，为注浆效果检查评比提供依据。所有注前测试孔和注后检查孔均应进行五点法压水试验，试验方法如下：(1）压水试验随钻进自上而下分段卡塞进行，试验长度一般为5.0m，量测设备可采用钻孔水文地质综合测试仪。(2）测试孔和检查孔孔深3m8m段采用0.3MPa压力进行单点压水，孔深8.0m以下各段均按0.3、0.6、1.0、0.6、0.3MPa三级压力五个阶段进行压水。(3）各级压水压力下压入流量的稳定标准为：在稳定压力下每隔5min测读一次压入流量，连续四次读数中最大值与最小值之差小于最终值的10%，或最大值与最小值之差小于1L/min时，即可结束压水。(4）以最高压力阶段压力值及相应流量计算透水率。压水试验成果计算按水工建筑物水泥灌浆施工技术规范（DL/T5148-2001）执行。 (3)式中：q透水率，Lu；Q压入流量，L/min；P作用在试段内的全压力，MPa；L试验段长度，m。全压力P = S1 + S2；S1压力表指示压力（Mpa）；S2压力表中心至压力起算零线的水柱压力（Mpa）。压力起算零线的确定方法： 当地下水位在试段以上时，压力起算零线为地下水位线； 当地下水位在试段以下时，压力起算零线为通过试段中点的水平线； 当地下水位在试段以内时，压力起算零线为通过地下水位以上试段中点的水平线。图2-4 压力起算零线示意图2.7.3钻芯取样注浆28d后，采用地质钻机双管单洞法进行钻芯取样，保证芯样完好率，取芯率在坚硬岩层中应达到80%90，在破碎岩层中应达到70%90左右，采集的芯样要按地质钻的规定，做好编录工作。 2.7.4土层含水量情况注浆后浆液通过填充、挤压作用，挤走地层中的一部分游离水份，以浆液充填密实，含水量减少，达到了固结堵水目的。在注浆前后进行土工试验，取出土样进行天然含水量及干密度的检测，通过前后数据对比分析判断注浆效果。3劳动力组织表3-1 人员安排表序号作 业 内 容人 数备 注1注浆孔司钻1每钻一人2接钻杆，安孔口管、接注浆管2每两钻两人3操作注浆泵，接电和维修1操作注浆泵每机一人，接电和维修各一人4调释水玻璃，拌水泥浆15装、运料，卸料26质量安全检查1现场质量，安全管理、记录施工情况7测 量18试 验1材料检查及配料控制9技术指导工程师110合 计114机具配置4.1动力机械表4-1 动力机械序号机具名称型号数 量备注1变压器630KVA1台2电动空压机20m32台3发电机200KVA1 4.2钻孔机械表4-2 钻孔机械序号机具名称型号数 量备注1地质钻机XY-2PCG台2潜孔钻机YQ100C台4.3注浆机械表4-3 注浆机械序号机具名称型号数 量备注1双液注浆泵KZY-80台2浆液搅拌机HJ-200台3混合器Y型个 4止浆塞机械式套5自动流量记录仪套5 质量控制要点5.1裂隙岩层赋存的水文地质条件裂隙岩层赋存的水文地质条件是确定注浆参数的基础资料，除根据设计提供的设计地质资料分析外，还需通过钻孔进一步掌握岩层地质情况。含水层的埋深、层位、厚度、产状，岩石裂隙的宽度、分组情况及相互关系，裂隙中有无充填物及充填物的性质、成分，当裂隙发育且连通性好时，可将布孔间距加大，减少孔数；钻进中冲洗液的漏失情况，当漏失量大，说明浆液吸入量大，应考虑使用较浓浆液；岩层的软硬程度是否卡钻、掉钻现象，岩石的破碎程度及采芯率高低，当岩石破碎常出现卡钻现象时，可采用跟管钻进；有无岩溶及岩石的溶蚀程度，溶洞的性质，有无断层，岩层的错裂程度影响带宽度，有溶洞时宜采取间歇注浆。5.2浆液浓度每次注浆开始阶段，用稀浆以便冲开裂隙便于浆液渗透，2min后立即用浓浆以控制浆液扩散距离，节省材料消耗，缩短注浆时间。近年来，大量采用C-S双液浆，其常用的水灰比1:10.6:1，水泥浆：水玻璃体积比1:10.8:1，水玻璃波美度3540Be。在注浆压力保持不变，注入率持续减小时，或当注入率不变压力持续升高时，不改变水灰比；当某一比级普通水泥浆液的注入量达300L以上或注浆时间达30min，而注浆压力和注入率均无改变或改变不显著时，改浓一级；当变换至下一级浆液后，若吸浆率在短时间内骤然减小，则立即改回前一级浆液注浆；注浆压力上升较快而吸浆量减少时，如非管路堵塞，换稀一级的浆液。5.3浆液扩散距离浆液在压力作用下沿裂隙流动和胶凝，并在压力作用下继续脱水压实形成致密的结石体，充塞岩体裂隙，注浆缩小过流断面，增加流动阻力，其充塞过程就是克服流动阻力的过程。当压力过大且浆液浓度较稀时，浆液扩散距离远，注浆量大，压力上升较慢，会造成浆液的浪费；注浆压力过小且浆液浓度较稠时，扩散距离较近，压力上升较快，浆液消耗量小，会造成裂隙封堵不严。浆液扩散距离与裂隙发育程度、裂隙开度与沟通状况、注浆压力与注浆方法、浆液的种类与性质等有关。5.4注浆压力上升较快在正常注浆情况下，浆液在一定压力下，沿裂隙流动扩散，离注浆孔越远，阻力越大，浆液向前扩散所需的能量也越大，浆液在流动过程中产生沉析、胶凝而停滞，流动阻力随浆液扩散半径增大而逐渐增加，压力逐渐上升，从而产生充塞。当压力上升到一定值时，将充塞物冲开或充塞物继续沿裂隙向前推进，出现压力下降趋势。在此情况下，浆液经再次充塞，压力又继续上升，直到将充塞体压实。注浆压力上升较快存在两种情况：浆液较稠，凝结时间短，此时应更换较稀浓度浆液，注浆管堵塞，此时应起用备用管道，将堵塞管道进行清理。5.5常见注浆故障排除表5-1 注浆常见故障排除方法序号故 障发生原因排除方法1不吸浆（1）泵缸或吸浆管道漏气（2）进浆管道堵塞（1）检查漏气情况，设法排除（2）清除异物或砂石沉积等2出浆减少或停止（1）阀球被异物或阀网卡住（2）填料密封不严空气进入泵缸（3）球或法兰盘磨损严重，产生间隙后大量漏浆（1）清除异物或更换阀网（2）压紧或更换填料（3）更换已损件3活塞填料漏浆（1）填料密封不严（2）活塞磨损严重（3）如原橡胶填料缺油脂时易磨损（1）压紧或更换填料（2）更换活塞（3）经过一段时间后向橡胶中添加适量润滑剂4压力突然下降（1）输浆管路突然被脱开（2）浆液突然冲破阻碍，灌入大型溶洞（1）修复管道（2）根据具体情况处理，如加大水玻璃波美度或间隙注浆等5压力表指针不动或达不到规定值（1）压力表可能损坏（2）可能产生1、2、4等故障（1）更换压力表（2）参见1、2、4排除方法6 注浆安全管理(1)建立健全各种岗位责任制，严格执行现场交接制度。(2)钻机注浆泵及高压管路必须试运转，确认机械性能和各种阀门管路，压力表完好后，方准施工。(3)每次注浆前，要认真检查安全阀、压力表的灵敏度，并调整到规定注浆压力位置。(4)安装高压管路和泵头各部件时，各丝扣的联接必须拧紧，确保联接完好。(5)注浆过程中，禁止现场人员在注浆孔附近停留，防止密封胶冲式阀门破裂伤人。(6)注浆时不得随意停水停电，必要时必须事先通知，待注浆完成并冲洗后方可停水停电。(7)注浆施工期间，必须有专门机电修理工，以便出现机械和电器故障时能及时处理。(8)注浆现场操作人员必须佩戴安全帽、防护眼镜、口罩和手套等劳保用品，方可进行注浆施工。7 环境保护7.1防止钻孔泥浆污染环境由于泥岩、页岩中粘土矿物大部分为伊利石及绿泥石，几乎没有蒙脱石，属于不易软化的泥岩，但具有较强的粘附力，为防止泥浆糊钻，钻孔时需采用清水冲孔，造成水泥浆污染。预防的主要方法为：在泥浆中掺加包被剂，产生大量大分子聚合物，尽量少用清水冲洗钻孔次数，减少泥浆产生；在下游修建两级泥浆沉淀池，沉淀达到标准后排放。7.2防止水玻璃污染河流注浆时回浆浆液中的水玻璃易造成河流污染，防止方法是：回浆液充分进入回浆池，进行二次运用，减少浆液浪费；在注浆区下游，修建水玻璃污处理池，在其内加入适量的硼砂进行酸减中和，达到排放标准后方可排放。8 工程实例8.1工程简介K33+940K34+035段为铜锣山隧道廖家沟浅埋段，最浅埋深为5.6m，岩体破碎，沟内水量大。在廖家沟内结构物分布多，有1竖井、2竖井及5行人横洞，结构物与隧道交叉布置。如直接开挖容易导致坍方冒顶、引发涌突水事故导致地表生态环境的破坏。为了确保隧道顺利通过，廖家沟浅埋段实施地表注浆。注浆范围：横向方向为左线隧道轴线左侧外17.25m，右线隧道右侧轴线外15m，两隧道之间满注；竖向方向：隧道设计基线以下6米至隧道设计基线以上18米（18