野狐岭3#隧道加固方案

1、张石高速公路K21200K21400段野狐岭3#隧道浅埋破碎岩体地表加固处理方案野狐岭3#隧道科研项目组2005年1月目 录说明材料2一、工程概况及存在问题4二、场地工程地质条件5三、地表加固治理方案6四、工程量估算9五、施工工艺及必要措施11六、现场试验和指导内容13七、注浆效果检验标准14八、附图151 注浆孔平面布置示意图152 孔间距布置示意图16关于“野狐岭3#隧道浅埋破碎岩体地表加固处理方案”说 明 材 料张石高速公路张家口管理处：张石高速公路野狐岭3#连拱隧道，全长不足200米，但却是该高速公路建设中路线走向的一个关键控制性工程。由于山体两侧存在特殊的工程设施，至使该隧道的结构形

2、式受到很大限制。根据出洞口处中导洞施工和现场实际掘进所揭露的围岩情况，岩体属于堆积性岩体，风化非常严重，属强风化岩体，岩石极度破碎，节理裂隙发育，裂隙间填充大量软弱夹层、次生泥化夹层、糜棱岩和小断层，整个岩体强度非常低，在中导洞掘进过程中出现大量塌方，至实工程难以顺利实施。鉴于地质、地形种种不利因素，为确保施工质量、安全和后期运营安全，管理处、设计单位、监理、总监办、科研方多次到现场勘查，并邀请有关专家召开了专题研讨会。经过现场勘察、查阅施工图设计文件和工程地质勘察报告所提供的数据，科研方对该隧道提出了安全、稳妥、技术经济可行的加固方案：对隧道进洞口纵向30米、横向30米段开挖前进行地表注浆加

3、固处理地层的建议。该方案通过与其它方案进行技术、经济、安全等多方面的比较和论证，得到与会人员的认可。地表注浆加固处理破碎岩体的技术在岩土工程领域应用非常广泛，公路、铁路、矿山、隧道、边坡、地基处理、城市各种地下工程等多领域广泛采用，目前已经是非常成熟的工程加固技术，国内外大量的成功工程实例充分证明了这一点。该方法在隧道建设中作为一种重要的辅助工程措施已经在新的公路隧道设计规范（JTG D702004）做出详细说明。在九江景德镇公路雁列山第一隧道施工中，采用地表深孔预注浆加固断层破碎带，使隧道顺利通过。焦晋高速公路灵岩寺隧道软弱破碎围岩浅埋偏压地表注浆加固技术，即保证了施工安全和运营期安全，也确

4、保了工程的顺利进行。通过地表注浆，加固坍塌破碎体，使围岩整体性得到加强，显著提高围岩的自稳时间和自身承载能力，改善岩土体的物理力学性质，缩小开挖变形产生的松弛区范围，减水围岩对初期支护和二次衬砌及中隔墙的压力，确保工程稳定。参照国内外众多加固类似工程成功的实例，结合野狐岭3#隧道自身特殊的地质情况和气候条件，科研方与各方经过多方讨论论证，提出对野狐岭3#隧道浅埋破碎岩体地表注浆加固处理方案，并对相关的技术参数进行了比选和确认，对相应的施工工艺和值得特别注意的环节提出了具体要求。野狐岭3#隧道科研项目组2005年1月一、工程概况及存在问题张石高速公路k21200k21400段野狐岭3#隧道地处野

5、狐岭山脊南坡全长200米，属短隧道。该隧道最大埋深位于隧道中部为18.5米，隧道进出口段埋深12米，其余埋深在1016米之间，该隧道基本属于浅埋隧道。从进洞口处施工现场所揭露的围岩情况来看：岩体风化非常严重，属强风化岩体，岩石极度破碎，节理裂隙发育，裂隙间填充大量软弱夹层、次生泥化夹层、糜棱岩和小断层，整个岩体强度非常低。岩体节理裂隙间充填的软弱结构面是影响地下工程岩体稳定的一个重要因素，遇水及易膨胀、崩解和破碎，造成整个岩体强度急剧降低，从目前中导洞开挖情况看，进洞口30范围内从整体上围岩基本没有自承能力。隧道围岩破碎、埋深浅一直是隧道建设中非常值得重视的问题，一是施工非常困难；二是对连拱隧

6、道这种特殊的工程结构后期运营造成隐患。如果处理不当，将会有重大的工程问题产生。因为隧道上覆岩体自身不能形成自然压力拱，这样连拱隧道上覆围岩产生的荷载都将作用在二次衬砌和中隔墙上，而二次衬砌和中隔墙的刚度远远小于周围岩体的刚度，二次衬砌和中隔墙很有可能被压裂甚至破坏。3#隧道设计采用的是“新奥法”施工原理。新奥法是应用岩体力学的理论，以维护和利用围岩的自身承载力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，控制围岩变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分。最大限度的利用和发挥围岩自承能力是“新奥法”连拱隧道设计和施工的核心。对于野狐岭3#隧道实际情况而言，浅埋、堆积破碎岩体是无法成

7、为支护体系的组成部分，自承能力基本没有。如果不采取必要加固措施，仍然按照“新奥法”的原理进行施工，可能会造成如下的结果：1由于围岩基本没有自承能力，容易造成塌落和冒顶，现场施工过程中不得不进行超前支护和架钢隔栅，不仅施工进度缓慢而且施工条件恶劣，很容易造成施工人员伤亡和施工设备、机具损坏，这在工程建设中是绝对不允许的。2当隧道投入运营后，由于上覆岩体的重量几乎全部作用在中隔墙和二次衬砌上，将会对结构产生严重危害，很可能由于荷载过大而产生裂隙甚至被压坏。裂隙导致隧道渗水，在冬季容易导致路面结冰，高速行车是很危险的。3连拱隧道中隔墙和衬砌是永久性的重要建筑物，一旦被破坏很难恢复，严重威胁隧道运营期

8、安全，后期加固和维护费用非常高，效果也不理想，给交通运营管理带来极大困难。这种工程实例在我省某条公路隧道中发生过，造成的经济损失和其它影响是很大的。4如果上部进行加固，可以防止水的渗漏，特别是中隔墙上部的漏斗部位，一直是连拱隧道防排水设计的重点和难点，国内外对此缺乏成熟的成功经验。 鉴于野狐岭3#隧道目前的实际情况，管哩处、科研项目组、设计单位、施工单位、总监办等多家单位和专家经过多次现场实地研究后，通过多种方案比选一致认为，应该对隧道地表进行注浆加固处理。以加固岩体，充分利用岩体自承能力的方案比仅靠强支撑的方案更符合岩体力学的原理，更加安全可靠。二、场地工程地质条件1岩石类型和构造特征野狐岭

9、3#隧道里程桩号为k21200k21400，该隧道进洞口地段拱顶和洞室为碎石土夹杂亚粘土，其余部分为强风块状堆积化玄武岩。玄武岩具有较发育的层理构造，下部为气孔状和杏仁状玄武岩，上部为致密块状玄武岩。由于气孔状玄武岩易吸水，使岩体的完整性受到很大破坏，岩石的抗压、抗拉和抗剪强度很低。2风化程度岩体中气孔状构造以及裂隙的发育，导致了岩体的风化程度各处不一，基本上属于强弱风化玄武岩，很少见未风化岩体，总体来看该段岩体风化严重。3岩体完整程度由于受到风化的影响，使得岩体的完整性受到破坏，使该段岩体成为软硬相间和物性差异明显的不同岩块。根据钻孔资料显示，岩体的质量指标（RQD）很低，仅在3050之间，

10、从出洞口已开工的中导洞开挖的岩体来看，掌子面岩石极度破碎，以软弱、破碎岩石为主，节理裂隙发育，裂隙间填充大量软弱夹层、次生泥化夹层、糜棱岩和小断层，整个岩体强度非常低，岩体基本没有自承能力。4隧道埋深该隧道属于浅埋隧道，其埋深在进、出洞口段在12米到10米之间，隧道的最大埋深还不到20米。根据隧道埋深并结合围岩组成分析，如果隧道地表不进行加固处理，直接采用暗挖法将会造成隧道围岩坍塌，容易造成工程事故。 5地下水该地区水量不大，根据钻孔揭露以及区域资料，地下水埋深对隧道施工影响可以忽略不计，但由于隧道埋深较浅要防止地表雨水下渗至隧道内部。 三、地表加固治理方案根据野狐岭3#连拱隧道进洞口纵向30

11、米段的埋深、场地工程地质条件和施工方法、工艺，地表加固治理以提高隧道上覆岩体的整体性为主要目的，通过加固，可以确保施工和后期运营的安全。科研方与各单位经过多次研究和论证比较，最后确定采用地表钻孔注浆加固隧道上部地表岩体，无论从经济、技术和安全都是可行的方案。（一）注浆加固的原理通过从地表向下钻注浆孔，把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具压入所需加固的地层，经过凝胶硬化作用后充填、堵塞和连接地层中的缝隙，固结软弱松散岩体，使围岩强度和整体性得到显著提高。这种方法非常适用于浅埋、围岩稳定性差，开挖可能引起塌方或存在偏压地段的隧道。为使加固有较好的效果，浆液在达到设计强度的90以上时，

12、才能够进行下方隧道的开挖。但洞内施工时仍应坚持短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测的原则。（二）具体加固方案如下：1加固范围在地表进洞口方向沿隧道走向30（纵向）米×30（横向）米范围内进行注浆孔平面布置。为确保加固质量，在隧道两侧各超出开挖轮廓线3米范围内布置注浆孔，以形成加固区与非加固区的过渡带，同时也防止隧道两侧冲沟雨水下渗到隧道内，起到隔水防渗的作用。根据方案论证会议的结果，拟采用先加固中导洞开挖范围，横向10米×纵向30米，加固范围300M2。如果达到预期的加固效果，再对其余部分进行全断面加固。2注浆孔平面布设考虑到地层颗粒级配、密度、孔隙度、渗透系数、扩散半径

13、等因素，平面采用梅花型布设注浆孔，孔与孔间距为1.5米，呈等腰三角形布设，共约布设460个孔。（见钻孔布设平面图2）3注浆孔深度和孔径按照施工现场地层情况，单孔深度以隧道外轮廓为界限。平均钻孔深度12米，合计钻孔总深度约5520米，采用110mm孔径。（注：实际每孔深度需现场进行准确计算和测量）4注浆压力注浆孔下部至隧道外轮廓处约3.5米范围为主要压力注浆范围，注浆压力控制在23MPa；注浆孔3.5米以上段，即接近地表处采用渗透压力注浆，注浆压力控制在0.51MPa，浆液为M20水泥砂浆。具体注浆压力还要根据现场试验孔的试验数据调整，以达到最优的效果。5注浆材料选择及确定配比注浆材料采用水泥浆

14、，水泥标号为R42.5#早强硫铝酸盐水泥，该水泥初凝时间约25分钟，终凝时间约4小时。水泥浆浓度采用水泥比重计控制。浆液水灰比可根据现场试验数据进行调整，施工原则是先稀后浓。配合比：水：水泥1：0.50.7因在冬季施工，为确保注浆达到预期效果，浆液中可以考虑掺加防冻剂和减水剂，使浆液尽快凝固。封孔采用M20的水泥沙浆。砂为细度模数MX=1.9左右的细砂，水泥为普硅42.5#普通硅酸盐水泥，用水量约130150Kg/m3，配合比为：体积比 水泥：砂=1：4.04.36浆液渗透半径根据现场地层颗粒继配、岩土体孔隙率以及现场试验孔的试验结果来确定渗透半径。按照提供的工程地质勘查报告以及现场实际观测的

15、结果，浆液渗透半径初步定为水平方向0.85米，垂直方向0.5米。7、注浆机理本工程以劈裂注浆为主，渗透注浆和压密注浆为辅。四、工程量及费用估算1注浆材料按照加固方案，注浆范围900平方米，共布设注浆孔460个，根据隧道断面图钻孔平均深度取12米，注浆孔下部即接近隧道轮廓处3.5米孔段采用压力注浆，注浆压力控制在23MPa；注浆孔上段即接近地表处8.5米孔段采用渗透压力注浆，注浆压力控制在0.51Mpa，以封孔为目的。 （1）工程量计算：根据现场岩土体裂隙发育及风化程度，以及参照公路隧道设计规范确定单孔注浆量按下式计算： V式中：r1上段孔段加固水平扩散半径，取0.2米； h1上段孔段加固厚度取

16、8.5米； m1上段孔段可灌系数取0.4n1上段孔段孔隙率，取0.3r2下段孔段加固水平扩散半径，取0.85米； h2下段孔段加固厚度取3.5米； m2下段孔段可灌系数取1n2下段孔段孔隙率，取0.3经过计算，单孔下部3.5米范围内需水泥浆液量为：Q水泥浆3.14×0.852×3.5×1×0.32.35m3按5损耗考虑，单孔水泥浆量约：Q水泥浆2.35×(1+0.05)2.46m3单孔上部8.5米范围内需M20水泥砂浆量为：QM20砂浆3.14×0.22×8.5×0.4×0.30.13m3按5损耗考虑，单

17、孔M20水泥砂浆量：QM20砂浆0.13×(1+0.05)0.14m3则总注浆量约：V水泥浆460×2.461132m3 VM20砂浆460×0.1464m3 （2）费用计算：、R42.5#早强硫铝酸盐水泥市场价格为450元/吨，根据水灰比1：0.50.7，每立方米水泥浆水泥成本约270元。考虑设备使用费和人工、技术成本，确定水泥浆综合单价为330元/米3。水泥浆总费用：1132m3×330元/米3=37.4万元。、42.5#普通硅酸盐水泥市场价格为350380元/吨，根据水泥与砂比1：4.04.3，每立方米M20砂浆水泥和砂成本约200元。考虑设备使用

18、费和人工、技术成本，确定M20水泥砂浆综合单价为250元/米3。M20砂浆总费用：64m3×250元/米31.6万元以上两项合计：37.41.639万元、为了确保加固效果，根据异常寒冷气候特点，科研方建议添加防冻剂。防冻剂可以采用MNCC型，价格3800元/吨，掺量25，该工程可以采用掺量3%。根据计算，共需要水泥约1132×0.664×0.25700吨，因此需要防冻剂约21.2吨费用为：21.2×3800元/吨8万元。因此浆液材料总费用为：39847万元2钻注浆孔（1）工程量计算：460孔×12米/孔=5520米（2）费用计算：5520米&#

19、215;100元/米=55.2万元3科研方进行加固方案制定、现场施工技术及工艺指导和监督、试验、测量和定位费：18万元。5以上各项费用合计：47+55.2+18=120.2万元由于地下地质工程的复杂性和特殊性，以上注浆量为初步理论计算结果。在实际工程中根据试验数据和加固效果及时修改注浆参数，工程量和实际费用以现场最终发生的工程量为准进行计算。如果同意对上述加固方案，需补充相应地质资料和试验数据，以便更好的实现加固效果。五、施工工艺及必要措施1主要施工设备考虑到现场施工条件和防止环境污染等因素，注浆孔施工应采用合适的钻机。台式钻车效率高，但部分地形不允许。根据施工单位的技术装备情况，钻孔可采用潜

20、孔钻机，按规范要求钻孔孔径不小于110mm；浆液采用高压注浆泵，有条件可以采用双液注浆机，以加快注浆速度。2施工顺序 首先施工外围注浆孔，形成外围结石体屏障，防止浆液严重外泻造成浆液浪费。施工区注浆孔，施工时隔排施工。钻孔时注意周围环境的环保，防止泥浆对环境的污染。3施工方法 （1）测量放点。按照设计图布孔要求确定孔位，准确放孔，钻机按孔位准确就位。（2）校正钻杆的垂直度，按照设计要求成孔至设计深度，下放注浆管至孔底以上0.5米。（3）用止浆塞封孔后，搅拌水泥浆液至设计要求，开始注浆。浆液配制时，按浆液配比所需数量加料，力求严格准确。加料顺序为先加水，在搅拌机搅拌的情况下加入水泥、防冻剂和减水

21、剂。浆体搅拌均匀后，倒入贮浆筒时，经过筛网过滤，严禁杂物及块状水泥进入贮浆筒。（4）注浆至规定压力或规定注浆量时停止注浆。（5）终止注浆后起拔注浆管，在孔内注入M20水泥砂浆至孔口位置进行封孔。（6）移至下一注浆孔重复（1）（5）步骤。值得注意的问题A、止浆塞（盘）是实现分段注浆、合理使用注浆压力和控制浆液分布范围、保证注浆质量的一种有效设备。注浆塞（盘）一般由穿在注浆管上的胀塞组成。胀塞通常用坚硬的、加纤维材料合成的橡胶制品加工。止浆塞在注浆孔中的安设位置，除满足深度要求外，必须选择在孔壁围岩相对稳定，裂隙少和孔形规则的地方。据调查，目前注浆塞大部分由施工单位自制自用，国内生产定型产品的厂家

22、很少。B、注浆开始前做好准备工作，包括机械器具、仪表、管路、注浆材料、水、电及必要的防冻、加温措施的检查及必要的试验。C、注浆工程中，要经常观测和记录注浆压力的变化情况，掌握注浆量。特别注意止浆塞（盘）的变形和饱浆情况，如果止浆塞（盘）发生变形，应停止注浆，及时处理。对于发生跑浆时，可以用填塞棉纱、打木锲、糊塑胶泥等方法堵漏。D、为了使浆液在孔内一定范围内扩散，不至于串浆或冒浆，影响注浆效果，在进浆量很大而压力不上升的情况下，以注浆量控制注浆结束标准；当进浆量很少时，以注浆压力来控制。4冬季施工的防护措施根据张家口坝上地区冬季气温大部分时间处于零下30C0左右，气候异常寒冷的特点，对于冬季进行钻孔注浆必须采取一定的防冻措施，确保浆液达到预期的加固效果。对于注浆用的浆液，防冻措施主要有：1，添加适量的防冻剂。要求防冻剂适用于-20度以上日气温的钢筋砼 、泵送砼 、预应力砼和大体积砼的施工。2，采用暖棚、生火、电暖气等加热方法提高浆液的和搅拌场所的温度。并在泥浆输送过程中用保温材料对输浆管进行严密的包裹防护，防止热量过多散失，确保浆液不冻，确保水泥浆的力学性质不受改变。对于钻孔，原则上采用干钻。但对于塌孔、坚硬的玄武岩地段，当采用泥浆护壁时，对于泥浆应该采取必要防冻措施。可采用添加防冻剂，加快人工搅拌泥浆速度、提高泥浆