海底隧道注浆止水及加固地层施工技术

海底隧道注浆止水及加固地层施工技术隧道注浆止水及加固地层设计介绍海底隧道与一般山岭隧道最显著的差异就是涌水源是无限的海水，必须止水。根据设计资料，本隧道w、v级围岩开挖施工前需进行注浆止水及加固措施。W级围岩主要分布在断裂影响带或接近弱风化带处。岩体破碎或有软弱夹层，呈碎裂结构或硬岩夹软岩的松软结构，渗透性较好，掌子面常会出现泉涌状出水，水压大时可发生大的变形破坏。隧道开挖时，一般采用超前小导管注浆和钢拱架支撑相结合等综合支护措施。v级围岩主要为构造破碎带或类似强风化等散体状岩体，无自稳能力，隧道开挖采用超前管棚、超前小导管加钢拱架支护预支护措施，海域段采用超前帷幕注浆止水、加固措施。

隧道断层破碎带分布及采取超前帷幕注浆措施的地段隧道断层分布及需采取超前注浆堵水措施的地段标段序号里程断裂编号岩性特征透水率渗透系数渗透，(Lu)(m/d)等级1、2标1YK2+770f1-1岩体以碎裂岩为主，风化严重，多呈散体状，宽度小于2米；两侧影响带宽度可为数米至十多米，差异风化现象较明显，岩体呈弱〜微风化残余体夹密实砂砾土状。1〜30.01〜0.05弱2ZK2+860f1-2微裂隙密集，风化严重，岩质极软，宽度仅为数十厘米，影响范围很小。1〜30.01〜0.05弱YK2+9803ZK3+420f1-3岩体以块（石）碎（石）状镶嵌结构〜镶嵌碎裂结构为主，夹有条带状的碎裂〜散体状岩体（见碎粒及碎粉）.部分岩石中不规则，微裂纹密集，岩质软硬不均；裂面多显示张性破裂特征，裂面较粗糙，埋深30米以上岩体裂隙面多被地下水浸染成褐黄色；破碎带内有辉绿岩侵入，辉绿岩比其外围岩体相对完整但抗风化能力较低，强风化底界埋深可超过15米，弱风化底界可超过25米：推测该断裂及影响带宽度大于50米。5〜100.05〜0.10大部!局部等YK3+4804ZK3+720f1-4岩体以块状〜块碎状镶嵌结构为主，部分为镶嵌碎裂结构，岩石强度多属较软〜较坚硬级，局部夹数毫米〜数厘米宽的绿泥石条带（坚硬土状）：节理和裂隙多为密闭型；推测该断裂及影响带宽度大于50米。3〜50.03〜O.05弱YK3+740

5ZK3+800f1-5为压性逆冲断裂，原岩挤压破碎后又被重新胶结，胶结较牢固，岩体呈块状结构〜块碎状镶嵌结构，岩质较硬，后期裂隙多为密闭型；宽度约30米，影响带不明显。3〜50.03〜0.05弱YK3+8006ZK3+910f1-6该断裂系根据地貌及两侧岩性差异推测，可能为压扭性断裂或易风化岩脉，岩体结构与DZ24孔一带相似的可能性较大，宽度小于30米。5〜100.05〜0.10大部!局部等YK3+8601、2标7ZK4+400f2-1岩体阻块碎状镶嵌结构为主，局部为碎裂结构并夹碎粒和碎粉，部分岩块不规则微裂纹密集，岩块较坚硬〜坚硬，裂隙面被地下水浸染迹象明显；断裂旁DZ2孔处的岩体基本属块状结构，岩质坚硬，但发育微张〜张性裂隙，深度35米以上的裂面多被地下水浸染成褐黄色，张性裂隙发育处渗透性属中等。断裂及影响带宽度小于20米。10〜200.13中等YK4+4958ZK4+605f2-2岩体以块碎状镶嵌结构为主，岩块坚硬，局部5〜10O.03〜O.06弱夹有产状近垂直、宽数厘米的绿泥石化构造错碎物（坚硬土或极软岩状），裂隙多为密闭型，15米以下岩体裂隙面浸染迹象不明显。断裂及影响带宽度小于20米。YK4+6209ZK4+960f2-3岩体以碎裂结构为主，岩块软硬不均，局部夹较多碎粒和碎粉，存在产状近直立、宽度数厘米〜十几厘米的绿泥石化错碎物（坚硬土或极软岩状.易软化）；裂隙以密闭型为主，15米以上裂隙面被浸染迹象明显，其下裂隙面浸染迹象不明显。断裂及影响带宽度小于50米。3〜60.03〜0.06弱YK4+820

10ZK5+500f3-1岩体为镶嵌碎裂结构〜碎裂结构，微裂隙密集，岩质较坚硬：构造裂隙为密闭型，裂面多呈曲面状，显示压扭性擦痕：两侧影响带岩体裂隙面浸染迹象不明显。此类断裂常由多个近平行的错动带组成，单个错动带宽度一般不超过2米，但影响带宽度可能较大。1〜20.005〜0.02微〜!3、4标1YK5+6702YK5+920f3-2岩体以碎裂结构为主，夹有坚硬土状或半成岩状断裂错碎物，岩质较软〜极软；该断裂具压扭特征，裂隙面为密闭型，两侧影响带裂隙面浸染迹象不明显：此类断裂常由多个近平行的错动带组成，单个错动带宽度一般不超过2米.但影响带宽度可能较大。1〜20.005〜0.02微〜!ZK5+7503ZK6+325f4-1带内有辉绿岩进入.其全〜弱风化带厚度较大；辉绿岩附近岩体破碎且发育微张型裂隙，岩体多呈碎裂或镶嵌碎裂结构，岩质软硬不均，20米以上裂隙面被地下水浸染迹象明显。该破碎带宽度不超过30米。10〜20O.15中等YK6+2504ZK6+440f4-2主要根据物探资料推测，带内有辉绿岩侵入，顶部风化严重：岩脉两侧可能存在数米宽度的破碎岩体且发育微张型裂隙；破碎带宽度不超30米，其旁DZ16及QDZ3孔揭示基岩较完整，但部分裂隙被地下水浸染迹象较明显。5〜150.05〜0.1大部!局部等YK6+4905ZK6+800f4-3带内有辉绿岩侵入，其全〜弱风化带厚度可能超过20米；辉绿岩附近岩体很破碎，且微张型裂隙发育，裂隙面浸染迹象明显：岩体多呈碎裂或镶嵌碎裂结构，局部为散体状结构，岩质软硬不均；该破碎带宽度约30米。10〜200.13中等YK6+810

6ZK6+880f4-4带内岩体为碎裂〜镶嵌碎裂结构，裂隙以密闭型为主，少数为微张型，裂隙面浸染迹象不甚明显；该破碎带宽度小于30米。5〜100.03〜0.06弱YK6+9107ZK7+000f4-5岩附近约半米范围内的岩体较破碎，破碎带以外的岩体虽较完整，但发育微张型裂隙，裂隙面浸染迹象明显：该破碎带宽度小于30米。5〜150.05〜0.1大部!局部等YK7+1058ZK8+350f5露头显示正断层特征，岩体主要由碎裂岩构成，其内有辉绿岩侵入，岩石强度及风化差异十分显著，强风化带较厚且夹有弱〜微风化残余体，岩体结构变化大。该破碎带及影响带宽度近100米。3〜5O.02〜0.04弱YK8+4059ZK8+610f6露头显示正断层特征，岩体主要有碎裂岩构成，其内有辉绿岩侵入，岩石风化严重，局部夹有大小悬殊的弱〜微风化残余体。该破碎带宽度约30米。3〜5O.02〜0.04弱YK8+650注浆止水及加固地层施工方案根据设计图纸，本工程采用的注浆止水及加固地层主要采用全断面（帷幕）超前预注浆、超前周边预注浆、开挖后径向注浆、补注浆等。根据超前地质预报（超前钻孔、红外探水、高分辨率直流电法等）确定掌子面前方地层含水量情况，若前方地层含水量较大，有可能发生涌水，则采取全断面超前预注浆的措施，若只是局部有发生涌水的可能，则进行局部超前预注浆；开挖完成后就尽快进行初期支护施工，并进行围岩径向注浆，进一步封堵渗水通道，进行径向注浆后，若仍有部分地断渗水，则进行补注浆。开挖后径向注浆及补注浆主要指的是开挖后掌子面注浆止水和初期支护后局部注浆止水；开挖掌子面局部注浆止水适用于掌子面开挖后围岩表面裂隙线状出水及面状淋渗水处，注浆参数、浆液种类和注浆方式将根据施工现场实际情况来确定；初期支护后注浆止水指的是初期支护喷射混凝土表层出现明显集中渗漏水情况时，为了保证工程质量和下道工序的正常施工，在渗漏水处进行注浆止水。超前周边预注浆超前周边预注浆主要采用超前小导管注浆。导管孔钻打前，进行孔位测量放样，孔位测量做到位置准确，钻孔要按放样进行，并设方向架控制钻孔方位，使孔位外插角度符合设计要求。钻孔完成后，要用高压风、水清洗，吹冲干净孔内砂尘及积水，所有钻孔完成进行检验。为避免串浆和方便检查注浆效果，超前小导管的每环小导管均采用跳孔施工，先进行偶数孔的钻孔和注浆施工，然后进行奇数孔的钻孔和注浆施工，同时可作为偶数孔注浆效果的检查孔。3.2.全断面（帷幕）超前预注浆全断面超前预注浆采用德国先进的TT水平钻机，法国SINNUS®3E灌浆自动控制系统进行施工，以保证施工速度及施工质量。超前预注浆钻孔及注浆施工顺序按从外到内、先偶数孔后奇数孔的原则进行施工3.3.开挖后径向注浆、补注浆其施工方案、工艺方法同超前预注浆。注浆参数设计注浆段范围全断面超前预注浆在注浆前应认真分析设计提供的详勘成果，以超前物探及超前钻孔，探明地下水、裂隙的发育情况。超前钻孔应在预测突水处以前5-10m。注浆范围为隧道开挖线以外5m，注浆段长度为20m，一个注浆段完成后留下5m不开挖作为下一注浆段的止浆岩盘。超前预注浆立面示意图见图4.1-1：

图4.1-1超前预注浆立面示意图4・2.注浆孔布置全断面预注浆注浆孔共119个，T76s型自钻管棚40个，超前小导管40个且与自钻式管棚隔孔布置。注浆孔布置图见图4.2-1。本图未示出超前小导管注浆孔，其与管棚隔孔布置图4.2-1注浆孔布置图4・3.注浆压力及速率一般说，压注压力越高，压注效果越好，但过大的压注压力会出现向压注范围外逸出和破坏围岩的危险。岩石地层注浆设计压力应根据围岩水文地质条件合理确定，一般宜比静水压力大0.5〜1.5MPa：当静水压力较大时，宜为静水压力的2〜3倍。因此，在胶州湾隧道陆域段，注浆终压设计为1.5〜2.5MPa；在海域段注浆终压设计为3.0〜4.5MPa。海底隧道封堵涌水时注浆终压应参照公式p=（2〜4）MPa+Po（其中Po为涌水压力）并结合工程经验确定。另外，注浆泵的压力应达到设计压力的1.3〜1.5倍，回填注浆压力应小于0.5MPa。注浆速率主要取决于地层的吸浆能力（即地层的孔隙率）和注浆设备的动力参数，考虑到多种因素建议注浆速率范围取5〜110L/min，施工中可根据实际情况进行调整。4・4.注浆材料根据可行性、可注性、可靠性、无毒性、耐久性、易操作性等要求，针对海底隧道的特点，宜采用多种注浆材料综合进行注浆施工。充分利用备注浆材料的优点，达到“既实现扩大范围注浆，又可实现控域注浆：既满足高强度加固堵水要求，又可保证开挖施工容易；既达到加固围岩目的又满足降低造价要求”的综合型注浆材料配套体系。注浆材料采用普通水泥单液浆、超细水泥单液浆、特制硫铝酸盐水泥单液浆以及普通水泥一水玻璃双液浆等四种注浆浆液。压注材料的比较见下表。表4.17压注材料的比较材料项目水泥浆水玻璃+高炉胶凝水泥浆超细水泥浆胶凝时间3〜7分钟压注压力低稍高低

渗透性低稍高低耐海水性好差好经济性造价低造价稍高造价高环境保护好好好实绩海底隧道有工程实例陆地隧道常用海底隧道有工程实例综合评价采用用于掌子面封闭采用4・5.改良目标值压注设计，参考类似工程及试验压注结果。围岩的改良目标值取吕容值在3以下，而且检查孔的涌水量在0.5L/min/m以下。改良范围根据改良范围和涌水量的关系取改良范围为3r（隧道半径的3倍）（图4.5-1）。K/KF0=100K/KF0=1000.60.4VL：2 3 4 5 6注入域半径/掘削半径（a/r）图4.5-1表示改良范围和止水效果注浆设备配置主要注浆施工机械配备表注浆项目型号产地备注钻孔管棚SP70导轨式冲击旋转凿岩机小导管MYT-120预注浆Grundodrill10S德国德国TT水平钻机注浆管棚迈式注浆泵M400小导管注浆泵预注浆SINNUS®3E法国注浆施工工艺超前周边注浆施工工艺流程及说明（超前小导管注浆）超前小导管施工工艺流程超前小导管注浆施工工艺流程见图6.1-1

图6.1-1超前小导管施工工艺流程图6.1.2.超前小导管施工工艺说明钻孔、安装小导管钻孔前利用测量仪器准确测出拱部开挖轮廓线，按照设计要求标出小导管孔位。小导管沿隧道开挖轮廓线环向布置并向外倾斜，孔位测量做到位置准确，钻孔要按放样进行，并设方向架控制钻孔方位，使孔位外插角度符合设计要求。钻孔完成后用高压风清孔，检查钻孔深度、方向和倾角。合格后，采用钻机将加工好的小导管顶入钻孔内。为了避免串浆，采用跳打方式，即间隔钻孔注浆。注浆采用注浆泵进行注浆作业。⑴注浆顺序：由下向上，间隔钻孔注浆，注浆完成后再施工中间孔，用中间孔作为注浆效果检验孔。⑵注浆试验：正式注浆前在类似的地层进行注浆试验，以检验注浆设备的选型、配备是否恰当，注浆参数的确定是否合理。对注浆试验要进行认真记录，并对注浆实体进行开挖验证，获取在额定注浆压力、选定注浆材料、注浆配合比与导管注浆孔布设情况下，浆液渗透、实际的注浆半径、土体固结时间及强度等实际资料，作为制定注浆参数的依据。⑶注浆注浆前先喷混凝土封闭掌子面以防漏浆（用于不进行帷幕注浆段）。为了保证注浆不停顿进行，注浆前认真检查注浆设备运行是否良好，制浆的原材料是否备齐，质量是否合格。检查都无问题后，即可开始注浆。将小导管、注浆管及注浆泵连接好，开动注浆泵注浆。浆液由稀到浓逐级变换，即先注稀浆，然后逐步变浓。考虑到注浆后需尽快开挖，注浆宜用普通水泥加早强剂或用早强水泥，可掺减水剂。注浆直至浆液从孔口周边溢出或压力表达到设计压力值为止，每根小导管注浆要“一气呵成”，注浆时注意将孔中气体排出，确保浆液注满孔体。一根小导管注浆完成后，迅速卸下注浆管和小导管接头，清洗后移至下一根小导管使用，若停泵时间较长，则在下根小导管注浆前要放掉注浆管内残留的灰浆。6.1.2.3.施工注意事项：⑴如发生串浆及时堵塞串浆孔或对串浆孔同时注浆。⑵泵压突然升高时，可能发生堵管，及时停机检查。⑶进浆量很大、压力长时间不升高，重新调整浆液浓度及配合比，缩短胶凝时间。⑷填写“小导管注浆施工记录”。⑸注浆完成立即清场，退出所有注浆设备，并清除完设备内浆液后用清水再次清洗，直至完全清净设备内浆液，保持设备使用前的清洁完好状态，以备下次再用。6・2.超前帷幕注浆施工工艺流程及说明帷幕注浆施工工艺流程图帷幕注浆施工工艺流程图见图6.2-1。图6.2-1帷幕注浆施工工艺流程图6.2.2.帷幕注浆施工工艺说明通过综合超前地质预报确定注浆范围。注浆采用前进式分段注浆。钻孔采用跳打方式，即间隔钻孔，注浆后再钻中间孔。中间孔可作为注浆效果检验孔。每段超前预注浆前须设置50cm厚混凝土导向墙（止浆墙）。每孔起点段安设套管。套管段采用^80钻头成孔，后续注浆段采用^54钻头成孔。全断面超前预注浆辅助施工主要用于海底断层破碎地段，该地段为高压含水层，钻孔时必须确保套管安装牢固，在套管前端设置孔口防突装置。钻孔先在掌子面用红油漆按设计标定孔位，再移动钻机，将钻头对准孔位，并按该孔偏角调整钻机角度后固定，开孔时做到轻加压，速度慢、给水要多的操作要点。孔口管安装先用^80mm钻头钻3米长孔口段，然后将^76X4mm的套管安装在孔口段，套管必须安装牢固，套管和孔壁之间用环氧树脂充填粘结。6.2.2.3.防突装置由于断层破碎段为高压含水层，在钻孔前先在钻杆前段设置孔口防突装置，该孔口防突装置与钻杆相配套，为卡盘盘根式防突装置，见图6.2-2。图6.2-2卡盘根式防突装置示意图6.2.2.4.制浆根据选定浆液的配合比参数拌好浆液，拌好后用1mmX1mm网筛过滤，放入叶片立式搅拌机进行二次搅拌，确保浆液均匀。6.2.2.5.水压试验将注浆管路进行连接，压水检查注浆管路的密封性，同时冲洗岩石裂隙，扩大浆液通路，增加浆液充填的密实性。6.2.26.注浆顺序和速度先注外环，后注内环，每环注浆孔先施工奇数编号注浆孔，然后施工偶数编号注浆孔同时作为检查孔。采取反复注入、稀浆与浓浆交替、压力控制与注入浆量控制相结合的措施，注浆压力从低到高逐渐加压。注浆初始阶段压力采用1.2倍静水压力，随着浆液量的增加逐渐加压，正常阶段压力和注入量呈小波浪式起伏状态，注满阶段，注入量迅速递减而压力迅速升高。6.2.2.7.注浆方式注浆时采用一次钻孔的带有带状柱塞直接埋设方式，为保证注浆效果和均匀性，注浆应分段进行，即每钻进10m一段进行注浆，直到一孔结束。注浆起讫范围应根据超前水平钻孔进行判定。同时特别是超过20米的深孔将长压注浆管插入到预定位置，提高孔底部的压注效果和压注效率。注浆结束标准当注浆压力达到设计压力和进浆量小于规定值（每孔每延米注浆量暂按0.2m3考虑，施工时根据实验注浆效果调整），且在每一组注浆孔注浆结束后，注浆检查孔每孔每延米涌水量小于0.5L/min，此时就可以结束注浆。异常情况处理钻孔过程中遇见突泥情况，立即停钻，进行注浆处理；在掌子面有小裂隙漏浆，先用水泥浸泡过的麻丝填塞裂隙，并调整浆液配比，缩短凝胶时间，若仍跑浆，在漏浆处钻浅孔注浆固结。在注浆过程中，如发生浆液从其它孔流出的现象，这种现象为串浆，发生串浆时，在有多台注浆机的条件下，应同时注浆，无条件时应将串浆孔及时堵塞。当进浆量很大，压力长时间不升高，则调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在岩层裂隙中有相对停留时间，以便凝胶；有时也可以进行间歇式注浆，但停留时间不能超过浆液凝胶时间。待所有注浆孔施工完毕后，根据压浆孔涌水量来决定局部地段是否须补设注浆孔。当每孔每延米涌水量大于0.5L/min要追加钻孔注浆，再次压注直到达到设计要求为止。每循环注浆完毕开挖施工后，预留5米作为下阶段注浆止浆段。注浆进度指标分析行车隧道帷幕注浆设计每个注浆段长度为20m，开挖长度15m，留5m止浆岩盘。每循环40个管棚，孔深20.6m；每循环40个超前小导管，孔深7〜10m，按10m考虑；每循环共设置119个超前注浆孔，其中：孔深20.5m67个，孔深20.3m41个，孔深20.15m11个；表7-1注浆施工循环时间分析表注浆类型项目T76s管棚小导管超前预注浆备注13°10°7°设计长度（m）20.61020.520.320.2钻孔个数（个）4040674111平均钻速1m/6min1m/2min1m/3min考虑接长杆体、换孔等综合钻速每孔钻孔时间min123.62061.560.960.6总计钻孔时间min49448007284注浆滞后时间min4060100注浆与钻孔平等作业，只考虑注浆滞后时间每循环时间（天）3.50.65.1合计（天）10考虑0.8天预留时间注：本循环时间为海域过断层破碎带米取超前预注浆的地段，预注浆段长度为20m，未考虑止浆墙施工时间（只每一个段落第一次施工）图纸有变化，孔深变化较大，应重新计算注浆质量、注浆效果检验施工中注桨质量的好坏直接影响施工安全及工期，因此注浆效果的检测是注浆施工中的关键工序，本工程拟采用多种检测手段进行综合判定。（1）分析法分析法是通过对注浆施工中所搜集的参数信息进行合理的整合，采取分析、对比等方式，对注浆效果进行定性、定量化评价。①P-Q-t曲线法P-Q-t曲线法是通过对注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆速度Q进行P-t、Q-t曲线绘制，根据地质特征、注浆机制、设备性能、注浆参数等对P-Q-t曲线进行分析，从而对注浆效果进行评判。注浆量分布特征法注浆量分布特征分为注浆量分布时间效应法和注浆量分布空间效应法两种。注浆量分布特征法简单易行，施工中只需统计、分析注浆量这一个参数就可以达到对注浆效果的合理评价。注浆量分布时间效应法是通过将各注浆孔注浆量按注浆顺序进行排列，绘制注浆量分布时间效应直方图，根据注浆量分布时间效应图，对注浆效果进行宏观评价。注浆量分布空间效应法是通过将各注浆孔注浆量按注浆孔位置绘制注浆量分布孔空间效应图，根据注浆量分布空间效应图，对注浆效果进行宏观评价。涌水量对比法涌水量对比法是通过对注浆过程中各钻孔涌水量变化规律进行对比，或对注浆前后涌水量进行对比，从而对注浆对水效果进行评价。浆液填充率反算法通过统计总注浆量，采用下式反算出浆液填充率，根据浆液填充率评定注浆效果，即SQ=Vna(1+P)式中EQ为总注浆量(m3)，V为加固体体积(m3)，n为地层空袭率或裂隙度，a为浆液填充率，p为浆液损失率。检查孔法检查孔法是在注浆结束后，根据注浆量分布特征，以及注浆过程中所揭示的工程地质及水文地质特点，并结合对注浆P-Q-t曲线分析，对可能存在的注浆薄弱环节设置检查孔，通过对检查孔观察、取芯、注浆试验、渗透系数测定，从而对注浆效果进行评价。检查孔的数量选择钻孔数量的3%〜5%，且不少于3个。检查孔观察法检查孔观察法是通过对检查孔进行观察，察看检查孔成孔是否完整，是否涌水、涌砂、涌泥，检查孔放置一段时间后是否塌孔，是否产生涌水、涌砂、涌泥，通过观察，定性评定注浆效果。检查孔取芯法对检查孔进行取芯，通过检查孔取心率、岩芯的完整性、岩芯强度试验等进行综合分析，判定注浆效果。检查孔P-Q-t曲线法对检查孔进行注浆试验，根据检查孔P-Q-t曲