青岛胶州湾海底隧道注浆材料研究与实践

青岛胶州湾海底隧道注浆材料研究与实践

1全断面超前预注浆加固技术20世纪40年代，日本修建的门关峡隧道是世界上首次用钻探和爆炸法建造的隧道之一。为了解决对微小裂隙的注浆,采用水玻璃、重碳酸钠、硅氟化钠混合浆液注浆,取得了一定的效果。1964年,日本又修建了闻名世界的青函海底隧道,该隧道穿越津轻海峡,全长53.85km,海底段23.30km,隧道在海面下最大埋深240m,其中水深140m。青函海底隧道采用全断面超前预注浆加固技术取得了良好的效果,主要采用具有良好渗透性的水玻璃和超细高炉矿渣水泥。截止目前,挪威已经建成了约100km的水下隧道,均采用钻爆法施工,采用超前预注浆的方式对海底不良地质段进行处理。我国也意识到水下隧道对缓解交通压力的作用。青岛胶州湾海底隧道从20世纪80年代开始论证,到2006年开始建设,用了近30a的时间。目前厦门东通道翔安海底隧道与青岛胶州湾海底隧道均在建设中,还有一些海底隧道正在筹划中。海底隧道建设面临诸多的问题,在胶州湾海底隧道的建设中,通过理论分析、现场试验和应用,研究出了一套适合于胶州湾海底隧道的施工方法,胶州湾海底隧道采超细水泥进行预灌浆加固堵水。整个隧道共完成注浆31段,均取得了良好的效果。多种注浆方案、注浆材料、注浆工艺、机械设备的综合运用和研究开发,实现了注浆技术在青岛胶州湾断层破碎带施工中的成功应用,较好地解决了断层破碎带和微裂隙快速注浆的难题,在理论上有创新和突破,在技术上具有独创性和开拓性,实际应用效果良好。2胶州湾海下隧道地质条件2.1隧道地质概况胶州湾海底隧道连接青岛市主城与辅城,南接薛家岛,北连团岛,下穿胶州湾湾口海域。胶州湾隧道为城市快速道路隧道,设双向六车道,设计车速80km/h。工程采用钻爆法进行施工。胶州湾海底隧道位于团岛和薛家岛之间,全长6170m,隧道轴线处海面宽约3.5km,最大水深约为42m。隧道海底穿过区域均为火山岩,在前期地质详勘过程中对隧址钻孔的弱~微风化段进行了抽水试验以及压水试验,确定了隧道破碎带的渗透系数和透水率。其中F4–4断层破碎带内岩体为碎裂~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30m,透水率5~10Lu,渗透系数为0.03~0.06m/d,为弱渗透性。隧道共通过渗透性等级从微~中等共18条主要断层破碎带。基岩主要为微风化花岗岩、花岗斑岩、火山角砾岩、火山角砾凝灰岩、流纹斑岩,并有较多辉绿岩脉、石英正长岩脉侵入。根据围岩风化及完整程度以及隧道上方顶板厚度等状况,隧道围岩分为II,III,IV,V四个级别的围岩类型。2.2打设长探孔,搭接地面为了确定前方的断层破碎带情况,采用了多种综合地质超前预报方式,主要采用物探手段(TSP超前地质预报、地质雷达探测法、瞬变电磁法探测)、钻探取芯以及地质编录、开挖验证的手段进行前方含水断层的预报,取得了良好的成果。同时,在海底全程打设长探孔(探孔深度≥30m),在钻探中根据钻机在钻进过程中的推力、扭矩、转速大小、岩粉成分、成孔难易以及出水情况来判断前方的地层情况,同时进行涌水量和水压测试,判断掘进工作面前方地层的含水情况。服务隧道2~3孔,行车隧道3~5孔,若工作面有出水情况可适当增加探孔数目。掌子面孔口位置距开挖轮廓线0.5~1.0m,终孔位于开挖轮廓线外1.5~3.0m。探孔每循环搭接长度,服务隧道6m,行车隧道8m。探孔出水量是选择注浆方式的主要参数。3水泥基增强基注浆材料根据可行性、可注性、环保性、经济性及工艺实施难度综合考虑选择。目前,国内外常用的注浆材料可以分为水泥基浆液(普通水泥浆、超细水泥浆及特制硫铝酸盐水泥等)和非水泥基浆液(改性水玻璃、环氧树脂等)。考虑海底隧道处于腐蚀环境下,注浆材料应满足耐久性和耐腐蚀性的要求,主要对普通水泥、超细水泥(MC)、快硬硫铝酸盐水泥(HSC)等几种水泥基浆液进行了试验。对凝胶时间、凝结时间、强度、耐久性、配合比等物理力学特性进行试验,3.1调整注浆方案对普通水泥单液浆、超细水泥浆、HSC(特制硫铝酸盐水泥)及普通水泥–水玻璃双液浆进行对比,主要的对比情况如表1所示:普通水泥浆材料来源丰富,价格低廉且注浆的工艺较为简单,常常作为首选的注浆材料,但是由于其胶凝时间的一些特性,限制了其应用;超细水泥性能较普通水泥优越,价格略高,超细水泥比表面积8200cm2/g>普通水泥4000cm2/g>快硬硫铝酸盐水泥3800cm2/g,可注入的裂隙较普通水泥细小,水压高、流速大的情况下会有一定的浆液损失;HSC(特制硫铝酸盐水泥)能有效控制注浆区域,适宜在高水压、水流速大的条件下注浆施工,浆液结石体具有微膨胀性,胶结后,能有效地封堵住各种出水通路,注浆后堵水效果显著,适宜于富含水且有一定水压的破碎岩层、出水管道地层等;普通水泥–水玻璃双液浆可注性较好,配制容易,使用方便,考虑到其种种特性(如白浊),不建议在海底隧道中使用。初步考虑以普通水泥、HSC、MC为主要浆材,普通水泥–水玻璃作为辅助浆材,海底断裂破碎带应主要采用HSC及MC。对几种浆液进行室内试验,从浆液的稳定性来看,在水灰比为1∶1的条件下得出超细水泥的最终析水率及析水速度都较低;对于较大的水灰比,超细水泥的结石率较高,黏度小,但流动度不如普通水泥和硫铝酸盐水泥;从室内试验来看,现场注浆采用的水灰比不宜小于1∶1,否则浆液的流动性将受到较大影响。3.2注入测试在一断层破碎带,对普通水泥单液浆、硫铝酸盐水泥及超细水泥进行了注入试验。3.2.1孔深为6.2m的孔普通水泥单液浆采用1∶1及1.2∶1两种水灰比进行试验。试验结果如下:(1)C1–9孔,孔深21m,水灰比W∶C=1∶1,在压注2min时,孔口密封垫片被冲破,注浆量较小。(2)C3–6孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,压力上升很快,达到2.5MPa,孔口密封垫片被冲破,注入124L。填满该孔需注入46.6L左右。(3)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1∶1,注浆1min,压力达3MPa,注入67.4L。(4)C5–10孔,孔深17m,W∶C=1.2∶1,注浆2min,密封垫冲破,压力达5MPa,注入46.2L。(5)C2–5孔,孔深7.4m,W∶C=1.2∶1,注浆2min,压力达到5MPa,注入96.04L。从试验数据中来看,普通水泥由于颗粒相对较粗,在裂隙密闭地层压入困难,浆液仅能填满注浆钻孔,不能进行有效的劈裂和扩散。3.2.2孔深为6.22孔,注浆即达到2.硫铝酸盐水泥单液浆试验水灰比为1∶1。在现场选择3孔进行试验。试验结果如下:(1)C2–8孔,孔深32m,W∶C=1∶1,共注浆20min,注浆量474.7L。从注浆记录时间–压力曲线来看,压力呈直线上升趋势,最终压力达到4.7MPa。从流量–时间曲线来看,流量呈逐渐增大,达到最大值时,又逐渐下降,达到最大压力时的流量为3.9L/min。(2)C2–16孔,孔深31m,W∶C=1∶1,共注16min,注浆量593.3L。从注浆记录时间–压力曲线来看,压力呈缓慢上升趋势,达到峰值后突然下降,然后又上升至最大压力,最终压力达到4.3MPa。从流量–时间曲线来看,流量呈逐渐增大,达到最大值时,逐渐下降,达到最大压力时的流量为18.4L/min。(3)6+990–2孔,孔深5m,W∶C=1∶1,共注10min,注浆量201.1L。从注浆记录时间–压力曲线来看,压力呈直线上升趋势,最终压力达到3.57MPa。从流量–时间曲线来看,流量呈逐渐增大,达到最大值时,逐渐下降,达到最大压力时的流量为10.2L/min。从试验情况来看,与普通水泥浆一样,硫铝酸盐水泥注入量也不大,这是因为快硬硫铝酸盐水泥和普通水泥的颗粒相差不大,只是成分上有所差别,颗粒相对较粗,在细小裂隙内注浆量很难增加。3.2.3孔口爆裂注浆超细水泥以1∶1的水灰比进行注浆,该水灰比可注入性较好,注浆量比较大。另超细水泥以0.8∶1的水灰比对B25孔进行试验,孔深15m,于15:50开始,16:01结束,累计注浆量401.6L,最大压力3MPa。该孔起始流量较大,之后随着压力上升,流量逐渐下降,在压力达到最大时,降至第一个低值,随后又有所增大,注浆压力逐渐上升,在7min后达到最大,随后压力减小。该孔在压力达到最大时,孔口密封爆裂,随后压力下降,流量上升。填满该孔需要浆量96.5L,总注入量401.6L,注入量较小。浆液较浓后,在地层中的注浆机制首先是积聚压密,然后是劈裂渗透,主要适用于软土地层,而裂隙岩体一般采用较稀的浆液进行劈裂注浆。采用1∶1或1.2∶1的普通水泥或快硬硫铝酸盐水泥注浆,虽能注入一部分,但其扩散范围有限,容易引起群粒堵塞效应。而采用0.8∶1的超细水泥浆由于其浆液较浓,流动性较差,黏度较大,容易积聚;注浆时,容易引起裂隙入口处渗浆通道的堵塞,导致注浆压力上升较快,注浆量较小。3.3预应力管道的选用根据室内试验、现场试验,并结合各种浆液的性质,决定注浆材料的选取标准为:(1)单孔钻孔出水量≤40L/min时,采用超细水泥单液浆。(2)单孔钻孔出水量为40~80L/min时,按普通水泥浆→超细水泥单液浆的顺序选用。(3)单孔钻孔出水量≥80L/min时,按硫铝酸盐水泥浆→普通水泥浆→超细水泥单液浆的顺序选用。4砂浆注射设备的应用4.1液压铣削机:主要采用液压钻机在注浆工程中,钻孔机械应根据工程所需要的孔深、孔径等参数来确定。胶州湾隧道断面较大(内净空高8.218m,宽14.426m),对机械的要求较高。为满足大规模注浆要求,从施工工期和设备综合利用方面考虑,海底隧道钻孔需要的钻机应具备钻孔速度快、有高性能旋转冲击动力头装置、大范围钻孔方向、钻杆安装拆卸方便、移动方便等条件。常规地质钻机的代表是煤炭科学研究院西安分院生产的MKD系列钻机,其特点是单个体积较小,价格相对较为便宜,用于大断面钻孔时,为提高施工效率,需要搭设钻孔台架及多台联合钻孔注浆。由于胶州湾隧道断面较大,断层破碎带较长,且施工要求较高,因此,常规地质钻机的实用性不高,不建议采用。液压凿岩台车及凿岩机的出色代表有阿特拉斯RocketBoomer353E/H178、日本矿研的RPD–150C多功能全液压钻机、意大利卡萨Grand–C6钻机及张家口宣化恒通鑫钻孔机械有限公司的HTYM808多功能液压钻机等。阿特拉斯353E使用φ64mm钻杆,矿研RPD–150C使用φ65mm钻杆。阿特拉斯353E钻设注浆孔35个,累计钻进794.98m,用时2145min,平均钻进效率0.33m/min。矿研钻设注浆孔38个,累计钻进831.22m,用时5940min,平均钻进效率为0.14m/min,台车的钻进效率大约是多功能钻机的2.4倍。同时台车采用轮胎式行走,多功能钻机采用履带式行走,进场和定位均比较慢。阿特拉斯353E的移动范围比较大,台车就位后可在掌子面范围之内进行移动,而多功能钻机只能在附近2m的位置移动,需要随时调整位置。凿岩台车用于打设炮眼孔和锚杆孔的R38(H35/R32)×5.5m六角形钻杆无法满足深孔施工要求,经过现场不断改进,最终选择了进口T38×3.66m圆形加长钻杆,解决了深度钻孔问题。在注浆施工中,钻进深度一般为20~40m,钻孔偏差值大小直接影响超前预注浆止水和加固效果,通过改进钻杆类型,严格控制孔位误差、低冲击慢钻进、控制一次加固长度等措施严控钻孔偏差,保证孔底偏差不大于孔深的1/40。采用三臂凿岩台车进行钻孔使得注浆的效率得到提高。凿岩台车配备直径为65及89mm等多种钻头,在注浆实施过程中,完全发挥了钻进潜力,三臂同时钻进,大大提高了钻孔速率。在进行详细对比后,提出了以改进三臂凿岩台车为主、多功能钻机为辅的超前预注浆系统,极大地提高了超前预注浆的钻孔效率。4.2注浆泵的选择现场制浆设备采用二级搅拌系统,一级搅拌采用采用黑旋风工程机械有限公司生产的高速制浆机ZJ–400,转速可达1440r/min,二级搅拌采用转速85r/min的LJ–300搅拌机,从现场注浆实施来看,采用高速制浆机的发热量比较大,搅拌3~4min后应将浆液倒到二级搅拌设备中。高速搅拌设备固液两相物质在泵壳内由于叶轮的高速旋转(1430~1470r/min)而被强烈搅拌分散而达到充分混合后,再从泵内排出以切线方向返流到罐内产生巨大的涡流,使浆液进一步搅拌,在多次循环作用下使浆液具备良好的流变性能及稳定性,由此而搅拌成浆液。从现场应用来看,2种搅拌机配合使用能够满足注浆浆液的配制和性能要求,保证了制备浆液的连续性和浆液的稳定性。注浆泵按照其结构形式可以分为偏心螺杆泵、柱塞泵及活塞泵。偏心螺杆泵注浆压力较低,压力与流量不能调节,维修费用高,其优点是购置费用低,一般在低压注浆中使用;柱塞泵是10a前使用最多的注浆泵,是通过机械传动,曲柄连杆机构驱动双缸往复作用柱塞式泵,为减少脉冲流动,通常使用2个或者3个柱塞,其缺点是压力流量配比不能无级调速;活塞泵是目前使用最多的全液压注浆泵,为双缸或单缸双作用往复式活塞泵,它采用液压传动,其压力与流量能调节,可适应注浆初期压力低排量大,后期压力高排量相应减少的要求,这种泵一般都能预先设定最大注浆压力,从而较好地满足注浆工艺要求。根据经验,注浆泵压力通常应为设计注浆压力的1.3~1.5倍。因此本工程采用的注浆泵工作压力应不小于6MPa。施工中可以根据条件和需要选用,由于本工程注浆不可避免地要用到双液浆,因此选择KBY–50/70或ZBSB–148~23/6–185等双液泵是比较合适的。经过比选,隧道土建施工标段I和IV标主要采用KBY–50/70活塞式双液注浆泵,II及III标主要采用3SNS–A柱塞式注浆泵。KBY–50/70的最大流量为0~50L/min,额定工作压力为0.5~7.0MPa,额定功率为11kW;3SNS–A额定工作压力大,流量稳定,结构合理,操作方便,其理论排量为110~207L/min,最大压力为8MPa。2种注浆泵在注浆过程中均能达到满意的效果。4.3注浆仪器和水灰比分析注浆参数计量仪器是对注浆过程中注浆压力、浆液流量进行全过程监测的仪器。目前施工单位大多采用浮子标杆测量法或者体积法测定注浆泵的流量,这种测量法虽然简单易行,但测量误差较大,注浆压力则大多数通过观察泵压的办法,难以准确纪录。采用长沙富众电子科技有限公司生产的LHGY3000型注浆记录仪(见图1),可记录当前注浆压力P,流量Q以及时间T,记录仪可以生成P-T曲线、Q-T曲线,可由此判断注浆情况(见图2)。该设备采用工业控制计算机,使用稳定,针对注浆工地潮湿、灰尘大、电压波动大、震动强烈等恶劣环境,采用了完善的措施,适用于长时间不间断工作和频繁转移施工位置等恶劣的施工条件。从现场应用来看,该系统应用状况良好,简单易学,故障率低。注浆记录仪的水灰比探头因容易堵塞而没有使用,在现场依靠体积法进行水灰比的控制。对水灰比进行抽样测试,确保水灰比。另外,作为计量仪器,为保证其可靠性,必须及时进行标定工作。以多臂凿岩台车钻孔和高速旋流式制浆机制浆、高压注浆泵注浆、注浆记录仪自动记录注浆参数的信息化钻孔注浆设备配套系统,通过采取“分区钻孔、分区注浆、钻注平行作业”,实现了超前预注浆的信息化快速施工,使得断面面积达170m2的大断面海底隧道深孔超前预注浆平均钻注时间缩短为15d/循环以内,与采用单臂钻机钻孔注浆配套模式相比钻注效率提高了2倍,每钻注循环节省时间达30d以上,为隧道的安全、优质、高效建成提供了有力保障。5该工艺的参数和方案的实施5.1选择和验证注浆参数5.1.1注浆终孔间距根据工程经验及工程类比,上断面周边注浆扩散半径为2m。根据注浆加固交圈理论,注浆后应形成严密的注浆帷幕,在注浆终孔断面上不应存在注浆盲区,根据下式:式中:a为注浆终孔间距(m),R为浆液扩散半径(m)。计算得出a=3.46m。为确保加固效果,一般注浆终孔间距不超过3.5m。布设注浆孔时根据注浆终孔的间距进行控制。5.1.2钻孔与注浆孔图3为扩散半径试验孔位布置图。根据上断面的实际高度,布置了R1~R4四个注浆孔,R1,R2,R4孔均间隔4m,R3与R2,R4孔均间隔3m,孔深20m,仰角为0°,试验孔采用全孔一次性注浆,注浆终止压力为3~4MPa。注浆材料采用超细水泥单液浆,水灰比为1∶1。在进行试验时掌子面注浆孔已安设了大部分孔口管,孔深2m。通过试验可知,当钻孔有水且具有一定连通性时,在1MPa压力下浆液可扩散3m左右,若相邻钻孔无水或水量较小,裂隙连通性差,在1.5MPa压力下,浆液的扩散范围可达1.5~3.0m。从试验情况来看,浆液扩散范围很不均,这与地层的复杂性有关,理论研究和实践经验表明,浆液扩散范围与裂隙张开度、裂隙孔隙度、裂隙迂曲度、裂隙稠密度、注浆压力、注浆时间、浆液性能等有关。5.1.3隧道开挖断面宽度确定注浆加固范围时,主要考虑注浆后加固圈的承载力和抗渗性要求两方面,根据工程类比法、理论分析法和数值模拟法确定了注浆加固厚度。据水电部门统计,加固厚度一般为(0.5~2.0)D(D为隧道开挖断面宽度);日本青函隧道加固范围为隧道开挖轮廓线外(0.5~1.0)D;厦门翔安隧道主隧道6m左右。从偏于安全角度类比,主隧道预注浆的加固范围应为开挖轮廓线外(0.5~1.0)D,主隧道宽度按照12m考虑,加固范围应为6.0m左右。另外,采用多点位移计测试得到受断层破碎带影响的IV级围岩段,围岩松动圈最大可达1.6m,取断层影响带松动圈的2~3倍作为加固范围,加固范围应为3.2~4.8m。通过多种论证,决定主隧道按照加固圈5~6m进行设计。5.1.4注浆压力和方案注浆压力是浆液在地层裂隙中扩散、充填、压实脱水的动能,是注浆设计和施工中的主要注浆参数之一,对提高注浆质量和保证注浆效果起到较大的影响作用。以水压为依据的经验公式,主要目的在于堵水,适用于深埋地层,注浆时不受覆盖层厚度限制,不考虑地层隆起。考虑到超前预注浆的目的主要是堵水和加固,同时防止浆液击穿覆盖层,因此以静力平衡和裂隙宽度作为压力初步确定选择的依据,根据静力平衡条件计算压力为2.4MPa,由裂隙宽度确定的注浆压力应在4MPa以上。综合2种方法确定注浆压力为3~4MPa。根据经验公式获得的压力和数值模拟结果,在F5–4断层带进行注浆堵水和加固时,采用注浆压力3~4MPa,按浆液扩散半径2m进行了方案设计,该段加固长为30m,加固范围为开挖面及轮廓线外5m。本段进行注浆后,钻设了10个检查孔,除3个检查孔滴水外,其余均无水,成孔良好,无塌孔现场。根据检查孔涌水量每延米不大于0.15L/min或局部孔涌水量小于3L/min的标准,达到了设计要求,通过压水试验测得注浆后地层渗透系数在1.65×10-5cm/s左右,比注浆前降低了2个数量级,注浆效果较好。从开挖效果来看,除个别地段有渗水外,隧道掌子面基本无水,浆液主要沿节理裂隙渗透和充填,浆液结实率较高;若钻孔穿过的围岩较完整时,浆液很难劈开裂缝,如钻孔揭穿裂隙面时,浆液则沿裂隙面渗透和充填;在断层破碎及夹泥部位浆液进行劈裂充填。通过效果检查和开挖揭示来看,施工中选用的3~4MPa压力在保证注浆效果的同时,对地层的损害也不明显。5.1.5注浆步序和注浆孔注浆详细参数如表2所示,其中最大注浆压力为4MPa,注浆步序依次为A序(0~13m)、B序(0~20m)、C序(0~30m),分别是最外圈、次外圈及内圈注浆孔。D序为对下端面注浆盲区补充步序。5.2主浆注射技术和主浆方案的选择5.2.1全孔一次性注浆法注浆工艺主要有分段后退式注浆、分段前进式注浆以及全孔一次性注浆。分段后退式注浆优点:不需要重复扫孔,浆液利用效率比较高,能实现控域注浆。缺点:封孔比较困难,存在浆液绕过止浆塞将其抱死的情况。分段前进式注浆优点:工艺比较简单,适应性强,反复加固地层,易保证注浆效果。缺点:重复扫孔,施工效率较低,靠近掌子面方向重复注浆。全孔一次性注浆具有工艺简单,效率高等优点,但其只适合于孔深较小的孔内注浆。海底隧道断层破碎带主要采用分段前进式注浆,辅以全孔一次性注浆。分段前进式注浆示意图如图4所示:安设孔口管的孔位采用台车φ130mm钻头开孔(开孔钻深2.2m后,退出钻杆,安装孔口管,孔口管是一端焊有抱箍卡口的钢管,长度2.2m),随后改钻进钻头成孔,通过孔口管钻进5.0~10.0m后,停止钻孔,进行注浆,之后每钻进5.0~10.0m,再注浆,如此循环下去,直至完成该孔的钻孔及注浆施工。对于某薄弱或裂隙突水区域,可以采用孔内止浆的注浆方式。5.2.2隧道周边缺陷地层注浆注浆方案的选择主要依据地质勘探资料、超前地质预报成果、探水孔水压和出水量大小以及以往类似工程经验。胶州湾隧道地质条件比较复杂,主要包含断层破碎带、节理裂隙发育带、岩脉不整合接触带及海水侵蚀地层等。一般来说,在断层破碎带、节理裂隙比较发育且出水量或水压较大地段应采用超前预注浆方案,按照超前探孔出水量、探孔水压及超前地质预报情况,分为全断面超前预注浆、隧道周边帷幕注浆及局部断面超前注浆(见表3)。在岩体完整、节理、裂隙不太发育地层中,局部出水或渗漏水地段可采用开挖后径向注浆及局部注浆方案。相对严格的超前预注浆方案可减少后注浆的难度,王月华等测算表明后注浆的费用要比超前预注浆高出2~3倍。海底隧道在施工中也对后注浆进行了有益的探索,尝试采用马丽散作为注浆材料,取得了较好的效果。5.3注浆过程5.3.1矿物学及地质情况海底隧道YK6+961~915段全长46m,高潮时水深27~30m;海底覆盖层2~3m,主要为砂砾,局部沉积有淤泥。隧道拱顶覆盖层仅24~26m。本段发育有F4–4NW向破碎带,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;岩体受构造影响严重,岩体完整程度和风化带厚度差异很大,基岩以含晶屑火山角砾凝灰岩为主,局部夹凝灰岩、并有较多辉绿岩脉、石英正长岩脉侵入。辉绿岩抗风化能力差且辉绿岩及其两侧岩体往往较破碎或发育小断层。(1)TSP203+探测成果:YK6+961~912段围岩等级以V级为主,局部IV级,裂隙含水,有岩脉侵入,发育多组高角度大规模结构面。异常段:YK6+975~960段裂隙发育,软弱泥质充填,整体性差,裂隙含水,YK6+926~910段发育多组高角度结构面,断层泥和强风化围岩充填,整体性差。(2)地质雷达探测成果:YK6+961掌子面前方8m范围的岩层总体上与现在掌子面情况类似,围岩较完整,无明显含水构造。掌子面中左部前方12~18m范围内结构面发育密集,围岩强度低,完整性差,自稳能力差,含裂隙水。(3)探孔情况在隧道上台阶设置了3个探孔(拱顶1个,左、右侧隧道前方各1个),3个探孔孔深均为45m,且钻进7.2m前钻孔速度均正常,7.2m后速度减慢,且均有卡钻现象(拱顶探测较多),探测得到的岩屑颜色为紫褐色。拱顶探测、左侧探测均从孔深21.6m处出水,经测定出水量分别达36.5,17.0L/min;右侧探测从孔深7.2m处出水,经测定出水量达16L/min。综合判定YK6+961~916段围岩等级以V级为主,局部IV级,适用于全断面超前预注浆。5.3.2注浆方案制定根据超前地质预报和钻探成果,结合设计要求,主隧道YK6+961~915段,共46m,主要为V级围岩,为确保施工安全,采用全断面超前预注浆,根据工程经验和工程类比,上、下断面周边注浆扩散半径分别为1.5,2.0m。并对下断面三角盲区增加D序列。每循环注浆段长30m,开挖25m,预留5m为下一循环止浆岩盘。考虑到采用全断面进行注浆工序转换复杂,故采用上断面对全断面进行注浆。图5为F4–4断层第一循环超前预注浆图,洞内注浆方案如图4,5(a)所示,图5(a)中的A~D为注浆步序。在进行施工之前,首先根据掌子面情况对掌子面进行封闭,施作止浆墙。依据通过试验确定的注浆参数进行注浆。制定出注浆方案后严格按照方案进行布孔,孔位误差的绝对值应≤1cm,孔底的偏差不应大于1/40的孔深。布设孔后采用凿岩台车φ127mm的钻头开孔,孔深2.2m,之后安装孔口管。孔口管安装后采用φ12mm的钢筋进行连体连接,确保施工安全。5.3.3管进注浆施工注浆孔采用φ90mm的钻头成孔,通过孔口管钻进5~10m后,进行注浆施工。浆液采用二级拌制系统,注浆实施采用水灰比为1∶1的超细水泥进行,压力及流量的控制采用注浆记录仪。5.3.4l/min超过20min注浆结束标准以定压和定量为主,注浆压力达到设计终压,并且注浆速度小于5L/min超过20min时,即可结束本孔注浆。当注浆过程中长时间压力不上升,并且达到设计注浆量时,应缩短浆液的凝胶时间,并采取间歇注浆措施,控制注浆量。当设计孔全部达到结束标准且注浆效果检查合格时,即可结束本循环注浆。6砂浆注射效果的检测6.1钻孔注浆效果评价根据注浆情况,选择注浆范围存在薄弱环节的注浆部位布设检查孔,数量大约取钻孔数量的10%。检查孔的出水量每延米不大于0.15L/min或者局部出水量小于3L/min时即认为达到要求。同时可对检查孔进行再次压浆或压水试验。达到要求可进行下一步的开挖,若没有达到要求则对未满足要求的部分进行补充注浆。F4–4断层第一循环共打设J1~J10共10个检查孔,各孔出水量如表4所示。其中检查孔出水量最大为J5,12~20m出水量为0.15L/min,所有检查孔在A序孔0~12m段均无水,检查孔放置12h后,除3个检查孔滴水外,其余7个检查孔均无水,成孔良好,无塌孔现场。根据检查孔出水量每延米不大于0.15L/min或局部出水量小于3L/min的标准,本次注浆达到设计了要求,注浆效果良好。表5为数个断层各个注浆段检查孔的效果评价统计,经检验,均满足设计要求。压水试验是测定地层渗透性最常用的一种渗透试验方法。通过压水试验计算单位钻孔吸水量,为确定浆液的配合比和注浆量提供依据,检验注浆管路连接是否牢固可靠,另外注水同时可冲洗裂隙,利于浆液的扩散,判断注浆效果。首先要对钻孔进行清洗,应清洗至孔口回水清洁,肉眼观察无岩粉时方可结束,否则比较影响压水试验的结果。对孔口进行封闭,连接好管路,实施压水试验,压力可取为1MPa,记录20min,记录中应包括压力最大时的泵流量。在F4–4断层,对C1–7钻孔进行现场压水试验,C1–7孔深7m,孔径为108mm。试验进行20min,压水压力1MPa,注浆记录仪自动计算出的透水率为10.7Lu,根据透水率与渗透系数的关系1Lu≈1.3×10-7m/s,可大概推出该孔的渗透系数为1.39×10-6m/s。注浆完成之后,可对检查孔再次进行压水试验,用来辅助判断是否达到注浆标准。通过简易压水试验,对注浆前、后的数据进行对比,其中对F4–4断层进行简易压水试验,获得表6所示的试验结果。4个检查孔的透水率均小于1.5Lu。注浆后地层渗透系数在1.65×10-7m/s左右,比勘察报告中给出的F2–1断层破碎带渗透系数1.3m/d,即1.51×10-5m/s,降低了2个数量级,岩体透水性由中等透水下降为弱透水,注浆效果明显。6.2注浆密度和密度的影响对注浆前、后的掌子面施作隧道地震预测(tunnelseismicprediction,TSP),得到表7所示的结果。从表7可以看出,注浆后,岩体整体性得到提高,其动弹性模量增长最为显著,增幅为19.1%,密度增长了3.6%,泊松比下降了7.1%,纵波波速有小量增长0.8%。注浆效果显著,达到了注浆目的。6.3孔摄像机探测结果2009年2月4日,山东大学岩土工程中心对青岛胶州湾隧道出口段右洞进行了数字钻孔摄像,采用数字式全景钻孔摄像系统。由于钻孔在YK6+955处有较大弯曲,探头无法推进,故本次摄像范围为出口YK6+961~955。探测结果见图6。数字式全景钻孔摄像系统观测表明:注浆后,围岩完整性提高,大多数裂隙已充填密实,孔内无裂隙水。6.4扩散的痕迹爆破开挖后可以清楚看到浆液随节理裂隙面扩散(见图7),扩散的痕迹明显,掌子面基本比较干燥。浆液主要沿节理裂隙和岩土交界面充填,浆液在裂隙内的充填饱满,结石率达100%,裂隙宽度在0.1~10.0mm的范围内。6.5p-q-t曲线分析图8为三参数注浆仪在注浆施工中所记录的注浆压力P、注浆量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。注浆施工中P-T曲线呈缓慢上升趋势,Q-T曲线先急剧上升后缓慢下降,在注浆结束时注浆压力达到设计终压,此类曲线属于正常注浆过程;在发生堵管或者浆液渗透和劈裂扩散时,P-T曲线和Q-T曲线则呈其他变化趋势,要针对具体问题具体分析。6.6开挖累计收敛时场图9为拱顶沉降时态曲线,以上台阶开挖为时间0点,下同。图9(a),(b)开挖起始时间分别为2008年12月27日和2009年2月14日。由图9(a)可知,未注浆段拱顶沉降22~35