岩溶施工与处治技巧详解

岩溶处理一般应遵循“以排为主,排堵结合,因地制宜,综合治理”的原则。当地下水大量排放可能影响生态平衡时,则应采用“以堵为主,限量排放”的原则。云雾山隧道的岩溶为特大充填型溶洞,主要采取注浆固结和超前支护技术。针对该特大充填型无水溶洞,施工方案中采用超前5～8 m范围帷幕预注浆加固技术、30 m长管棚加强超前支护、浅眼控制爆破、预留核心土、短台阶法、临时仰拱等施工措施来实现安全生产。此处主要介绍超前帷幕预注浆加固技术在处理DK245+634掌子面处岩溶部位的应用。

1.释能降压施工技术与增设导坑、迂回泄水技术

对于高压富水和有可能突水、突泥的溶洞,若采用帷幕注浆进行封堵,则不能降低突水、突泥对施工造成的灾害性风险。施工中在探明溶洞发育边界、规模、充填物性质等地质特性的基础上,采用直接爆破打开溶洞,释放溶洞内充填介质,减小溶洞内高水头产生的高势能,降低水压,降低施工风险,缩短施工工期,确保施工安全。云雾山隧道DK245+617溶洞为高压、富水、充填型溶洞群(包括DK245+526溶洞),现场进行了溶洞放水试验,溶洞注浆连通性试验,水文观测、汇水面积和地表水补给量的统计与分析,通过对放水线路、消水地点及放水沿线进行安全评估,根据对溶洞群的详细探测结果,采用在Ⅱ线DK245+525对溶洞进行爆破揭示释放水压。采用爆破放水后效果显著,相互连通的云雾山隧道核部DK245+617溶洞群水压、水量在24 h内降到零,使云雾山隧道均处于高压、富水、充填型溶洞的4个主攻掌子面解除了施工高风险。

云雾山隧道采用增设迂回导坑的方法提前贯通了Ⅰ线,采用这种方法解除了反坡突水淹井的风险,绕开了DK245+617溶洞群,同时也为溶洞探测增加了工作面,有利于对溶洞发育范围、规模进行锁定,为处理溶洞提供工作面。隧道施工到白果坝断层影响地段,在隧道进出口施工中均遇到溶洞,且均有突水、突泥现象发生,而隧道出口为14.9‰的反坡施工,施工风险极大,为了降低施工风险,决定在隧道Ⅰ线右侧增设迂回导坑先行贯通。同时采用迂回导坑进行迂回泄水,降低施工风险。

2.超前管棚施工技术

超前管棚是穿越软弱围岩超前支护的重要手段,在云雾山隧道穿越溶洞施工中起到了很大作用。超前管棚施工的工艺流程为:施工准备→钻孔→顶进管棚→清孔→注浆管路检查→制备浆液→注浆、拌浆→压力流量→结束。下文仅介绍其中的几个关键步骤。

1)导向墙施工

超前管棚导向墙可以利用止浆墙设置,管棚口设φ127 mm×4 mm的孔口管,在套拱处用钢筋固定在型钢上,导向墙开挖时不得随意切坡,只有待管棚施作完以后,才能扩挖,在管棚的施工过程中必须保持导向墙的稳定,不偏移、不沉降,必要时要增加一些临时支撑。

2)钻孔及顶进管棚

用KR8042管棚钻机钻孔并顶进管棚,本隧道采用φ108 mm×4 mm的钢管,钢管按设计的外插角打入围岩,钻进时,准确控制钻机立轴方向,以保证孔口的孔向正确,每钻完1孔顶进1根钢管。超前管棚按环向间距40 cm布置,钢管接头采用丝扣连接(丝扣长15 cm)和孔内套管焊接两种方式。钢管接头相互错开,洞内管棚利用钢拱架上焊接导向孔口钢管,钻孔时,钢管穿过孔口管打入,在钻孔的过程中采用测斜仪测定钢管倾斜度,发现有可能超过限制误差时及时进行纠正,云雾山隧道的管棚施工长度为30 m,结果显示,在地质情况比较单一和无空洞的情况下,长管棚的支护效果很好,在泥夹孤石围岩和有空洞的情况下,长管棚的施工长度宜缩短至20 m以内。

3)注浆

顶进管棚结束后,及时扫孔清孔,管内插入钢筋笼,再灌注1∶1水泥砂浆,用注浆泵注浆,注浆前先进行注浆现场试验,注浆参数通过现场试验按实际情况确定,注浆时从拱顶向下注,如遇窜浆或跑浆,则间隔1孔或几孔进行注浆。注浆结束标准为:注浆压力逐步升高,达到设计终压并继续注浆10 min以上,当每孔注浆量达到设计注浆量时,可以结束注浆,钢管尾部须焊接于钢拱腹部,以增强共同支护作用。

3.超前帷幕注浆技术

1)钻孔工艺

先钻周边孔后钻中央孔,从下而上逐孔作业。在周边孔注浆全部结束后,开始钻中央孔,钻孔一次成型。钻孔台车的钻杆长度为4.3～5.5 m,钻深孔时必须接杆。因此,随着孔深的增长,需要对回转扭矩、冲击力及推力进行控制和协调,尤其要严格控制推力,不能过大。为了确保钻杆接头有足够的强度、刚度和韧性,钻杆连接套应与钻杆材质相同,两端加工螺扣。

台车固定就位前,测量工应准确画出钻孔位置。施钻时,钻杆穿过套拱中预埋的孔口管,台车大臂必须顶紧在套拱上,以防止过大颤动影响施钻精度。钻机开孔时钻速宜低,钻进20 cm后转入正常钻速。(www.xing528.com)

第一节钻杆钻入岩层,尾部剩余20～30 cm时停止钻进,人工用两把管钳卡紧钻杆(注意不得卡丝扣),钻机低速反转,脱开钻杆。钻机沿导轨退回原位,人工装入第二根钻杆,并在钻杆前端安装好连接套,钻机低速送至第一根钻杆尾部,方向对准后连接成一体。起拱线以上的孔位,由于台车大臂离地面较高,不便装卸钻杆,这时应将大臂落下。人工在地面安好钻杆后,大臂重新升起就位。每次接长钻杆,均可按上述方法进行。

换钻杆时,要注意检查钻杆是否弯曲、有无损伤、中心水孔是否畅通等,不符合要求的应更换,以确保正常作业。钻孔达到要求深度后,按同样的方法拆卸钻杆,钻机退回原位。

2)超前注浆技术顶管工艺

采用大孔引导和钢管钻进相结合的工艺,即先钻大于钢管直径的引导孔,然后利用钻机的冲击和推力(顶进钢管时台车不使用回转压力,不产生扭矩)将安有工作管头的钢管沿引导孔顶进,逐节接长钢管,直至孔底。

管件制作:钢管采用节长3 m、φ108 mm×6 mm的热轧无缝钢管,因此必须进行接长。钢管接长时先将前一根钢管顶入钻好的孔内再连接,接头采用丝扣连接,丝扣长15 cm(或内衬焊管40 cm)。第一根钢管前端做成锥形,以防管头顶弯或劈裂。接长管件应满足钢管受力要求,相邻管的接头应前后错开,避免接头在同一断面受力。

顶管作业:将钢管安放在大臂上后,台车对准已钻好的引导孔,低速推进钢管,其冲击压力控制在1.8～2.0 MPa,推进压力控制在4～6 MPa。

3)接管

当前一根钢管推进孔内,孔外剩余30～40 cm时,开动凿岩机反转,使顶进连接套与钢管脱离,台车退回原位,大臂落下,人工装上后一节钢管,大臂重新对正,凿岩机缓慢低速前进对准前一节钢管端部(严格控制角度),人工持链钳进行钢管连接,使两节钢管在连接处连成一体。凿岩机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。

4)注浆

根据隧道设计及地质资料,采用一次性全孔压注,直至设计位置。注浆施工工艺流程:测量放样→钻孔至设计长度→退钻→安设孔口管→安设注浆管道→注浆→清孔→填C30砂浆→注浆效果检查→结束。注浆顺序:先注帷幕孔,后注中间孔。

(1)注浆压力的确定。注浆压力是影响注浆效果的关键因素,施工中必须认真对待。常规条件下,注浆压力主要与渗透地下水(涌水)压力(静水压力及动水压力)、裂隙大小和粗糙程度、浆液的性质和浓度、要求的扩散半径等有关,可按岩层裂隙与注浆压力关系或涌水压力与注浆压力关系确定。

(2)注浆量的确定。为了获得良好的固结及堵水效果,必须注入足够的浆液量,以确保浆液的有效扩散范围。但注浆量过大、扩散范围太远,将造成浆液的浪费及给开挖造成新的难度,因此要使浆液在地层中均匀扩散(帷幕注浆范围为8.0 m)。为了保证注浆效果,注浆采用一次升压法施工,即从注浆一开始就在短时间内将压力升高到设计规定值,并一直保持到注浆结束。在规定的压力下,根据注浆量情况分级调整浆液浓度,直至裂隙逐渐被填充,单位吸浆量逐渐减小,达到结束标准即停止注浆。

(3)帷幕孔浆液凝胶时间的控制。浆液的凝胶时间由浆液的浓度、两液的配比决定,通过两液的泵量来调节。由于注浆范围小,注浆段长度较短,单孔注入量不可能很大。为简化制浆、注浆工序,采用W∶C(水灰比)=1∶0.6的水泥浆,通过调节C∶S(水泥与砂之比)来控制凝胶时间,按“配比操作表”操作。施工时掺加早强、塑化、膨胀外加剂,保证浆液具有高强性、可注流动性、膨胀密实性和良好的强度与扩散范围。一般情况下,单孔注浆的配比、凝胶时间不宜频繁变化。但在出现跑浆、超范围扩散时,应缩短凝胶时间;在变换浆液浓度与配比时,应随时在泄浆阀处抽样测定浆液的实注凝胶时间,以检查机况的正常与否和配比的准确度。

(4)注浆结束标准。在正常情况下,采用定压注浆。当注浆压力达到或接近设计终压值时,结束注浆。而当注浆压力接近或达到设计终压的80%时,如出现圈套的漏浆,经间歇注浆后,也可结束注浆。检查注浆效果:所有注浆孔都注满后,钻取岩芯对注浆效果进行检查。对浆液扩散较为薄弱及钻孔渗水量大的部位需加孔补注浆,直到达到要求指标为止。

(5)注浆异常现象的处理。若在注浆过程中发生串浆现象,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。轮到该孔注浆时,再拔下堵塞物,用铁丝或细钢筋将孔内杂物清除并用高压风或水冲洗,然后注浆。若注浆量很大,但压力长时间不升高,则应调整浆液浓度及配比,缩短凝胶时间,进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆,使浆液在裂隙水中有相对停留时间,以便凝胶,但停留时间不能超过混合浆的凝胶时间。