北碚隧道断层及岩溶段施工技术[0个Ｅ路币]
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北碚隧道断层及岩溶段施工技术
王渝培  2008-1-25 10:37:42    点击数：  来源：网友推荐   【字体：小 大】  
 
北碚隧道系国道212线重庆至合川高速公路上的特长隧道，位于重庆市沙坪坝区与北碚区交界处，双洞分离布置，洞轴线间距35m，左洞长4025m，右洞长4045m，该隧道已于2001年12月顺利贯通。
北碚隧道自背斜两翼向轴部依此穿越侏罗系中统新田沟组（J2X），侏罗系中下统自流井组（J1-2Z），侏罗系下统珍珠冲组（J1Z），三叠系上统须家河组（T3Xj），三叠系中统雷口坡组（T2L），三叠系下统嘉陵江组(T1j)，三叠系下统飞仙关组(T1f)，二叠系中统长兴组(P2C)和龙潭组(P2L)地层，背斜西翼嘉陵江组和雷口坡组地层将出现大田湾逆断层，隧道通过雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组灰岩时，会遇道突发性涌水及岩溶，可能会引起地下水位下降。针对该隧道所遇断层及岩熔的具体特征，以新奥法为依托，加强地质预报、预测，采用预加固（管棚，小管棚注浆加固）预封闭（局部及全面堵水注浆），预排放（钻孔排水）等措施和合理的开挖方法、稳妥的支护手段，保证了隧道施工安全，实现了隧道新奥法施工快速掘进。
1 断层破碎带
1.1 断层特征
原狮子门逆断层地表断于大田湾嘉陵江组二段（T1J2）白云岩与雷口坡组（T2L）白云岩之间，缺失嘉陵江组三段（T1J3）和四段（T1J4），断距200米，破碎带宽20米，产状105°～120°∠75°～85°，地貌呈一狭长沟谷（槽谷）；通过隧道里程K21＋688，破碎带宽8～15m，为高角度逆断层。
在隧道掘进过程中，从K21+728～21+442范围内先后出现了多条断层，即是说：原来的单一断层变成了复合断层，向扫帚一样由地表向下撒开，改变了原隧道内地层组合，原飞仙关组三段灰岩（T1f3，Ⅴ类围岩）、四段泥岩（T1f4，Ⅳ类）缺失，由嘉陵江组一段灰岩（T1j1）由三段灰岩（T1j3）代替，并形成宽286米（K21＋728～K21＋442）的破碎带，大大降低了围岩稳定性，其破碎程度又受复合断层内断层或次级断层制约，出现了破碎带中的破碎带，加大了施工难度，好在为枯水季节施工，断层水量不大。
1.2 预注浆加固围岩
采用超前小导管预注浆，快速止水加固四周围岩（见图示），在开挖面沿拱墙按环向间距0.25～0.5米（根据地质情况确定间距），孔深5.0m，外插角15°钻孔，采用外径Φ42MM，壁厚4MM的热轧无缝钢管加工制成，长5.0米，钢管前端加工成锥形，尾部焊接Φ6钢筋加劲箍，管壁四周钻四排Φ6压浆孔，超前小导管注浆设不小于己于1.0米的的搭接长度，浆液采用水泥——水玻璃浆，水灰比0.5:1～1:1，水泥采用425号水泥，水玻璃波美度为40，模数为2.4，（水泥水玻璃参数根据现场注浆效果进行调整，纯水泥浆的基本性能、单液水泥浆基本性能、水泥速凝早强剂对初、终及抗压强度的影响、水泥浆（加4.5%水玻璃）现场配制表见后），注浆压力0.5~1.0Mpa）。选用KBY50/120双液注浆泵。浆液配制先经试验室测定配比及凝胶时间。注浆完成后采用胶泥（40Be水玻璃拌合425水泥）将导管周围封堵。浆液扩散半径按下式计算：
RK=（0.6～0.7）L0
式中：L0——导管之间中心距离
单根导管的注浆量：
Q1=ΠRk2Lη
式中：Rk——浆液扩散半径
     L——导管长度
     η——岩体空隙率
纯水泥浆的基本性能
水灰比
（重量  比）
粘度
（×10-3Pa·S
密度
（g/cm3）
凝胶时间
结
石
率
（%）
抗压强度（0.1M Pa）
 
 
初凝
终凝
3d
7d
14d
28d
0.5:1
139
1.86
7h41min
12h36min
99
41.4
64.6
153.0
220.0
0.75:1
33
1.62
10h47min
20h33min
97
24.3
26.0
55.4
112.7
1:1
18
1.49
14h56min
24h27min
85
20.0
24.0
24.2
89.0
1.5:1
17
1.37
16hmin
34h47min
67
20.4
23.3
17.8
22.2
2:1
16
1.30
17h7min
48h15min
56
16.6
25.6
21.0
28.0
    注：1.采用普通硅酸盐水泥: 2.各种测定数据均采取平均值。
单液水泥浆基本性能
水灰比
附  加  剂
初凝时间
终凝时间
抗压强度（0.1Mpa）
名称
用量（％）
1d
2d
7d
28d
1：1
1：1
1：1
1：1
0
水玻璃
氯化钙
氯化钙
0
3
2
3
14h15min
7h20min
7h10min
6h50min
25h00min
14h30min
15h04min
13h08min
8
10
10
11
16
18
19
20
59
55
61
65
92
－
95
98
水泥速凝早强剂对初、终凝及抗压强度的影响
水灰比
附  加  剂
初凝
时间
终凝
时间
抗压强度（0.1Mpa）
名  称
用量（％）
1d
2d
7d
14d
14d
1：1
1：1
0
水玻璃
0
3
14h15min
7h20min
25h00min
14h30min
8
10
16
18
59
55
―
―
92
－
1：1
 
三乙醇胺
氯化钠
0.05
0.5
6h45min
12h38min
24
39
72
130
143
1：1
三乙醇胺
氯化钠
0.1
1.0
7h23min
12h58min
23
46
98
126
152
1：1
三异丙醇按氯化钠
0.05
 
0.5
11h03min
18h22min
14
27
74
77
120
1：1
三异丙醇按氯化钠
0.1
1.0
9h36min
14h12min
18
35
82
75
131
1：1
二水石膏
氯化钙
1.0
2.0
7h15min
14h15min
18
28
56
－
89
 
超前小导管施工完成后将导管尾部焊接于20B工字型钢拱上，采用上下断面、中槽、马口开挖，光面爆破，眼深1.0米，周边眼间距0.3米，周边眼最小抵抗线0.4米，周边眼装药集中度0.8kg/m，采用Φ22钢筋药卷垫板锚杆，间距0.8米×0.8米，锚杆长3.5米, Φ6.5钢筋网,间距0.2×0.2米， 20B工字型钢拱每0.5米一榀，喷C20混凝土厚20CM进行初期支护。开挖下一循环时留下1.0米～2.0米长度的止浆墙。小导管注浆流程见图1。
水泥浆（加4.5％水玻璃）现场配制表
水灰比
水泥（袋）
40°Be′水
玻璃（桶）
水（L）
制成浆量（m3）
备  注
0.5：1
0.6：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
2：1
24
22
19
15
13
11
9
2.5
2
2
1.5
1.5
1
1
563
630
682
727
790
810
885
1.000
1.026
1.029
1.000
1.029
1.008
1.005
1.水泥每袋50㎏；
2.水玻璃每桶15L；
3.水泥浆加入水玻璃后有变浊现象，影响可注性。
 

压力流量达到要求？
机具设备检修
压水检查达到要求？
主 浆
封闭工作面

 

结 束
注清浆
联接管路及密封孔口
安  设
小导管
准备工作
                              是                                   是

 

钻 孔
制造小导管
                              否                          否

 
图1小导管注浆流程图
根据监测情况分析，该段拱顶下沉值累计最大值为12MM，5～10天可达下沉量的70%～80%，一般在开挖后一个月内趋于稳定，洞内收敛值累计最大值为12MM，5～10天可达收敛量的80%，一般在开挖后一个月内趋于稳定。
2 岩溶施工
断层破碎带YK21+657～+651，YK21+626～+613灰岩中见小规模溶洞。
溶洞处理结构措施见图示。溶洞在进行锚喷支护前先清除溶洞内填充物，溶洞壁采
用Φ22钢筋药卷垫板锚杆，间距1.0米×1.0米，锚杆长3.5米, Φ6.5钢筋网,间距0.2×0.2米，喷C20混凝土厚15CM进行初期支护，7.5号浆砌片石护拱不小于1.0米，钢筋拱采用两根Φ22钢筋焊接而成，并与锚杆焊接，钢筋间距50CM，布置范围为隧道纵向溶洞前后3～5米，溶洞内的水采用以排为主，堵排结合，排水采用盲沟将溶洞水引入隧道边沟排出，盲沟用片石码砌，堵水采用注浆。 
3 堵水施工
隧道通过三叠系中统雷口坡组、三叠系下统嘉陵江组、三叠系下统飞仙关组的灰岩时将出现涌水，雷口坡组、嘉陵江组隧道涌水量2000m3 /日左右，施工导坑涌水量可达4000m3 /日左右，飞仙关组隧道涌水量2000m3 /日左右，施工导坑涌水量可达4000m3 /日左右，如此大的涌水量，一旦处理不及时、不成功，必定给施工造成巨大的损失。为此我们进行了精心的部署，制定了相应的施工方案。
超前探水钻孔探测（也可采用物探、电磁波、超声波、雷达等进行探测）：采用80型钻机钻直径Ф55mm探孔，钻孔深度为每循环≮7.5m沿开挖面拱弧布置孔7个,间距4.9m，外偏角10°，每段开挖5m，保留2.5m厚度以备下一循环开挖探水。探孔口应进行加固，设套管安装水阀，控制放水和有序地预先释放前方的高承压水。钻孔时如发现水声，空气变冷，顶板及底板等流水加大时应立即停钻，监视。探水孔逐孔编号，并详细记录出水点位置、水量、水压及围岩破碎状况等，以便及时采取相应措施。
根据探测结果主要采用局部或全断面超前注浆堵水措施，以防止洞区内地下水枯竭危及生态。
3.1若超前探水孔总出水量小于10m3/h，个别孔出水>2m3/h时
    采用局部堵水；注浆范围为：在出水通道范围内，隧道开挖轮廓线以外5～6米，单孔注浆有效扩散半径R=3.6米，注浆最终压力为净水压力的2～3倍，注浆采用水泥—水玻璃双液注浆，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水玻璃玻美度30～40Be，双液体积比C/S=0.7～1.4，凝胶时间由现场确定。注浆后，总出水小于2 m3/h时，且一处出水量小于0.6 m3/h时，停止注浆。
3.2 若超前探水孔2/3孔出水，且总水量>10m3/h时采用全面堵水
注浆范围为隧道开挖半径的两倍，单孔注浆有效扩散半径R=3.6米，注浆孔底中心距D=1.5米，R=5.4米，注浆最终压力为净水压力的2～3倍，岩层破碎地段采用前进式注浆，注浆小分段长度为5~10m，涌水不大时采用全程（全孔）注浆。注浆堵水每循环钻孔深度为20~30m，注浆时设置注浆孔口管，在开挖时予留5～10米做止浆盘墙。注浆采用水泥—水玻璃双液注浆，水泥为425号普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水玻璃玻至浆液不能流动为止的时间，它与水泥的品种、水泥浆浓度、水泥浆与水玻璃体积比和浆液温度等有关：
 
 
 
4
             
   凝胶时间（min） 3                矿渣硅酸盐水泥
 

               2
 
               1           普通硅酸盐水泥
              
 

                   
                    0.5      1.0      1.5    2.0
                               水灰比
水泥品种对凝胶时间的影响
水玻璃35°Be′；C：S＝1：1（体积比）；温度24℃
 
  水泥浆浓度对水泥－玻璃浆液凝胶时间的影响
水灰比
凝胶时间
说明
35°Be′
40°Be′
45°Be′
1.5：1
1.25：1
1：1
0.75：1
0.5：1
 
2minOs
1min31s
1min18s
0min58s
0min55s
2min55s
2min21s
1min51s
1min38s
1min4s
3min44s
3min17s
2min30s
2min18s
1min41s
普通425号硅酸盐水泥，水泥浆与水玻璃体积比为1
80
                               水灰比1：1
   凝胶时间（s）  60               
                                  水灰比0.8：1       
              40               
                                      水灰比0.6：1
              20             
              
 

              
                    0     30      35       40     45
                                           Be′
水玻璃浓度对凝胶时间的影响
C：S＝1：0.6（体积比）；温度23℃；普通硅酸盐水泥
  水泥浆与水玻璃体积比对水泥－水玻璃浆液凝胶时间的影响
C：S
凝  胶  时  间
30°Be′
35°Be′
40°Be′
45°Be′
1：0.3
1：0.35
1：0.4
1：0.45
1：0.5
1：0.55
1：0.6
1：0.7
1：0.8
0min20s
0min22.7s
0min24.4s
0min27.6s
0min29.9S
0min30.6s
0min35.9s
0min50.9s
0min20.5s
0min21s
0min24.5s
0min27.5s
0min29.2s
0min32s
0min37.5s
0min41.2s
0min56.4s
0min22s
0min24.5s
0min29.8s
0min31s
0min34s
0min36.9s
0min41.5s
0min48.1s
1min8s
0min25.5s
0min28.3s
0min31.6s
0min34.5s
0min42.4s
0min45s
0min48.4s
0min56.7s
1min17s
注：试验条件：室温23℃，水泥为普通硅酸盐水；水泥浆水灰比为0.6：1。
 
80
                             
  凝胶时间（s）  60               
                                     
             40               
                                  
             20             
               
 

             
                     0    30      35       40     45
                                   温度（℃）
温度对凝胶时间的影响
水灰比0.75：1；水玻璃30°Be′；C：S＝1：1（体积比）；普通硅酸盐水泥
     水泥—水玻璃浆液结石体抗压强度较高，特别是早期强度较高，并且增长速度很快，抗压强度与水泥浆的浓度、水玻璃的浓度、水泥浆与水玻璃体积比有关：
水泥浆浓度对水泥－水玻璃液结石体抗压强度的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水泥浆浓度
（水灰比）
水泥浆与
水玻璃体积比
抗压强度（0.1Mpa）
7d
14d
28d
40
40
40
40
40
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
204
116
44
9
5
244
177
106
44
9
248
185
113
90
23
                   
水玻璃浓度对水泥－水玻璃浆液结石体抗压强度的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水泥浆浓度
（水灰比）
水泥浆与
水玻璃体积比
抗压强度（0.1Mpa）
7d
14d
28d
35
35
35
35
35
40
40
40
40
40
45
45
45
45
45
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
0.5：1
0.75：1
1：1
1.25：1
1.5：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
174
144
73
32
12
204
110
44
9
5
245
82
29
5
3
200
132
85
40
20
244
177
106
44
9
250
169
69
26
6
202
148
104
58
28
248
185
113
90
23
253
192
113
58
8
 
水泥浆与水玻璃体积比对抗压强度的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水泥浆浓度
（水灰比）
水泥浆与水玻璃
体   积  比
28d抗压强度
（0.1Mpa）
40
40
40
40
40
0.6：1
0.6：1
0.6：1
0.6：1
0.6：1
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8
156
224
235
220
172
40
40
40
40
40
0.8：1
0.8：1
0.8：1
0.8：1
0.8：1
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8
135
143
168
180
130
40
40
40
40
40
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：0.3
1：0.4
1：0.5
1：0.6
1：0.8
99
119
179
130
110
注：1.普通硅盐水泥；2.试验温度为23℃；3.试块在室温水中养护。
     水泥—水玻璃浆液的配制时应注意加料顺序和搅拌及放置时间。加料顺序为：水——缓凝剂溶液——水泥，搅拌时间不少于5min，放置时间不超过3min。
  
放置时间对缓凝效果的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水   泥   浆
（水灰比）
水泥浆与水玻璃
体   积  比
浆液放置时间
（min）
凝胶时间
40
40
40
40
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
1：1
15
30
60
90
13min48s
12min20s
8min0s
6min13s
 
 搅拌时间对缓凝效果的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水   泥   浆
（水灰比）
磷酸氢二钠用量
（％）
凝胶时间
搅拌30s
搅拌5min
40
40
40
40
40
40
40
40
0.75:1
0.75:1
0.75:1
0.75:1
1:1
1:1
1:1
1:1
0
2
2.25
2.5
0
2
2.25
2.5
1min28s
6min36s
9min0s
10min53s
2min0s
4min08s
8min01s
13min25s
1min30s
9min41s
13min39s
18min27s
2min8s
5min35s
12min3s
29min15s
若出现大量涌水无法堵截水时，应采取堵、排结合措施。排水通过侧沟（应临时铺砌）或管道排放。隧道底板水沟应与衬砌紧跟，并形成系统排水，严禁全洞漫流或任意排放。并可采取：
    (1) 井点降水：于开挖面以下设置，采用真空泵及钻孔埋管（花管）将地下水抽出，一般一层井点能降低3~6m。
    (2) 开挖截、排水坑道及平洞：在最低层或最大含水层设置，并和抽水系统连通，可排除各层地下水。
通过以上封堵、排、截等综合措施可排除涌水及突发的地下水。采取治水措施后，可按照隧道相应类别围岩进行开挖、支护、衬砌。
 
  水玻璃、硅氟酸用量对凝胶时间的影响
水玻璃浓度
（°Be′）
水玻璃用量
（mL）
硅氟酸用量
（mL）
水  用  量
（mL）
凝胶时间
40
100
80
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