饱和动态含水砂层固砂堵水注浆工法.doc

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1、饱和动态含水砂层固砂堵水注浆工法铁道部隧道工程局一、前言饱和动态含水砂层是隧道与地下工程施工的一大难题，在该种地层中开挖隧道施工时极易发生涌水、涌砂等工程灾害。目前，在该种地层中修建地下工程，通常采用明挖法、浅埋暗挖法、盾构法或冻结法等施工方法。目前，在采取浅埋暗挖法施工时，利用注浆技术处理饱和动态含水砂层，可借鉴应用的工法不多。一九九七年，铁道部隧道工程局曾在广州地铁一号线杨箕体育西路区间隧道通过采用超细水泥水玻璃双液浆（简称MCS双液浆）作为注浆材料；采用一次性钻头，跟管钻机钻进成孔；后退式分段注浆技术等措施和手段，对饱和动态含水砂层进行固砂堵水进行试验与研究，较成功地解决了长111.8m

2、的该类地层的隧道暗挖施工技术难题。铁道部隧道工程局在上述基础上，针对该工法中注浆孔成孔较为困难，进度较慢，成本相对较高的特点，进行了深入研究，通过对注浆管材、布管工艺的系统研究，研制了一种新型的TSS型注浆管及其注浆工艺，经过在深圳市向西路过街道工程施工中应用，在不断总结完善的基础上，形成了本工法。该工法适用性强，具有较好的应用前景。二、工法特点（一）采用超细水泥水玻璃双液浆作为主要注浆材料。（二）采用TSS型注浆管。TSS型注浆管采用普通焊接钢管加工制作，管材料源广，加工容易。（三）利用顶管技术进行注浆管布设，施工速度快，不会发生涌水、涌砂。（四）施工设备配套简单、工艺易操作，施工成本较低。

3、（五）本工法是浅埋暗挖法施工地下工程的重要的辅助工法，具有先进的技术性和良好的经济效益。三、适用范围本工法主要适用于各种断面饱和动态含水砂层（砂层为中细砂、中粗、中粗砂、粗砂），砂层渗透系数K范围为10-210-4cm/s的铁路、市政、公路、水工、电力等各种地下隧道工程的注浆加固堵水。其它地层根据要求可选用。四、工法原理及关键技术（一）工法原理1TSS型注浆管具有袖阀管的作用。花管部分溢浆孔上覆盖着贴片，这样可以保证浆液通过溢浆孔进入地层，而地层中的水和砂不能进入注浆管，从而达到注浆管自身具有逆止阀的作用。2采用TSS型注浆管和超细水泥水玻璃双液浆进行注浆施工，浆液在砂层中主要形成均匀渗透扩散

4、，不易发生劈裂、挤压状况，可以较好地均质加固砂层，形成完整的防水帷幕。（二）关键技术1采用风钻、风镐和顶管技术布设注浆管，避免了注浆管布设过程中砂水的排出，解决了在饱和动态含水砂层中的成孔、布管工艺。2采用TSS型注浆管的配套系列设备，可以满足后退式分段注浆工艺，其注浆分段长度短（一般取0.61.0m），可以有效地解决海陆交互相冲积饱和动态含水砂层中，中、粗、细砂交互出现，地质多变等复杂条件下注浆加固的均一性，提高其整体加固效果。3利用监控量测技术，及时修正设计参数，完善注浆参数，有效地控制地表隆起，保护环境。五、工艺流程TSS型注浆管注浆施工工艺流程见图1。（一）注浆管加工按设计图纸加工TS

5、S型注浆管。（二）施工准备1封闭工作面做止浆墙：为防止注浆施工过程中工作面冒浆，每循环开挖后应对工作面止浆岩墙进行喷射砼封闭，厚度不小于2050cm。为适应注浆孔位的定位方便，尽可能将掌子面喷成平面。2机械设备维修及试运转：在注浆施工前和开挖施工过程中，应对机械设备进行检查、维修、保养，使其保持良好的状态。3施工材料准备：施工材料包括TSS型注浆管及其配套的孔内注浆设备和注浆用的超细水泥、水玻璃、缓凝剂等注浆材料。施工前必须将材料运至工作面附近，每次应备足两个小班的材料，且随用随补充。4抢险材料的准备：含水砂层开挖过程中，可能会发生突发性的涌水和涌砂现象，给施工及地面构筑物的安全造成危害。因此

6、，必须事先准备好抢险材料，如棉纱、草袋、方木等。后退式分段注浆否是施 工 准 备封闭工作面风 钻 引 孔顶 管配 制 浆 液监 控 量 测超前小导管注浆施工开 挖 支 护 布 设 补 孔TSS型注浆管加工注浆效果是否达到设计要求图1 TSS型注浆管注浆施工循环工艺流程图（三）注浆管布设1架设作业平台；2按照设计图纸在工作面上将注浆管孔位用红油漆标出；3采用0.5m立杆按开孔位置相对座标，采用相对距离定位技术进行钻杆定位，采用YT28风钻（或7655重型风钻），用长1m钻杆钻穿砼封闭层进行引孔。4采用钻孔设备或冲击锤，用冲击套将注浆管顶入地层，注浆管外露1020cm。5注浆管布设后，用棉纱+速凝

7、水泥砂浆将注浆管周围封填，以避免注浆施工中沿注浆管周围跑浆。（四）注浆作业1注浆参数注浆参数如表1所示。注浆参数表 表1参数名称参 数 值加固范围一般为开挖轮廓线外拱部及边墙23m，底板以下12m，掌子面砂层。注浆管长46m，根据需要进行选择。止浆岩墙2050cm喷射砼层+（1.52m）预留止浆墙凝胶时间3060s扩散半径0.50.8m终孔间距按式进行计算确定。式中：指注浆终孔间距（m）；指浆液扩散半径（m）。注浆速度530l/min注浆分段长0.6m注浆终压0.51.2Mpa（地下管线影响地带取下限，其它取中、上限）单段注浆量按式进行计算确定。式中：指注浆量（m3）；指浆液扩散半径（m）；指

8、注浆段长（m）；指地层孔隙率；指地层孔隙充填率；指浆液损失率，一般取1030%。2配制浆液（1）超细水泥浆的配制根据预配制水泥浆的体积，按水灰比和缓凝剂掺量计算出所需要的超细水泥、水和缓凝剂的用量。施工中宜采用水灰比为W:MC=1.5:13:1。根据用量，首先在容器中加入水和缓凝剂，强力搅拌，待缓凝剂充分溶解后，加入超细水泥，强力搅拌，混合均匀。（2）水玻璃浆的配制在浓水玻璃中加入水，边加水边搅拌，边用玻美计测试其浓度，到达所需要的稀释浓度为止。施工中宜采用水玻璃浓度为3040Be。3注浆作业注浆管全部布设完成后，开始进行注浆作业。采用TSS型注浆管配套设备，用双液注浆泵，采取后退式分段注浆工

9、艺进行注浆作业。后退式分段注浆工艺：将带有止浆塞的芯管和顶管连接后插入到注浆管相应位置，顺时针旋转芯管上的法兰盘，使止浆塞膨胀，以达到止浆效果。连接注浆管路，采用双液注浆泵向孔内注浆，每次注浆分段长选择为0.61m，当第一分段注浆完成后，反时针旋转芯管上的法兰盘，使止浆塞恢复到原状，将芯管后退0.61m ，进行第二分段注浆，如此下去，直至将整个注浆段完成。后退式分段注浆要特别注意止浆塞的损坏程度，施工过程中若发现止浆塞存在问题，应立即更换，以免引起注浆管堵塞，造成芯管无法拔出，影响正常施工。（五）监控量测采用精密水准仪测试在注浆过程中地表的变化情况，以控制注浆过程中地表的隆起变形。在注浆过程中

10、，地表隆起限值为30mm，否则，应调整设计参数，采取增加注浆管数量，缩小布管间距，以达到控制地表隆起变形，确保工程施工安全，有效保护周围环境。六、材料（一）注浆材料施工中主要采用超细水泥水玻璃双液浆。超细水泥的粒径选择按JCKing可灌性判式进行。JCKing可灌性判式如下： 或 式中：（通常取）注浆比；、地层的粒径累计曲线的15%、10%的颗粒直径；、注浆材料的粒径累计曲线的85%、95%的颗粒直径（通常采用注浆材料颗粒的85%、95%粒径作为注浆材料的“最大代表粒径”）。（二）注浆管材及其配套止浆系统施工中采用TSS型注浆管及其配套止浆系统。TSS型注浆管采用小口径的焊接钢管（加厚型）加工

11、制作。其系列配套止浆系统由TSA顶杆、 TSB注浆芯管、 TSC顶杆螺母、 TSD止浆塞等四部分组成。它们应和TSS型注浆管相配套。七、机具设备主要机具设备见表2。注浆施工主要机具设备 表2项目名称机具设备型 号成孔设备风钻YT28、7655重型风钻风镐普通型冲击套自制注浆设备注浆泵HFV5D或KBY50/70型等双液注浆泵搅拌机QV300/50高压胶管Dg25Pg16混合器T型抗震压力表16Mpa高压球阀25监控设备精密水准仪WILD NA2八、劳动组织根据工程施工要求，合理地安排劳动力。施工人员应参加岗前培训，施工过程中要听从现场施工组的统一安排，服从指挥，各司其职，严格施工纪律。施工劳动

12、组织安排如表3所示。施工劳动组织 表3工种人数职 责一个班三个班技术人员13负责全面注浆工作工班长13协助技术人员工作，负责劳动力安排司泵13负责注浆泵的操作和记录钻孔(制浆)39负责布设注浆管；注浆时配制浆液孔口位置26负责顶管工作；注浆过程中下注浆管，测试凝胶时间。辅助工13负责文明施工合计927 九、质量标准及技术要求1TSS型注浆管应符合加工及质量标准要求；2注浆孔孔位标注误差1cm；3钻孔定位误差1cm；4浆液凝胶时间应在设计值范围内；5单孔单段注浆量不得少于设计注浆量的80%；6注浆压力不得高于注浆终压，注浆过程中当各孔注浆量达到设计注浆量时，注浆终压应接近设计终压；7注浆过程中，

13、地表隆起值30mm；8注浆结束后检查孔钻进过程中排出的岩粉中应有浆液的胶凝体，检查孔钻孔结束后，将钻孔放置一段时间，观察检查孔中应没有涌水、涌砂现象。9检查孔注水试验，注浆后地层渗透系数应10-4cm/s；10开挖过程中，对固砂体取样进行力学指标测试，固砂体抗压强度应0.3Mpa。十、安全措施注浆结束后，应对注浆效果进行检查评定，注浆效果未达到要求，不得进行开挖施工。在施工过程中若出现局部涌水、涌砂应立即封闭，补充注浆。注浆效果的检查评定主要采取分析法、钻检查孔法和开挖面取样测试等三种方法。分析法包括注浆过程中的PQt曲线分析、群孔注浆浆液填充率的反算分析；钻检查孔法包括检查孔的观察和检查孔注

14、水试验；开挖面取样测试，主要是对注浆加固后的固结体进行力学指标测试。十一、效益分析1TSS型注浆管加工、布设工艺简单，同洞内长短管相结合注浆工艺（广州地铁杨体区间采用）相比，施工进度可提高50%。2同盾构法相比，采取TSS型注浆管注浆技术加固饱和动态含水砂层，可以减少对环境的污染，同时，施工成本降低30%以上。十二、工程实例深圳市向西路人行地道工程位于深圳市深南东路与向西路丁字路口，工程由主通道和四个梯道组成。该路段区域地面交通繁忙，地下管线较多。主通道采取“浅埋暗挖法”施工。主通道设计净宽6.0m，净高2.5m，长49.34m。梯道净宽3.6m，净高2.5m，梯道总长130.4m。主通道最大

15、覆土厚约5.3m，最小覆土厚约4.3m。通道中部设水泵房，南2#梯道平段设配电房，通道采用割圆拱形断面。根据钻探资料和实际开挖表明，地质状况自上而下依次为：人工填土层（Qm1），层厚2.14.5m；埋藏植物层（Qpd），层厚0.50.6m；第四纪冲积层（Qa1+p1），层厚8.314.2m，主要有淤泥质粉质粘土、粉质粘土、中、粗、细砂层组成；第四纪残积层（Qe1），其主要为粘土，局部夹强风化岩块。工程竖井及梯道通过人工填土层、埋藏植物层（Qpd）、第四纪冲积层（Qa1+p1）；主通道穿越地层为第四纪冲积层，其中南口开挖断面内拱部及墙身为淤泥粉质粘土层和粉质粘土层，底板为中、粗砂层；北口开挖断面

16、内为中、粗、细砂层。工程所在地区地下水属孔隙型潜水类型，稍具承压。主要赋存于第四纪冲洪积砂层中，水量丰富。地下水与深圳河有水力联系，水位随季节变化较大，稳定水位为02.6m，标高为2.292.97m。通道位于地下水位以下，开挖最大水头差为7.2m。该工程施工技术难度大，原设计采用“洞内水平长短管相结合注浆技术”加固饱和动态含水砂层。隧道工程局科研所针对该工程的工程地质及水文地质条件，结合开挖断面大小和工程的施工方法，认为采取“TSS型注浆管注浆技术”较“洞内水平长短管相结合注浆技术” 加固该工程饱和动态含水砂层更为有利。（一）注浆材料注浆材料采用超细水泥水玻璃双液浆。配比：W:MC=(1.53

17、):1，MC:S=(0.51):1，水玻璃浓度3040Be。（二）注浆参数注浆参数见表4。注浆参数表 表4参数名称参 数 值注浆加固范围开挖轮廓线外周边2m，底板以下1m，掌子面砂层。注浆管长5m、6m两种止浆岩墙50cm喷射砼层+2m预留止浆墙凝胶时间3060s扩散半径0.50.8m注浆速度530l/min注浆分段长0.6m注浆终压0.51.2Mpa单段注浆量0.10.3m3（三）注浆设计 根据地层的注浆加固范围要求，地层中的地下水流向，砂层分布状况，以及浆液在地层中的扩散能力进行注浆设计。竖井注浆采取TSS型注浆管垂直注浆技术（以北侧竖井砂层第一循环注浆设计为例，如图2所示）。主通道注浆采

18、取TSS型注浆管水平注浆技术（以主通道北侧第一循环注浆设计为例，如图3所示）。注浆孔终孔交圈图 注浆孔开孔孔位图图2 北侧竖井砂层第一循环注浆设计图注浆孔终孔交圈图 注浆孔开孔孔位图图3 主通道北侧第一循环注浆设计图（四）注浆施工1注浆管布设：采用手持风镐，利用作业平台，用冲击套将TSS型注浆管顶入地层。2注浆作业：注浆管全部布设完毕后，进行后退式分段注浆。3注浆顺序：注浆宜按约束开放型注浆顺序进行设计和施工，其注浆顺序原则如下：首先将群孔的三周边孔进行注浆，从而达到约束的目的，以防止浆液过远扩散；然后采取开放型注浆，由一侧（闭口侧）向另一侧（敞口侧）平行推进，以达到排水的目的。（五）注浆效果

19、检查注浆结束后，必须进行注浆效果检查。施工中主要采取以下三种检查方法。1分析法（1）注浆过程中PQt曲线通过对钻孔、注浆记录进行整理，分析每个孔段的注浆压力和注浆速度，以及串浆情况，找出可能出现的薄弱部位。 Pt曲线 Qt曲线图4 注浆PQt曲线结合注浆施工采用机械的特点（该工程主要采用KBY50/70型双液注浆泵），从注浆作业情况来看，在注浆过程中，注浆压力一般都能达到设计注浆终压，同时，注浆速度在逐渐减小，这说明浆液的扩散充填能够满足设计的扩散范围，具有一定的渗透填充、密实效果，地层的注浆质量是高的。在现场注浆施工中，注浆压力P、注浆流量Q，同注浆时间t的关系曲线如图4所示。由曲线可以看出

20、，开始时，注浆施工采取低压力灌注，注浆压力控制为0.50.7Mpa，随着注浆的进行，浆液有效地填充了砂层的空隙，为了使浆液继续注进砂层，注浆泵压力自行逐渐提高，为保护地下管线的安全，防止浆液在饱和动态含水砂层中产生劈裂，在满足注浆加固要求的基础上，经过力学计算，以及现场多次试验，我们采取注浆终压为1.01.2Mpa。在注浆过程中，通过调整注浆孔布距、注浆初始压力、注浆流量，从而达到在注浆量满足设计要求时，注浆终压也基本为设计终压。根据KBY注浆泵的性能特点，在注浆开始时，我们采用较大的注浆流量即2030l/min进行注浆，随着注浆工作的进行，注浆泵无级调速，注浆流量逐渐减小，最后注浆流量减小为

21、510l/min，这充分证明了在注浆过程中，注浆材料有效地填充了砂层的空隙，达到了注浆固砂堵水的目的要求。（2）浆液填充率反算注浆结束后，统计注浆量，计算浆液在饱和动态含水砂层的填充率，=83.6%，则说明注浆效果较好。2钻检查孔法根据注浆记录，在注浆最薄弱的部位确定检查孔。对检查孔进行钻孔检查，无涌水、涌砂。对检查孔进行注水试验，测试注浆后砂层的渗透系数为4.4110-54.6010-6cm/s，符合要求。3开挖后取样根据目前竖井开挖后的取样可以观察到，砂层已被加固，强度适中，砂层的加固机理为主脉下的均匀渗透扩散。对取样进行力学指标测试。测试结果：经注浆加固后，细砂抗压强度提高为0.310.

22、36Mpa；中砂为1.24Mpa；中粗砂为1.241.32Mpa。（六）监控量测注浆施工中，监测地表最大隆起值22.4mm，符合要求。经过TSS型注浆管注浆施工，饱和动态含水砂层加固效果好，保证了该工程的安全优质施工。通过“TSS型注浆管注浆技术”在该工程的应用，我们认为该技术是针对饱和动态含水砂层的一种有效方法，其工艺简单，容易操作，具有广阔的应用前景。十三、主要完成人员：姓 名单 位年龄职 称职 务张民庆隧道局科研所29工程师丁 锐隧道局科研所31工程师洪开荣隧道局科研所34高 工副所长、总工黄平先隧道局科研所51助 工王汝澄隧道局科研所65高 工张文强隧道局科研所25助 工韩忠存隧道局科研所55高 工副所长卓 越隧道局科研所34高 工副所长李治国隧道局科研所32高 工室主任南 琛隧道局科研所27助 工吴锡平隧道局南方公司31工程师总工