野狐嶺3#隧道加固方案

1、張石高速公路K21200K21400段野狐嶺3#隧道淺埋破碎巖體地表加固處理方案野狐嶺3#隧道科研項目組2005年1月目 錄說明材料2一、工程概況及存在問題4二、場地工程地質條件5三、地表加固治理方案6四、工程量估算9五、施工工藝及必要措施11六、現(xiàn)場試驗和指導內容13七、注漿效果檢驗標準14八、附圖151 注漿孔平面布置示意圖152 孔間距布置示意圖16關于“野狐嶺3#隧道淺埋破碎巖體地表加固處理方案”說 明 材 料張石高速公路張家口管理處：張石高速公路野狐嶺3#連拱隧道，全長不足200米，但卻是該高速公路建設中路線走向的一個關鍵控制性工程。由于山體兩側存在特殊的工程設施，至使該隧道的結構形

2、式受到很大限制。根據(jù)出洞口處中導洞施工和現(xiàn)場實際掘進所揭露的圍巖情況，巖體屬于堆積性巖體，風化非常嚴重，屬強風化巖體，巖石極度破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充大量軟弱夾層、次生泥化夾層、糜棱巖和小斷層，整個巖體強度非常低，在中導洞掘進過程中出現(xiàn)大量塌方，至實工程難以順利實施。鑒于地質、地形種種不利因素，為確保施工質量、安全和后期運營安全，管理處、設計單位、監(jiān)理、總監(jiān)辦、科研方多次到現(xiàn)場勘查，并邀請有關專家召開了專題研討會。經(jīng)過現(xiàn)場勘察、查閱施工圖設計文件和工程地質勘察報告所提供的數(shù)據(jù)，科研方對該隧道提出了安全、穩(wěn)妥、技術經(jīng)濟可行的加固方案：對隧道進洞口縱向30米、橫向30米段開挖前進行地表注漿加

3、固處理地層的建議。該方案通過與其它方案進行技術、經(jīng)濟、安全等多方面的比較和論證，得到與會人員的認可。地表注漿加固處理破碎巖體的技術在巖土工程領域應用非常廣泛，公路、鐵路、礦山、隧道、邊坡、地基處理、城市各種地下工程等多領域廣泛采用，目前已經(jīng)是非常成熟的工程加固技術，國內外大量的成功工程實例充分證明了這一點。該方法在隧道建設中作為一種重要的輔助工程措施已經(jīng)在新的公路隧道設計規(guī)范（JTG D702004）做出詳細說明。在九江景德鎮(zhèn)公路雁列山第一隧道施工中，采用地表深孔預注漿加固斷層破碎帶，使隧道順利通過。焦晉高速公路靈巖寺隧道軟弱破碎圍巖淺埋偏壓地表注漿加固技術，即保證了施工安全和運營期安全，也確

4、保了工程的順利進行。通過地表注漿，加固坍塌破碎體，使圍巖整體性得到加強，顯著提高圍巖的自穩(wěn)時間和自身承載能力，改善巖土體的物理力學性質，縮小開挖變形產(chǎn)生的松弛區(qū)范圍，減水圍巖對初期支護和二次襯砌及中隔墻的壓力，確保工程穩(wěn)定。參照國內外眾多加固類似工程成功的實例，結合野狐嶺3#隧道自身特殊的地質情況和氣候條件，科研方與各方經(jīng)過多方討論論證，提出對野狐嶺3#隧道淺埋破碎巖體地表注漿加固處理方案，并對相關的技術參數(shù)進行了比選和確認，對相應的施工工藝和值得特別注意的環(huán)節(jié)提出了具體要求。野狐嶺3#隧道科研項目組2005年1月一、工程概況及存在問題張石高速公路k21200k21400段野狐嶺3#隧道地處野

5、狐嶺山脊南坡全長200米，屬短隧道。該隧道最大埋深位于隧道中部為18.5米，隧道進出口段埋深12米，其余埋深在1016米之間，該隧道基本屬于淺埋隧道。從進洞口處施工現(xiàn)場所揭露的圍巖情況來看：巖體風化非常嚴重，屬強風化巖體，巖石極度破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充大量軟弱夾層、次生泥化夾層、糜棱巖和小斷層，整個巖體強度非常低。巖體節(jié)理裂隙間充填的軟弱結構面是影響地下工程巖體穩(wěn)定的一個重要因素，遇水及易膨脹、崩解和破碎，造成整個巖體強度急劇降低，從目前中導洞開挖情況看，進洞口30范圍內從整體上圍巖基本沒有自承能力。隧道圍巖破碎、埋深淺一直是隧道建設中非常值得重視的問題，一是施工非常困難；二是對連拱隧

6、道這種特殊的工程結構后期運營造成隱患。如果處理不當，將會有重大的工程問題產(chǎn)生。因為隧道上覆巖體自身不能形成自然壓力拱，這樣連拱隧道上覆圍巖產(chǎn)生的荷載都將作用在二次襯砌和中隔墻上，而二次襯砌和中隔墻的剛度遠遠小于周圍巖體的剛度，二次襯砌和中隔墻很有可能被壓裂甚至破壞。3#隧道設計采用的是“新奧法”施工原理。新奧法是應用巖體力學的理論，以維護和利用圍巖的自身承載力為基點，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護手段，及時地進行支護，控制圍巖變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分。最大限度的利用和發(fā)揮圍巖自承能力是“新奧法”連拱隧道設計和施工的核心。對于野狐嶺3#隧道實際情況而言，淺埋、堆積破碎巖體是無法成

7、為支護體系的組成部分，自承能力基本沒有。如果不采取必要加固措施，仍然按照“新奧法”的原理進行施工，可能會造成如下的結果：1由于圍巖基本沒有自承能力，容易造成塌落和冒頂，現(xiàn)場施工過程中不得不進行超前支護和架鋼隔柵，不僅施工進度緩慢而且施工條件惡劣，很容易造成施工人員傷亡和施工設備、機具損壞，這在工程建設中是絕對不允許的。2當隧道投入運營后，由于上覆巖體的重量幾乎全部作用在中隔墻和二次襯砌上，將會對結構產(chǎn)生嚴重危害，很可能由于荷載過大而產(chǎn)生裂隙甚至被壓壞。裂隙導致隧道滲水，在冬季容易導致路面結冰，高速行車是很危險的。3連拱隧道中隔墻和襯砌是永久性的重要建筑物，一旦被破壞很難恢復，嚴重威脅隧道運營期

8、安全，后期加固和維護費用非常高，效果也不理想，給交通運營管理帶來極大困難。這種工程實例在我省某條公路隧道中發(fā)生過，造成的經(jīng)濟損失和其它影響是很大的。4如果上部進行加固，可以防止水的滲漏，特別是中隔墻上部的漏斗部位，一直是連拱隧道防排水設計的重點和難點，國內外對此缺乏成熟的成功經(jīng)驗。 鑒于野狐嶺3#隧道目前的實際情況，管哩處、科研項目組、設計單位、施工單位、總監(jiān)辦等多家單位和專家經(jīng)過多次現(xiàn)場實地研究后，通過多種方案比選一致認為，應該對隧道地表進行注漿加固處理。以加固巖體，充分利用巖體自承能力的方案比僅靠強支撐的方案更符合巖體力學的原理，更加安全可靠。二、場地工程地質條件1巖石類型和構造特征野狐嶺

9、3#隧道里程樁號為k21200k21400，該隧道進洞口地段拱頂和洞室為碎石土夾雜亞粘土，其余部分為強風塊狀堆積化玄武巖。玄武巖具有較發(fā)育的層理構造，下部為氣孔狀和杏仁狀玄武巖，上部為致密塊狀玄武巖。由于氣孔狀玄武巖易吸水，使巖體的完整性受到很大破壞，巖石的抗壓、抗拉和抗剪強度很低。2風化程度巖體中氣孔狀構造以及裂隙的發(fā)育，導致了巖體的風化程度各處不一，基本上屬于強弱風化玄武巖，很少見未風化巖體，總體來看該段巖體風化嚴重。3巖體完整程度由于受到風化的影響，使得巖體的完整性受到破壞，使該段巖體成為軟硬相間和物性差異明顯的不同巖塊。根據(jù)鉆孔資料顯示，巖體的質量指標（RQD）很低，僅在3050之間，

10、從出洞口已開工的中導洞開挖的巖體來看，掌子面巖石極度破碎，以軟弱、破碎巖石為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充大量軟弱夾層、次生泥化夾層、糜棱巖和小斷層，整個巖體強度非常低，巖體基本沒有自承能力。4隧道埋深該隧道屬于淺埋隧道，其埋深在進、出洞口段在12米到10米之間，隧道的最大埋深還不到20米。根據(jù)隧道埋深并結合圍巖組成分析，如果隧道地表不進行加固處理，直接采用暗挖法將會造成隧道圍巖坍塌，容易造成工程事故。 5地下水該地區(qū)水量不大，根據(jù)鉆孔揭露以及區(qū)域資料，地下水埋深對隧道施工影響可以忽略不計，但由于隧道埋深較淺要防止地表雨水下滲至隧道內部。 三、地表加固治理方案根據(jù)野狐嶺3#連拱隧道進洞口縱向30

11、米段的埋深、場地工程地質條件和施工方法、工藝，地表加固治理以提高隧道上覆巖體的整體性為主要目的，通過加固，可以確保施工和后期運營的安全?？蒲蟹脚c各單位經(jīng)過多次研究和論證比較，最后確定采用地表鉆孔注漿加固隧道上部地表巖體，無論從經(jīng)濟、技術和安全都是可行的方案。（一）注漿加固的原理通過從地表向下鉆注漿孔，把具有充填和凝膠性能的漿液材料，通過配套的注漿機具壓入所需加固的地層，經(jīng)過凝膠硬化作用后充填、堵塞和連接地層中的縫隙，固結軟弱松散巖體，使圍巖強度和整體性得到顯著提高。這種方法非常適用于淺埋、圍巖穩(wěn)定性差，開挖可能引起塌方或存在偏壓地段的隧道。為使加固有較好的效果，漿液在達到設計強度的90以上時，

12、才能夠進行下方隧道的開挖。但洞內施工時仍應堅持短開挖、弱爆破、強支護、快封閉、勤量測的原則。（二）具體加固方案如下：1加固范圍在地表進洞口方向沿隧道走向30（縱向）米×30（橫向）米范圍內進行注漿孔平面布置。為確保加固質量，在隧道兩側各超出開挖輪廓線3米范圍內布置注漿孔，以形成加固區(qū)與非加固區(qū)的過渡帶，同時也防止隧道兩側沖溝雨水下滲到隧道內，起到隔水防滲的作用。根據(jù)方案論證會議的結果，擬采用先加固中導洞開挖范圍，橫向10米×縱向30米，加固范圍300M2。如果達到預期的加固效果，再對其余部分進行全斷面加固。2注漿孔平面布設考慮到地層顆粒級配、密度、孔隙度、滲透系數(shù)、擴散半徑

13、等因素，平面采用梅花型布設注漿孔，孔與孔間距為1.5米，呈等腰三角形布設，共約布設460個孔。（見鉆孔布設平面圖2）3注漿孔深度和孔徑按照施工現(xiàn)場地層情況，單孔深度以隧道外輪廓為界限。平均鉆孔深度12米，合計鉆孔總深度約5520米，采用110mm孔徑。（注：實際每孔深度需現(xiàn)場進行準確計算和測量）4注漿壓力注漿孔下部至隧道外輪廓處約3.5米范圍為主要壓力注漿范圍，注漿壓力控制在23MPa；注漿孔3.5米以上段，即接近地表處采用滲透壓力注漿，注漿壓力控制在0.51MPa，漿液為M20水泥砂漿。具體注漿壓力還要根據(jù)現(xiàn)場試驗孔的試驗數(shù)據(jù)調整，以達到最優(yōu)的效果。5注漿材料選擇及確定配比注漿材料采用水泥漿

14、，水泥標號為R42.5#早強硫鋁酸鹽水泥，該水泥初凝時間約25分鐘，終凝時間約4小時。水泥漿濃度采用水泥比重計控制。漿液水灰比可根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)進行調整，施工原則是先稀后濃。配合比：水：水泥1：0.50.7因在冬季施工，為確保注漿達到預期效果，漿液中可以考慮摻加防凍劑和減水劑，使?jié){液盡快凝固。封孔采用M20的水泥沙漿。砂為細度模數(shù)MX=1.9左右的細砂，水泥為普硅42.5#普通硅酸鹽水泥，用水量約130150Kg/m3，配合比為：體積比 水泥：砂=1：4.04.36漿液滲透半徑根據(jù)現(xiàn)場地層顆粒繼配、巖土體孔隙率以及現(xiàn)場試驗孔的試驗結果來確定滲透半徑。按照提供的工程地質勘查報告以及現(xiàn)場實際觀測的

15、結果，漿液滲透半徑初步定為水平方向0.85米，垂直方向0.5米。7、注漿機理本工程以劈裂注漿為主，滲透注漿和壓密注漿為輔。四、工程量及費用估算1注漿材料按照加固方案，注漿范圍900平方米，共布設注漿孔460個，根據(jù)隧道斷面圖鉆孔平均深度取12米，注漿孔下部即接近隧道輪廓處3.5米孔段采用壓力注漿，注漿壓力控制在23MPa；注漿孔上段即接近地表處8.5米孔段采用滲透壓力注漿，注漿壓力控制在0.51Mpa，以封孔為目的。 （1）工程量計算：根據(jù)現(xiàn)場巖土體裂隙發(fā)育及風化程度，以及參照公路隧道設計規(guī)范確定單孔注漿量按下式計算： V式中：r1上段孔段加固水平擴散半徑，取0.2米； h1上段孔段加固厚度取

16、8.5米； m1上段孔段可灌系數(shù)取0.4n1上段孔段孔隙率，取0.3r2下段孔段加固水平擴散半徑，取0.85米； h2下段孔段加固厚度取3.5米； m2下段孔段可灌系數(shù)取1n2下段孔段孔隙率，取0.3經(jīng)過計算，單孔下部3.5米范圍內需水泥漿液量為：Q水泥漿3.14×0.852×3.5×1×0.32.35m3按5損耗考慮，單孔水泥漿量約：Q水泥漿2.35×(1+0.05)2.46m3單孔上部8.5米范圍內需M20水泥砂漿量為：QM20砂漿3.14×0.22×8.5×0.4×0.30.13m3按5損耗考慮，單

17、孔M20水泥砂漿量：QM20砂漿0.13×(1+0.05)0.14m3則總注漿量約：V水泥漿460×2.461132m3 VM20砂漿460×0.1464m3 （2）費用計算：、R42.5#早強硫鋁酸鹽水泥市場價格為450元/噸，根據(jù)水灰比1：0.50.7，每立方米水泥漿水泥成本約270元?？紤]設備使用費和人工、技術成本，確定水泥漿綜合單價為330元/米3。水泥漿總費用：1132m3×330元/米3=37.4萬元。、42.5#普通硅酸鹽水泥市場價格為350380元/噸，根據(jù)水泥與砂比1：4.04.3，每立方米M20砂漿水泥和砂成本約200元?？紤]設備使用

18、費和人工、技術成本，確定M20水泥砂漿綜合單價為250元/米3。M20砂漿總費用：64m3×250元/米31.6萬元以上兩項合計：37.41.639萬元、為了確保加固效果，根據(jù)異常寒冷氣候特點，科研方建議添加防凍劑。防凍劑可以采用MNCC型，價格3800元/噸，摻量25，該工程可以采用摻量3%。根據(jù)計算，共需要水泥約1132×0.664×0.25700噸，因此需要防凍劑約21.2噸費用為：21.2×3800元/噸8萬元。因此漿液材料總費用為：39847萬元2鉆注漿孔（1）工程量計算：460孔×12米/孔=5520米（2）費用計算：5520米&#

19、215;100元/米=55.2萬元3科研方進行加固方案制定、現(xiàn)場施工技術及工藝指導和監(jiān)督、試驗、測量和定位費：18萬元。5以上各項費用合計：47+55.2+18=120.2萬元由于地下地質工程的復雜性和特殊性，以上注漿量為初步理論計算結果。在實際工程中根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和加固效果及時修改注漿參數(shù)，工程量和實際費用以現(xiàn)場最終發(fā)生的工程量為準進行計算。如果同意對上述加固方案，需補充相應地質資料和試驗數(shù)據(jù)，以便更好的實現(xiàn)加固效果。五、施工工藝及必要措施1主要施工設備考慮到現(xiàn)場施工條件和防止環(huán)境污染等因素，注漿孔施工應采用合適的鉆機。臺式鉆車效率高，但部分地形不允許。根據(jù)施工單位的技術裝備情況，鉆孔可采用潛

20、孔鉆機，按規(guī)范要求鉆孔孔徑不小于110mm；漿液采用高壓注漿泵，有條件可以采用雙液注漿機，以加快注漿速度。2施工順序 首先施工外圍注漿孔，形成外圍結石體屏障，防止?jié){液嚴重外瀉造成漿液浪費。施工區(qū)注漿孔，施工時隔排施工。鉆孔時注意周圍環(huán)境的環(huán)保，防止泥漿對環(huán)境的污染。3施工方法 （1）測量放點。按照設計圖布孔要求確定孔位，準確放孔，鉆機按孔位準確就位。（2）校正鉆桿的垂直度，按照設計要求成孔至設計深度，下放注漿管至孔底以上0.5米。（3）用止?jié){塞封孔后，攪拌水泥漿液至設計要求，開始注漿。漿液配制時，按漿液配比所需數(shù)量加料，力求嚴格準確。加料順序為先加水，在攪拌機攪拌的情況下加入水泥、防凍劑和減水

21、劑。漿體攪拌均勻后，倒入貯漿筒時，經(jīng)過篩網(wǎng)過濾，嚴禁雜物及塊狀水泥進入貯漿筒。（4）注漿至規(guī)定壓力或規(guī)定注漿量時停止注漿。（5）終止注漿后起拔注漿管，在孔內注入M20水泥砂漿至孔口位置進行封孔。（6）移至下一注漿孔重復（1）（5）步驟。值得注意的問題A、止?jié){塞（盤）是實現(xiàn)分段注漿、合理使用注漿壓力和控制漿液分布范圍、保證注漿質量的一種有效設備。注漿塞（盤）一般由穿在注漿管上的脹塞組成。脹塞通常用堅硬的、加纖維材料合成的橡膠制品加工。止?jié){塞在注漿孔中的安設位置，除滿足深度要求外，必須選擇在孔壁圍巖相對穩(wěn)定，裂隙少和孔形規(guī)則的地方。據(jù)調查，目前注漿塞大部分由施工單位自制自用，國內生產(chǎn)定型產(chǎn)品的廠家

22、很少。B、注漿開始前做好準備工作，包括機械器具、儀表、管路、注漿材料、水、電及必要的防凍、加溫措施的檢查及必要的試驗。C、注漿工程中，要經(jīng)常觀測和記錄注漿壓力的變化情況，掌握注漿量。特別注意止?jié){塞（盤）的變形和飽漿情況，如果止?jié){塞（盤）發(fā)生變形，應停止注漿，及時處理。對于發(fā)生跑漿時，可以用填塞棉紗、打木鍥、糊塑膠泥等方法堵漏。D、為了使?jié){液在孔內一定范圍內擴散，不至于串漿或冒漿，影響注漿效果，在進漿量很大而壓力不上升的情況下，以注漿量控制注漿結束標準；當進漿量很少時，以注漿壓力來控制。4冬季施工的防護措施根據(jù)張家口壩上地區(qū)冬季氣溫大部分時間處于零下30C0左右，氣候異常寒冷的特點，對于冬季進行鉆孔注漿必須采取一定的防凍措施，確保漿液達到預期的加固效果。對于注漿用的漿液，防凍措施主要有：1，添加適量的防凍劑。要求防凍劑適用于-20度以上日氣溫的鋼筋砼 、泵送砼 、預應力砼和大體積砼的施工。2，采用暖棚、生火、電暖氣等加熱方法提高漿液的和攪拌場所的溫度。并在泥漿輸送過程中用保溫材料對輸漿管進行嚴密的包裹防護，防止熱量過多散失，確保漿液不凍，確保水泥漿的力學性質不受改變。對于鉆孔，原則上采用干鉆。但對于塌孔、堅硬的玄武巖地段，當采用泥漿護壁時，對于泥漿應該采取必要防凍措施?？刹捎锰砑臃纼鰟?，加快人工攪拌泥漿速度、提高泥漿