岩溶隧道水泥基玻璃纤维浆液堵水加固施工工法.pdf

1、岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法1、前言1、前言我国岩溶地区分布广泛，其中主要以云、贵、川等西南部分地区最为发育。随之而带来的岩溶隧道施工地质灾害屡见不鲜，其中尤以隧道突水事故最为常见。岩溶隧道施工由于地质条件复杂、围岩软弱、水源补给充足、涌水量大、水压高等特点，已经成为目前隧道地质灾害研究的重点难点。注浆技术是目前解决涌突水、破碎带问题最为有效的解决方式，但是目前注浆技术中注浆材料的选择是注浆能否成功的关键。传统的注浆材料多为单一浆液、或是化学浆液注浆技术，再加上施工方案不合理，不能很好的实现

2、封堵涌水、加固围岩的作用。注浆技术是岩溶隧道等地下工程突水灾害治理过程中常用的技术手段；其中不管是防水、堵水还是截流都要用到注浆手段，并且注浆技术也在不断的发展和完善，以便能够适应出现的较为复杂情况的突水灾害，目前常用的手段来解决高水压的问题如高压固结、帷幕注浆截流等手段，其中注浆技术中注浆材料的发展成为注浆工程中较为关键的环节。传统注浆方案多采用哪里突水哪里注浆的方法，注浆施工技术粗糙，浆液材料单一，致使注浆浆液跑浆、回浆严重，封堵效果不佳，并且也存在一定的盲目性和经验性，主要表现为：对具体采用是以堵为主、以排为主的判断上缺乏具体的依据，没有具体的量化指标，注浆参数设计也没有依据。由中铁十四

3、局集团第二工程有限公司以利万高速齐岳山隧道工程为依托，针对岩溶复杂地质隧道施工开挖科技攻关，形成了“岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法”。该工法具有工作效率高、省时省力、施工操作方便、安全可靠、封堵效果好、加固强度高的优点，减少围岩裂隙的渗流作用，提高围岩的抗突水能力，充分发挥注浆加固控制围岩变形的作用，能够适应岩溶地质条件下围岩的变形规律，大大提高对围岩的稳定性，能有效地控制岩溶突水发生。2 2、工法特点、工法特点水泥基-玻璃纤维浆液施工工法包括关键孔优化、材料浆液制备和控制注浆技术，关键孔优化改变了传统注浆时注浆孔的钻设，通过先进行地质分析，判断裂隙突水、含水构造和补给水源情况；

4、对涌水处的发育特征进行分析，以及涌水处的水压和水量大小，根据水压和水量大小确定堵水工程的重点，确定钻孔的密度和排列方式，划分钻孔等级，最后优化分析，得到关键孔。浆液制备开发研究了新型浆液材料的制备系统，更加合理方便的完成浆液制备。采用控制注浆技术，控制注浆具有良好的可控性，提出了人为控制浆液的渗透深度，这样有效改善了传统注浆过程中浆液无序流动，扩散距离和扩散范围无法控制的缺点，可以减少大量浆液的浪费和流失；为了解决在控制注浆过程中，堵水封孔处不能很好的解决密实性差的问题，造成达不到预想的注浆压力，以往采用的堵塞装置难以承受高压，不能很好的与钻孔壁贴合，成本较高等问题，设计了一种用于控制涌突水注

5、浆中滤排水注浆膜袋封孔结构装置。3 3、适用范围、适用范围本工法适用于岩溶复杂地质隧道工程施工。目前已成功应用利万高速等岩溶隧道施工建设中。随着公路、铁路隧道等地下工程项目的发展，隧道施工将不可避免的遇到在岩溶条件下施工的复杂环境，因此该工法有广泛的应用前景，将对我国岩溶隧道施工建设提供重要的参考价值和实用技术。4.4.工艺原理工艺原理水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法主要包括关键孔的优化、玻璃纤维在材料中的增强作用、控制注浆中的堵水封孔作用。关键孔优化是水泥基-玻璃纤维浆液施工技术的重要步骤，能够保证浆液准确、有效的进行堵水加固；玻璃纤维材料对水泥材料的增强作用主要体现在对复合受力增强作用

6、、纤维材料间距作用和凝结后的阻裂作用；控制注浆中通过滤排水膜袋封孔装置，实现水泥基-玻璃纤维浆液顺利注浆防止返奖封孔难的问题；三种施工步骤共同作用，可以很好的解决隧道施工中出现涌突水、破碎带的问题，增加围岩稳定性。（1）关键孔优化关键孔注浆方案是涉及到多个方面内容的综合治理体系，包括地质勘测、连通试验、材料选择和科学注浆施工；首先要进行地质勘测，可以有效的知道关键孔的定位钻孔；关键孔注浆方案改变了以往传统注浆的方式，通过先钻孔后注浆的方式进行，并且还有采用科学的方法进行优化选择注浆孔，找出关键孔，从而制定合理的注浆方案。（2）玻璃纤维对水泥材料的增强作用1）复合受力增强作用复合力学理论通常应用

7、于基体材料及其单方向上配置的连续纤维所构成的复合材料，是以普通复合材料构成的混合原理。这一理论对于纤维混凝土性能探究有着非常重要的作用，可以借助这一思想，对水泥基-玻璃纤维的应力、弹性模量以及强度的变化值进行求解。而且，能够将该思想进行拓展，进而对一些复合材料在材料拉伸方向上的有效纤维体积率大小、不连续性短纤维的长度以及取向修正、混凝土的非均匀特性进行深层次的剖析。关于这个模型的求解，大体可以分为以下几个步骤：根据界面应力传递模型推算出纤维内部的承载力大小，并对所求的承载力大小的平均值进行数据统计，并通过混合率的方法求得短纤维复合材料的整体承载能力。对其进行设定如下：纤维之间无不连续现象，且其

8、纤维之间平行排列，并与受力方向保持一致；纤维与基体两者之间具有较好的粘结力，也就是说这两者在应变方面表现一致（cfm），不会发生滑移的现象；纤维和基体两者之间造成的变形属于弹性变形，所造成的横向变形量相等。根据上面所述的三种假定，如得出下图 1，能够得到作用于复合材料、基体以及纤维的受力大小为：cccmmmffffAfAfA式（式（1）式中：A 横截面，应力，小标 c、f 和 m 分别为复合材料、纤维和基体。图图 1纤维力学作用示意图纤维力学作用示意图2）纤维材料间距作用该理论的研究是根据断裂力学的基本知识为基础，由于在混凝土内部会出现不同长度的微裂缝、孔隙和缺陷，当其受到外部荷载的作用孔隙裂

9、缝部位出现大量的应力集中，裂缝的长度不断扩展，最终导致整个混凝土结构的破坏。对此，为了增强混凝土的韧性，减少裂缝的宽度和数量，需要降低裂缝和孔隙的应力集中现象，阻止裂缝的进一步扩展。而对混凝土基体中掺入耐碱玻璃纤维，能够有效的阻止裂缝的产生和扩展，进而能够增强纤维混凝土的韧性。根据断裂力学所建立的纤维间距模型如图 2 所示，对于纤维增强混凝土的顺序表现为顺时针的时候，设定纤维沿拉力方向以棋盘状均匀分布于基体中见图 2 所示，假定纤维间距为s、裂缝半宽为，在受到外荷载为拉应力时，接近裂缝的纤维界面将产生，所示的粘结应力分布图形。图图 2纤维对脆性材料基体中的裂缝约束力学模型纤维对脆性材料基体中的

10、裂缝约束力学模型3）凝结后的阻裂作用单纯的水泥浆液是一种非均质的多相复合材料，在浆液凝固后，由于收缩、泌水等原因，水泥内部存在孔隙和微裂纹，主要分布在水泥基体内。由于动水荷载或者围岩压力的作用，水泥内部的微裂纹会不断的延伸、扩展，并成为地下水运营的新通道，最终形成更大的裂隙。从断裂力学认为水泥破坏和裂隙产生主要有以下三种形式，如图3。（）（）（）图图 3 水泥裂缝应力图水泥裂缝应力图将注浆工程中水泥浆液形成的帷幕墙体为例，水泥由于围岩压力对顶部所承受的拉应力超过了水泥的极限拉应力，因此在与围岩顶部的受力接触位置的水泥墙体属于型裂缝；而水泥墙体在受到水压冲击容易发生剪切破坏，受力情况属于型裂缝；

11、另外一种就是同时受到拉应力和剪应力的破坏作用，也可以看作是型裂缝和型裂缝的一种复合裂缝。从上述可以看出，玻璃纤维材料在水泥中的分布可以减少凝结后可以裂缝的产生，减少裂缝的数量，可以避免注浆形成的浆体重新成为涌突水的裂隙通道。5.5.施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点5.15.1 施工工艺流程施工工艺流程岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工的工艺流程：关键孔钻设优化膜袋注浆管安装孔口封堵新型浆液制备分段分序注浆加固。5.1.1 关键孔钻设优化钻孔设备采用潜孔钻，采用73 钻杆，90 冲击器和配套钻头；钻孔时按照分配、分序进行布置，采用关键孔优化方法；关键孔注浆是对裂隙的主通道进行注

12、浆，由于裂隙主通道对全部的裂隙有着较好的连通作用，因此能够很好的实现封堵的作用，并且还有加固围岩的作用。关键孔注浆方案是涉及到多个方面内容的综合治理体系，包括地质勘测、连通试验、材料选择和科学注浆施工；首先要进行地质勘测，可以有效的知道关键孔的定位钻孔；关键孔注浆方案改变了以往传统注浆的方式，通过先钻孔后注浆的方式进行，并且还有采用科学的方法进行优化选择注浆孔，找出关键孔，从而制定合理的注浆方案。具体的关键孔施工步骤为：先进行地质分析，判断裂隙突水水源情况、含水构造和补给水源情况。通过合适的方法，对涌水处的发育特征进行分析，以及涌水处的水压和水量大小，根据水压和水量大小确定堵水工程的重点，确定

13、钻孔的密度和排列方式。对突水地区进行钻孔，分析钻孔揭露情况下的地质情况，综合多方面的信息对钻孔进行评价，划分出钻孔等级，最后优化分析，得到关键孔。得到关键孔位后，结合围堵布孔方式同时进行堵水，对于围堵布孔，可以由远及近、先疏后密的方式进行钻孔，钻孔要特别注意钻机的角度，防止出现偏移。5.1.2 膜袋注浆管安装和孔口封堵为了解决在控制注浆过程中，堵水封孔处不能很好的解决密实性差的问题，造成达不到预想的注浆压力，以往采用的堵塞装置难以承受高压，不能很好的与钻孔壁贴合，成本较高等问题，设计了一种用于控制涌突水注浆中滤排水注浆膜袋封孔结构装置，通过该结构装置可以很好的解决目前在控制注浆中堵水封孔中的难

14、题。膜袋注浆管的有益效果：注浆管实现捆绑一起后放入注浆孔，可以实现分段注浆的目的。注浆短管向注浆膜袋中注入浆液，水从注浆膜袋中流走，注浆膜袋体积膨胀与孔壁紧密贴合，并快速过滤掉浆体中的水分而硬化，实现良好的封堵。通过在注浆膜袋罩着的注浆短管上设置流浆孔即可完成对注浆膜袋的注浆，方法简单，易操作；在注浆长管和注浆短管上设置卡槽，可将注浆膜袋固定，并在注浆短管上螺纹，可以在注浆凝固后受到注浆压力而增大摩擦力。5.1.3 新型浆液制备在具体注浆施工过程中，制备浆液成为了施工过程中一个关键步骤，在最初的新型浆液施工中，传统水泥浆液注浆，浆液制备按照如下步骤进行：（1）直接将水泥和水在第一搅拌桶中进行搅

15、拌，搅拌均匀后通过导流管将水泥浆液直接抽到第二搅拌桶中。（2）注浆浆液在第二搅拌桶中进一步混合，然后注浆泵连接管直接连通第二搅拌桶，为了防止搅拌桶中含有碎石之类的杂物堵塞注浆泵，因此在连接管端部设置过滤膜。（3）新型注浆材料制备过程中，由于存在上述过滤膜，导致玻璃纤维材料和浆液不能混合在一起而被重新过滤出来，只有少量的玻璃纤维的进入，严重的影响了新型注浆材料的应用和作用的发挥。新型浆液制备系统在原有的浆液制备装置上面重新进行了改进，通过增加一个第三搅拌桶不仅可以实现保证玻璃纤维完全在水泥浆液中混合，又能充分实现浆液的均匀混合。5.1.4 分段分序注浆加固分段、分序注浆加固通过开发的滤排水注浆膜

16、袋、新型浆液共同实现分段、分序注浆；进行围堵孔注浆时，对钻孔注浆分为不同的批次进行施作，另外滤排水注浆膜袋可以防止串孔和孔口封堵不严的问题，结合关键孔注浆，优化选取关键孔位，实现顶水注浆。控制动态注浆：将新型浆液和外加剂实现双浆液注浆，在水泥灌浆过程中，通过双液注浆装置用专用泵加注速凝液的方法达到控制灌入的水泥浆的凝胶时间，进而控制浆液的扩散空间，最终达到控制注浆的目的。控制注浆用的注浆机械有：水泥浆液髙速搅拌机，自制手动双控液压泵，自制控制液专用泵等设备。k1出水点k2k3k 出水点k16k15k12k11k13k14F11F12F17F13F18F14出水点k 关键孔F 围堵孔图图 5.1

17、-5.1-1 1 注浆关键孔与围堵孔布置示意图注浆关键孔与围堵孔布置示意图图图 5.1-5.1-2 2 现场现场注浆注浆封孔模袋的照片封孔模袋的照片第一搅拌桶第二搅拌桶第三搅拌桶注浆泵阻挡塞电动机工作台过滤膜图图 5.1-5.1-3 3 新型浆液制备系统新型浆液制备系统图图 5.1-5.1-4 4 水泥基复合材料注浆控制水泥基复合材料注浆控制5.25.2 施工施工操作要点操作要点5.2.1 钻孔采用钻孔台车成孔，严格控制钻孔角度在 30左右，误差不允许大于 5，钻孔方向要求顺直，不得弯曲和塌孔,孔径比钢管直径大 35mm。5.2.2 新型浆液制备系统新型浆液制备系统除了主要在搅拌系统上的改善以

18、外，另外增加了搅拌系统的自动化装置，通过在每个搅拌桶上装有电动机，实现搅拌信息控制，具体的制备系统可以根据具体注浆量和注浆压力的信息反馈来制定注浆制备系统的调整。整个系统的关键设置在于在前两个搅拌桶中完成了纯水泥浆液的制备，进入第三搅拌桶的就是已经经过过滤的纯水泥浆液，采用在第三搅拌桶中进行玻璃纤维的加入，最后完成新型浆液的制备。5.2.3 封孔注浆封孔密封装置是由封孔管体、膨胀袋、接头组成，膨胀袋由固定钢圈固定在封孔管体上面；在封孔管体上设有浆液导管，在封孔管体和膨胀袋贴合处设置单向橡胶阀，浆液导管连接着单向橡胶阀；接头连接注浆管，在接头和注浆管之间设有单向压力阀、垫片和箔片；封孔管体两端都

19、设有螺纹，一端连着注浆机，一端连着接头。5.2.4 注浆注浆过程中，根据注浆具体情况控制注浆压力，正常情况下压力控制在 2.5-3.0MPa，然后分段根据具体情况调整压力大小；注浆结束以压力达到 5.0MPa 为标准，此时进浆量为零。5.35.3 劳动组织劳动组织表表 5.3-15.3-1 劳动组织表劳动组织表序 号岗位人数备注1施工队长1安排任务，检查工作，指挥施工2技术员2技术指导3管棚钻机机长1指挥单机施工4钻工4钻孔5材料注入2浆液制备6注浆工2制作水泥浆、注浆7修理工1修理各种机械机具8电工1负责电路合 计146.6.材料与设备材料与设备6.6.0.0.1 1 本工法所用的主要材料见

20、表本工法所用的主要材料见表 6.6.0.0.1-11-1表表 6.6.0.0.1-11-1主要材料表主要材料表序号材料名称规格备注1水泥P.O42.5R2水饮用水3钢管108锁脚锚管4玻璃纤维Cem-FIL60 型0.5%6.6.0.0.2 2 采用的主要机具与设备见表采用的主要机具与设备见表 6.6.0.0.2-12-1表表 6.0.2-1机具设备表机具设备表序号设备名称型 号数量功率 KW备 注1全液压钻机金星 90001822注浆机SNS-150/3.5A1113灰浆搅拌机YJ-1501154空压机L-22/7211025注浆机SNS-150/3.5A1116电焊机BX2-5002152

21、7.7.质量控制质量控制7.0.1 为保证施工质量，关键孔优化选择好以后，要按照设计要求进行注浆，应该按照由外向内的方式进行，先进行关键孔，再进行其他孔的注浆。在进行正式钻孔前，选个以上钻孔先行试钻，尔后进行正式钻进。7.0.2 浆液制备过程中要注意观察浆液的均匀程度，防止浆液中出现不均匀的情况，保证玻璃纤维是均匀的随基体进入涌水点处。7.0.3 在进行注浆之前，一定要将各孔口封堵完好，以免造成浆液外漏，影响注浆效果，注浆压力不得小于 0.5Mpa。8 8、安全措施、安全措施8.0.1 各种金属外壳的机械设备（如电箱、拌合机、电动机、电焊机等），必须安装保护接地线。每当午休或晚间歇工时将现场动

22、力电源切断。8.0.2 施工过程中产生的各种废浆不得乱排，要做好环境保护工作。8.0.3 施工时必须佩戴安全帽，高空作业系安全带，严格遵守各项操作规程和施工工艺。8.0.4 统一指挥，明确岗位，各负其责。管棚钻机、注浆机、空压机等都要有专人负责，做好施工记录。9 9环保措施环保措施环境保护执行国家环境保护法，按照 ISO14001 标准建立环境管理体系并实施。另采取以下具体环保措施：9.0.1 施工区段，将施工产生废水抽排至隧道临时积水井内，经三级沉淀后集中排放。9.0.2 每班组注浆完毕，及时将废弃浆液清理收集，运至洞外指定地点。9.0.3 钻孔人员佩带防尘面罩和耳塞，注浆作业人员佩带眼睛防

23、护罩，并派专人对施工区域定期洒水降尘。9.0.4 注浆作业结束后，进行现场清理，做到工完场清。10.10.资源节约资源节约采用水泥基-玻璃纤维新型注浆材料，开发了一套新型浆液的制备系统，提高了浆液的可注性，并且在压力控制和优化浆液材料配比完全符合试验中的要求，做到灵活掌握、快速注浆，实现裂隙反复挤密的目的；控制注浆可以适应更加复杂的地质环境，与常规注浆相比，常规注浆在注浆过程中只能形成一次加压注浆的过程，并且其注浆材料的配比在整个过程中是保持不变的，而控制注浆则根据信息采集和信息反馈不断作出调整以适应复杂的地层特性。与原有技术相比，水泥基-玻璃纤维浆液施工技术具有工作效率高、省时省力、施工操作

24、方便、安全可靠、封堵加固强度高、资源节约的优点，增加了围岩稳定性，提高了抗突水能力，能够适应围岩裂隙渗流规律，大大提高了围岩的稳定性能，有效的起到了封堵突水、加固围岩的作用。1111.效益分析效益分析岩溶隧道水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固施工工法”在湖北利万高速齐岳山隧道工程中总体应用已达到两年以上，为保证施工的顺利完成发挥了重要的指导作用，取得了显著的经济、社会效益。齐岳山隧道地质情况极为复杂，隧道穿越西南复杂岩溶地层。隧道施工开挖过程中经常遇到涌突水、突泥、破碎带的情况，采用传统的注浆材料不能很好的解决堵水加固的问题。为确保隧道施工安全，项目部联合山东科技大学课题组开展“水泥基-玻璃纤维浆液

25、施工工法”的研究，通过总结玻璃纤维掺入加固作用机理，试验分析水泥基玻璃纤维综合力学性能，发明了新型材料注浆加固方式。该技术的应用成功控制了隧道施工前、后涌突水、渗水、破碎围岩突出的难题，后期施工涌水问题得到很好的解决，避免了工程灾害事故的发生，保障了施工安全。该工法在齐岳山隧道中的整体技术应用，避免了齐岳山隧道工程突水灾害事故的发生，保证了施工进度和施工安全，两年的整体技术应用共为实际工程直接节约成本壹仟万元。该工法推动了隧道注浆加固技术的进步和革新，培养了一批专业人才队伍，促进了行业的健康发展和良性循环，为行业赢得了良好的社会声誉。在类似工程中具有很好的推广应用价值和意义。1 12 2工程实

26、例工程实例齐岳山隧道是利万高速公路的控制性工程，隧道的施工关系到利万高速的整个工期建设，但是隧址地处川湘黔桂地区，且该地区主要以灰岩发育为主，中间夹带有页岩发育，都是极为破碎的岩体，并且隧道通过区域发育有断层，岩溶极其发育，开挖揭露处发现有严重的岩溶水涌出现象。另外位于隧址背斜处裂隙较为发育，层理发育，位于 ZK19+245-ZK19+285，ZK20+236-ZK20+276 处为断层破碎带，富含水，围岩较为破碎，开挖过程中出现小岩块的陀螺，并局部涌水现象；位于 YK19+340-YK19+920，ZK19+332-ZK19+911 处存在稳定裂隙水，存在稳定的突水情况，全部隧道共有 1854m 的涌水区域。通过首次采用水泥基-玻璃纤维浆液堵水加固技术，该技术的应用成功控制了隧道施工前、后涌突水、渗水、破碎围岩突出的难题，后期施工涌水问题得到很好的解决，避免了工程灾害事故的发生，保障了施工安全。确保了隧道的顺利贯通，成洞地段主体结构质量检查一次合格率达到 100%。受到各级领导的好评。随着公路、铁路隧道等地下工程项目的发展，隧道施工将不可避免的遇到在岩溶复杂地质条件下的施工，因此该成果对未来类似工程建设提供了宝贵的施工经验，具有重要的借鉴意义。