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超前小导管注浆量计算

时间:2018-05-29
[摘要]:隧道超前小导管加钢支撑辅助开挖的施工工艺特别适用于自稳时间较短的砂层、砂卵(砾)石层、小断层带、软弱围岩带、浅埋地段、地下水较多的较弱破碎围岩地段。本文就超前小导管注浆工艺中的质量管理和计量控制方面的问题进行探讨,供各位同行参考。 

[关键词]:隧道;超前小导管注浆;质量管理;计量控制 


超前小导管注浆加钢支撑是隧道工程辅助开挖的一种施工工艺,简称小管棚施工工艺。该工艺特别适用于自稳时间较短的砂层、砂卵(砾)石层、小断层带、软弱围岩带、浅埋地段、地下水较多的较弱破碎围岩地段。小管棚施工工艺相对于大管棚施工工艺比较,具有相对简单便捷、经济实效。一般隧道进、出口端往往属于地质围岩类别低、自稳性差、开挖面渗水多的情况,因此超前小导管加钢支撑辅助开挖的进洞施工工艺被普遍采用。 

但在实践施工中普遍存在对小导管注浆的作用认识不清、对其工艺流程中的操作把关不严、对注浆量的控制不当等情况,造成实际注浆止水效果不明显、围岩固结不佳、计量注浆量远大于实际注浆量等问题。现将本人在工程施工中积累的部分经验和推导出来的公式供大家探讨。 

一、小导管注浆的分类 

根据不同的注浆目的注浆材料一般分为二类:第一类为注水泥砂浆,其主要作用为增强导管的刚度,如浙江17省道十八跳隧道;第二类为注水泥浆或水泥—水玻璃双液浆等化学浆液,其主要作用为: 

(1)通过浆液的化学作用,将坑道周围喷浆区的松散岩体在短时间凝固并达到一定自稳力,为掘进时的施工安全提供保障; 

(2)浆液进入岩(土)体的空隙凝结固化后起防水作用。 

水泥—水玻璃双液浆的固结时间一般为4小时左右,单液水泥浆的固结时间一般为8小时左右。在甬金高速公路白峰岭隧道金华端施工中,右洞为水泥—水玻璃双液注浆,左洞为水泥浆单液注浆,在地质条件、施工操作工艺基本相同的情况下证明:双液注浆的止水效果明显优于单液注浆。本文就水泥—水玻璃双液注浆的施工工艺予以重点探讨。 

二、浆液的特性 

双液浆的特性主要反映在浆液粘度、颗粒度和凝胶时间长短。采用的水泥浆的水灰比一般应小于等于1:1,水泥浆与水玻璃的体积比一般在1:0。3~1:1,在此范围内随着水玻璃用量减少,其凝固时间缩短。如需要缩短时间,在注浆中加食盐或三乙醇胺速凝剂。当水泥浆与水玻璃的体积比在1:0。4~1:0。6范围时,浆液使石体抗压强度最高。一般水玻璃浓度在30~50Be(波美度)之间,浓度越高浆液使石体抗压强度越高。我们实际在工程中采用双液浆为1:1的水泥浆(重量比)和35Be的水玻璃,前者与后者的体积比为1:0。5,水玻璃的比重理论推算为145/(145-35Be)=1。318T/m3,1:1泥浆的实际试验比重为1。512T/  m3,该双液浆初凝时间为4分钟,终凝时间为70分钟。 

三、超前小导管设计参数 

Ф42mm无缝钢管长4~7m,管壁每隔20cm梅花形交错钻眼,眼孔直径6~8mm,风钻凿岩时的钻孔直径较管径大2cm。小导管顶端为尖锥型以利导管打入岩壁钻孔内,小导管打入岩体后尾端剩5-10cm,加焊已接有止回阀(如自来水开关)的短钢管。一般布置在隧道拱顶120°范围内,环向间距30~50cm,外插角为10~30°。 

四、注浆压力 

注浆压力是促使浆液在岩(土)层裂隙中流动扩散的一种动力,必须有足够的注浆压力来克服岩(土)内天然水头压力和地层裂隙阻力才能使浆液充分扩散填充,达到加固堵水的作用。因此,在浆液的粘稠度固定的情况,注浆压力直接与岩(土)层的裂隙宽度和粗糙度、裂隙发育程度、裂隙水头压力有关。压力过高亦会劈裂岩(土)体,因此注浆压力一般控制在0。5~1。0Mpa。 

五、工艺流程 









六、施工控制注意事项 

(1)注浆前应对开挖面层及附近5m范围内的坑道喷射厚度为5~10cm的喷射砼或模筑砼封闭作为止浆层。待止浆层有一定强度时方可注浆,防止浆液从各岩面裂隙中反渗; 

(2)安装注浆管时,应在注浆管与孔口岩面相交处用麻丝缠绕和胶泥(水玻璃与水泥)填塞,使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧,实现注浆管的止浆和固定。胶泥未凝固到一定强度不得注浆; 

(3)及早、准确地做好各种试验配合比,现场严格控制各种材料用量,精确配制混合料; 

(4)浆液应先经过过滤网过滤,防止杂物进入注浆泵或进入小导管; 

(5)注浆时应先注无渗水孔,后注有渗水孔; 

(6)严格控制注浆压力,以防压裂开挖面。注浆机压力应与规定压力配套,不宜升压过快。注浆压力达到规定时应予以稳压一定时间,以利浆液进一步渗缝; 

(7)一个导管注浆时,相邻导管应打开止回阀让原来管内贮存的裂隙水从相邻的导管流出,当相邻的导管内流出浓浆时停止注浆,关闭相邻管的止回阀,再待达到控制压力时关闭该管的止回阀。然后在相邻管接上注浆软管,打开止回阀进行补压注浆,待达到控制压力时停止压浆关闭该止回阀; 

(8)配制的浆液应在规定的时间内用完; 

(9)反对用数水泥袋法计量总体注浆量,因为水泥的用量不能准确反映注入岩体的浆液体积与剩余在导管、设备、容器中的浆液体积。注浆时应认真记录注浆机吸管头容器原有浆液体积、中间加入的浆液体积和容器最终剩余浆液体积,严格把握实际注入岩体的总体注浆量。 

七、注浆量计算 

小导管注浆单管浆液扩散半径一般为0。5~1。0m。这与深孔超前围幕注浆的扩散半径2~4m(管径Ф75~Ф110mm、注浆压力为1。5~4Mpa)有明显区别,故《隧道施工规范》中的注浆量计算公式(如下)不能作为小导管注浆量的估算公式: 

                V1=π╳R2╳H╳η╳α╳β                          ┈┈┈┈公式(1) 

V1为注浆量(m3);R为扩散半径(m);H为注浆管有效长度(m);η为地层孔隙率;α为注浆系数0.7~0.9;β为浆液损耗系数1.1~1.4。 

查阅参考资料注2,以下计算公式相对符合实际单孔注浆量: 

              V2=π╳R2╳c╳η=π╳[(0.6~0.7)  ╳s]2╳L╳η      ┉┉┈┈公式(2) 

V2为注浆量(m3)  ;S为小导管中心距离(m);  L为小导管有效长度(m);  R为考虑到注浆范围相互重叠的原则,扩散半径取(0.6~0.7)╳s(m);η岩体孔隙率%:Ⅱ类3~5%,Ⅲ类硬岩3~5%、软岩2~3%,Ⅳ类硬岩2~3%,软岩1~2%。 

实际施工中因钻孔偏差或钻眼内的地质原因,注浆液窜浆或跑浆经常出现,每个注浆管内的注浆量很不均匀,因此理论单眼注浆量尚不能作为注浆的一个严格控制指标,应以整排小导管的理论推算总量作为上下范围的控制指标。故按整排小导管上下各0.5~1  m范围的岩土体内均已注浆填充考虑,应以下列公式估算注浆总量:(见图示1) 

V3=(π╳θ/360+2T/  R)╳[(R+T)  2  -(R-T)  2]╳η╳L╳β+  Q  ┈┈┈公式(3) 

V3为注浆量(m3)  ;θ为拱部小导管布设范围相对于圆心的角度;R为小导管位置相对于圆心的半径;  T为浆液扩散半径0.5~1  m;L为小导管有效长度(m);η岩体孔隙率%:Ⅱ类3~5%,Ⅲ类硬岩3~5%、软岩2~3%,Ⅳ类硬岩2~3%,软岩1~2%;β为浆液损耗系数1.1~1.4;Q为小导管的容积  (m3)。 

V3  理论注浆量应是一个注浆量控制范围值。在R、L、Q固定的条件下,以最小的扩散半径0。5  m、该类围岩最小的岩体孔隙率、浆液损耗系数代入公式得最小理论注浆量V3min,  以最大的扩散半径1m、该类围岩最大的岩体孔隙率、浆液损耗系数代入公式得最大理论注浆量V3max。                       

同理可推算同一断面的上下双排或多排小导管一次注浆的总量。 
甬金高速公路部分隧道超前小导管注浆量统计表 

隧  道  名  称 
  围  岩 

类  别 
  R 

(m) 
  L 

(m) 
  T 

(m) 
  V3min 

(m3) 
  V3max 

(m3) 
  V3 

(m3) 
   
白峰岭金华端、右 
  Ⅲ 
  6。6 
  4.0 
  0.5-1.0 
  2.09 
  9.98 
  2.37 
   
岩坑尖2#宁波端右 
  Ⅲ 
  6。6 
  6.2 
  0.5-1.0 
  3.25 
  15。47 
  4.92 
   
岩坑尖2#金华端右(双排) 
  Ⅲ 
  6.6 
  6.2 
  0.9-1.4 
  4.50 
  18。33 
  10.25 
   
岩坑尖1#金华端右(双排) 
  Ⅱ 
  6.6 
  6.2 
  0.9-1.4 
  4。50 
  18.33 
  11.07 
   
岩坑尖3#宁波端右(双排) 
  Ⅱ 
  6.6 
  5.0 
  0。9-1。4 
  3.63 
  14。78 
  11.73 
   

以上几个隧道施工时,注浆工艺相对较规范,现场计量较客观。表中数据反映:实际注浆量均在理论注浆量的最大值与最小值之间。同时也验证:《隧道施工规范》中的注浆量计算公式(1)是适用于深孔超前围幕注浆的,而不适用于超前小导管注浆;参考资料注2中的注浆量计算公式(2)是适用于单排超前小导管注浆的;本文推导的公式(3)  是对公式(2)进一步补充,适用于单排及多排超前小导管注浆的计算。 

八、注浆量控制的意义 

(1)通过对超前小导管注浆的浆液特性的了解以及对施工工艺的严格控制,以使岩(土)体实际注入必要的浆液,以保证围岩达到预期的固结强度和止水效果;同时如果注浆量异常超标时(如局部岩(土)体有空洞),则可以预先推测围岩地质条件的变异,从而可事先调整以后的施工工艺。因此通过实际注浆量和理论注浆量的比较,可有效地评估实际注浆质量和止水效果; 

(2)通过注浆量理论计算的总量控制,可以促进实际工地注浆量的现场计量把关,杜绝因施工技术人员盲目套用不适当公式而导致计量注浆量明显偏高,造成业主支付不必要的、不符合实际的工程款。       

结      语 

隧道施工地质条件是千变万化的,采用超前小导管注浆工艺的设计参数亦是多种多样的,笔者仅将在施工中获得的一点经验与体会予以总结,供各位同行与专家参考,以期共同提高目前隧道超前小导管注浆的施工质量和计量控制水平,不当之处望予以批评指正。
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