一种用于特长单线铁路隧道多臂凿岩台车帷幕注浆施工技术的制作方法

文档序号:15578835发布日期:2018-09-29 06:17

本发明涉及一种用于特长单线铁路隧道多臂凿岩台车帷幕注浆施工技术。



背景技术:

隧道及地下工程在穿越可溶岩分布区地层、断裂构造发育带、褶皱轴部破碎带、岩溶、高承压水、软弱底层、区域节理密集带等地区时,施工面临各种地质风险,如开挖发生涌突水可能性较大等。为有效规避这些地质风险,需要对前方不良地质段实施钻孔注浆作业,达到止水和加固围岩的目的。

中国专利CN20099100654476公开了一种三臂液压凿岩台车及隧道钻孔注浆施工方法。该方法在钻孔注浆施工中用三臂液压凿岩台车取代常规的地质钻机和多功能钻机,突破传统的钻孔注浆模式。但是该方法需要在钻孔后将钻杆取下并安装孔口管进行注浆,每一循环要更换一次,这样就不能实现连续施工,影响施工进度。



技术实现要素:

本发明要解决的技术问题是:针对目前采用三臂液压凿岩台车进行隧道钻孔注浆施工存在的因为更换钻杆和孔口管存在的上述问题,提供了一种将三臂液压凿岩台车改装成两臂凿岩台车并进行钻孔注浆施工的方法。

本发明的技术方案为:

一种用于特长单线铁路隧道多臂凿岩台车帷幕注浆施工方法,其特征在于:将三臂凿岩台车改装为两臂凿岩台车(即卸除顶部钻臂只保留左右两根钻臂),一臂用于钻孔、一臂用于注浆,两臂配合进行钻孔与注浆平行作业。

钻臂前端加装长推进梁一根和短推进梁一根;注浆臂前端加装挂篮作为灌浆施工作业平台,同时辅助钻臂钻杆就位、接长或拆卸钻杆。

配套两臂凿岩台车相关注浆集成设备,根据注浆要求选择灌浆方式,采用可循环利用水囊式灌浆塞或孔口管施工,采用矿用加固封孔器进行一次性灌浆塞卡塞。

隧道开挖后径向局部注浆采用移动式制浆站或罐车运输水泥浆,掌子面超前周边帷幕注浆以固定式制浆站铺设管路,选用三缸高压灌浆泵进行灌浆;灌浆材料选用具有结石强度高、可灌性好、抗渗透、抗腐蚀、无污染、耐久性好等特点水泥基灌浆材。

应用隧道综合地质预报技术结合地表水源监测和洞内地下水量观测,以物探预报为主、钻探验证为辅,结合地表水源监测和地下水量观测分析其径流关系和影响情况,综合研究确定注浆堵水方案。

根据综合地质预报资料当掌子面前方存在高压富水区,水压力≥0.6MPa,且根据探孔资料掌子面总涌水量大于10m³/h时,采取超前帷幕注浆;根据地表出露泉眼水量监测和洞内地下水量观测结果,确认隧道开挖引起地表泉眼水量有明显的下降时,立即采用超前周边或帷幕注浆堵水。

注浆单元为15m/循环。

帷幕注浆工艺流程:掌子面前方综合地质预报→地表水源和洞内地下水监测→研究确定地下水处理方案→帷幕注浆方案实施→注浆效果评价(局部补注浆)→开挖后径向补注浆处理→达到设计限量排放标准后结束;帷幕注浆施工方法:确定注浆方案→施工准备→资源配置→钻孔施工→制浆和灌浆施工→注浆效果评定。

帷幕注浆结束标准为:单孔注浆压力逐步升高至设计终压,并继续注浆10min以上,注浆结束时的进浆量小于20L/min,检查孔涌水量小于0.2L/m.min,检查孔钻取岩芯,浆液充填饱满,则单孔注浆可结束;所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏浆现象,重点堵水段落注浆后涌水量小于1m³/m.d,一般堵水段落注浆后涌水量小于5m³/m.d,浆液有效注入范围大于设计值,预测岩体经注浆后可在开挖后保证洞壁稳定,则全段注浆可结束。

本发明的有益效果:

1、双臂凿岩台车在特长隧道不良地质、富水围岩条件下,具有钻进速度快、机械化程度高、噪音空气污染少等优点。凿岩台车行走靠柴油机驱动、钻孔靠电力驱动,产生粉尘少、噪音比较小。改装后的钻臂具备全方位平行保持功能和精确的直接定位技术,能够保证不同帷幕注浆加固圈的外插角要求,洞周通过超前帷幕注浆加固改善了围岩受力条件,注浆结束后隧道开挖质量容易控制,减少了喷射砼回填材料对于降低施工成本有利。操作人员在固定的操作台上操作钻机,远离掌子面近20m可防止落石伤人,且操作平台上面有安全顶棚确保了人员安全,安全系数远高于多功能潜孔钻机。从测量、钻眼、装药、注浆都可以通过双臂凿岩台车相关组件完成,较普通开挖台架更为方便、快捷,可提高工作效率。

2、从注浆工程量对比分析,多臂凿岩台车钻孔量相比传统潜孔钻机钻孔数量节约25%。

3、从注浆方案上对比分析,凿岩台车注浆方案更加灵活。潜孔钻需要上下台阶分别进行分段式帷幕注浆,施工工法需要频繁转换延缓了施工进度,而凿岩台车采取全断面钻孔注浆,一次性钻孔定位、全孔一次性注浆,超前预注浆效果更好,并且节约了大量的孔口管。

4、多臂凿岩台车的钻孔注浆方式(循环长度、施工设备、孔径、灌浆方式、钻孔数量、止浆墙厚度、效果评估、孔口管镶铸等)选择非常灵活,能够适应多种断面(有碴、无碴、单线、双线)注浆要求。

5、从循环时间上分析,采用多功能液压凿岩台车(Atals XL3D改装为两臂凿岩台车,配置7.1m推进梁一根、4.8m推进梁一根替代潜孔钻机进行超前帷幕注浆钻孔施工后(长推进梁进行超前帷幕灌浆深孔部分或无水孔施工,短推进梁进行φ75mm开孔施工),钻孔效率将大大提高。施工15m深钻孔的效率约为0.5h/孔,灌浆时采用该台车自带的吊篮进行,节约施工作业平台就位和潜孔钻机移动定位等时间,两臂配合工作实现钻孔与注浆的平行作业,单循环15m注浆单元施工时间可节约40%~50%。

附图说明

图1为实施例平导帷幕注浆布孔图。

图2为实施例正洞帷幕注浆布孔图。

图3为两臂凿岩台车钻臂结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施例:本实施例为保山隧道施工,保山隧道DK136+600(隧道进口)~DK147+200(岩箐断层)位于(I)地下水水系统单元,区内主要含水岩组为基岩裂隙含水岩组和岩溶含水岩组对隧道涌水影响大,隧道集中涌突地段主要包括可溶岩分布区地层、断裂构造发育带、褶皱轴部破碎带、区域节理密集带。断裂带裂隙水:大宝盖向斜水系统(I)内发育鸭子塘断层、马鹿场断层、岩箐断层,其中鸭子塘断层和马鹿场断层都是导水断裂,其发育的沟槽均有泉点出露,出水量供沟口居民生活用水;褶皱轴部破碎带裂隙水:大宝盖向斜核部和大宝盖背形核部位于(I)地下水系统单元岩溶水系统内,地下水由此流失影响易罗池水源补给;岩溶水:DK144+120~DK147+050穿过斜北西翼的(O1l)地层,层内发育多层灰岩,岩溶裂隙发育,开挖发生涌突水可能性较大,影响易罗池水源补给。岩箐断层是大宝盖向斜溶水的边界断层,地下水由此流失将影响岩溶水系统内水流,从而影响易罗池水源补给。区域节理密集带裂隙水:包括DK137+580~+660、DK143+770~+840、DK144+160~+210,位于(I)地下水系统内,根据物探资料显示,这几段节理密集带都有很好的延伸性,可能穿过灰岩岩溶含水层,隧道开挖可能造成地下水流失,影响下游居民生活用水和易罗池水厂供水。经核查隧道线路走向周边5km范围内存在68处地表水源点,均为保山市居民生态水源,供应保山市郊20余万人用水。

为防止隧道D1K136+600(隧道进口)~DK147+200(岩箐断层)段10.6km范围内隧道开挖引起地下水流失,进而影响地表水环境,特别是防止地表泉点和易罗池暗河水源补给的影响,对该段范围正洞和平导部分段落采取注浆堵水,涉及正洞1715m和平导935m帷幕注浆段落。要求正洞及平导断层破碎带、节理密集带、向斜及背形核部、岩箐组(O1y)地层多层灰岩段采取注浆堵水后地下水渗漏量不大于1m3/m.d,该段范围内其余段落地下水渗漏量不大于5m3/m.d。

保山隧道的单线铁路隧道多臂凿岩台车帷幕注浆方案实施内容如下:对多功能全液压凿岩台车(Atlas XL3D)改装,配套应用注浆集成设备,综合地质预报和监测技术应用,帷幕注浆起动条件,帷幕注浆单元划分,帷幕注浆工艺流程和施工方法,帷幕注浆标准和效果评估。

为了适应单线铁路隧道施工环境(断面宽约6m*8m),将三臂凿岩台车(Atals XL3D)改装为两臂凿岩台车,一臂钻孔、一臂注浆,两臂配合工作,实现钻孔与注浆平行作业。对三臂凿岩台车进行强化改造(卸除顶部的钻臂保留下部的两根钻臂,操控系统不需要改造),改装后装备7.1m长的推进梁以施工孔径φ75mm超前钻孔,装备4.8m长的推进梁以施工孔径φ45mm的径向钻孔。改造后双臂台车液压钻臂可以自由回转135度,钻臂空间增大,施工就位和移动迅速而准确,在工作面上没有盲区,配上7.1m的推进梁后作业半径大大提高,施工区域达到宽7m×高13m;配置了HL230MB液压作业平台,平台能伸缩10m并且能左右摆动,上下升降达到工作面的任何一处地点,在钻孔注浆中用于拆卸钻杆及安装快速接头;双臂台车油泵主电机功率75KW,提高了钻机的可靠性;配备了一台PXR160的水泵,洗孔能力能够满足要求;选择了φ75的钻头,配置了自动连接装置,施工人员只需将钻杆放进推进梁就能自动连接或拆卸。

配套两臂凿岩台车相关注浆集成设备,采用可循环利用水囊式灌浆塞替代孔口管施工,采用矿用加固封孔器进行一次性灌浆塞卡塞;根据注浆要求灵活选择灌浆方式,隧道开挖后径向(局部)注浆以移动式制浆站(或罐车运输水泥浆)为主,掌子面超前周边(帷幕)注浆以固定式制浆站(注浆专用洞室)铺设管路,选用三缸高压灌浆泵进行灌浆;灌浆材料选用具有结石强度高、可灌性好、抗渗透、抗腐蚀、无污染、耐久性好等特点水泥基灌浆材。应用隧道综合地质预报技术结合地表水源监测和洞内地下水量观测,以物探(TSP303、地质雷达、红外探水)预报为主、钻探(3孔φ75超前水平钻孔内成像)验证为辅,结合地表水源监测和地下水量观测分析其径流关系和影响情况,综合研究确定注浆堵水方案(局部注浆或帷幕注浆)。

根据综合地质预报资料分析,掌子面前方存在高压富水区(水压力≥0.6MPa),且根据探孔资料验证,掌子面总涌水量大于10m³/h时,地下水排放可能对环境造成影响的地段或岩体破碎、夹泥严重、呈碎块状、判定全断面有突泥涌水可能的,采取超前帷幕注浆;根据地表出露泉眼水量监测和洞内地下水量观测结果分析,确认隧道开挖引起地表泉眼水量有明显的下降时,应立即采用超前周边或帷幕注浆堵水。

根据两臂凿岩台车的最大冲击功率、液压系统压力、回转扭矩等设备性能要求,在深度17m以内钻孔速度很快、功效最高,结合帷幕止浆墙(或岩盘)一般3~5m厚度要求,确定15m/循环的注浆单元。

1、工艺流程及措施

隧道地下水处理主要工艺流程(仅包括钻探及注浆):掌子面前方综合地质预报→地表水源和洞内地下水监测→研究确定地下水处理方案→地下水处理方案实施→注浆效果评价(局部补注浆)→开挖后径向补注浆处理→达到设计限量排放标准后结束。

⑴开展综合地质预报

根据施工设计图进行掌子面物探(TSP303、地质雷达、红外探水等)预报,采取超前水平钻孔和孔内成像技术进行验证。

⑵地表水源与出水量监测

按照监测方案开展地表水源监测和地下水量观测,分析径流关系和影响情况。

⑶确定地下水处理方案

①根据超前地质预报资料预测掌子面前方存在高压富水区(水压力≥0.6MPa),且根据探孔资料验证,掌子面总涌水量大于10m³/h时,地下水排放可能对环境造成影响的地段或岩体破碎、夹泥严重、呈碎块状、判定全断面有突泥涌水可能的,采取超前帷幕注浆;掌子面总涌水量小于10m³/h,但个别探测水孔出水量大于2m³/h时,则采取超前局部注浆。

②洞内探测有出水虽然达不到条件①的标准,但对地表出露泉眼的监测结果分析,隧道的开挖引起地表泉眼水量有明显的下降时,应立即采用超前帷幕注浆或开挖后径向注浆堵水。

③隧道开挖后、围岩较差,节理较发育,洞室周边漏水,渗水点较多,地下水排放可能对环境造成影响的地段,但水压力较小(水压力≤0.6MPa)或无水压,采用径向注浆措施对围岩予以加固堵水。

2、施工准备

⑴制浆站和灌浆方式

地下水处理施工采用“集中制浆,通过管路送至工作面,工作面配制所需比级浆液的方式”,采用“散装水泥制浆站为主,适当布置袋装水泥制浆站”的形式进行施工。

径向(局部)注浆采用“袋装水泥制浆站”,布置在洞内横通道、错车道等较宽位置,供浆距离不宜超过500m,同时要方便现场水泥装卸及制送浆且不影响现场交通(特殊情况可采用拌合站生产砂浆,罐车运到制浆站进行灌浆)。制浆站临近灰台布置,制浆站根据地下水处理工作面的灌浆情况进行设备配置和水泥储备,灰台面积初为54m2。为防止水泥受潮,洞内存在渗滴水时还应使用彩钢瓦对灰台进行防护。制浆站分别配置2台ZJ-400高速制浆机、2台2×200L低速搅拌机、2台3SNS送浆泵,采用DN25钢管送浆至洞内灌浆站。

帷幕注浆采用固定式“散装水泥制浆站” ,需在洞内边墙部位开挖专用注浆洞室,设置卧式自动制浆系统进行制浆,该系统需采用散装水泥进行施工。固定制浆站供浆距离不宜超过1km。

为了满足隧道断面和快速施工的要求,后期采用自行式载重启程或拖行式平板车进行灌浆站改装,以适应洞内工序频繁轮换的情况。根据地下水处理施工的特点,灌浆主要采用纯压式灌浆法,因此要尽量缩短灌浆管路,以防止浆液堵管。灌浆站内布置2台3SNS高压灌浆泵,1台HS-B8砂浆泵,3台2×200L低速双层搅拌机,1台800L储浆桶。

⑵钻孔供风、供水、供电方式

双臂凿岩台车自带空压机供风系统,不需要另外连接高压风管;施工用水可直接在隧洞主水管中取水;施工用电直接从洞内主电缆上搭接但必须通过配电箱。

⑶施工运输组织和通讯联络

洞外交通利用城镇街道道路和工区内道路作为设备、材料的运输道路,洞内交通与开挖交通一致。为保证洞内外通讯联络、缩短工序衔接时间,洞内建立移动机站后可随时与外界联系。

⑷施工排污处理方式

为满足施工期环保的要求,在工作面设沉淀池,沉淀池内侧用防水布(彩条布)进行防水处理,钻孔和灌浆过程中产生的废水汇集之后,使用污水泵抽排至洞外污水站处理达标后排放。

3、资源配置

⑴劳动力组织

4、钻孔施工

钻孔布置优化的主要思路是开挖断面内部的钻孔尽量优化,外围加固圈厚度内的钻孔不予优化。保山隧道平导和正洞帷幕注浆钻孔布置,见附图:

按照设计文件孔位布置图进行环状布置,孔位偏差不大于±5cm。若孔口段岩石完整则利用作为止浆岩盘,采用φ75mm施工至终孔。若孔口段岩石破碎,则应设置砼止浆墙,预埋φ89mm孔口管并安装法兰盘,法兰盘的作用是在后期若钻孔出水量较大时,能够方便快捷进行钻孔封闭并灌浆处理,孔口管镶铸完成并待凝12h后再进行φ75mm深孔段施工。钻孔顺序应按由下到上、由外到内、由远水源处向近水源处、间隔跳孔四个原则进行。

5、制浆材料

⑴浆液材料及浆液配比使用室内浆材试验推荐的浆液材料及配比。

⑵灌浆现场采用集中制浆站,输送至各灌浆机组,输送浆液流速为1.4~2.0m/s。

⑶拌制细水泥浆液和稳定浆液,应加入减水剂和采用高速搅拌机,高速搅拌机搅拌转速应大于1200r/min,搅拌时间应通过试验确定。细水泥浆液的搅拌从制备至用完的时间宜小于2h,纯水泥浆液采用高速搅拌机搅拌不少于30s;

6、灌浆施工

⑴灌浆材料根据要求选用具有结石强度高、可灌性好、抗渗透、抗腐蚀、无污染、耐久性好等特点水泥基灌浆材,一般采纯水泥或超细水泥浆,水灰比0.6:1~1:1。

⑵灌浆方法和顺序:超前注浆孔采用后退式注浆,必要时可采用前进式注浆。灌浆顺序要求:应按由下到上、由外到内、由远水源处向近水源处、间隔跳孔四个原则进行。

⑶灌浆机具及连接方法:灌浆泵:三缸高压灌浆泵;灌浆塞:首段灌浆采用机械塞或液压塞;其余孔段灌浆采用孔口封闭器或液压塞,即后退时注浆时采用液压塞、前进时注浆时采用孔口封闭器;记录仪:三参数自动灌浆记录仪;辅助机具:高压钢丝编织胶管、防震压力表。

⑷灌浆压力

根据类似工程施工经验,超前注浆压力=静水压力P水+1MPa,终压值为2~3倍静水压力,现场施工中应根据情况进行动态调整。

⑸浆液比级及浆液变换

普通水泥浆液采用1:1、0.8:1、0.6:1(重量比)三个比级,灌浆浆液由稀到浓逐级变换。封孔水泥浆液采用0.6:1一个比级。浆液比级可根据生产性灌浆试验结果进行适当调整。

⑹灌浆结束标准

单孔结束:注浆压力逐步升高至设计终压,并继续注浆10min以上;注浆结束时的进浆量小于20L/min;检查孔涌水量小于0.2L/m.min;检查孔钻取岩芯,浆液充填饱满。

全段结束标准:所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏浆现象;重点堵水段落注浆后涌水量小于1m³/m.d;一般堵水段落注浆后通水量小于5m³/m.d;浆液有效注入范围大于设计值;预测岩体经注浆后可在开挖后保证洞壁稳定。

7、施工要点

⑴每个孔段的注浆作业一般应连续进行到结束,不宜中断,应尽量避免因机械故障、停电、停水、器材等问题造成的被迫中断,对于因实行同歇注浆、制止串浆冒浆等而有意中断,应先将钻孔清理至原深度以后再行复注。

⑵钻进过程中通涌水或岩层破碎造成卡钻,应停止钻进,进行注浆,扫孔后再行钻进。

⑶注浆过程中,若压力突然升高,应停止注浆,检查后,再行注浆;

⑷注浆过程中,注意观察止浆岩盘的变形情况,准备好加固措施。

8、注浆效果评定

设计注浆效果评定方法釆用检查孔法,根据注浆量分布特征,以及注浆过程中揭示的工程地质和水文地质特点,并结合对P-Q-t(注浆压力-注浆速度-注浆时间)曲线分析,对可能存在的注浆薄弱环节设置检查孔,通过检查孔观察、取芯、注浆试验、渗透系数测定,从而对注浆效果进行评价。检查孔数量宜为钻孔数量的5~10%,且不小于3个,根据实际地质情况和注浆情况,检查孔数量应增加。

检查孔观察法:检查孔观察法是通过对检查孔进行观察,察看检查孔成孔是否完整,是否涌水、涌砂、涌泥,检查孔放置一段时间是否坍孔,是否产生涌水、涌砂、涌泥,通过观察,定性评定注浆效果。一般要求,经过注浆后,检查孔应完整,不得有股状流水,不得有涌砂,涌泥现场。检查孔放置1小时后,也不得发生上述现象,否则注浆难以达到良好的效果,应进行补注浆。

检查孔取芯法:对检查孔进行取芯,通过对检查孔取芯率、岩芯的完整性、岩芯强度试验等进行综合分析,判定注浆果。一般检查孔取芯率应达到70%以上,岩芯强度应达到0.3MPa以上。

检查孔P-Q-t曲线法:对检查孔进行注浆试验,检查孔P-Q-t曲线特征判断注浆效果。

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