采用HSC灌浆材料的超前预注浆施工方法与流程

本发明属于暗挖隧道加固技术领域，特别是涉及一种采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法。

背景技术

随着建筑行业的飞速发展，暗挖隧道施工的建设项目越来越多。超前预注浆加固技术作为隧道施工中的重要辅助方法，在防止隧道塌方、控制地表沉降、抑制地层位移等方面发挥了重大的作用。

在现有的暗挖隧道加固技术背景下，超前预注浆加固所用的注浆加固材料通常为单液水泥浆或水泥浆、水泥-水玻璃双液浆。由于单液水泥浆凝结的时间长且难以控制，因此冻水条件下结实率低，从而难以达到预期的注浆效果。水泥-水玻璃双液浆相较于单液水泥浆缩短了凝结时间，在冻水条件下容易控制，并且提高了结实率，是现在超前预注浆加固技术常用的注浆材料。但单液水泥浆和水泥浆、水泥-水玻璃双液浆在遇到需穿越地质断层或富含地下水时遭遇承压水引起的突水情况时，注浆效果不理想，由此给施工安全和施工进度带来严重的影响。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法。

为了达到上述目的，本发明提供的采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在暗挖隧道施工过程中遇到需穿越地质断层或富含地下水时遭遇承压水引起的突水情况时，首先由施工人员在暗挖隧道轮廓线内的掌子面上从外向内标记出多圈钻孔环；

2)在除最内圈钻孔环之外的每一钻孔环上标记出多个注浆孔的孔位；

3)根据自外向内、从下而上、隔孔标注、预留突水点附近孔的原则，在每一钻孔环中的多个孔位处分两序进行标注，然后按上述标注顺序利用全液压工程钻机进行钻孔而形成注浆孔；先对第一标注顺序的孔位进行钻孔而形成注浆孔，再对第二标注顺序的孔位进行钻孔而形成注浆孔，最后对突水点p附近的孔位进行钻孔而形成注浆孔；

4)在注浆开始前，用水和压缩空气对上述所有注浆孔进行冲洗；冲洗时将刚性塑料软管插入孔底，打开水和压缩空气，一边冲洗一边将刚性塑料软管缓慢拔出，将注浆孔内彻底清洗干净；如果钻孔过程中遇到有可能坍塌的区域、浸水或检测到注浆孔中渗水较大时，及时取消冲洗；如注浆是采用单一水灰比的浆料，可取消注浆前通常所需进行的简易常规压水试验，以缩短注浆工序的时间；

5)在每一注浆孔内安装一根孔口管，并且管口直径小于注浆孔的孔径，孔口管与注浆孔间的间隙采用孔口封闭材料封闭，用药卷锚固剂固定，待终凝后采用hsc注浆液低压注浆固定；

6)在每一根孔口管内插入一根注浆管；

7)安装注浆系统，按照hsc注浆液的流动顺序，所述的注浆系统包括：通过注浆管路依次相连的搅拌机、储浆桶、注浆泵、高压阀及压力表、孔口封闭器、减压阀和闸阀，并将注浆管路的注浆端口与注浆管外端相连接；

8)将hsc干粉与水按比例在搅拌机中混合均匀而配制成hsc注浆液，然后经注浆管路输送到储浆桶中并始终保持缓慢搅拌状态；之后由注浆泵通过注浆管路提供给注浆管而进行超前预注浆；超前预注浆采用自外向内、从下而上、隔孔注浆、预留突水点附近孔的原则，将同一圈钻孔环内的注浆孔分多序进行注浆，先对第一标注顺序的注浆孔进行注浆，再对第二标注顺序的注浆孔进行注浆，最后对突水点附近的注浆孔进行注浆；在设计的注浆压力下，当注入率小于预定数值时，持续注浆一段时间后结束；

9)注浆结束之后，从已开挖面开始对掌子面前方进行地质探孔测试，范围包括隧道依次性开挖范围及预留止水岩盘；如果探明前方地质灌注良好且已无承压水则停止注浆，拆除注浆系统并及时封孔。

在步骤3)中，最外圈钻孔环的注浆孔沿洞线外倾6.4°，孔距150cm，距洞壁开挖线40cm，距底板100cm；第二圈钻孔环的注浆孔沿洞线外倾2.6°，孔距240cm，与最外圈钻孔环间距150cm；最内圈钻孔环的注浆孔水平向。

在步骤8)中，对突水点p附近的注浆孔进行注浆时采用呈胶状的防渗帷幕型hsc注浆液材料，封堵具有0.5～1.0m/s流速动水的裂隙；其余注浆孔采用含水细砂型hsc注浆液，封堵微小缝隙。

在步骤8)中，所述的防渗帷幕型hsc注浆液的水灰比为0.6：1，注浆压力为1.5～2.5mpa；含水细砂型hsc注浆液的水灰比为0.8:1，注浆压力为2.0～4.0mpa。

在步骤9)中，所述的封孔方法是利用原注浆管注入水灰比为0.5：1的浓浆，采用1.0mpa的注浆压力，当注入率不大于1.0l/min时，延续注浆30min停止；注浆孔的外端口采用干硬性水泥砂浆封填密实，并压抹齐平。

本发明提供的采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法具有如下有益效果：

从根本上解决了暗挖隧道施工中的突水问题，能够确保施工全过程的安全性。相较已有技术的其他施工工法，施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，可提高施工效率，降低安全风险和施工成本，并且施工过程易于操作及控制。另外，hsc注浆材料结石率可达100％，抗压强度高达50mpa以上，具有止水效率高、凝结时间易于控制、强度高、对环境无毒、无害，对地层扰动小及能够堵漏动水的优点，因此能够大大缩短承压突水的处理时间，减少停工时间，提高了施工进度，对类似穿越断层的隧道施工工程有很强的借鉴意义。

附图说明

图1为采用本发明方法施工时钻孔环和钻孔设置状态示意图；

图2为采用本发明方法施工时孔口管和注浆管设置状态示意图；

图3为采用本发明方法施工时使用的注浆系统示意图；

图4为采用本发明方法施工时检查效果并封孔情况示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法进行详细说明。

如图1—图4所示，本发明提供的采用hsc灌浆材料的超前预注浆施工方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)在暗挖隧道施工过程中遇到需穿越地质断层或富含地下水时遭遇承压水引起的突水情况时，首先由施工人员在暗挖隧道轮廓线内的掌子面上从外向内标记出多圈钻孔环1-1－1-n，这些钻孔环的位置和数量需根据暗挖隧道的截面尺寸、围岩的地质情况、突水点p的位置和hsc注浆液的扩散半径等因素确定；其中最外圈的钻孔环1-1距洞壁开挖线距离、距底板开挖线的距离以及与第二圈钻孔环2-1的间距均需根据实际情况确定，最内圈钻孔环1-n设置于暗挖隧道轮廓线的中心。本发明的图1中只示出三环，根据现场实际情况亦可布置多环；

2)在除最内圈钻孔环1-n之外的每一钻孔环上标记出多个注浆孔2-1－2-n的孔位；注浆孔2-1－2-n的孔径及钻杆的方向、范围、位置、直径、间距需要根据施工方案、现场突水的实际情况、hsc注浆液的扩散半径而定；每一圈钻孔环中相邻注浆孔之间的间距均不得大于hsc注浆液的扩散半径，以避免漏注浆的情况发生；

3)根据自外向内、从下而上、隔孔标注、预留突水点附近孔的原则，在每一钻孔环中的多个孔位处分两序进行标注，然后按上述标注顺序利用全液压工程钻机进行钻孔而形成注浆孔2-1－2-n；如图1所示，先对第一标注顺序的孔位进行钻孔而形成注浆孔2-1，再对第二标注顺序的孔位进行钻孔而形成注浆孔2-2，最后对突水点p附近的孔位进行钻孔而形成注浆孔2-n。钻孔时，钻杆需与隧道纵向中心线呈一定角度进行钻进，每一钻孔环中注浆孔的角度需根据hsc注浆液的扩散范围、暗挖隧道轮廓线的尺寸确定，以确保注浆范围覆盖住暗挖隧道全断面。注浆区域的长度为暗挖隧道单次开挖长度和预留止水岩盘长度的总和；另外，实际孔位与标注孔位的偏差不得大于10cm，钻进过程中如发现偏斜需及时进行纠正。对钻孔过程中的异常情况(掉钻、涌水、涌砂等)进行记录分析并测定注浆孔中的涌水流量、涌水压力和静水压力，以此确定合适的注浆压力和调凝时间；

4)在注浆开始前，用水和压缩空气对上述所有注浆孔2-1－2-n进行冲洗。冲洗时将刚性塑料软管插入孔底，打开水和压缩空气，一边冲洗一边将刚性塑料软管缓慢拔出，将注浆孔内彻底清洗干净；如果钻孔过程中遇到有可能坍塌的区域、浸水或检测到注浆孔中渗水较大时，及时取消冲洗；如注浆是采用单一水灰比的浆料，可取消注浆前通常所需进行的简易常规压水试验，以缩短注浆工序的时间；

5)在每一注浆孔2-1－2-n内安装一根孔口管3，孔口管3的直径、栽设深度、壁厚、长度均需根据现场实际情况确定，并且管口直径小于注浆孔2-1－2-n的孔径，然后将孔口管3与注浆孔2-1－2-n间的间隙采用孔口封闭材料3-1封闭，用药卷锚固剂固定，待终凝后采用hsc注浆液低压注浆固定；

6)在每一根孔口管3内插入一根注浆管4，注浆管4的孔径、栽设深度、壁厚、长度均需根据现场实际情况确定；

7)安装如图2和图3所示的注浆系统5，按照hsc注浆液6的流动顺序，所述的注浆系统5包括：通过注浆管路依次相连的搅拌机5-1、储浆桶5-2、注浆泵5-3、高压阀及压力表5-4、孔口封闭器5-5、减压阀5-6和闸阀5-7，并将注浆管路的注浆端口与注浆管4外端相连接；

其中注浆泵5-3最大压力为12mpa、最大排量达200l/min；根据hsc注浆液6的特点，搅拌机5-1采用高速立式双筒储浆搅拌机，搅拌时间控制在要求之上。配制好的hsc注浆液6需始终保持缓慢搅拌状态。为满足大注浆量的需要，配备与搅拌机5-1相配套的大容量储浆桶5-2，储浆桶5-2自带搅拌功能；注浆管路须保证hsc注浆液6流动畅通，并能承受1.5倍的最大灌浆压力；使用压力宜在压力表5-4最大标称值的1/4～3/4之间。压力表5-4需要经常进行检查，不合格的和已损坏的压力表5-4杜绝使用。压力表5-4和注浆管路之间设有隔浆装置；孔口封闭器5-5具有良好的封闭和耐高压性能，在其使用的最大灌浆压力下能可靠地封闭住注浆管4，并且易于安装和拆卸。

8)将hsc干粉6-1与水6-2按比例在搅拌机5-1中混合均匀而配制成hsc注浆液6，然后经注浆管路输送到储浆桶5-2中并始终保持缓慢搅拌状态；之后由注浆泵5-3通过注浆管路提供给注浆管4而进行超前预注浆；超前预注浆采用自外向内、从下而上、隔孔注浆、预留突水点附近孔的原则，将同一圈钻孔环内的注浆孔分两序进行注浆，先对第一标注顺序的注浆孔2-1进行注浆，再对第二标注顺序的注浆孔2-2进行注浆，最后对突水点p附近的注浆孔2-n进行注浆；在设计的注浆压力下，当注入率小于预定数值时，持续注浆一段时间后结束；

对突水点p附近的注浆孔2-n进行注浆时采用呈胶状的防渗帷幕型hsc注浆液材料，封堵具有0.5～1.0m/s流速动水的裂隙，使破碎围岩形成整体；其余注浆孔采用含水细砂型hsc注浆液，该hsc注浆液的粒径为15μm左右，可深入152μm的微孔缝，且强度在普通水泥2倍以上，用于封堵微小缝隙，以逐步减小突水点p的出水量和水压，最终达到全断面系统阻水的目的。

9)注浆结束之后，从已开挖面7-1开始对掌子面前方进行地质探孔测试，范围包括隧道依次性开挖范围7-2及预留止水岩盘7-3；如果探明前方地质灌注良好且已无承压水则停止注浆，拆除注浆系统5并及时封孔。

某供水工程10#支洞控制主洞段上游洞顶埋深约190m，洞室围岩主要岩性为侏罗系小东沟组凝灰岩，青灰色，微风化，中硬岩，洞室围岩局部完整性差，节理面多平直光滑，微张，有岩屑和泥质充填，该处设计为ⅳ类围岩。埋深大约190米，根据地质剖面图显示此处位于沟谷带的边缘，此段为f42断层影响带，断层宽度大约50米，围岩为凝灰岩，完整性差，节理裂隙较发育，地下水呈渗水～涌水状态。根据施工方案，需施工超前探孔，作业人员在左、右两侧起拱线、拱顶各打一个超前探。施工时钻孔孔径φ42，左侧及拱顶探孔钻至2.5米，右铡钻杆钻至1.5米时，掌子面右侧边墙3米位置出现一处承压水，喷出约30米远，现场立即停工。

根据突水情况，鉴于承压水压力大，普通止水固结灌浆方法很难进行处理，经研究决定采用本发明方法进行全断面、全封闭的超前预注浆处理。所采用的hsc超细水泥注浆材料分为两种，一种为防渗帷幕型hsc注浆材料，另一种为含水细砂型hsc注浆材料，其中静水中采用后者，动水中采用前者。

根据突水情况，超前预注浆共设置3圈钻孔环，总计22个注浆孔，从外向内每圈钻孔环的孔数依次为16、5、1。其中最外圈钻孔环的注浆孔沿洞线外倾6.4°，孔距150cm，距洞壁开挖线40cm，距底板100cm；第二圈钻孔环的注浆孔沿洞线外倾2.6°，孔距240cm，与最外圈钻孔环间距150cm；第三圈钻孔环的注浆孔水平向。注浆顺序如下：第一标注顺序的注浆孔，第二标注顺序的注浆孔，最后突水点附近的注浆孔。超前预注浆范围为：长度30m，开挖25m，预留5m止浆岩盘。防渗帷幕型hsc注浆液的水灰比为0.6：1(重量比)；含水细砂型hsc注浆液的水灰比为0.8:1(重量比)。另外，根据现场实测外水压力1.0mpa，防渗帷幕型hsc注浆液的注浆压力按经验一般为1.5～2.5mpa。含水细砂型hsc注浆液的注浆压力一般为2.0～4.0mpa；注浆结束后，应排除注浆孔内的积水和污物，采用“全孔注浆封孔法”封孔，方法是利用原注浆管注入水灰比为0.5：1的浓浆，采用1.0mpa的注浆压力，当注入率不大于1.0l/min时，延续注浆30min停止。注浆孔的外端口采用干硬性水泥砂浆封填密实，并压抹齐平。

利用本发明方法施工后，随着钻孔工程量的增加，突水量逐渐减少，至注浆结束后已无渗水流出，后经建设单位、勘察设计单位和监理单位共同评估，达到恢复钻爆开挖条件，并于次日恢复主洞隧道开挖施工。工期延误缩短至少3个月以上，并在其他类似项目进行技术推广，取得了良好的效果。