注浆圈施工方法及环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，尤其是一种注浆圈施工方法及环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法。


背景技术：

2.在深埋特长隧道施工中，当隧道穿越环境敏感区时，由于隧道埋深大，地下储水空间大，导致掌子面涌出的地下水具有水头高、水压大的特点，存在较高的涌突水风险；当掌子面出现涌突水现象时，不仅会造成工期延误、设备损失和人员的施工风险，而且由于地下水过量排出导致对环境敏感区的水文地质环境造成一定的负面影响，甚至会导致地下水环境的破坏与地表植被缺水死亡。
3.因此，在深埋隧道施工过程中，当隧道穿越敏感环境区的涌突水段时，常采用“以堵为主，控制排放”的方式，防止地下水过量流失。目前，常采用在掌子面拱顶内施工注浆圈以对地下水进行封堵，而注浆圈的厚度决定了流入隧道的水量。虽然在勘察设计阶段会对注浆圈的结构及厚度进行针对性的设计，但是由于地质体的复杂性和岩体的非均匀性，在实际施工时，涌突水段的具体位置，涌突水特性和地下水压力均会与原设计有较大出入，因此，在施工时还需要重新根据实际情况确定注浆圈的厚度。
4.现阶段的研究主要集中在基于流固耦合的注浆封堵效果的研究，而缺乏对注浆圈在高水压稳定性的研究，也缺乏对注浆圈需要厚度的确定依据。虽然增加注浆圈厚度能够减少流入隧道的水量，但若过量增加注浆圈的厚度，不仅会造成注浆成本过高，增加施工成本，而且降低施工效率，延长施工工期。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种注浆圈施工方法及环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法，获得注浆圈需要厚度的确定依据，使得隧道涌突水段的处治更具针对性。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：注浆圈施工方法，包括如下步骤：获取掌子面地下水的水头高度；按照第一钻孔方式在掌子面拱顶沿隧道延伸方向钻孔、并注浆以形成注浆圈；所述注浆圈的安全厚度按照公式(1)确定；
[0007][0008]
其中，δ为注浆圈的安全厚度，单位是m；k为安全系数；r为注浆圈的内半径，单位是m；c为注浆圈的凝聚力，单位是kpa；为注浆圈的内摩擦角，单位是
°
；ρ为地下水的密度，单位是kg/m3；g为重力加速度，单位是m/s2；h为掌子面地下水的水头高度，单位是m。
[0009]
进一步的，掌子面地下水的水头高度的获取方法，包括如下步骤：在掌子面前方进行超前钻孔，揭示出地下水涌出，测量涌出水流量；根据公式(2)计算掌子面地下水的水头高度；
[0010][0011]
其中，h为掌子面地下水的水头高度，单位是m；d为超前钻孔的孔径，单位是m；q为涌出水流量，单位是m3/s；g为重力加速度，单位是m/s2。
[0012]
环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法，包括如下步骤：在掌子面处修建紧贴掌子面的隔水岩墙；按照注浆圈施工方法在掌子面拱顶前方施工注浆圈；按照第二钻孔方式在掌子面前方拟开挖超前导洞的位置钻孔、并注浆，待注浆体力学性能满足要求后开挖超前导洞；在超前导洞内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆，然后完成超前导洞以外区域的开挖。
[0013]
进一步的，在超前导洞内沿隧道径向钻孔时，上部钻孔应深入拱顶至少5m，下部钻孔应深入仰拱3～4m。
[0014]
进一步的，超前导洞分段开挖；每段超前导洞开挖完成后，在该段超前导洞内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆；其中，下一段超前导洞开挖完成后，再完成上一段超前导洞以外区域的开挖。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
本发明实施例提供的注浆圈施工方法，可根据掌子面地下水的水头高度确定注浆圈的安全厚度，为注浆圈需要厚度提供理论依据，避免过量增加注浆圈的厚度，进而降低施工成本，提高施工效率。
[0017]
本发明实施例提供的环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法，不仅可防止地下水的流失对环境敏感区的水文地质环境造成负面影响，而且为注浆圈需要厚度提供理论依据，避免过量增加注浆圈的厚度，进而降低施工成本，提高施工效率，使得隧道涌突水段的处治更具针对性。
附图说明
[0018]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍；显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]
图1是隧道掌子面的横断面图；
[0020]
图2是隧道掌子面的主要纵断面图；
[0021]
图3是在掌子面上超前钻孔以获取地下水的水头高度时的状态图。
[0022]
图中附图标记为：1-注浆圈，2-掌子面，3-隔水岩墙，4-超前导洞。
具体实施方式
[0023]
为了使本领域的人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0024]
本发明实施例提供的注浆圈施工方法，包括如下步骤：获取掌子面地下水的水头高度；按照第一钻孔方式在掌子面拱顶沿隧道延伸方向钻孔、并注浆以形成注浆圈；所述注
浆圈的安全厚度按照公式(1)确定；
[0025][0026]
其中，δ为注浆圈的安全厚度，单位是m；k为安全系数；r为注浆圈的内半径，单位是m；c为注浆圈的凝聚力，单位是kpa；为注浆圈的内摩擦角，单位是
°
；ρ为地下水的密度，单位是kg/m3；g为重力加速度，单位是m/s2；h为掌子面地下水的水头高度，单位是m。
[0027]
所述注浆圈1是在掌子面拱顶沿隧道延伸方向钻若干个整体呈环状布置的孔并在每个孔内注浆后而形成的注浆体，其钻孔方式决定了注浆圈1的力学性能。亦即，在注浆圈施工时，不同的钻孔方式，对应注浆圈1的力学性能各不相同。本实施例中，按照第一钻孔方式钻孔并注浆以形成注浆圈1，凝固后通过对注浆体取样并进行力学试验，就可获得注浆圈1的凝聚力和内摩擦角。所述第一钻孔方式主要包括钻孔直径、钻孔长度、钻孔角度、相邻钻孔间距等，其具体数据可根据实际情况进行调整，在此不做具体的限定。所述注浆圈1的内半径可以在设计时直接确定；例如，注浆圈1的内半径可以等于隧道的半径，也可以大于隧道的半径。k为安全系数，一般取值为1.3～1.5。
[0028]
将隧道的注浆圈1假定为一个环形弹性圈，根据弹性理论，可以得出注浆圈1的最不利位置位于注浆圈1的内圈，则注浆圈1的内圈在地下水压力作用下的应力为：
[0029][0030]
σ3＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
其中，σ1为最大主应力，单位是kpa；r为注浆圈的内半径，单位是m；δ
′
为注浆圈的计算厚度，单位是m；f为掌子面地下水的压力，单位是kpa；σ3为最小主应力，单位是kpa。
[0032]
当注浆圈1的外圈最不利点处于极限平衡时，由mohr-coulomb准则的直线表达式，满足如公式(5)时，则注浆圈1的内圈处于极限状态。
[0033][0034]
其中，c为注浆圈的凝聚力，单位是kpa；为注浆圈的内摩擦角，单位是
°
。
[0035]
将公式(3)、(4)代入公式(5)中，可得：
[0036][0037]
注浆圈1的计算厚度δ
′
为在地下水压力f作用下的极限厚度，则注浆圈1的安全厚度δ＝kδ
′
。将掌子面地下水的压力f转换为掌子面地下水的水头高度h的表达式：f＝0.001ρgh；其中，ρ为地下水的密度，单位是kg/m3；g为重力加速度，单位是m/s2；h为掌子面地下水的水头高度，单位是m；则可得注浆圈1的安全厚度为：
[0038][0039]
为了计算方便，取ρ＝1000kg/m3，g＝10m/s2，则公式(1)可以简化为：
[0040][0041]
本发明实施例提供的注浆圈施工方法，可根据掌子面地下水的水头高度确定注浆
圈的安全厚度，为注浆圈需要厚度提供理论依据，在保证安全的情况下，避免过量增加注浆圈的厚度，进而降低施工成本，提高施工效率。
[0042]
掌子面地下水的水头高度可以采用现有的方法获取，例如，申请公布号为cn113269714a中公开的方法；本发明实施例中提供了另一种方法来获取掌子面地下水的水头高度。
[0043]
本发明实施例提供了一种掌子面地下水的水头高度的获取方法，包括如下步骤：参见图3，在掌子面2前方进行超前钻孔，揭示出地下水涌出，测量涌出水流量；根据公式(2)计算掌子面地下水的水头高度；
[0044][0045]
其中，h为掌子面地下水的水头高度，单位是m；d为超前钻孔的孔径，单位是m；q为涌出水流量，单位是m3/s；g为重力加速度，单位是m/s2。
[0046]
参见图3，在掌子面超前钻孔后，地下水从该超前钻孔中涌出；其中，超前钻孔内单位长的水柱在高水头压力的作用下，获得的水头压力为：
[0047]
f＝γha
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0048]
其中，f为水头压力，单位是kn；γ为地下水的容重，单位是kn/m3；h为掌子面地下水的水头高度，单位是m；a为超前钻孔的横截面积，单位是m2。
[0049]
超前钻孔内的水柱在长度l范围内从静止获得速度v,根据动能定律可得：
[0050][0051]
其中，v为水柱从超前钻孔内涌出的速度，单位是m/s；m为超前钻孔内水柱的质量，单位是kg；l为超前钻孔的长度，单位是m。
[0052]
根据公式(8)、(9)可得：
[0053][0054]
超前钻孔内涌出水的体积为v＝qt＝vat；其中，q为涌出水流量，单位是m3/s；t为时间，单位是s；结合公式(10)可得如下公式：
[0055][0056]
其中，m＝ρal，γ＝ρg，a＝πd2/4，则公式(11)可以转化为：
[0057][0058]
为了方便计算，取g＝10m/s2，π＝3.14，则公式(2)可以简化为：
[0059][0060]
本发明实施例提供的注浆圈施工方法，只需在掌子面2前方进行超前钻孔以揭示出地下水涌出，利用管道式流量计等工具现场测量涌出水流量，然后就可通过公式(2)快速、准确的计算出掌子面地下水的水头高度。
[0061]
实施例：
[0062]
隧道洞身半径4.5m，设定注浆圈1的内半径等于隧道洞身半径，在施工注浆圈之
前，在掌子面2前方进行超前钻孔，超前钻孔的孔径d＝0.08m，在钻进3m时由地下水呈柱状从掌子面2射出，然后利用管道式流量计测得涌出水流量q＝0.1m3/s；取g＝10m/s2，π＝3.14，则可根据公式(2)计算得到掌子面地下水的水头高度为：
[0063]
隧道涌水段为断层破碎带，岩体极破碎，呈碎裂～碎粉状，由于位于自然保护区，为环境敏感区，采用注浆封堵方式穿越涌突水段，采用公式(1)确定注浆圈的厚度；具体的，先按照第一钻孔方式在掌子面拱顶钻孔并注浆，待注浆体凝固后取样测得试验结果为：c＝120kpa，其中，k＝1.3，ρ＝1000kg/m3；则根据公式(1)计算得到注浆圈的安全厚度为：然后继续按照第一钻孔方式在掌子面拱顶钻孔并注浆，直至注浆圈1的厚度满足4.55m的要求。
[0064]
参见图1、图2，本发明实施例提供的一种环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法，包括如下步骤：在掌子面2处修建紧贴掌子面2的隔水岩墙3；在隔水岩墙3能保障掌子面2稳定性的基础上，按照上述注浆圈施工方法在掌子面2拱顶前方施工注浆圈1；按照第二钻孔方式在掌子面前方拟开挖超前导洞4的位置钻孔、并注浆，待注浆体力学性能满足要求后开挖超前导洞4；再进行导洞开挖；在超前导洞4内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆，然后完成超前导洞4以外区域的开挖。其中，在超前导洞4内沿隧道径向钻孔时，上部钻孔应深入拱顶至少5m，下部钻孔应深入仰拱3～4m。
[0065]
在掌子面前方拟开挖超前导洞4的位置钻孔，其钻孔方式决定了注浆后形成的注浆体的力学性能。亦即，不同的钻孔方式，对应注浆体的力学性能各不相同。本实施例中，按照第二钻孔方式在掌子面前方拟开挖超前导洞4的位置钻孔、并注浆，然后通过对注浆体取样并进行压水试验，当试验结果的透水率≤2lu，抗压强度＞1mpa时，则表明注浆体的力学性能满足要求。所述第二钻孔方式主要包括钻孔直径、钻孔长度、钻孔角度、相邻钻孔间距等，其具体数据可根据实际情况进行调整，在此不做具体的限定。本实施例中，所述超前导洞4的直径为3～4m。
[0066]
为进一步提高施工的安全性，优选的，超前导洞4分段开挖；每段超前导洞4开挖完成后，就在该段超前导洞4内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆；其中，在下一段超前导洞开挖完成后，再完成上一段超前导洞以外区域的开挖。
[0067]
例如，参见图2，超前导洞4分为三段开挖；先开挖
①
区的超前导洞4，该段开挖完成后在
①
区内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆；然后开挖
②
区的超前导洞4，该段开挖完成后在
②
区内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆；然后开挖
③
区，即
①
区超前导洞4以外的其余区域的开挖；然后开挖
④
区的超前导洞4，该段开挖完成后在
④
区内沿隧道径向进行环状钻孔并注浆；然后开挖
⑤
区，即
②
区超前导洞4以外的其余区域的开挖。
[0068]
本发明实施例提供的环境敏感区深埋隧道涌突水段施工方法，不仅可防止地下水的流失对环境敏感区的水文地质环境造成负面影响，而且为注浆圈需要厚度提供理论依据，避免过量增加注浆圈的厚度，进而降低施工成本，提高施工效率，使得隧道涌突水段的处治更具针对性。
[0069]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。