燕子窝断层总结

大柱山隧道进口平导燕子窝断层施工总结截止2011年6月19日，大柱山隧道进口平导燕子窝断层先后分别采用前进式分段注浆、水平旋喷桩及一次性成孔分段高压注浆施工方案加固后已从PDK111+839开挖至PDK111+921，完成了82m的注浆加固及开挖支护施工。现将施工过程中的经验、教训及最终方案的选择总结如下。一、燕子窝断层概况及突泥涌水情况1、设计概况：燕子窝断层及影响带，原设计平导方向长度80米，围岩级别V级，隧道埋深约450米，突涌水等级为Ⅲ级（中危险区）。燕子窝断层设计为正断层，断裂破碎带宽约40m，呈角砾状。断裂走向N25°W，倾向NE，倾角陡，横贯测区，北端进入澜沧江后与五里哨断层相交。断裂附近岩层产状紊乱，牵引褶曲，小断裂极发育。2、突泥涌水情况：1）、原平导进口PDK111+860突泥涌水2009年8月5日上午，平导施工至PDK110＋860时,PDK111+857左侧拱部发生突泥涌水，最终稳定时涌出物约5300m3(含水流带走断层泥砂)；涌出物以断层角砾为主，夹杂断层泥、断层砂及孤石；平均涌水量约950m3/h，最大12180m3/h。突泥涌水后地表水未发现有明显的变化。本次突泥后经四方确定在平导右侧以迂回导坑方式通过燕子窝断层，原平导作为排水泄压通道。2）、迂回导坑突泥涌水（1）第一次迂回导坑突泥涌水2009年10月19日晚8时20分掌子面YHK0+092右侧上拱部发生突泥涌水，稳定后涌出物约600m3；涌出物构成同原平导；涌水量最大时为5600m3/h，稳定后平导总水量约500～600m3/h，迂回导坑水量约160～300m3/h之间变化。本次突泥后四方确定在对泥砂堆积物进行封闭固结后进行超前大管棚施工。（2）第二次迂回导坑突泥涌水2010年1月2日下午19：10分，迂回导坑YHK0+083处突然发生突泥涌水，稳定后涌出物约1600m3；涌出物构成同原平导；涌水量最大时约7500m3/h，稳定后迂回导坑涌水量约300m3/h，原平导水量约180m3/h，迂回导坑及平导总水量约450～500m3/h。迂回导坑发生了两次突泥涌水，由于断层已经被严重扰动，迂回导坑水量在300~400m3/h，从迂回导坑过断层的难度相对较大，而原平导在放置近5个月后，水量一直稳定在160~180m3/h，断层物质经过沉积后相对稳定，最终采取了以迂回导坑作为排水泄压通道，从原平导通过的总体方案。3、燕子窝断层特点根据断层设计情况、突泥涌水及目前已施工PDK111+839-+921段落可发现断层具有以下特点：1）、该断层属于特长断层根据PDK111+900处施工的超强水平钻地质预报，钻孔钻至PDK111+937.5处仍有断层泥砂从孔内流出，可确定燕子窝断层及其影响带跨度不少于110m；2）、该断层为高压富水断层，且水路复杂。（1）水量：该断层设计情况为张性正断层，且位于灰岩岩溶区域，其性质本身就决定其为富水断层；且从突泥涌水后水量看，突泥涌水时最大涌水量达到12180m3/h，三次突泥涌水后至今水量有所衰减，但衰减后整个平导水量仍稳定在400m3/h，其中迂回导坑约150m3/h，平导与迂回导坑交叉口平导水量为150m3/h，平导其它区域100m3/h；同时在注浆钻孔过程中，单孔(Φ115)涌水量可达到36m3/h。（2）水压：根据断层设计情况，隧道埋深450m，属于深埋隧道；平导揭穿断层时水压较大，且迂回导坑第二次突泥涌水直接原因就是采用全封闭注浆后水压极大；由于将迂回导坑作为排水泄压通道，在平导注浆施工过程中水压表测得流出水压力最小为0.2MPa，最大0.4Mpa，测得稳定后注浆孔内静水压力为0.5MPa。（3）水路：根据开挖揭示断层情况，断层内水路纵横交错，水路极其复杂。综上可知该断层为高压富水断层，且水路复杂。3）、该断层地层性质极其复杂(1)、断层交界面：根据已施工断层揭示情况，断层交界面大致和线路走向大致呈51°。根据钻孔情况，断层交界面参差不齐，犬牙交错，并有一个范围，该范围有坑穴，孤石，颗粒状物夹杂泥砂，情况非常复杂。(2)断层充填物：根据三次突泥及已施工段落揭示断层情况，断层核心区域为中粗砂，并充填断层泥；其它区域以断层角砾为主，夹杂断层泥、断层砂及孤石，且角砾为全风化，遇水后手捏即成泥状；同时填充物在掌子面前方的分布也毫无规律，钻孔过程中时在左侧拱部出现大量泥砂，时在右侧边墙出现，变幻莫测，极其复杂。(3)断层充填物自稳性：断层充填物遇水后毫无稳定性可言，不进行注浆加固处理马上就可突涌；在注浆钻孔过程中，单孔(Φ115)流出泥砂量最大达20余方。综上所述，燕子窝断层长度之长、水量之大、水压之高、地层之复杂在国内外钻爆法施工隧道中实属罕见，施工处理该断层更无先例可循，这就导致在施工处理该断层需经历一段摸索总结施工过程。二、燕子窝断层施工处理过程在四方最终确定迂回导坑作为泄水降压通道，从原平导通过燕子窝断层的总体方案后，为确保安全快速通过燕子窝断层同时鉴于断层之复杂性，我部分别邀请我公司、水利部、煤炭部、武警水电等隧道施工专家前来指导，并先后与中铁瑞威、北京首尔、武汉昌辉、江苏苏龙、煤科院西安分院、北京旺雷宏等专业注浆公司进行多次断层方案研讨，在经历常规前进式分段注浆、超前大管棚配合水平旋喷桩及注浆、一次性成孔分段高压注浆三种施工方案的实践和探索，最终选择一次性成孔分段高压注浆施工方案通过燕子窝断层。现将其过程叙述如下：1、常规前进式分段注浆2010年2月6日开始对PDK111+840-PDK+850段堆积体固结加固采用常规前进式分段注浆，注浆压力在1～5Mpa，浆液采用纯水泥浆液或水泥水玻璃浆液（水大时封堵水路）。当水量较大成孔困难时采用前进式分段注浆，水量较小时采用全孔一次性孔口压入式注浆。但该方法存在以下缺点：1、注浆压力小：由于断层充填物主要为角砾、中粗砂并夹杂孤石和断层泥，天然级配非常好，和水形成一种饱和体，常规注浆压力（1-5Mpa）很难将浆液渗透至岩层间。2、进度不可控：由于前进式注浆需在同一个孔内反复钻孔注浆且注浆完成后孔内浆液需初凝后方可进行下一次钻孔施工，这直接导致其工效极低，在对PDK111+840-PDK+850段堆积体注浆施工的25孔共用时2个月17天。这仅仅是堆积体，后期时间更无法预计，进度不可控。3、注浆效果不可控：每个孔的注浆效果既不可知，也无法预计，也无法控制。在注浆完成后进行钻孔验证时仅PDK111+840-+845段注浆效果较好，只够止浆墙厚度，无法进行下一步开挖施工。该施工方案共钻孔25孔，注浆用水泥299.5吨，鉴于以上缺点，决定自2010年4月27日开始采用水平旋喷桩施工方案通过燕子窝断层。2、水平旋喷桩+管棚+注浆的施工方案自2010年4月27日开始采用水平旋喷桩施工方案通过燕子窝断层，共施工了两个循环,其中第一循环为PDK111+840-+852堆积体共12m,第二循环为PDK111+852-+864共12m。该工艺是采用水平定向钻机先打设预导孔，预导孔打设到设计长度后旋转回撤钻杆，在回撤钻杆的同时，用35MPa的压力，将配制好的水泥浆液（水灰比1:1）通过钻杆喷射到土体中。喷射流以巨大的冲击力切削土体,强制土体颗粒与水泥浆液搅拌混合，在胶结硬化后,形成水平圆柱状水泥土固结体,即水平旋喷桩。桩体之间相互啮合，在隧道拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体。水平旋喷方案就是利用该工艺在开挖轮廓外围形成一个封闭的拱圈，并通过超前管棚的加强，形成超前护拱支护，掌子面正前方通过水平定喷形成5～8米厚度的止浆岩盘，确保开挖时掌子面不被突破。在施工过程中不断总结形成了水平旋喷桩+管棚+注浆的总体方案，虽然该方案加固效果基本能够保证但也存在如下缺点：1）、孔内有水时成桩效果差：由于其方式是在回撤钻杆的同时，用35MPa的压力，将配制好的水泥浆液（水灰比1:1）通过钻杆喷射到土体中，孔口无法封闭，当孔内水量大时，水将水泥浆带出，无法成桩；水少时，成桩效果差。2）、水泥浆损耗大：同样也是因为孔口无法封闭，孔口返浆量极大且由于含有泥砂无法重复利用，导致浪费极大。3）、机械故障率大：由于是用35Mpa的压力切割岩体，在遇到孤石且带水作业，反作用力作用在钻杆上，经常出现瞬间卡钻、抱钻，导致钻机损坏严重；同时当遇到断层泥砂时，喷射浆液喷孔经常性堵塞；且维修清理时间极长。4）、施工周期长：由于以上各种原因直接导致其作用循环时间长，自2010，年4月27日至2010年12月2日仅完成PDK111+840-+864段19米两个循环的注浆加固和PDK111+840-+859的开挖施工。该方案两循环共钻孔228个，共注浆741.95吨，鉴于以上缺点，经过四方及专家的再论证再分析，决定下一步采用一次性成孔分段分段高压注浆施工方案。3、一次性成孔分段高压注浆施工方案经过前两次施工方案的总结，我们发现断层处理主要是解决断层内水的问题，只有将断层开挖断面的水封堵在开挖轮廓线5-6米以外并引排泄掉水压，辅助压注水泥浆液将断层进行固结，才能确保安全渡过断层。此前进行的常规注浆方案和水平高压旋喷注浆都未能完全解决堵水的问题。而该方案通过“控制浆液能顶水上行的水泥灌浆堵漏工艺”（专利号：ZL02159189），一次成孔，分段高压注浆，边排水、边注浆保证了浆液的有效扩散和固结挤密。其压力最大可达到20Mpa。纯水泥浆液占浆液的90%～95%，化学液占浆液的5%～10%。能有效将水封堵在开挖轮廓以外。自2010年12月3日至2011年6月3日采用该方案已完成了PDK111+859-PDK111+921段62米的注浆加固和开挖支护施工。根据开挖揭示的加固岩体情况，发现该方案有以下优点：1）、技术创新方面：该注浆方案压力可以逐步提高，加固范围也可以逐步扩大，由于是一次成孔，解决了前进式分段注浆反复钻孔工效低的问题，也解决了后退式注浆在松软地层浆液绕过止浆塞造成浪费的问题。2）、材料方面：该方案的注浆材料90%～95%采用普通水泥浆液，5%～10%采用化学浆液，该混合浆液可以在控制下集中向迎水面扩散，并具有不被水稀释的特性。3）、注浆压力及效果：在注浆时按照预定的孔位有计划的进行I序孔注浆II序孔排水（I序孔和II序孔各由一系列孔组成，交错布置），同时由于其封闭注浆压力最大可达到20MPa，保证浆液有效进入地层，注浆孔注浆时既起到了注浆固结的作用，同时作为排水孔时也起到了挤密地层的作用。4）、适应性：该方案可适用任何需注浆加固地层。5）、操作性：因其钻孔设备较小，所需操作平台简单（脚手架即可），目前平导开挖半径3.73的圆形断面可上下同时放置四台钻机同时进行操作。且在注浆加固和开挖转换的时间只需1天的时间；同时因其设备简单，操作维修方便快速。6）、堵水效果：注浆加固后加固范围内只有少量渗水点。7）、施工进度：该注浆方案每天（24小时两班）可完成16-28个孔（每个孔长约10-25m），极复杂地层每个循环需施工约200-260个孔，注浆加固时间每循环10-15天（含开挖过程中空白区域的补强注浆）。基本上每月在极复杂地层可保证注浆加固和开挖支护完成10m，其它地层约15-25m。8）、加固后围岩稳定性：a、可确保开挖轮廓线外6m范围内围岩稳定；b、由于其注浆采用钢管，大量的长短不一、插入角度不同的钢管对掌子面具有群锚的作用，对稳固掌子面有很强的稳定作用。无论是从开挖轮廓线外还是掌子面前方均无法发生突涌，确保了绝对的施工安全。9）、该方案注浆施工过程中对掌子面进行浅表加固形成止浆墙，无需施工砼止浆墙。该方案也存在以下缺点：1）、由于注浆用钢管无法重复使用，导致注浆成本较高。2）、由于受掌子面注浆孔布孔数量和注浆孔角度影响，注浆加固存在一定的空白区域，在开挖过程中需补强注浆（其它方案也存在）。总之，在处理燕子窝断层这种超长高压富水且地层复杂断层时，一次性成孔分段高压注浆施工方案是确保安全快速通过断层的有效施工方案。三、燕子窝断层施工总结处理燕子窝断层在经历常规前进式分段注浆、超前大管棚配合水平旋喷桩及注浆、一次性成孔分段高压注浆三