超前探测及预注浆技术在巷道工程中的应用.pdf

． 第 2期 2 0 1 0年 6月 非开挖技术 Tr e nc hl e s s Te c hno l o g y No ． 2 J u n e ． 。 2 0 1 0 7 超前探测及预注浆技术在巷道工程中的应用 柴霞冯小冬 山东正元建设工程有限责任公司， 济南2 5 0 1 0 1 摘 要 本文结合巷道过断层的实例， 总结了断层破碎带等不良地质体超前探测和断层破碎带宽度较 大、 坍塌、 涌泥、 涌水严重情况下的预注浆加固堵水， 通过调整注浆参数、 改变注浆顺序、 调整注浆浓度和控 制注浆压力等方法， 可使预注浆加固取得更好的效果。 关键词 超前探测、 地质雷达、 预注浆、 破碎带加固 1 引言 同 行， 以 起 抛砖引 玉 之效。 随着我国经济实力的增强 ， 资源需求和基础设 施建设正以突飞猛进的速度增长 ， 在地下资源开采 及基础设施建设 中地下 围岩洞室挖掘逐渐增多 如 矿山巷道 、 铁路 、 公路 、 地铁隧洞和水电工程的导流 洞等 。地下洞室开挖常常通过断裂破碎带、 天然洞 室堆积区及岩溶等不 良地质体 ， 处理不好易造成洞 室涌水、 涌泥、 冒落等事故发生 ， 轻者影响工程进 度， 重者给国家和人民生命财产带来巨大损失。因 此地下洞室掘进 中对不 良地质体 的超前探测 和治 理显得愈发重要 ， 科学技术 的发展 ， 促进 了超前探 测和预加固技术的飞速发展 ， 对减少地下洞室掘进 中地质灾害的发生起到较大作用 ， 为解决该类问题 指明了方向。 目前常用的超前探测方法为 地震波 预报 T S P法 、地质雷达法 G P R 、顺变 电磁法 T E M 等 ； 加固方法 主要 为钻孔超前 预注浆 ， 加 固 材料多为水泥浆液 、 化学浆液或其他复合材料。 1 9 9 9年一2 0 0 O年我公司应用超前探测 和超前 预 注 浆 技 术 成 功 地 解 决 了 山东 某 金 矿 一 3 7 5 m、 一 4 2 0 m中段采矿巷道穿越 F 3断裂破碎带 问题 ， 杜 绝了巷道涌水、 涌泥和顶板冒落的发生， 使矿山生 产得以顺利进行。实践证明该方法技术可靠、 经济 合理、 施工可行、 效果显著。 下面就我公司在山东某 金矿采矿巷道的围岩破碎 带加固情况介 绍给国内 2 地质雷达超前探测 注浆工作开始之前， 应首先确定注浆掌子面的 位置 ， 由于受断层破碎带影 响 ， 两侧岩石节理裂隙 比较发育。若注浆掌子面距断层破碎带太近 ， 一则 裂隙发育漏水漏浆严重， 不仅影响注浆效果还增加 注浆难度及费用 ， 二则 由于水压太大 ， 距断层破碎 带太近易造成掌子面失稳 ， 造成安全事故； 若注浆 掌子面距断层破碎带太远， 一则增加工程量造成费 用增加， 二则增加施工难度。根据我们多年的工作 经验 ，注浆掌子面距断层破碎带 1 0米左右最为适 宜。 为此 ， 在巷道掘进过程中， 提前探测巷道掘进前 方断层破碎带的空间位置十分必要 ， 实践地质雷达 探测效果较佳。 地质雷达是利用电磁波对不可见不良地质体 进行扫描 ，以确定其 内部形态和位置 的电磁技术 。 其理论基础为高频电磁波理论 ， 利用高频 电磁波 以 宽频带短脉冲形式 由探测掌子 面通过发射天线送 人探测前方 ， 经前方不连续体或目标体反射后返回 探测掌子面为接收天线所接收 ，其探测原理如图 1 所示。 雷达图像的解释的基础是电磁波的传播和反 射特性， 因此主要是通过找寻反射界面来判断得出 目的体的几何形状和物理特征； 介质的电性质差异 作者简介 柴 霞 女， 山东临邑人， 1 9 8 0年 1 1月出生， 学士学位， 助理工程师， 毕业后一直从事岩土工程工作。 冯小冬 男， 山东郯城人， 1 9 7 7年 7月出生， 学士学位， 工程师， 毕业后一直从事岩土工程工作。 8 非开挖技术T r e n c h l e s s T e c h n o l o g y 2 0 1 0 年 6月 图 1 地质 雷达 探 测 原 理 示 意 图 比如， 破碎带、 裂隙、 含水层等解译 和物性差异成 为衡量地质雷达适用与否的主要标准 ， 介质问的物 性差异越大 ， 二者间的界面越易于分辨 。如果介质 的介电常数 是已知的话 ， 根据公式 v c | 式中 C k m ／ s 为电磁波在真空中的传播速度 ， 可以得到电磁波在介质中的传播速度 V k m ／ s ， 再 根据记 录的从发射经 目标 体界面反射 回到接收天 线的双程走时 ，可以精确求得 目标体的位置和规 模。 通过点测或连续的探测可以得到一组雷达反射 波， 经过数据处理， 可以得到探测 目标体的地质雷 达剖面图， 进而探测掌子面前方的不良地质体的位 置和分布特征 。 地质雷达超前探测 预报工作 主要按 照 以下 3 个阶段 2 ． 1 资料搜集 全面搜集巷道工程地质勘察报告， 巷道施工图 设计文件等， 包括区域地质资料、 专题研究报告等， 通过综合分析这些资料 ，对巷道区域地质背景、 工 程地质及水文地质条件进行全 面的了解 ， 提 出可能 出现的工程地质问题并制定探测方案 。 2 ． 2 巷道 内地 质编 录及 雷达 数据 采集 详细的地质编录， 对进一步把握巷道的地质动 态变化和更准确地预报 掌子 面前方地质情况十分 有益。 尽管地质体很复杂、 多变， 但它总是以某种规 律存在于 自然界。挖掘巷道的过程也是再认识地质 体 的过程 ， 地质编录主要 内容 是地层岩性 、 地质构 造 、 产状 、 分布特征 、 地下水情 况 ， 并收集超前探孔 资料等。 地质雷达采集数据时主要采用点测方法探测， 条件允许时辅以连续扫描进行对 比检验 。 测线 布置采用两横两竖 、一横三竖等 布线方 式 ， 如 图 2所示 。 ／。 、＼ 图 2 a 两横 两竖式 b 一横 兰竖式 可根据现场情况灵活布置测线， 其原则就是尽 可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长， 尽可能多地采集数据， 以备后期数据的分析处理。 2 ． 3资料综合分析 通过地质编 录预测掌子 面前方一定 范围内围 岩地质状况 ，将雷达采集 的数据采用高通滤波 、 背 景除燥及调节增益大小等达到突出不 良地质体的 作用， 达到准确确定不良地质体的作用。 3 注浆加固 为改善节理裂隙发 育或断层破碎 带岩石的物 理力学性 能而进行 的注浆加 固工程 ，主要作用是 ①提高岩石的整体性减少透水性； ②提高岩石的抗 压强度与弹性模量； ③减少岩石的变形与不均匀沉 陷。 在破碎岩体中开挖地下洞室时， 为避免断层破碎 带坍塌 、 涌泥 、 涌水等， 开挖前进行一定范 围内的斜 孔或水平孔超前注浆加 固。为保证灌浆质量 ， 需在 岩基表面浇筑混凝 土墙 或有一定厚度 的完整岩体 才可进行 固结灌浆 。 当围岩地质条件复杂时 ， 一般先进行现场注浆 加固试验， 确定技术参数 孑 L 距、 孔深、 布孔形式、 灌 浆次序、 压力等 。注浆孔多用潜孔锤、 合金钻具、 金 刚石钻具施工。注浆孔多沿掌子面周边及中心布 置 ，孔距一般为 1 ． 5 3 m，按逐渐加密方法钻孔注 浆。 灌浆材料以水泥浆液为主， 在岩石节理、 裂隙发 育或岩石及其破碎的地段， 吃浆量很大时， 常采用间 歇注浆工艺或添加速凝材料。灌浆时先从稀浆开 始 ， 逐渐变浓， 直至达到结束标准。注浆结束后， 对 第 2期 柴霞 冯小冬 超前探测及预注浆技术在巷道工程中的应用 9 加固效果的检查方法有 ①钻孔进行压水试验和岩 心检查； ②测定弹性波速与弹性模量； 4 工程实例 山东某金矿位于莱州市北部约 3 0 k m处 ，是 目 前 国内机械化开采程度最高的矿山 ， 该金矿属于构 造裂隙充水为主的矿床 ，其 中 F 3断裂构造含水带 是开采的次强径流带 ， 在过去的巷道掘进 中曾发生 多次涌水、 冒落 其中 一 2 7 5中段巷道过 F 3断层时 单次最大 冒落量达 2 0 0 0 m ，不仅造成一定损失还 影响工程进度 。由于二期矿量负变率高 ， 为稳定矿 山生产能力 ， 急需开拓 一 3 7 5 m以下各 中段北翼。为 使巷道顺利穿过 F 3断裂带 ， 防止大量涌水 、 破碎带 冒落的发生，我公司对该矿 一 4 2 0 m 、 一 3 7 5 m巷道过 F 3 断裂带及其影响带进行了钻孔预注浆加固堵水。 4 ． 1 工程 地质 及水 文地 质条 件 巷道 围岩以蚀变花 岗岩为主 。呈灰 白色 ， 中粗 粒结构 ， 块状构造 ， 成份以石英 、 长石为主 ， 含少量 暗色矿物 ， 裂隙发育 ， 多充填有黄铁矿细脉 。在 3 5 勘探线附近有 F 3断裂构造带通过 ，该断裂宽 1 7 3 6 m， 平均 2 5 m， 走向 N E 3 1 0 。， 倾角 8 0 。 9 0 ， 为张扭性导水构造 ，它以数条煌斑岩脉及 1～2条 破碎带形式 出现 ，晚期构造所形成 的破碎带 0 ． 3～ 1 ． 5 m， 未胶结 ， 充填不好 ， 为 良好 的导水构造 ， 是高 矿化度 的区域地下水进入巷道的主要通道。在破碎 带中多见煌斑岩脉 、 围岩角砾及 泥质物 ， 部分地段 已高岭土化。 加固区水量大 ， 水压高 ， F 3 断层外侧单 点最大涌水量约 2 0 0 m3 ／ h ， 最大水头压力约 2 ． 0 MP a ， 地下水为高矿化度咸水。 4 ． 2工作 流 程 地质雷达探测一确定注浆掌子 面一 布置注浆 孔 测量放点一钻 机安装一 开孔 钻进 安装孔 口 管一安装防水阀门和防喷装置 注浆孔钻进 序 次注浆一 扫孔一序次注浆 扫孔一序次注浆一结 束 4 ． 3 工 程施工 情况 1 投入设备情况 为做好注浆加固工作 ， 结合要求工期， 投入设 备见表 1 。 2 雷达探测 巷道正常掘进过程中， 根据矿区地质勘探报告 表 1 施工设备 名称 规格 单位 数量 用途 备 注 地质雷达 E K K 0 厶 1 探测 口 工程钻机 G J 一 1 5 0 S 厶 1 钻孔 口 注 浆 泵 2 S N S △ 2 注浆 口 泥 浆 泵 B W- 2 5 0 厶 2 注浆及 抽水 口 搅 拌 机 r S 一 3 0 o 厶 2 造浆 口 潜 孑 L锤 C I R1 1 0 套 3 钻孔 潜 孔 锤 C I R 9 O 套 2 钻孔 储 灰 池 1 ． 6 1 ． 3 0 ． 5 个 1 储灰 和掘进地质编录确定地质雷达探测位置 ， 按上述地 质雷达探测方法和程序对前方地质体进行探测， 根 据探测解译结果确定注浆掌子面的位置 ， 本工程注 浆掌子面的位置原则上距不 良地质体 1 0米左右。 3 施工准备 为确保巷道钻孔及 注浆施工 的工程质量 ， 根据 加固区工程地质及水文地质条件和设计要求 ， 编写 施工组织设计， 并召集全体施工人员认真学习 施 工组织设计 及 岩土工程施工安全规程 ， 并对本 工程的施工思路做了说明， 对施工技术要求进行交 底 。施工区域位于海平面以下 3 7 5 m及 4 2 0 m处 ， 巷 道到处淋水 ， 底板水流成河， 加上通风不好， 施工安 全是头等大事 ， 为此 ， 安 全员对本工程施工过程 中 的安全主要注意事项进行了交底 ， 强化 了全体员工 的安全意识 。 4 孔位的测放 首先 由测量人员沿巷道顶板布设 中心线及腰 线， 然后根据中心线及腰线结合钻孔方位及高度布 设钻孔， 钻孔倾角用地质罗盘测定。 5 设备安装 从施工掌子 面往外 ，设备布置次序依次为 钻 机 钻机平 台 注浆泵一储灰池一搅拌机 水泥 平 台。 6 开孔及钻进 在 一 3 7 5 m 第 一 段 施 工 中 8 、 1 3 、 6 及 1 孔 ， 用 C I R9 0型气动潜孔锤开孔 ， 开孑 L 深度一般在 2 m左右 ， 将 8 9 m m孔 口管缠上棉纱后用潜孔锤打 入孔 内、 楔紧 ， 孔 口管外端 车有丝扣 ， 可与孔 口法兰 及注浆设施相连接， 因静水压力较大孔口必须安装 防水阀门和防喷装置。孔 口管埋好后 ，采用 C I R 6 5 型气动潜孔锤或金刚石钻进， 由于孔径太小钻孔施 1 0 非开挖技术T r e n c h l e s s T e c h n o l o g y 2 0 1 0年 6 月 工效率较低。 后经改进， 换用 C I R 1 1 0 型气动潜孔锤 开孔， 下人 中1 0 8 孔口管后， 再用 C I R 9 0 型气动潜 孔锤正常钻进 ， 钻进速度由原来 的台班进尺不足 1 O 米， 提高到了2 0 米左右， 台班进尺最高效率可达 3 0 米。由于效率提高， 生产成本大大降低。后来， 该项 钻进工艺在其它中段施工 中得到了广泛应用。 7 注浆及扫孔 ① 浆液的配置 本注浆工程具有堵水与加固双重作用。根据设 计要求以单液水泥浆为主，选用的材料为 4 2 5 矿 渣硅酸盐水泥 ， 起始水灰比多采用 2 1 ， 根据裂隙大 小 、 涌水 量及压力变化情况 ， 及时调整水灰 比， 由 2 1 _ 1 ． 6 1 1 ． 3 1 1 1 0 ． 8 1 0 ． 6 1 而结束。 ② 注浆工序及扫孔 当孔 内出现涌水 涌水量超过 2 0 3 0 m3 ／ h 或 岩石极为破碎不能正常钻进时即停钻注浆。 其工序 为 停钻一止水一试泵一压水一注浆一停滞 扫 孔 钻进， 直至该孔结束。根据现场高压注浆后水 泥养护实验结果 ，当该孔未达设计要求须扫孔 时， 停滞 4 6小时后 即可扫孔 、 钻进。 8 各中段施工情况 ① 一 3 7 5 m巷道 该段共设 计钻 孔 l 4个 ，检查 孔 4个 ，孔深 4 3 ． o 05 0 ． 0 0 m， 单孔 累计最大涌水量 1 0 5 m ／ h ， 单孔 注水 泥 量最 高 6 0 ． 1 0 t 。该 段 静 水压 力 一般 为 0 ． 5 MP a ， 压水试验测得 的水压 0 ． 8～2 ． 0 MP a ， 注浆起 始压力 0 ． 6～2 ． 0 MP a ，注浆终止压力 4 ． 0～5 ． 2 M P a 。 在 顶 板 上 的 1～6 孔 中 共 下 人 5 0 mm 钢 管 2 2 2 ．0 0 m ／ 3 7 根， 形成了永久性管棚。各孔工程量及 有关参数详见表 2 。 ② 一 4 2 0 m巷道 表 2 各孔工程量及有关参数 钻孑 L 方位角 度 孔 口管长度 施工顺序 钻孔编号 钻孔深度㈤ 注水泥量 t 注浆量 m 3 水平 垂直 8 9 1 0 8 1 1 3 - 3 - 3 5 0 ． 0 o 3 6 ． 2 0 6 5 ． 8 7 3 ． 0 0 2 8 6 -3 45 ． 65 l 2 ． 1 8 2 6．43 3． 0 O 3 6 3 0 43 ． 0 0 3 ． 1 0 4．74 3． 0 O 4 1 1 1 ． 5 4 5． 1 5 31 ． 1 9 55 ． 9 9 3． 0 o 5 3 1 4 4 5 ． 1 5 0 ． 4 5 0 ． 7 3 2 ． O 0 6 -2． 5 4 4 5_ 3 O 0． 9 0 1 ． 48 1 ． 3 0 7 1 4 45． 1 5 0． 8 0 1 ． 0 6 3 ． O0 8 5 3 4 4 5 ．0 O 0 ． 5 O 1 ． 1 7 1 ． 5 0 9 1 4 O l 45． 0 O 0． 8 0 1 ． 8 6 1 _ 3 0 1 0 7 4 1 4 6 ． 2 5 6 0 ． 1 0 9 1 ． 4 5 1 ． 4 0 1 1 1 - 4 - 2 5 0 ． 0 0 3 4 ．4 0 5 6 ． 8 8 1 ． 6 0 1 2 9 -4 5 50 ． 00 1 6 ． 05 2 9． 2 7 1 ． 3 5 l 3 1 4 - 3 4 9 ． 9 0 4 - 3 0 1 0 ．0 2 3 ． 0 0 1 ． 5 0 1 4 1 1 - 4 - 3 5 0 ． O 0 8 ． 8 0 1 8 ． 3 6 1 - 3 O 1 5 检 1 - 4 1 ． 5 5 0 ． o 0 8 - 3 O 1 9 ．3 4 1 _ 3 5 1 6 检 2 1 ． 5 - 3 ． 5 5 0 ． 0 0 3 ． 9 0 8 ． 4 1 1 - 3 0 1 7 检 3 一 1 ． 5 4 5 0 ． 0 0 2 ． 0 4 ． 6 6 1 - 3 0 1 8 检 O 4 ． 5 5 0 ． 0 0 1 ．7 O 3 ． 5 6 1 ． 5 0 合计 8 5 0 ． 5 5 2 2 5 ． 6 7 4 0 1 ． 3 6 1 8 ．0 0 l 8 ． 7 O 第 2期 柴霞 冯小冬 超前探测及预注浆技术在巷道工程中的应用 该段共设 计钻 孔 1 5个 ，检查孔 1个 ，孔 深 4 2 ．O 0 5 0 ．0 5 m 1 O 孔深 3 7 ．2 5 m ， 单孔累计最大涌水 量 1 5 7 ．5 m 3／ h ， 单孔注水泥量最高 1 3 “4 ．O O t 。 该段静水 压力一般为 1 ． 0 MP a ，压水试验 测得 的水 压 1 ． 2～ 2 ． 6 MP a ， 注浆起始压力 1 ． 2～3 ． 0 MP a ， 注浆终止压力 6 ． 0～8 ． 0 M P a 。 完成钻探进尺 7 7 0 ． 3 0 m ／ 1 6 孔 ， 注水泥 4 3 5 ．O O t ， 注浆液 6 7 3 ． 1 O m 。在顶板上的 1 ～ 6 孑 L 中 共下人 5 0 m m钢管 1 8 0 ．O O m ／ 3 0 根 ， 形成了永久性 管棚。各孔工程量及有关参数详见表 3 。 4 ． 4 工程质 量评 述 表 3 各孔工程量及有关参数 钻孔方位角 度 孔 口管长度 施工顺序 钻孑 L 编号 钻孔深度 m 注水泥量 I 注浆量 m 3 水平 垂直 中8 9 1 0 8 1 1 o 0 ． 5 - 3 3 7 ． 2 5 1 ．2 0 2 ． 8 0 9 ． 8 5 2 _ 3 0 2 1 o - 2 ． 5 - 3 5 0 ． 0 0 9 8 ． 7 5 1 7 3 ． 7 5 1 ． 6 0 3 9 2 - 3 5 0 ． o 0 2 3 ． 8 0 4 3 _ 3 0 1 ． 9 O 4 1 2 一 2 - 3 5 0 ． 0 0 4 I 3 0 1 O ． 7 5 1 ．9 6 5 1 1 样 - 0 ． 5 - 3 5 0 ． 0 O 1 ． 2 0 3 ．0 O 1 ．9 3 6 1 -2． 5 3 5 0． 0 O 1 33．65 1 88 ． 25 1 ． 80 7 3 - 0 ． 5 5 5 0 ． o o 2 ． 8 0 6 ．o 0 2 ． 0 7 8 6 2 ． 5 4 5 0 ． 0 0 2 ． 7 0 6 ．7 5 1 ． 7 6 9 4 0． 5 5 50 ． 00 2． 8 0 6． 75 1 ． 6 O 1 0 2 一1 ．5 5 5 0 ． 0 O 1 3 4 ． o 0 1 8 3 ． O 0 1 ． 9 0 1 1 5 1 ． 5 5 5 0 ． 0 0 1 ．7 5 3 ． 5 0 1 ． 8 5 1 2 7 3 ． 5 2 5 0 ． 0 o 1 ．4 0 3 ． 0 0 1 ． 7 6 1 3 8 3 ． 5 0 5 0 ． o 0 2-3 5 3 ． 5 O 1 ． 9 0 1 4 1 4 -3． 5 2 45． 0 0 21 ． 60 3．0o 1 ． 70 l 5 检 l - 5 5 4 2 ． o o 1 ． 5 5 3 ．2 5 1 ． 8 0 1 6 l 3 一3． 5 0 46．00 1 ． 1 0 2．5O 1 ． 96 合计 7 7 0 - 3 0 4 3 5 ． 0 o 6 7 3 ． 1 0 9 ． 8 5 2 7 ．0 0 经过对该金矿 一 3 7 5米巷道第一段 、第二段及 一 4 2 0米巷道第一段 、第二段进行钻孔预注浆加 固 后 ， 在巷道实际掘进过程 中加 固带 围岩稳定 、 最大 淋涌水量小于 5 m 3 ／ h ，未出现任何涌水及冒顶等质 量事故 ， 一次性顺利通过 。各项技术指标均达到设 计要求 ， 加固效果良好 。 5 结论 1 、采用地质雷达探测巷道掌子面前方的破碎 带等不良地质体空间分布， 对确定注浆掌子面位置 具有很好的帮助作用。 2 、巷道钻孔超前预注浆技术用于加固断层破 碎带， 防止其坍塌、 冒顶、 涌泥、 涌水十分有效。 3 、 施工中根据实际情况调整注浆参数、 改变注 浆顺序、 调整注浆浓度和控制注浆压力， 可确保注 浆加固效果 。 参 考 文献 [ 1 ]钻孔预注浆及管棚超前支护技术在三山岛金矿 巷道围岩加固中的应用 岩土工程界 2 0 0 3 年 0 5 期 ； [ 2 ]地质雷达在石板尾隧道超前预报中的应用 浙 江建筑2 0 0 9 年 1 0 期 3 6 3 8 页； [ 3 】探地雷达空洞探测机理研究及应用实例分析 [ J ]岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 0 ，1 9 2 2 38 - 2 41 。