隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔技术及应用研究.pdf

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第 1 8卷第 4期 2020年 8月 水利与建筑工程学报 J o u r n a l o f Wa t e r R e s o u r c e s a n dA r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g V o l . 1 8N o . 4 A u g . , 2 0 2 0 D O I 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 2- 1 1 4 4 . 2 0 2 0 . 0 4 . 0 2 3 收稿日期 2 0 2 0  0 4  0 7 修稿日期 2 0 2 0  0 4  2 6 作者简介 许毓才( 1 9 8 7 ) , 男, 山东聊城人, 硕士, 工程师, 主要从事水利工程管理工作。E  m a i l 4 5 2 3 4 7 3 9 7 @q q . c o m 隧道超前预注浆用压滤式膜袋 封孔技术及应用研究 许 毓 才 ( 山西省中部引黄工程建设管理局, 山西 太原 0 3 0 0 0 0 ) 摘 要针对在松散涌水地层隧洞开挖前进行超前预注浆施工时存在孔口串浆, 灌浆不起压的问题, 依 托山西省中部引黄水源工程, 提出一种隧道超前预注浆压滤式膜袋封孔工艺, 通过理论分析建立注浆封 孔长度、 膜袋注浆压力以及地层注浆压力之间的关系。注浆后效果表明, 采用压滤式膜袋封孔, 速度快, 防孔口跑浆效果明显, 且能够保证灌浆压力。 关键词隧道; 超前预注浆; 封孔; 山西省中部引黄工程 中图分类号U 4 5 5 文献标识码A 文章编号 1 6 7 2 1 1 4 4 ( 2 0 2 0 ) 0 4 0 1 3 8 0 5 A p p l i c a t i o no f P r e s s u r eF i l t e rMe mb r a n eB a gS e a l i n g f o rT u n n e l P r e  g r o u t i n g X UY u c a i ( S h a n x i M i d d l e Y e l l o wR i v e r A d m i n i s t r a t i o nB u r e a u ,T a i y u a n ,S h a n x i 0 3 0 0 0 0 ,C h i n a ) A b s t r a c t I no r d e r t os o l v et h ep r o b l e mo f g r o u t i n gi na d v a n c eb e f o r et h ee x c a v a t i o no f t h et u n n e l i nt h el o o s ew a t e r g u s h i n gs t r a t u m ,t h i s p a p e r p r o p o s e dak i n do f p r eg r o u t i n gp r e s s u r ef i l t e r t y p em e m b r a n eb a gh o l es e a l i n gt e c h n o l o g y b a s e do nt h ew a t e r s o u r c ep r o j e c t o f t h eY e l l o wR i v e r D i v e r s i o ni nt h em i d d l eo f S h a n x i P r o v i n c e ,a n de s t a b l i s h e dt h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h eg r o u t i n gh o l es e a l i n gl e n g t h ,t h eg r o u t i n gp r e s s u r eo f t h em e m b r a n eb a ga n dt h eg r o u t i n gp r e s  s u r eo f t h es t r a t u mt h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i s .A f t e r g r o u t i n g ,t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eu s eo f p r e s s u r ef i l t e r t y p e m e m b r a n e b a g t o s e a l t h e h o l e i s f a s t ,t h e e f f e c t o f p r e v e n t i n g t h e h o l e f r o ms l u r r y l e a k a g e i s o b v i o u s ,a n dt h e g r o u t i n g p r e s s u r ec a nb eg u a r a n t e e d . K e y w o r d s t u n n e l ;a d v a n c eg r o u t i n g ;h o l es e a l i n g ;Y e l l o wR i v e rd i v e r s i o np r o j e c t i nc e n t r a l S h a n x i p r o v i n c e 隧道穿越松散涌水地层时, 极易发生坍塌、 突水 突泥、 掌子面失稳等事故, 甚至造成重大的经济损失 和人员伤亡[ 1 - 2 ]。超前小导管注浆因施工便捷、 对 环境影响小、 操作灵活等优点, 是工程上解决该类问 题的有效防控手段, 而如何封闭超前小导管与钻孔 之间缝隙, 是确保注浆质量的关键之一。 目前, 国内外的常用封孔方法有水泥浆封 孔[ 3 - 4 ]、 聚氨酯封孔[ 5 - 6 ]、 封孔器封孔[ 7 - 8 ]、 囊袋式 封孔等[ 9 ]。其中, 水泥浆封孔能够承受较大压力, 但是水泥凝固后会收缩, 而且在强压下会发生脆性 破裂; 聚氨酯发泡反应快, 能实现快速封堵, 但是在 高压下容易变形, 对操作要求较高, 容易造成封孔效 果不理想甚至封孔失败; 封孔器由于结构复杂、 笨 重、 成本高, 难以推广利用[ 1 0 - 1 1 ]; 相对于其他封孔方 式, 囊袋式注浆封孔结构简单, 操作方便, 能有效封 堵煤层裂隙, 并且对巷道形成主动支护, 在我国煤矿 得到了广泛应用[ 1 2 - 1 4 ]。但遗憾的是, 现有的中心分 流式囊袋注浆[ 1 5 ]、 分体式囊袋注浆封孔[ 1 6 ]等施工 较为复杂、 成本相对较高。 为此, 本文针对超前小导管施工环境特点, 提出 一种隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔膜袋, 阐明 相应的工作原理和给出相应的施工工艺, 并通过理 论分析建立注浆封孔长度、 膜袋注浆压力以及地层 注浆压力之间的关系。最后, 将上述成果在山西省 中部引黄工程水源工程中得到应用。研究成果为超 前小导管注浆封孔提供了新思路。 1 压滤式膜袋封孔止浆原理 压滤式膜袋封孔方法主要是利用新型土工合成 材料( 长丝机织土工布) 对水泥颗粒良好的反滤性, 在注浆管与钻孔之间形成一层随孔壁形状变化而压 实的柔性封孔段, 原理示意图如图 1所示。 ( 1 )当浆液以一定压力从胶纸软管中注入密闭 的长丝机织土工布中, 浆液会不断充填膨胀长丝机 织土工布直至达到长丝机织土工布密闭空间的膨胀 极限, 由于长丝机织土工布密闭空间远大于注浆孔 与钻孔之间的空间, 故长丝机织土工布密闭空间的 膨胀过程会不断挤压周边围岩, 最终形成类似“ 止 口塞” 的作用, 实现注浆封孔。 ( 2 ) 由于采用的长丝机织土工布为柔软的小孔 隙高强材料, 该类材料具有良好的反虑性, 即允许自 由水排出而颗粒无法通过。因此, 浆液在不断充填 过程中会在注浆压力作用下不断析出多余的自由 水, 使得浆液不断发生“ 压滤效应” 进而加快浆液凝 结时间, 也可以不断提高浆液结石体强度, 显著提高 施工工效和止浆能力。与此同时, 由于长丝机织土 工布为柔软性材料, 形状会随凹凸不规则孔壁变化, 真正能够达到密实压合在孔壁的效果, 形成有效封 堵长度, 防止高压灌浆时孔口跑浆, 起到止浆的作 用。 图 1 注浆封孔原理示意图 2 压滤式膜袋封孔止浆工艺 压滤式膜袋封孔注浆结合隧洞内施工场地狭 窄、 洞内有淤泥积水等特点, 在很大程度上简化了程 序, 主要工艺流程图如图 2所示。 图 2 超前预注浆工艺流程 2 . 1 膜袋止浆塞制作 压滤式膜袋封孔止浆塞的主要材料为密度 2 0 0 g / m 2左右的长丝机织土工布、 D N 2 0无缝钢管( 进浆 管) 、 D N 8无缝钢管( 膜袋进浆管) 、 小直径橡胶皮软 管以及捆绑铅丝和胶带, 具有制作加工简单、 可根据 现场情况灵活制作、 材料成本低廉等特点( 见图 3 ) 。 制作加工工具为手持式缝包机, 膜袋径向尺寸根据 钻孔孔径而定, 一般取钻孔孔径的 3 0 % ~ 5 0 %, 止 浆塞长度根据裸露岩体的裂隙情况、 出水点位置等 现场实际情况按需设计。 图 3 压滤式膜袋封孔止浆塞 2 . 2 膜袋注浆工艺 采用全液压一体钻机钻孔, 钻孔深度保证在隧 洞轴线上的投影长度为 2 8 . 5m , 孔径为 Φ 1 0 8m m 。 待钻孔完成后, 将制作好的压滤式膜袋封孔止浆塞 置入注浆孔内的设计孔深处( 见图 4 ) , 并采用小排 量注浆泵注入水灰比为 0 . 8~ 0 . 5的普通纯水泥浆 液, 当注浆压力达到0 . 5M P a 时结束注浆, 待凝时间 931第 4期 许毓才 隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔技术及应用研究 1 5m i n 。此外, 在膜袋止浆塞注浆充填过程中( 特别 是有较大涌水压力的灌浆孔) 为防止止浆塞被冲出 或滑落需人工采用简易工具临时固定, 待止浆塞内 浆液充填饱满后即可拆除。 图 4 膜袋注浆施工 2 . 3 地层注浆工艺 待压滤式膜袋封孔止浆塞完成后进行地层注 浆, 注浆孔按照分序加密的原则进行, 从顶拱边 墙底板交替施作, 并逐渐对掌子面进行注浆封闭, 形成封闭的阻水圈。注浆材料一般以注入单液水泥 浆为主, 遇到大涌水时调整为水泥 - 水玻璃双液浆, 注浆压力参照帷幕灌浆采用的压力范围 2倍 ~ 3倍 水头进行调整, 不小于 1M P a 。注浆结束条件应根 据地质条件和工程要求确定, 一般情况下, 当灌浆段 在设计压力下, 注入率小于1L / m i n 后, 继续灌注3 0 m i n , 即可结灌浆。需要注意的是, 掌子面集中涌水 点水量较大时, 可在超前预注浆后于集中涌水点附 近布置泄压孔, 然后先封堵集中涌水点部位, 降低涌 水流速, 使水流由股状泄水转为线状流水, 再封泄压 孔, 最后达到将掌子面涌水封堵的目的。注浆完成 后开挖 2 4m , 预留 4m搭接长度, 作为下一个循环 预注浆的掌子面。 3 压滤式膜袋封孔止浆机制 在注浆过程中, 膜袋封孔需要承受来自注浆管 注入浆液的挤压作用, 当浆液在上述挤压力的作用 超过封孔浆体与孔壁之间的咬合力, 浆液就会沿着 膜袋与钻孔的边壁流出, 膜袋封孔时效。因此, 需要 设计合理的封孔止浆长度、 膜袋注浆压力以及地层 注浆压力。 对膜袋封孔止浆能力进行分析, 作如下假定 ( 1 ) 膜袋内的浆体在不同封孔高度上为均质、 各向同性且不可压缩的流体。 ( 2 ) 封孔止浆过程中浆液保持流型不变, 除注 浆孔附近外, 服从同心环状层流运动。 ( 3 ) 地层注浆压力均匀的作用在钻孔孔壁与灌 浆管之间缝隙内膜袋底部。 ( 4 ) 地层注浆时的浆液在轴向注浆压力的作用 下仅产生轴向变形。 根据上述假设( 1 ) ( 4 ) , 可建立膜袋封孔止浆 模型, 如图 5所示。 图 5 膜袋封孔止浆模型 如图5 所示, 取d x 分析段进行受力分析, 若假设 注浆压力为 P , 封孔段浆液单元的应力为 σ , 膜袋与 钻孔孔壁之间的黏滞力为 τ 1, 注浆浆液与注浆管壁 之间的黏滞力为 τ 2。 则根据轴向力的平衡可得 S d σ=τ 1( x ) π R2d x+τ2( x ) π R1d x ( 1 ) 式中 R 1为注浆管内径, R2为注浆孔内径; S为膜袋 封孔的面积, S=π ( R 2 2-R 2 1) / 4。 对 d x 段进行分析可知, 若 x 处所受注浆压力为 P ( x ) , 则注浆压力可表示为 P ( x )=P-∫ x 0S d σ , 对 式( 1 )进行积分可得到注浆压力的表达式为 P ( x )=P-∫ x 0S d σ=P-(∫ x 0τ 1( x ) π R2d x+ ∫ x 0τ 2( x ) π R1d x ) ( 2 ) 根据文献[ 1 7 ]可知, 黏滞力与相应的相对位移 成正比, 则有 τ 1( x )=K1∫ x 0ε ( x ) d x / B=K 1∫ x 0 P ( x ) A E d x / B( 3 ) τ 2( x )=K2∫ x 0ε ( x ) d x / B=K 2∫ x 0 P ( x ) A E d x / B( 4 ) 式中 K 1为膜袋与钻孔边壁的剪移比例系数, MP a ; K 2为膜袋与注浆管接触面的剪移比例系数, MP a ; B=( R 2-R1) / 2 。 将式( 3 ) 、 式( 4 )代入式( 2 )得 P ( x )=( π D 1K1 B +π D 2K2 B )∫ x 0∫ x 0 P ( x ) S E d x d x( 5 ) 式中 D 1、 D2为常数。 对式( 5 )两边分别求两阶导, 可得 041水利与建筑工程学报 第 1 8卷 P ″ ( x )=( π R 2K1 B +π R 1K2 B )P ( x ) S E ( 6 ) 将式( 2 )求导代入式( 6 )得 - ( π R 2τ1( x )+ π R1τ2( x ) ) ′=π S E B ( R 2K1+ R1K2) P ( x ) ( 7 ) 对式( 7 )求导, 可得 ( R 2τ1( x )+R1τ2( x ) ) ″ = π A E B ( R 2K1+R1K2) ( R2τ1( x )+R1τ2( x ) ) ( 8 ) 解微分方程( 8 ) , 得出 R 2τ1( x )+R1τ2( x )=C e - x π A E B( R2 K1+ R1K2 槡 ) ( 9 ) 式中 C为积分常数。 当设计的膜袋封孔长度为 L时, 膜袋与边壁的 起裂压力为 P 0时, 压滤式膜袋封孔止浆的控制方程 为 P 0=π∫ L 0( R 2τ1( x )+R1τ2( x )+γ A / π ) d x-P= π ( R 2τp 1+R1τp 2) π A E B ( R 2K1+R1K2 槡 ) ( e L π S E B( R2 K1+ R1K2 槡 ) -1 )-P ( 1 0 ) 由上式可知, 压滤式膜袋封孔止浆能力与封孔 长度、 注浆浆液性能、 膜袋注浆压力以及钻孔孔壁与 注浆管之间缝隙的开度有关。 4 工程应用 山西省中部引黄水源工程是国家 1 7 2项节水供 水重大水利工程之一, 地处天桥泉域排泄带, 地下水 极其丰富, 且具有一定的承压性, 引水隧洞和泄水洞 均在地下水位线以下, 岩性以奥陶系灰岩、 泥质白云 岩及泥灰岩地层为主, 隧洞穿越规模较大的断层 2 条, 断距约 5 0m , Ⅴ类围岩占 7 0 %左右, 开挖过程中 涌水量大( 单孔涌水量达到 1 2 0L / m i n~1 5 0L / m i n ) 、 出水点多、 有较大的承压力, 泥灰岩遇水后迅 速软化成泥, 掌子面附近淤泥堆积, 严重影响了施工 质量。 本次应用以 2 # 引水隧洞 Y 0+8 2 5 . 4 Y 1+ 4 5 4 . 3桩号段为例, 该段岩层呈近水平状, 隧洞洞顶 和底角各有一层约 0 . 2m厚泥灰岩, 掌子面岩体破 碎、 裂隙发育、 涌水量大且具有承压力, 探孔单孔涌 水量达到 1 5 0L / m i m , 单断面最大涌水量可达 4 0 m 3/ s 针对该施工特点, 为增加围岩稳定性和减小出 水量, 制定了超前预堵水灌浆方案。灌浆压力采用 0 . 5M P a ~ 0 . 7M P a , 循环搭接长度为 2m 。超前预 注浆面临以下几个难点 灌浆掌子面为没有盖板的 裸露破碎基岩, 表层因本身岩性较差和开挖放炮裂 隙发育; 掌子面裂隙涌水量大、 出水点多且分散; 部 分洞段为泥质灰岩, 硬度低遇水变软承载力不强等。 按有关施工技术规范规程和常规的灌浆施工经验, 超前预注浆孔的方向多为垂直于掌子面或小角度倾 斜, 无法形成有效高度压差, 实现自流跑浆, 通常采 用橡胶浆止塞、 止浆阀, 或采用棉纱、 麻料等材料攥 紧灌浆管、 设置止浆墙、 再或采用新材料实现“ 以浆 止浆” 封闭法。以上封闭方式在地下水丰富且地质 条件复杂地层中使用因封闭范围小、 封闭长度短、 承 压小、 工艺复杂等问题, 不能起到很好的效果。 结合 2 # 引水隧洞的施工与地质条件、 目前涌水 以及根据超前探孔和超前地质预报揭露即将出现更 大涌水且有水压的实际情况, 并在借鉴其他类似工 程经验, 提出压浆式膜袋封堵灌浆施工技术, 以此解 决涌水压力高、 流速快且施工难度大的高难堵水灌 浆施工难题。 膜袋封孔注浆在 1 0m i n 内可快速完成, 超前预 注浆过程中, 孔口没有明显漏浆, 灌浆时能够达到设 计灌浆压力, 大大缩短了超前堵水灌浆时间、 提高了 堵水灌浆质量; 改为压浆式膜袋封孔的超前预注浆 后, 开挖进度由每月开挖支护5 0m~ 6 0m大幅度提 高到了每月开挖支护 1 4 0m左右, 施工进度明显加 快。开挖后洞身岩层渗水较以前明显减少, 降低了 地下洞室群的抽排水负荷。 5 结 论 ( 1 )提出了一种快速、 有效的膜袋封孔工艺, 该 工艺所需材料市场常见易购置, 膜袋制作简单, 工艺 易操作。 ( 2 )建立了膜袋封孔止浆模型, 为膜袋封孔长 度和膜袋注浆压力提供理论依据。 ( 3 )通过现场应用表明, 压浆式膜袋封孔很好 的解决了隧洞开挖在大涌水地层且地质复杂条件中 超前预注浆存在的不起压、 孔口跑浆等问题, 且具有 制作加工简单、 操作工序简便、 材料成本低廉特点。 实践表明压浆式膜袋封孔工艺具有很好技术经济性 能, 为今后类似的工程提供了有益的经验。 参考文献 [ 1 ] 郑书笛, 侯哲生, 宋开忠, 等.断层破碎带公路隧道超 前支护效果研究[ J ] . 水利与建筑工程学报, 2 0 1 9 , 1 7 ( 6 ) 2 1 0  2 1 4 . 141第 4期 许毓才 隧道超前预注浆用压滤式膜袋封孔技术及应用研究 [ 2 ] 孟庆军, 刘东双. 冻结法在富水圆砾地层联络通道施 工中的应用[ J ] . 施工技术, 2 0 1 9 , 4 8 ( 7 ) 7 0  7 4 , 7 9 . 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