隧道及地下工程注浆堵水和加固技术

隧道及地下工程注浆堵水和加固技术内容摘要：

室周边形成一定厚度的帷幕，一方面阻隔地下水流人隧道内，同时营造一个受力环，防止隧洞坍塌，以期加大开挖进尺，提高掘进速度。 因此，隧道注浆有以下要求。 （ 1）地质水文资料要准确。 在钻孔时要进行涌水量、涌水位置、涌水压力的测试以及对岩芯的测定分析。 （ 2）注浆设 计要根据实际情况不断修改完善，做到切合实际。 （ 3）钻孔的开孔位置和钻孔方向要精确。 （ 4）浆液凝胶时间要适当，通过泵对浆液配比的控制要准确，注浆要尽可能地连续，应有足够注入量。 （ 5）要确保止浆措施的有效和安全。 （ 6）要注意防尘、通风、照明，保证用电的安全。 （ 7）作业人员必须操作熟练，具备较强的应变能力。 （ 8）工序衔接要紧凑，有防止意外突发性事故的措施。 6 注浆机械设备 在隧道作业面预注浆，场地狭窄。 注浆孔是按伞形辐射状布置的，因此要求钻机体积小、重量轻、方便灵活；左右的钻孔角度较 大 (最好是 +90176。 ～ 90176。 )，钻孔的钻进能力要略大于注浆段长，一般不小于 60米。 不宜用由内燃机驱动的机械，以免污染洞内空气。 注浆采用的钻机与地质钻机相同，分三大类：回转式、回转冲击式、冲击式。 根据隧道断面面积、注浆孔大小、深度、角度、地质情况、注浆工艺等综合考虑选用。 常用钻机的性能见表 61。 表 61 钻机性能表 钻机型号 MK5 MKD5S 意大利 C6 日本矿研 RPD150 钻孔深度（ m） 400 100/350 60 80atφ 225( 65) 钻孔直径 (mm) 50 94/200 Max140 65～ 170() 钻孔倾角 0～177。 90176。 0～177。 90176。 0～177。 360176。 0～177。 360176。 回转速度（ r/min） 10～ 300 10～ 300 Max530 Max80 最大扭矩（ N178。 m） 1850 1850 13550 23000 给进能力（ kN） 40 105 35 0～ 60 起拔能力（ kN） 40 73 60 给进速度（ m/s） 0～ 0～ 起拔速度（ m/s） 0～ 给进行程（ mm） 1200 600 2250 2760 功率（ kW） 30 37 98 111 重量（ t） 12 图 61 MK5系列钻机 图 62 意大利 C6钻机 图 63 矿研 RPD150C钻机 注浆泵 注浆泵是注浆作业最重要的设备之一，它应有足够的压力和排量，并且能连续工作，能随时、随意调节注浆压力和注浆排量，能准确地控制配比。 目前国内注浆泵主要有了镇江产ZBSB系列、辽宁葫芦岛市产 2TGZ系列、河北柏乡产 KBY系列注浆泵等，总的看来，国产设备配套能力差，配比控制不便。 日产 HFV5D型和 PF40A双液注浆泵，具有能连续工作、随意调节压力和排量，能准确地控制配比等优点。 瑞典产的 ZBE02 型注浆泵，是电动的单液注浆泵，小巧灵活，排量 0～ 90 l/min，压力 0～ 10MPa；操作简单，若是双液注浆，可用两台泵配套，但其配比不易准确地控制。 国内目前常用注浆泵介绍如下。 （ 1） KBY系列注浆泵 KBY系列注浆泵为全液压单缸双作用往复式活塞泵，即可实现单液注浆又可实现双液注浆，可按注浆工艺用油压设定最高限压。 其主要技术参数见表 62。 表 62 KBY注浆泵技术参数 （ 2） ZBSB系列注浆泵 ZBSB 系列注浆泵为双缸双作用活塞泵，可进行单液和双液注浆，四档变速，双液比例为 1： 1，其常用泵的参数见表 63。 表 63 ZBSB注浆泵技术参数 2ZBYSB－ 200～ 50/5～ 15－ 37 型煤矿用液压注浆泵是在原日本 HFV－ C 型泵的 基础上改进而成，输入功率由原来的 22KW升至 37KW，注浆输出压力由 12Mpa 增至 15Mpa，流量也有所提高。 去除了原电控系统，并优化液压系统，形成全液压控制，能实行双浆液任意配比。 浆缸有杆腔与无杆腔的出浆流量单位时间内相等，且双缸能独立调节，均能实行恒功率可调节的恒功率输送，形成稳压注浆。 图 64 2ZBYSB－ 200～ 50/5～ 15－ 37注浆泵和液压泵站 （ 3） 2TGZ系列注浆泵 2TGZ系列双液调速高压注浆泵，可同时注水泥 水玻璃浆液及其他化学浆液，技术参数见表 64。 表 64 2TGZ系列注浆泵参数 （ 4） YGZ系列注浆泵 （ 5） SYB90型双液变比化学灌浆泵 西 安探矿机械厂生产，采用液压驱动、程序控制、计量显示、机电液一体化、技术先进。 具有高压双液变比化学灌浆与单液无级变量高压注浆两种功能，见表 65。 表 65 性能参数 参数 SYB90型双液变比泵 ZJB/BP30 ZJB/BP50 柱塞直径 63mm 45mm 35mm 工作行程 360mm 100mm 100mm 流量 (1550)L/min 0110L／ min 070L／ min 最高工作压力 40MPa 30Mpa 50Mpa 额定功率 2179。 45KW 55KW 55KW 总重量 3200Kg 1350kg 1350kg 外形尺寸 3205179。 570179。 770 2280179。 1056179。 900 2280179。 1056179。 900 图 66 SYB90型双液变比泵 图 67 ZJB/BP30高压注浆泵 （ 6） ZJB/BP30（ 50）高压注浆泵 西安探矿机械厂生产，采用先进的高变频调速技术无级调速，零起动运行平稳，对电网无冲击，保护装置完备、安全、节能、结构简单，操作方便，施工效率高，变频高压注浆泵基本工作型式为卧式往复单作用三柱塞泵。 性能参数见表 65。 搅拌机 常用的有机械搅拌、喷流搅拌和气压搅拌三种。 机械搅拌是利用叶片在拌浆筒中高速旋转，使浆液混合均匀。 喷流搅拌是利用安装在拌浆筒外侧的泥浆泵，不断从筒底部吸取浆液，从筒上部喷出浆液，使浆液混合均匀。 气压搅拌是将风管道入拌浆筒中，利用气流使浆液混合均匀。 施工中最常用的是前两种。 实践表明采用高速搅拌机对浆液的性能有很大改进。 （ 1）宜昌黑旋风高速搅拌机 ZJ250～ 800系列制浆机是灌浆工程中浆液制配的专用设备，具有制备砂浆及水泥浆功能，其不仅制浆时快（ 3分钟完成一桶）且具备一定的送浆能力。 转速在 1400日 /min。 表 66 主要技术参数 （ 2） LSJ型系列旋流立式高速搅拌机 由中国水电基础局科研所研制，是用于搅拌各种浆液的专用设备。 它可根据水泥浆液的水灰比来控制水泥、水、外加剂等的投入量；同时也可用于搅拌膨润土浆及带有一定粒径（ d≤ 5mm）的浆液。 LSJ 系列旋流立式高速搅拌机主要由搅拌罐、高速泥浆泵、 电机、管路和阀门等组成。 其中搅拌罐底部与泵的吸入口相连，泵的排出管以切线方向连接搅拌罐，并在其中安置两个旋塞，当打开不同的旋塞时，便可以实现搅拌浆液和排出浆液的不同工作状态。 固液两相物质在泵壳内由于叶轮的高速旋转（ 1430 r/min～ 1470r/min）而被强烈搅拌分散而达到充分混合后，再从泵内排出以切线方向返流到罐内产生巨大的涡流，使浆液进一步搅拌，在多次循环作用下使浆液具备良好的流变性能及稳定性，由此而搅拌成浆液。 图 68 立式高速搅拌机 （ 3） LJ200搅拌机 该机采用 ，电机功率 ，减速比 1/23，转参 数 \型 号 ZJ250 ZJ400 ZJ800 公称容积 (l) 250 400 800 许用水灰比 ： 1 :1 ： 1 电动机功率 (kw) 15 制浆时间 (min) 3 3 3 重量 (含动力、 kg) 310 450 680 外形尺寸 (mm) 1200179。 850179。 1300 1350179。 1150179。 1460 1725179。 1438179。 1848 数 63转 /分，容积 ，旋转方向为顺时针。 见图 69。 图 69 LJ200搅拌机 图 610 LJ300搅拌机 （ 4） LJ300搅拌机 LJ― 300型搅拌 机是一种立式筒型结构的专用机械。 主要由电机、摆线针轮减速器、筒体、搅拌翼、进料隔栅、排浆阀门等组成。 见图 610。 容量 :300L ；转速 :85r/min；排浆口外径 :60mm；额定往复次数 (min1): 20；外形尺寸(mm): 1165*770*1385；质量 (kg): 155 采用双液注浆时，使两种浆液混合的装置就是混合器。 混合器要保证两液混均匀，防止互相串浆引起管路堵塞，流通阻力要小，过浆断面应与泵的排量相适应，能够承受最大的注浆压力，还要便于使用后的拆卸清洗，常使用的是 T型混合 器。 管路系统包括输浆管和注浆管。 其作用除输送浆液外，还要起到防止浆液倒流的作用，输浆用无缝钢管和高压胶管。 硬管用于运距离输浆，注浆管由内管、外管、止浆塞等组成。 孔口装置主要包括孔口管、孔口压力表、阀门等。 孔口管的作用一是给注浆钻孔导向，二是防止钻孔时发生大突水，三是防止孔口坍塌和注浆时发生串浆，保证注浆作业顺利进行，孔口管长一般为 3米，安装时，用麻丝缠好塞入孔内，同时灌浆充填管与岩壁之间的空隙。 计量仪表 在注浆施工中，掌握注浆压力和注浆量这两个重要参数对 于保证注浆质量十分必要。 主要通过压力表和流量计来记录。 压力表一般需要设置在泵口和孔口，以监测泵的工作状况和孔内注浆压力的变化情况。 最好使用抗震压力表。 流量计一般设置在输浆管路中，可直接测量注浆量，目前常用的是电磁流量计。 要求在需要的任何时刻测量显示并记录注浆压力和流量状况。 如果条件许可时，采用注浆自动记录装置最好，常用的自动记录装置有中国水电基础局有限公司科学技术研究所和天津大学研制的 J31CT 智能灌浆记录仪、长江科学院研制的 GJY2注浆自动记录仪。 表 67 流量计型号及参数 止浆塞 止 浆塞主要用于钻孔孔壁坚硬的裂隙岩体注浆，袖套内注浆，它起隔离作用，防止浆液沿空孔口溢出，是实现分段注浆的器具。 止浆塞形式很多，有机械式止浆塞、橡皮囊气胀及水胀式、单塞和双塞等。 图 611 机械式止浆塞 图 612 气胀式止浆塞 7 注浆设计 由于注浆的对象是千变万化，极为复杂的地层，目前的注浆设计还处在半经验半理论的阶段。 因此，在注浆前进行详细的全面的调查试验十分重要，这样能使设计更切合实际，避免人、财、物的不必要浪费，以达到预期的目的。 调查的目的是为了全面地、准确地了 解地质情况、水文情况。 了解其它工程的注浆经验和教训，为我们选择浆材、选择机械、确定注浆方案、施工方法提供依据。 调查的内容主要有： （ 1）岩层的性质、产状、岩石的抗压、抗剪强度等。 （ 2）断层的类型、断裂带的岩性、断层宽度、影响带宽度、充填胶结物质。 （ 3）地层的节理裂隙宽度，连通情况，充填物胶结程度。 （ 4）地下水的类型、流向、补给源、水压力、水温、水量、水的化学成分等。 （ 5）其他工程的注浆资料，用于借鉴与参考。 对于注浆设计，仅仅通过调查收集到的资料是很不够的，还需要进行一些项目的试验，以使设计更切合实 际。 主要试验项目有： （ 1）岩石的物理力学指标，如岩石的抗压、抗剪强度和内摩擦角试验。 （ 2）注水试验。 利用钻孔向岩层注水，测定在注水压力下的吸水量，核实岩石的渗透性，作为选择浆材、配比及施工方法的依据。 （ 3）地下水的流向、流速试验，与注水试验结合起来进行，可用投入染料的方法测试。 （ 4）地下水压力的测定。 采用钻孔埋设引水管安设压力表的方法测定，便于确定注浆压力。 （ 5）现场注浆试验。 在缺乏经验、技术不熟练时，进行现场注浆试验是十分重要的。 据调查资料，先做一个试验设计方案，然后选择相同或相似的地质区段进行 现场实施并作取样分析，以检验、修改设计参数，确定施工工艺。 （ 1）注浆有效范围的确定。 （ 2）注浆段长、止浆盘厚度及注浆孔、检查孔的布置。 （ 3）浆液材料的选择、配合比和凝胶时间的确定。 （ 4）注浆压力的确定。 （ 5）注浆量的估算。 （ 6）注浆方式的确定。 （ 1）注浆有效范围的确定。 岩层的节理裂隙不均匀、不规则，浆液在岩层的扩散也就不是均匀的。 因此，在注浆作业中，用注浆有效范围来表示，也就是说，在这个范围内，浆液在岩层裂隙内充填、固结后的结石体，能够有效 地封堵地下涌水，由于岩层的渗透性能和节理裂隙的不均匀性，浆液的扩散距离相差甚大，且与地下水有密切的关系。 到目前为止，尚未有成熟的计算公式能够准确地反映上述两者的关系，大多数都是按经验确定的。 一般取 ～ 3 倍毛洞直径。 针对水压力的高低、岩石的破碎程度及石质的软硬，注浆范围可适当增减。 国内矿山井巷道和隧道注浆，其有效范围也基本上是按这个数值考虑的，即 R＝ (2～3)r，式中 R为注浆有效半径， r为毛洞半径。 （ 2）注浆段长的确定和注浆孔的布置 根据地质和水文情况及钻机的钻进。