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岩质隧道的围岩压注止水技术2
（5） 压注效果的判定
压注效果的判定，应根据钻设的几个检查孔的涌水量，按以下规定值进行判定。
·硬岩地段：每m钻孔的涌水量在0.4L/min以下或涌水地点的涌水量在10L/min/个以下。
· 破碎带地段：每m钻孔的涌水量在0.2L/min以下或涌水地点的涌水量在10L/min/个以下。
不符合此基准的场合，要追加钻孔，再次压注直到获得满意的止水效果为止。
3·施工
压注施工是在狭窄的空间内进行的，要特别注意安全性和施工性。为此，在掌子面配置2~4台凿岩机和压注机械，采用同时进行多孔的钻孔、压注作业，力求提高效率。压注机械搭载在台车上，使之具有安全性和机动性。
压注施工，根据预定的钻孔布置实施，标准的作业程序是：按钻孔—第1段—第2段—第3段顺序进行。钻孔完成后设置柱塞、口部等，开始压注，直到规定的压注压力。在计划的压注孔数，不能获得止水效果的场合，要追加钻孔和压注。最后钻检查孔，确认 止水效果，其涌水量在规定值以下时，压注完结。
（1） 钻孔机械
在压注作业中，钻孔作业时间占很大的比重，应尽可能地选择效率高的钻孔机械。本工程采用大型的PR—123凿岩机。
（2） 压注机械
压注机械包括 压注泵、浆液搅拌机、管路、压注管等，其中压注泵要采用高压的能够安全压注的，能够输送高浓度的LW浆液的，能够自由调节压注压力的机械。为此，采用了定压力自动可变流量的压注泵（HFV—2AB和HFV—5D）。
搅拌机采用能够短时间搅拌混合的上下2槽的MV—400及MF—600型。
（3）后压注
通常，在青函隧道中，开挖时的地层压注，止水是有限度的，完全的止水是不可能的。因此，压注后，还残留一定量的涌水。1977年推定的隧道涌水量约为60m3/min。目前青函隧道洞内的涌水量约在25m3/min。共设3个排水基地，包括备用在内共设置了12台水泵。每台水泵的排水能力为9~12m3/min。
此涌水虽然是有限的，但用泵强制排水，每年的排水费用是每1m3/min需2~3千万日圆。为了降低此费用和提高隧道的耐久性，在经济的考虑下，在比较集中涌水地段，实施了后压注，获得了比较满意的止水效果。
后压注的设计和施工应在分析残留涌水的因素的基础上，不造成衬砌等结构物发生变异的条件下，以最小孔数获得最大的止水效果。据此，按图9的流程进行反复施工，直到满足目标的止水效果为止。
在整个施工过程中，应进行隧道净空位移量测、测定涌水量的增减、测定因压注压力造成的衬砌的位移等，来进行压注管理。
（4）止水压注实绩
表5列出止水压注的实绩，止水达到涌水量14.8t/min的61%，达到预计的目标。
表5 止水压注实绩
|
工区 |
区间 |
压注前涌水量 |
压注后涌水量 |
止水量 |
止水率 |
|
龟飞 |
11k750~12k000 |
1053L/min |
272L/min |
781L/min |
74% |
|
12k400~12k550 |
719 |
359 |
360 |
50 |
|
12k150~12k300 |
1657 |
278 |
1379 |
83 |
|
13k700~14k990 |
1752 |
366 |
1387 |
79 |
|
云内 |
7k875~8k780 |
3169 |
1951 |
1218 |
38 |
|
9k700~10k190 |
2710 |
1379 |
1331 |
49 |
|
算用 |
3k900~4k200 |
1582 |
196 |
1386 |
88 |
|
5k580~5k640 |
730 |
437 |
293 |
40 |
|
6k200~6k480 |
1421 |
605 |
816 |
57 |
|
合计 |
— |
14794 |
5843 |
8951 |
61 |
（5）示例
以主洞为例，表6列出13工区的压注基准。图10是压注的基本模式。
表6 压注基准
|
1 |
压注范围 |
确保最小压注半径4R |
|
2 |
覆盖长度 |
45m |
|
3 |
压注长度 |
75m |
|
4 |
孔的配置 |
计划长度 |
压注孔 |
压注半径 |
摘要 |
|
一次孔 |
二次孔 |
|
外
侧
孔 |
钻孔 |
75m |
|
|
5.1R |
|
|
1A |
45m |
25 |
35 |
5.4R |
|
|
2A
|
60m |
30 |
32 |
5.4R |
|
|
3A |
75m |
29 |
32 |
5.1R |
|
|
内
侧
孔 |
3B |
75m |
19 |
20 |
4.0R |
|
|
3C |
75m |
13 |
13 |
2.9R |
|
|
3D |
75m |
10 |
11 |
1.8R |
|
|
检查
孔 |
CC |
75m |
5 |
0 |
0.9R |
|
|
DC |
45m |
10 |
0 |
- |
|
|
|
计 |
|
141 |
143 |
|
|
|
5 |
分段压注基准 |
（1） 外侧孔：有20L/min以上涌水时；
（2） 内侧孔：有20L/min以上涌水时；
钻孔长度45m以内，有10L/min以上的涌水时；
（3）塌孔多，卡钻多的场合
|
|
6 |
再钻孔基准 |
有20L/min以上的涌水时 |
|
7 |
钻孔机械 |
M-120C |
|
8 |
压注材料 |
（1） LW浆液 ·水泥：高炉水泥
·水玻璃：75%溶液
（2） ES浆液 ·水泥：高炉水泥
·ES：ES水泥 |
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9 |
口部方式 |
插入80A或90A，长15m的导管 |
|
10 |
最终压注压力 |
80kgf/cm2，接近超前导坑时，70kgf/cm2 |
|
11 |
压注模式 |
（1） LW浆液
（2） ·基本模式
·在基本模式A点，压注压力超过65kgf/cm以上时
·在基本模式B点压注压力超过65kgf/cm以上时
（3） ES浆液
|
|
12 |
压注量的控制 |
限定压注：15m |
|
13 |
压注顺序 |
钻孔—1A—2A—3A—3B—3C—CC—DD |
|
14 |
检查孔基准 |
掘进长度+口部长度（45m）的范围内，每钻孔1m，在0.1L/min以下 |
|
15 |
追加孔基准 |
原则上，在有50~100L/min涌水的孔的两侧追加钻孔 |
|
16 |
预定掘进长度 |
30m |
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17 |
注解 |
|
4 压注机理的研究
对压注效果的判定，最有效的方法是对压注后的渗透系数降低到怎样一个程度，作出评价，也就是说，在实用上，搞清填充量、或填充率和渗透系数的关系是最便利的。因此，青函隧道对此进行了试验和压注机理的研究。
压注围岩的渗透流和模式，示于图11。图11（a）、（c）是其微观的状况。（a）图是颗粒状空隙中压注材料没有完全充填，但已固化的状况，水只在颗粒
图10
和压注材料间的间隙中流动。同样地，（c）图表示压注材料充填围岩中裂隙的状况。水也是只在残留的裂隙中流动。在这样的围岩中，对充填率和渗透系数做了如下假定：
·压注带内水只在间隙中流动；
·颗粒、岩石、固化的压注材料不透水；
图13
压注液容量Vt与压注材料的固化容量Vg之比（Vg/Vt）=β，取β≤1。
但采用图11（a）、（c）那种复杂的压注材料分布，来定量地决定渗透系数是不容易的。因此，将其简化为图11（b）、（d）的模式。也
图11
就是说，将围岩中的压注材料，如图11（b）所示，固化 压注材料的容量置换为等效的粒子，或置换为等效的岩石部分（图11（d））。这样，就可以只考虑压注后仅仅是空隙率的变化。
现假定对象围岩的初始空隙率为λi，压注后的空隙率为λsg，则有，
λi=1-Vs/V λsg=1-（Vs+Vg）/V
（10）式中 V：对象围岩的容量；Vs、Vg：分别是土和岩石的固体容量及压注材料的固体容量
其次，压注材料的填充率α=Vg/V×100%=βVi/V×100%
（11）式中 Vi：浆液的容量 β：压注浆液的固化率，β≦1。根据（10）、（11）式，α=Vg/V×100%=（λi-λsg）
（12）由此，透水系数比k，/kk，/k=f（λsg/λi）=f（λi-α）/f（λi）
（13）因此，如果知道压注后的空隙率λsg，就可以求出压注后的透水系数k。由此可知，当α=λ时，也就是说空隙完全被浆液所填充，则k，/k趋近于0。α=0时，也就是说浆液完全没有填充的情况，k/k趋近于1。作为参考，将一些研究成果示于图12。 图5的纵轴表示k，/k，横轴表示α，以λ为变量，表示两者的关系。可以看出：填充率越接近λ值，k，/k则急剧减小。根据试验结果，压注材料的最终饱和率S一般在0.8~0.9左右，k，/k可减小到10-2~10-3左右。青函隧道的压注带内的k，/k和α的测定值的比较示于图13。
二 舞鹤排水隧洞
在舞鹤排水隧洞中，也是局部地段通过海底的。海底的地质条件是花岗岩，埋深约26m 岩层的倾角约70~80度作用。表示透水性的吕容值（Logeon unit：注：1Lu=1L/min/m/10kg/cm2）为0~9.9。岩层的单轴抗压强
图12
度为7.5~10.0N/mm2。通过地段的海水平面约在隧道顶上40m。
压注设计，参考类似工程及试验压注结果，示于图14和图15。
（1） 改良目标值
参考类似工程例，围岩的改良目标值取吕容值在3以下。而且检查孔的涌水量在0.5L/min/m以下。
（2）改良范围
图16表示改良范围和止水效果。
根据改良范围和涌水量的关系取改良范围为3r（隧道半径的3倍）（图16）。
（3）压注材料
采用 水泥浆。水玻璃系材料因与海水产生白浊反应，可能会影响周边环境，因此没有使用。
表7是压注材料的比较表。
表7 压注材料的比较
|
材料
项目 |
水泥浆 |
水玻璃+高炉胶凝水泥浆 |
超细水泥浆 |
|
胶凝时间 |
— |
3~7分钟 |
— |
|
压注压力 |
低 |
稍高 |
低 |
|
渗透性 |
○ |
◎ |
◎ |
|
耐海水性 |
○ |
○ |
○ |
|
经济性 |
○ |
△ |
△ |
|
环境保护 |
○ |
△ |
○ |
|
实绩 |
○ |
○ |
△ |
|
综合评价 |
○ |
△ |
△ |
（4）压注孔间距
根据工程经验，3.0m的压注孔间距是可以保证止水效果的，因此取3.0m。但在涌水量小的区段，可以减少一些压注孔。
（5）堵头长度
掌子面前方压注 ，为防止压注材料漏泄和保护掌子面，要设置堵头。堵头长度过去一般取10m ，但考虑压注材料没有漏泄的情况，此次采用7.5m。
（6）步距长度（钻孔长度）
压注的1步距长度，是由钻孔机械能力和钻孔精度决定的。根据试验施工的结果。步距长度取30m。
（7）最大压注压力
一般说，压注压力越高，压注效果越好，但过大的压注压力会出现向压注范围外逸出和破坏围岩的危险。因此参考过去的经验，最低压注压力采用静水压的3倍和岩层 限界压力+0.1~0.2N/mm2中的小者。（约为1.38N/mm2）。
在整个压注设计中，有2点改进是值得参考的。
（1） 压注机械
因是比较坚硬的花岗岩，孔壁可以自稳，所以采用单管钻孔。钻孔机械采用了开挖中使用的3臂钻孔台车。
（2） 压注方式
堵头的结构，过去 通常采用埋设套管柱塞或直接埋设套管的方式，都要事先进行钻孔，对工期、经济性都不利。因此，此次的压注采用一次钻孔的带有带状柱塞直接埋设方式。压注管采用塑料管。压注方式的比较列于表8。
表8 | 
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。