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岩质隧道的围岩压注止水技术3
压注方式的比较
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方式 |
直接埋深套管方式 |
单柱塞方式 |
带柱塞直接埋设方式 |
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概要 |
堵头段钻100mm钻孔，设置钢管（75mm）。而后按65mm钻孔到预定长度，从口部直接 压注。 |
按预定长度钻65mm钻孔，插入并固定带有空气柱塞的压注管，进行压注。 |
按预定长度钻65mm的钻孔。插入并固定带有带状柱塞的塑料管，从口部直接压注。 |
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示意图
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特征 |
要2次钻孔，工期、经济性不利 |
空气柱塞破损时，安全性有问题，同时材料有向柱塞背后逸出的危险 |
一次钻孔，因不使用空气柱塞，工期、安全性、经济性都有利 |
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评价 |
一般 |
一般 |
优 |
具体的压注方法如下。
图17~20是压注概况、压注顺序、止水施工流程、各孔的压注流程。
压注步骤，首先是实施各步距的调查孔（6个），决定该步距是否需要压注和最大压注压力。判断需要进行压注的场合，再进行包括调查孔在内的129孔的压注。
压注，如图18所示，分1~3个阶段从外周孔向内周孔进行，同时在同一环中，先压注偶数孔，再压注奇数孔。最终，为了确认压注效果，进行检查孔（4个）的压注。
（1） 调查孔
调查孔一般采用6个。首先测定 所有孔的涌水量，其中1个孔进行吕容值、压水试验、限界压试验、涌水压试验。基于其结果判断该步距是否需要压注和决定最大压注压力。
（2） 压注孔
压注按钻孔、设置·固定压注管、测定涌水量、压水试验、压注水泥浆、孔内充填等步骤进行。
涌水量在改良目标值区间涌水量0.5L/分/m以下时，不进行压注，仅进行孔内充填。
初期的压注速度，考虑水泥浆的粘性，取压水试验的注水速度的1/2。达到最大压注压力之前，一直维持此速度。达到最大压注压力的阶段，以便维持压注压力以便降低压注速度，直到5L/分/m以下，再进行5分钟压注，就结束压注。
（3） 检查孔
为了确认压注效果，要实施检查孔（4个）压注。在4个检查孔中测定涌水量，其中1个孔进行吕容值试验。
1~8步距的压注，达到了改良目标值，但第9步距的压注没有满足改良目标值的要求，进行了补充压注。
在整个压注过程中，如果1环的偶数孔（一次孔）钻孔完成后，不需要压注的孔（涌水量在0.5L/分/m以下）连续出现的场合，可以认为其间的奇数孔不需要压注，可以省略钻孔。此外，如果确认压注材料不会从堵头逸出，掌子面不会出现变异的场合，可以把堵头长度从10m缩短到7.5m。来降低整个钻孔的长度。但在进行补充压注时，要提高最大压注压力。
表9 止水压注 的实绩
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步距 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
合计 |
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步距长度（）内为压注长度（m） |
30
（20） |
30
（20） |
30
（20） |
30
（22.5） |
30
（22.5） |
30
（22.5） |
30
（22.5） |
30
（22.5） |
26.1（18.6） |
（191） |
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钻孔数 |
134 |
112 |
95 |
96 |
129 |
131 |
133 |
143 |
176 |
1149 |
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钻孔m数 |
3608 |
1992 |
1576 |
1550 |
2513 |
3577 |
3620 |
3941 |
4286 |
30663 |
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压注m数 |
2100 |
1757 |
1505 |
1704 |
2315 |
2363 |
2365 |
2696 |
2527 |
19332 |
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最大压注压力（N/mm2） |
1.38 |
1.38 |
1.38 |
1.38 |
1.38 |
1.38 |
1.38 |
1.38~2.0 |
2.0 |
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改良围岩量（m3） |
7711 |
7711 |
7711 |
8675 |
8675 |
8675 |
8675 |
8865 |
8155 |
74853 |
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压注量（m3） |
33.3 |
11.1 |
18.8 |
19.0 |
27.0 |
40.1 |
46.8 |
60.8 |
61.1 |
318.0 |
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压注率（%） |
0.43 |
0.14 |
0.24 |
0.22 |
0.31 |
0.46 |
0.54 |
0.69 |
0.75 |
0.42 |
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有无补充压注 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
无 |
有 |
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1~9个步距的水泥浆压注率是0.42%，而根据事前的地质调查，从花岗岩的累计裂隙开口量曲线推定的压注率是0.3%。基本上是一致的。
压注效果通过压注前和压注后的钻孔的涌水量比较及吕容值比较，示于图21、22。压注前的涌水量最大是9.7L/分/m，吕容值是10.5，压注后则分别是0.5L/分/m 以下和3以下。压注效果是充分的。隧道开挖时的涌水量最大是3.5L/分，累计涌水量是146L/分（平均0.9L/分），可以认为止水压注的效果是充分的（图23）。
决定 CM初期压注速度：压水试验时的止水速度的1/2。 |
决定CM初期配比浓度
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注水速度（L/分） |
小于30 |
30以上 |
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配比浓度（W/C ） |
400% |
300% |
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变更CM配比的基准
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注水速度 |
配比浓度（W/C） |
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400% |
300% |
200% |
100% |
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小于30L/分） |
200L |
200 |
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30以上 |
— |
200 |
200 |
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压注完了基准：达到最大压注压力
压注速度在5L/分以下，5分钟后停止。 |
三围岩透水性试验
围岩透水性及排水试验：围岩压注前后的渗透系数的变化，推定透水路径的脉络状态。
围岩内的水流与粒状多孔介质的渗透流有些不同，例如围岩的各向异性、达西定律的应用等都与围岩自身的力学性质和动态有关，在理论上还有许多没有搞清楚的问题。为此在青函隧道进行了一系列的试验，如问题透水性试验、空隙试验试验等。
一个试验是注水、排水试验。其目的是：
·用注水试验掌握自然围岩 的透水性上和透水脉络状态；
·实测围岩压注的效果；
·掌握排水孔开闭，水压传播的规律等。
此试验是在青函隧道导坑330m附近的试验洞进行的。
测定项目有：
·压注前后的注水试验；
·11m附近的排水试验；
·22m附近的排水试验。
注水试验在试验坑道中，钻5个试验孔，分别测定5个孔全部开放时（孔内涌水自然流出状态）的涌水量、全部关闭时的涌水压以及5孔处于不同开放状态时的水压相互干扰状态等，以便掌握自然围岩 的透水性和透水脉络状态。
注水孔和排水孔的配置，示于图24。
首先从S孔开始，按T1~T4孔顺序进行。
S孔在钻到长度5、10、15m时，分别采用注水压力0、30、40、50、60、70kg/cm2进行注水试验。
5孔全部钻完后，相互开放、关闭，进行孔间的脉络试验。即测定：
5孔全部开放的涌水量和全部关闭时的涌水压；
S孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压；
T1孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压；
T2孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压；
T3孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压；
T4孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压； 图图24注水孔和排水孔的配置
T1、T3孔开放，其他孔关闭时的涌水量和涌水压等。
1孔注水，各孔间的脉络试验。注水压力分别采用0、25、30、35、…..55~0kg/cm2增减。
压注后的注水试验
在压注后的坑道中，钻3个检查孔，进行压水试验，检查压注效果。其配置示于图25。
在1孔内注水，掌握各孔间的脉络状态。试验测定项目与压注前试验相同。
排水试验在里程11和22m处进行，主要是为了研究围岩的透水性，以及作用在支撑上的水压。试验是在压注范围以外钻了9个排水孔。图25 检查压注的配置
分别测定：全孔开放时 的水压和涌水量；全孔关闭时的水压和涌水量； 单孔双孔、3孔开放时，其他孔关闭状态下的水压和涌水量等。
通过围岩透水性试验获得的渗透系数，示于图26 。从试验可以看出，围岩的透水性也是各向异性的。
图26 围岩渗透系数的测定结果例
四 青函隧道的衬砌设计
青函隧道与其他山岭隧道比，一个显著的特点就是处于海底的长隧道。其涌水源是一个无限的大海。因此，必须止水。青函隧道主要采用水泥浆和水玻璃进行压注止水，其水压由压注区域, 的外周承受。
此外，要完全止水，在时间、费用都有困难，因此，要对浸出衬砌表面的海水进行处理，要求设置排水设备等结构物。
青函隧道的压注范围是根据压注方法的好坏、地质的止水效果、压注材料的强度、压注后的施工方法等决定的。
研究已压注区间的开挖状况，再决定下一次的压注范围。也就是说，要考虑残余涌水量及其随时间的变化、作用在支护上的土压、以及地中位移等。
从岩体力学的角度看，压注范围与外力的关系示于图27。假定压注范围是弹性体，其稳定条件必须满足下式的要求。
P=-C cotφ +（P+C cotφ）（1-sinφ）/1-（a/R）sinφ
式中φ：内摩擦角
Pa：支护反力
PR ：压注范围外周压力
C：凝聚力
R：压注半径
A：开挖半径
根据2种岩石的压注范围变化时的PA/PR和R/a的关系，不管条件如何，只要R/a大于3~4，PA/PR变小的效果是不明显的。因此，在实际的压注中，采用隧道半径的3~4倍的范围进行压注。
在这种情况下，隧道标准断面的形状，示于图28~图30。 图27
由上图可以看出，青函隧道的结构设计，作为主洞，在一般地质条件时，仅采用70cm的普通混凝土衬砌，在导坑中，只采用15cm~20cm的喷混凝土。对处于断层破碎带的衬砌，也有采用90~100cm的。
1·不管是青函隧道，还是舞鹤隧道，进行完全的止水，是不可能的。压注后，都会残留一定的涌水。这个涌水量应该是可以接受的，而且不会对生态环境造成不利影响。
2·青函隧道的压注技术是在大量试验的基础上形成的。不仅在施工阶段，而且在调查阶段就进行了许多为压注设计的试验。这一点，一直是我们的遗憾。在试验中获取经验，是极为重要的。我们应该把压注试验作为一个重点予以实施；
3·青函隧道采用的是：限量压注。所谓限量压注就是根据围岩的空隙率，压注量按其空隙率的80%以上进行压注而不是无限制的压注。如果压注率能够保证在空隙率的80%以上，围岩的渗透系数可以降低2~3个数量级。因此，确定围岩的空隙率，就是一个极为重要的课题。
4·青函隧道的压注，实际上是一边压注一边测定钻孔的涌水量，当涌水量达到预计要求时，就停止了压注。, 因此，青函隧道的止水，是不完全的。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。因此，隧道究竟容许多大的涌水量，也是一个需要解决的问题。
5·完善的压注计划是成功的保证。从青函隧道有关压注的文献看，对事前的压注设计是异常重视的。如何控制压注量、如何控制压注压力、如何选择压注材料等，都有一个计划。这一点，只要我们认真对待，就可以做到。
6·压注材料是一个关键问题。青函隧道主要是采用经过改性的水玻璃系列材料。目前适合压注的材料，可能很多。应通过试验进行选择。对压注材料的要求是：胶凝时间在3分钟以上，3天材令的单轴抗压强度在40kgf/cm2以上。舞鹤隧道采用超细水泥浆，也是比较成功的压注材料。
7·青函隧道采用予压注（超前压注）和后压注（补充压注）2种方式进行止水作业。予压注有的是在主洞内，有的是通过作业坑道进行的。工程量很大，对进度影响极大。其平均速度约在12m/月。后压注是为了解决通过衬砌的涌水量还不满足要求的情况下采取的措施。这种补充压注，要控制压注压力，避免对衬砌的不利影响。
8·从压注步距看，舞鹤隧道采用30m，是比较合适的。在这种条件下，可以采用隧道通常使用的钻机进行钻孔。
9·在施工前，应进行围岩透水性的试验，测定围岩的渗透系数，为确定压注量，提供依据。一般说，围岩的渗透系数是各向异性的，因此在进行压注时应考虑这个特点，确定各孔的压注量。
10·应该指出：要确定一个需要压注的基准。因为从上述2座隧道的工程实践中可以看出，例如，舞鹤隧道，当钻孔的涌水量小于0.5L/分/m时，就可以不进行压注。而仅进行钻孔的填充。
, 因此，青函隧道的止水，是不完全的。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。因此，隧道究竟容许多大的涌水量，也是一个需要解决的问题。
5·完善的压注计划是成功的保证。从青函隧道有关压注的文献看，对事前的压注设计是异常重视的。如何控制压注量、如何控制压注压力、如何选择压注材料等，都有一个计划。这一点，只要我们认真对待，就可以做到。
6·压注材料是一个关键问题。青函隧道主要是采用经过改性的水玻璃系列材料。目前适合压注的材料，可能很多。应通过试验进行选择。对压注材料的要求是：胶凝时间在3分钟以上，3天材令的单轴抗压强度在40kgf/cm2以上。舞鹤隧道采用超细水泥浆，也是比较成功的压注材料。
7·青函隧道采用予压注（超前压注）和后压注（补充压注）2种方式进行止水作业。予压注有的是在主洞内，有的是通过作业坑道进行的。工程量很大，对进度影响极大。其平均速度约在12m/月。后压注是为了解决通过衬砌的涌水量还不满足要求的情况下采取的措施。这种补充压注，要控制压注压力，避免对衬砌的不利影响。
8·从压注步距看，舞鹤隧道采用30m，是比较合适的。在这种条件下，可以采用隧道通常使用的钻机进行钻孔。
9·在施工前，应进行围岩透水性的试验，测定围岩的渗透系数，为确定压注量，提供依据。一般说，围岩的渗透系数是各向异性的，因此在进行压注时应考虑这个特点，确定各孔的压注量。
10·应该指出：要确定一个需要压注的基准。因为从上述2座隧道的工程实践中可以看出，例如，舞鹤隧道，当钻孔的涌水量小于0.5L/分/m时，就可以不进行压注。而仅进行钻孔的填充。 | 
于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。