海底隧道断层超前帷幕注浆技术总结

隧道工程线路全长约7120m，其中隧道长6170m（海底段约3950m），路基段长约950m，是一条以城市道路功能为主兼有公路功能的隧道，双向六车道，主隧道断面为椭圆形断面，内净空高8.2m，宽14.4m。团岛端接线在XX路、XX路采用分离式隧道与本工程北端地下相接，右线长约1618m，含接线隧道整条隧道全长右线7788m，左线7797m。
主线隧道为左右线分离设置，隧道海域段线间距约55m，主隧道间设置人行横通道和车行横通道，中间平行设置服务隧道。隧道设置地下泵站，靠海岸两端地面设置2座风井。隧道出口（薛家岛）附近设置管理中心，出口外625m处设置收费站，同步配套建设隧道机电设备和其它设施。
隧道通过区主要岩性为侵入岩和火山岩，岩质坚硬、脆，属硬质岩石，完整性好，节理较发育，抗风化能力大多较强，海水对混凝土及结构中的钢筋有弱腐蚀性。

1.工程、水文地质情况
1.1 f2-1断层破碎带设计情况
1.1.1 f2-1断层破碎带位置
原设计f2-1断层破碎带纵断面位置为YK4+450～YK4+500，纵向长度为50m，该段水深15.4～16.8m，隧道埋深38m。
1.1.2 f2-1工程地质情况
f2-1错动破碎带，带内岩体破碎，并见有1～250px宽的绿泥石化错碎物，裂面上见斜擦痕，显示压扭特征，错动面倾角大于70°，倾向不详；推测断裂带宽度小于5米，两侧有数米宽的影响带。
f2-1断层破碎带通过段基岩为⑦1断裂破碎带、⑦15流纹岩、⑦17粗安质火山角砾岩、⑦19含晶屑火山角砾凝灰岩，为多种岩性交界地段。基岩全～强风化带不发育，弱风化带厚度一般2～11米；微风化岩多较完整，岩体以块状结构为主，局部为块碎状镶嵌结构，岩质坚硬，透水性多较弱，局部发育微张裂隙处渗透性可达中等级。
本段局部受构造影响较严重，破碎带岩体多为碎裂状结构，岩质软硬不均，具有一些数厘米～十几厘米宽的错动带，错碎物已绿泥石化(坚硬土状，易软化)。
1.1.3 f2-1水文地质情况
根据设计资料，该段围岩透水性为中等，设计给出的单位长度涌水量为14.69 m3/d·m（大岛洋志）、18.61 m3/d·m、（古德曼）21.25 m3/d·m（规范经验）；在松弛变形后，破碎带抗渗性易恶化。
1.2 超前地质预报情况
1.2.1 TSP超前地质预报情况
为确定f2-1断层的性状，我部于3月13日配合第三方山东大学在掌子面里程为YK4+424.8时进行了一次TSP超前预报。本次探测范围为YK4+424.8～YK4＋548，共
123.2m，预报成果见表1-1“YK4+424.8～YK4＋548 TSP预报成果表”。
表1-1 YK4+424.8～YK4＋548 TSP预报成果表

从上表可以得出TSP预报的f2-1断层段即YK4+444～YK4+480（36m），岩体呈压扭性破坏，围岩破碎，含裂隙水，为断层发育区，围岩级别为Ⅳ级，共36m。
1.2.2 超前钻探地质预报情况
为了验证TSP预报成果和确定f2-1断层的确切位置和特性，我部在掌子面YK4+440.6进行了超前地质探孔，共施做3个钻孔，探孔深度分别为51m、24.9m、12.4m。本次钻探发现了f2-1断层破碎带YK4+448.0～YK4+485.1，共计37.1m，断层核心带YK4+477.6～YK4+485.1，共计7.5m，探孔出现涌水，并为咸水。详见超前探孔报告，主要情况描述见表1-2“超前钻探地质描述表”。
表1-2 超前钻探地质描述表

1.2.3 探水孔涌水量测试
本次超前探孔作业共施工3个孔，其中中间孔A孔和左侧孔B孔出水，以中间孔为最大，左侧次之，右侧孔因钻头磨损严重，中途退出，未发现出水，见表1-3“A孔涌水量测试表”、表1-4“B孔涌水量测试表”。

1.3 f2-1断层破碎带情况分析
综合施工图设计、TSP超前地质预报、超前地质探孔资料可以得出以下结论：掌子面前方确实存在一个断层破碎带即f2-1断层。虽然两种预报手段得出的断层位置有一定出入，但断层规模基本一致。断层影响带在37m左右，暂以超前探孔的里程为准。其中f2-1断层破碎带为YK4+448.0～YK4+485.1，共计37.1m，断层核心带YK4+477.6～YK4+485.1，共计7.5m，断层破碎带内岩体破碎，中风化～强风化，节理、裂隙发育，节理缝夹泥或有泥质夹层，含裂隙水，且水量较大，层间结合力差、岩体强度较低，稳定性差，为Ⅳ级围岩，需注浆止水加固后方能稳定。
2.注浆方案
2.1 注浆的目的
根据超前地质预报成果显示，f2-1断层破碎带围岩情况相对较好，破碎带内围岩软硬不均，岩性变化频繁、明显，存在较大裂隙水，因此在注浆方案的选择时，主要的目的就是通过对破碎带内的孔隙、裂隙压注超细水泥浆，使之在隧道开挖轮廓外形成一道止水帷幕，以减小渗流量、防止渗漏水对断层破碎带产生渗流破坏，减少后期渗漏水处理难度和处理费用。并适当考虑加固围岩，减小后期开挖、支护过程中的坍塌风险。
2.2 注浆方案的确定
现场探水孔单孔涌水量经测试约31.1～49.2L/min，根据《海底过断层破碎带专项设计》图册中给定的注浆标准，达到超前帷幕注浆标准。
在进行探孔钻设时，掌子面桩号为YK4+436.6，探孔显示，F2-1断层破碎带的出水位置位于探孔处前方17m以远的YK4+453.6~+477洞段，为减小稳定岩盘过厚给注浆钻孔带来的空耗，注浆时掌子面已经开挖至YK4+444，因此会议研究决定，因此本次注浆长度为YK4+444~+477，长33m。为尽量缩短超前帷幕预注浆的时间和费用，有关方面提出本段超前预注浆选择全周边帷幕注浆方式对f2-1断层破碎带进行处理，且周边帷幕注浆孔的数量较设计减少在周边帷幕注浆结束后，根据检查孔出水情况，再会议研讨是否补充为全断面注浆。
根据注浆研讨会会议纪要精神，本次注浆采用全孔一次性注浆。但由于浆液长距离流动过程中对浆液自身稳定性的影响和长距离压注对孔底浆液扩散压力的损失影响，D序孔孔底段压注效果可能会受到一定影响，因此本次注浆采用全孔一次注浆仍作为本海底隧道施工的一个试验洞段，为后续注浆方式的选择提供依据。
2.3 注浆参数的确定
2.3.1 注浆止水、加固范围
本段帷幕注浆止水加固区范围考虑为隧道轮廓线外5m，注浆止水岩盘厚度按注浆安全、高效原则考虑，留设8m厚止浆岩盘。
根据工程经验和工程类比，注浆扩散半径为2m，并在施工中根据注浆试验或施工前期注浆效果验证、评估后进一步修正确定。
2.3.2 注浆段长度
开挖至YK4+444处时，开始进f2-1断层破碎带注浆，注浆段长度范围为YK4+444～YK4+477（33m），第一注浆循环完成后，按设计要求打设探水孔，根据探测情况，决定前方是否需要继续进行注浆。
2.3.3 注浆孔布置
周边帷幕注浆孔布置参数：
⑴注浆范围为隧道开挖线以外5m，注浆段长度为33m,一个注浆段完成后留8m暂不开挖，并进行下一循环的超前钻探，若钻探出水量在设计规定容许出水量范围值以内，在继续开挖作业，若出水量达到超前预注浆标准，则将预留的8m已注浆段作为下一注浆段的止浆岩盘。
⑵按会议每循环超前预注浆共设置73个注浆孔，主要为B、C、D三序孔，每序孔各22个，另外考虑现掌子面右半副围岩较破碎，渗、漏水较严重，因此在掌子面右幅边缘增补7个A序注浆孔，以便在富水、破碎的近掌子面周边形成止水帷幕。
按《隧道海域地段过断层破碎带专项设计图》，注浆扩散半径为2m，为保证浆液扩散后能有效形成止水帷幕，因此孔底间距按3m进行控制。另根据开孔位置和终孔位置坐标，确定出各序孔的角度和长度。A序孔深11.5米，B序孔深14.5米，C序孔深21.0米；D序孔深33.7米。
⑶注浆孔开孔间距0.6～1.7m，终孔间距3.0m，钻孔方向根据开孔和终孔坐标分别计算竖直角和水平角进行控制。
注浆孔布置见“过断层破碎带全断面超前预注浆示意图”。
2.3.4 浆液及配比
根据探测出f2-1的性状，该断层破碎带为压扭性，裂隙密闭程度不一致，同时根据课题组前期试验及第四施工合同段断层破碎带注浆情况，为确保注浆期间注浆效果和开挖后的止水效果，f2-1断层破碎带帷幕注浆选用注浆材料为超细水泥单液浆。在需要局部进行封堵涌水情况时，采用普通水泥-水玻璃双液浆：水玻璃模数2.4～3.4，浓度为30～45Be’。
⑴ 注浆材料
超细水泥选用浙江科威建材有限公司生产的“科威牌”超细水泥，该水泥比表面积为222500px2/g，水泥颗粒细小，拌制的浆液稳定，便于渗入细小的节理、裂隙中，能满足该段注浆要求。
⑵ 浆液配比
①根据四合同段超细水泥灌注经验，超细水泥浆浆液配合比暂定为水灰比分别为1：1，在施工中，根据压水试验、浆液压注试验进行调整。
②对于局部需要灌注双液浆洞段，双液浆配比为体积比1：0.3。
2.3.5 注浆压力
根据探水孔测试的涌水压力0.7MPa，注浆压力一般比静水压力大0.5～1.5Mpa的原则，f2-1断层破碎带帷幕注浆压力初步确定为1.0～2.5MPa，终压初步确定为3.0～4.0MPa。
2.3.6 注浆速度
注浆速度的控制根据不同情况采取不同的控制措施，注浆速率主要取决于地层的吸浆能力（即地层的孔隙率）和注浆设备的动力参数，初步确定注浆速率范围取5～110L/min，施工中根据压水试验确定的岩体透水率、浆液的可注性等实际情况进行调整。
2.3.7 注浆结束标准
⑴ 单孔注浆结束标准
单孔注浆以定量定压相结合。
①定量标准：当注浆量达到单孔设计注浆量的1.5～2倍，压力仍然不上升，可采取双液注浆等措施缩短凝胶时间，使压力达到设计终压，结束该孔注浆；
②定压标准：各孔段均达到设计终压，并稳定10min，且进浆速度为开始进浆速度的1/4或注浆量达到设计注浆量的80%，即可结束该孔注浆。
⑵ 全段结束标准
①设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。
②按总注浆孔的5～10%设计检查孔，检查孔满足设计要求。
3.注浆机械设备、人员配置及物资储备
⑴ 机械设备配置
①钻孔设备
根据本工程注浆钻孔工作量及难度，钻孔主要采用日本生产的矿研RPD-150C和阿特拉斯353E凿岩台车，该设备具有钻孔效率高、移动灵活、操作简单方便等特点。
②灌浆设备与工具
采用中、高压注浆泵黑旋风3SNS-A、高速搅拌制浆机ZJ-800、立式双桶储浆搅拌机、注浆自动记录系统、注浆塞。本工程注浆有可能的要用到双液浆，拟采购选择KBY-50/70或ZBSB-148～23/6-185双液泵。
⑵ 人员配置
设置有专业钻孔注浆班组，具体人员配备及职责分工见表3-1“注浆作业人员配置及职责分工表”。

⑶ 物资储备
根据f2-1断层破碎带规模，参考设计图纸给定注浆参考量，主要注浆物资计划见表3-2“主要注浆物资计划表”。

4.注浆实施方案
注浆施工工艺流程见图5-1“超前预注浆施工工艺流程图”。

图4-1 超前预注浆施工工艺流程图
4.1 施工准备
施工准备主要为：检修维护钻机、注浆泵等设备，加工孔口管，注浆材料准备，浆液试验等。
4.2 止浆墙施工
止浆墙采用为C35、S8喷射混凝土施作，厚度为500px，待止浆墙混凝土强度达到75%后开始进行孔口管安装。
4.3 测放孔位
待止浆墙强度达到75％后，按照设计及钻机所在位置，计算出各钻孔在工作面上的坐标，放线出注浆孔的准确位置。
4.4 孔口管安装
在止浆墙上钻设φ130钻孔，孔深2m，插入φ108无缝钢管，长2.2m，外露0.2m。孔壁与孔口管间隙采用麻丝塞填，再向内注入水泥—水玻璃双浆液固结。孔口管起着导向作用，安装时要控制好外插角度，要安装牢固，固结密实，不漏浆。孔口管还应安装防突装置，防突装置见图4-2“孔口管防突装置示意图”。

图4-2 孔口管防突装置示意图
如果围岩比较完整，施工中将尝试使用机械式止浆塞进行注浆，止浆塞的承压能力将根据试验进行确定，在确定全孔一次注浆的前提下，若止浆塞抗压能力能满足注浆终压要求，为提高注浆施工效率，施工中将首先考虑使用止浆塞。钻孔完成后，经过洗孔，把止浆塞放入孔内1.0m左右深处，旋紧压紧螺母，使顶管挤压胶塞膨胀，与孔壁密贴。
4.5 钻设注浆孔
注浆孔采用矿研RPD-150C钻进钻设，超前预注浆孔直径φ65~137、终孔不小于φ65。钻进过程中应观察记录钻进速度、断层产状、围岩情况、涌水量和其他参数，对岩层、岩性以及孔内各种情况进行详细记录，遇有洞穴、塌孔或掉块难以钻进时，可先进行注浆处理。
钻孔时，应对钻孔采用高压水冲洗，防止孔内残存的岩屑堵塞钻孔及裂隙通道。冲洗注浆孔应按规定作为例行工作进行，严格要求。但如果钻孔中有可能坍塌的区域、浸水或孔中渗水较大以及涌泥时，应取消冲洗。
注浆孔孔位偏差不得大于250px，因故变更孔位，应征得监理同意。钻孔时尽量采用长钻具以控制孔斜，在钻孔中应进行孔斜测量，一般每10m测斜一次，终孔段必须测斜，发现偏差及时纠正。孔底偏差值不得大于孔深的1/40。
4.6 压水试验
压水试验应在裂隙冲洗后进行，采用“简易压水”进行压水试验。简易压水试验应在裂隙冲洗后进行，压力为80％的注浆压力，该值若超过1Mpa时，采用1Mpa；压水20min，每隔5min测读一次压水流量，取最后的流量值作为计算流量，其成果以透水率表示。
在大面注浆孔钻设前，先钻设1～2孔至设计深度，以便对前方围岩情况、成孔难易程度等进行掌握，并安设孔口管进行钻孔中涌水流量、涌水压力和静水压力的测定，并以此确定合适的注浆方式（前进式、后退式或全长一次注浆）、浆液和注浆压力。
4.7 浆液制备
①所有制浆材料必须称量，采用重度比按照进行配置，水泥等固相材料应采用称重法称量，加水采用自动计量器，称量误差不得大于5％。
②水泥浆液采用高速搅拌机搅拌，纯水泥浆液的搅拌时间应不少于30s，浆液在使用前应过筛；浆液自制备至用完的时间不宜超过2h；任何季节注浆浆液的温度应保持在5～40oC。
4.8 注浆
⑴ 注浆时压力控制
压力表与压力传感器安装在孔口管路上，记录仪记录压力摆动的平均值，压力波动范围不大于注浆压力的20％。为稳定注浆压力，注浆泵一律配备空气蓄能器。
⑵ 注浆顺序
先注外圈孔，再注内圈孔；同序孔间隔注浆，注完一孔，跳过一孔或多孔注浆；先注无水区,后注有水区，钻一孔注一孔，钻孔间隔距离适当放大。先注稀浆液再注浓浆液。后续注浆孔同时作为检查孔。
在整个压注过程中，如果一环的钻孔完成后，按照注浆标准不需要压注的孔（涌水量在0.1L/min/m一下）连续出现的场合，其间的奇数孔（偶数孔）可以省略，不需钻孔，但是先期钻孔完毕的注浆孔仍需进行压注。
如果周边注浆孔注浆后，止水效果较好，中间部位注浆孔成孔后，未达到注浆标准，则中间部位的注浆孔不再进行注浆。
⑶ 注浆记录
按照注浆结束标准结束注浆。每循环注浆应做好记录，包括概况数据，每孔的水流量、孔深、浆液配比、开始和结束压力、时间、总注浆量、流速以及其他出现的异常情况等。对浆液密度、流量、压力采用自动灌浆记录仪进行记录。
当达到注浆结束标准时，结束注浆。
4.9 注浆效果检查
⑴ 注浆结束后检查
注浆结束后，在主要出水点附近打设检查孔，检查孔数量为总注浆孔数的5～10%，检查孔长度应覆盖注浆段长。通过定性观察和定量方法对注浆效果进行检测，决定是否需要补充钻孔注浆。
⑵ 开挖后检查
由于隧道对防渗漏水要求较高，隧道开挖后，每注浆段循环段在拱部钻设3个径向检查孔，孔深4m，钻孔直径φ50。通过定性观察和定量方法对注浆效果进行检测，如果每孔每延米涌水量大于0.15L/min，则进行径向补充注浆。
4.10 注浆过程异常情况处理
⑴ 注浆中断
①找出注浆中断的原因，尽快解决，及早恢复注浆。
②如果不能立即恢复注浆或灌注浓浆有埋管危险时，应立即冲洗钻孔，而后再恢复注浆。
③若因故不能立即冲洗钻孔，则应松开止浆塞，上提注浆管，以免造成埋管事故。待具备冲洗条件时，再进行强力冲洗，以恢复注浆条件。
④冲洗无效时，应立即扫孔至孔底，并用压力水冲洗后，重新开始注浆。
⑤当恢复注浆后，注入率明显减少，并在短时间内停止吸浆时，应采取补救措施。
⑵ 串浆
①加大第一次序孔间的孔距。
②适当地延长相邻两个次序先后施工的间隔时间，待前一次序孔注浆的浆液基本凝固后，再开始后一序孔的钻注工作。
③发生串浆后的处理措施
如串浆孔具备注浆条件，可以同时进行注浆，但应一泵注一孔，否则应将串浆孔用塞塞住，待注浆孔注浆结束后，串浆孔再行扫孔、冲洗，而后继续钻进和注浆。
⑶ 绕塞返浆
由于围岩水平裂隙发育或孔壁不平整造成止浆塞堵塞不严，在注浆过程中，注浆段内的浆液在压力作用下，绕过止浆塞流出，可采取如下处理措施：
①上提注浆塞重新阻塞，并对裂隙发育段采用前进式分段注浆方法并有足够的待凝时间。
②适当加长止浆塞长度，并加大膨胀度，但应避免因过度加压而造成胶片塞翻塞。
⑷ 大量漏失
①采用低压、浓浆、限流、限量、间歇注浆的方法进行灌注。
②必要时，可采用砂浆或其他充填材料先堵大空隙再采用方法（1）处理。
③缩短浆液凝固时间，采用水泥—水玻璃或其他速凝材料，进行灌注。
⑸ 涌水处理
在注浆孔有涌水流出的注浆孔段，注浆前应测量记录涌水压力、涌水量，然后根据涌水情况选用下列综合措施处理：
①缩短注浆段长度，提高注浆压力，采用分段前进式注浆方式。
②当单孔达到设计要求的注浆结束标准后，采用浓浆液进行屏浆1～24h后再闭浆，并待凝。
②采用速凝型浆液对涌水孔进行注浆。
④采用压力注浆封孔。
4.11 补充注浆
由于隧道对防渗漏水要求较高，隧道开挖后，每注浆段循环段在拱部钻设3个径向检查孔，孔深4m，钻孔直径φ50。通过定性观察和定量方法对注浆效果进行检测，如果每孔每延米涌水量大于0.15L/min，则进行径向补充注浆。
对隧道开挖后未达到预期围岩改良目标（表面渗水量≥2L/m2·d）时，应采用补充注浆方案对渗水部位进行封堵。补充注浆方法：
①对点状滴水主要采取堵漏剂逐点表面处理。
②对点状线流采取表面封堵为主，注浆处理为辅的原则处理。
③对大面积淋水或股状涌水的部位，在集中出水部位周围不小于2m范围内布设注浆孔，注浆孔间距1.5m，孔径Φ56，孔深4.0m，梅花型布置，孔内安装止浆塞或Φ32花管进行注浆处理，分Ⅰ、Ⅱ孔实施，由四周向中间，由下向上的原则进行注浆。
5.技术措施
①钻孔过程中，如遇到钻出水量明显增加时，则停止钻进，尽量减少钻注施工过程中水量排出，安设注浆管注浆。
②注浆前先进行注浆现场试验，注浆参数通过现场试验在实际施工中根据具体情况及时调整，以获得较好的注浆加固效果。
③配制浆液严格按照制浆要求按顺序投料，不得随意增减数量；水泥在倒入搅拌桶前捡去其中的水泥纸及包装线，要在倒入口安装一用滤网加工的过滤筛。
④水泥浆搅拌好放入储浆桶后，在吸浆过程中不停搅动，防止浆液离析，影响质量。
⑤注浆泵吸浆头用纱网包裹，并间隔一定时间提起吸浆头晃动，防止吸浆头堵塞。
⑥注浆管路连接完毕后，先压水检查注浆管路的密闭性，各种连接连接牢固，防止高压下脱开伤人。
⑦注浆开始时，先打开进浆阀，再关闭泄浆阀，注浆结束时，先打开泄浆阀，再关闭进浆阀，待泄压后拆卸注浆管路。
⑧注浆过程中遇到突然停电时，要立即用高压水冲洗净管内的浆液，与洞外联系后如停电时间较长时，注浆管全部拆下冲洗，注浆泵也要拆洗，将搅拌机中浆液放入储浆桶后清洗搅拌机。
⑨注浆过程中，若地层吸浆量很大，注浆压力长时间不上升，可通过调整浆液配比，缩短浆液凝胶时间，以达到控域注浆目的。
⑩注浆过程中，如注浆压力突然上升，立即停止注浆工作，打开泄浆阀泄压，查明原因后再决定该孔是否继续注浆，如系管路堵塞，清除故障后继续注浆，如管路未堵塞，接管注浆时仍旧出现压力突然上升，可结束该孔注浆。
⑪注浆过程中，如发生串浆现象，可关闭该串浆孔继续注浆，但若发生频繁时，应加大钻孔与在注浆孔的间隔或同钻同注，减少串浆现象。
⑫注浆过程中，如跑、漏浆现象严重时，可通过间歇注浆或通过调整浆液配比缩短凝胶时间的方法进行封堵，但若无效时，可暂停该孔注浆。
⑬注浆过程中，要保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断。
⑭严格按照设计注浆段长进行分段注浆，不得任意延长分段长度，必要时可进行重复注浆，以确保注浆质量。严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业。当未达到注浆结束标准时，进行补孔注浆。
5.应用效果及经验总结
注浆完成后共设8个检查孔，对围岩加固效果和渗漏情况进行检查，单孔每延米最大出水量约为0.07L/min，8孔出水总量为3.626L/min，与探孔总量（82.9L/min）相比，注浆止水率达95.6%。注浆后TSP超前预报数据表明裂隙充填较密实，围岩整体性变好，强度与密度较之前有所提高。爆破开挖后可以清楚看到浆液随节理裂隙面扩散，扩散的痕迹明显，掌子面比较干燥，注浆达到预期效果。
本工程为海底隧道，埋深浅且上覆无限海水，为尽量减小或避免突涌水风险，须选择好合适的注浆参数和配套的注浆设备，同时，注浆工序成为重要工期控制工序。主隧道共完成16循环注浆，通过对钻孔设备和注浆工艺的改进，注浆相关问题基本解决，单循环周边帷幕注浆可在7~10日完成。