一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法.pdf

本发明涉及一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法。本发明所要解决的技术问题是提供一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法，以保证隧洞的正常运行和长期外压结构稳定安全。解决该问题的技术方案是：多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，具有隧洞，其特征在于在隧洞的周边围岩设有二层或二层以上不同的固结灌浆孔密度和不同的灌浆压力和不同的浆液种类和不同的水泥类灌浆浆液的颗粒比表面积的固结灌浆圈。本发明可用于超高压裂隙地下水作用下水利水电隧洞工程，同时也适用于各类交通隧洞工程、城市供水隧洞工程。

1、  一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，具有隧洞，其特征在于：在隧洞的周边围岩设有二层或二层以上不同的固结灌浆孔密度和不同的灌浆压力和不同的浆液种类和不同的水泥类灌浆浆液的颗粒比表面积的固结灌浆圈。

2、  根据权利要求1所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述外层灌浆圈最为密实，中间层其次，内层灌浆圈最为稀疏。

3、  根据权利要求2所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述中间层灌浆圈或内层灌浆圈其灌浆孔径向间隔一个或两个孔的中间设有高标号的水泥砂浆封孔。

4、  根据权利要求1所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述固结灌浆孔的密度为1.0×1.0m～2.0×2.0m。

5、  根据权利要求1所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述灌浆压力为1.2～2倍外水压力。

6、  根据权利要求1所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述浆液种类有超细水泥或磨细水泥或普通水泥或甲凝或聚氨酯或环氧树脂。

7、  根据权利要求1所述的多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，其特征在于：所述水泥类灌浆浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g～10000cm²/g。

8、  一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先针对隧洞的工程要求设计密度在1.0×1.0m～2.0×2.0m间排距的固结灌浆孔，对隧洞周边围岩进行固结灌浆，通过调整灌浆孔内灌浆塞的位置，形成相对密实的外层灌浆圈，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力为1.5～2倍外水压力，浆液种类采用超细水泥或磨细水泥或甲凝或聚氨酯或环氧树脂，水泥类浆液的颗粒比表面积为6000cm²/g～10000cm²/g；
2)接下去向隧洞中心移动灌浆塞的位置，进行内层二序固结灌浆，在该步骤中加大固结灌浆孔的间排距，即沿径向间隔一个或两个孔进行灌浆，中间不灌浆的孔在相邻孔固结灌浆之前，直接用高标号水泥砂浆进行压力封孔，同时降低灌浆压力为1.2～1.5倍外水压力，浆液种类采用普通水泥浆液，减少浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g～4500cm²/g，形成半径小于外层固结灌浆圈的密实度较小的固结灌浆圈；
3)根据具体工程的需要，通过增加灌浆孔深度和钻孔内灌浆的分段数来增加围岩灌浆圈的层数，操作步骤重复步骤2)，以此类推。

一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法
技术领域
本发明涉及一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法。主要适用于超高压裂隙地下水作用下水利水电隧洞工程，同时也适用于各类交通隧洞工程、城市供水隧洞工程。
背景技术
水利水电、交通等工程建设中所涉及的隧洞埋深越来越大，遇到的地下水压力往往有数百米甚至上千米水头。由于地下水补给范围大，衰减期长，处理不好的话，一方面地下水排泄会对周围水文地质环境产生不利影响，另一方面会给工程施工和运行、结构安全带来很大的困难和危害。
目前水工隧洞设计中，设计者关注的往往是隧洞中防止水体外渗的问题，采用的措施如钢板衬砌、混凝土与钢板复合衬砌、预应力钢筋混凝土衬砌、钢筋混凝土衬砌+围岩单一固结灌浆等，其中钢筋混凝土衬砌+单一围岩固结灌浆措施就是充分利用围岩作为隧洞承载和防渗的结构主体，采用单一灌浆压力、单一灌浆浆液等固结灌浆措施加固隧洞围岩，封闭隧洞周边岩体裂隙，提高隧洞围岩的整体性和抗变形能力，增强围岩抗渗能力，这一设计越来越多的成为围岩地质条件良好，满足挪威准则、最小地应力准则以及围岩渗透准则条件下隧洞工程的主要结构措施，但是该承载结构由于隧洞径向辐射状布孔灌浆，随着灌浆钻孔进入围岩深度的增加而使之环向间距逐步加大，在相同灌浆压力以及灌浆浆液等措施的条件下，一般形成外层围岩渗透系数大、内层渗透系数小的防渗承载结构，主要使用在防止内水外渗和承载内水压力的隧洞结构中，由于渗透系数小所承受的渗透水压力越大，故这一结构对承担高外水压力不甚合理，因此，目前的各类隧洞结构基本不考虑隧洞外部地下水向隧洞内临空面反向渗透所带来的外压失稳问题。当隧洞埋深达上千米甚至两千多米时，对隧洞外超高压裂隙地下水长期渗透问题的处理，将成为隧洞防渗和结构处理的主要矛盾。
对交通工程等非水工隧洞，以往遇到的地下水压力不大，往往采用整体衬砌或复合衬砌。在整体衬砌中，混凝土衬砌是主要承载结构；在复合衬砌中，锚杆喷混凝土与钢筋混凝土是主要承载结构。当埋深加大、遇到超过上千米水头的地下水作用时，现行的以钢筋混凝土衬砌为主体承载结构的型式就难以适应了。
发明内容
本发明的目的是针对深埋、超高压裂隙地下水作用下的隧洞工程，提供一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构及其施工方法，以保证隧洞的正常运行和长期外压结构稳定安全。
本发明所采用的技术方案是：多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构，具有隧洞，其特征在于在隧洞的周边围岩设有二层或二层以上不同的固结灌浆孔密度和不同的灌浆压力和不同的浆液种类和不同的水泥类灌浆浆液的颗粒比表面积的固结灌浆圈。
所述外层灌浆圈最为密实，中间层其次，内层灌浆圈最为稀疏。
所述中间层灌浆圈或内层灌浆圈其灌浆孔径向间隔一个或两个孔的中间设有高标号的水泥砂浆封孔。
所述固结灌浆孔的密度为1.0×1.0m～2.0×2.0m。
所述灌浆压力为1.2～2倍外水压力。
浆液有超细水泥或磨细水泥或普通水泥或化学类灌浆材料，如甲凝或聚氨酯或环氧树脂。
所述水泥类灌浆浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g～10000cm²/g。
一种多层围岩灌浆固结圈隧洞承载结构的施工方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先针对隧洞的工程要求设计密度在1.0×1.0m～2.0×2.0m间排距的固结灌浆孔，对隧洞周边围岩进行固结灌浆，通过调整灌浆孔内灌浆塞的位置，形成相对密实的外层灌浆圈，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力为1.5～2倍外水压力，浆液种类采用超细水泥或磨细水泥或甲凝或聚氨酯或环氧树脂，水泥类浆液的颗粒比表面积为6000cm²/g～10000cm²/g；
2)接下去向隧洞中心移动灌浆塞的位置，进行内层二序固结灌浆，在该步骤中加大固结灌浆孔的间排距，即沿径向间隔一个或两个孔进行灌浆，中间不灌浆的孔在相邻孔固结灌浆之前，直接用高标号水泥砂浆进行压力封孔，同时降低灌浆压力为1.2～1.5倍外水压力，浆液种类采用普通水泥浆液，减少浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g～4500cm²/g，形成半径小于外层固结灌浆圈的密实度较小的固结灌浆圈；
3)根据具体工程的需要，通过增加灌浆孔深度和钻孔内灌浆的分段数来增加围岩灌浆圈的层数，操作步骤重复步骤2)，以此类推。
本发明的有益效果是：本结构充分利用在渗透水压力作用下，结构渗透系数与所受渗透压力成反比的渗流力学基本原理，通过合理的围岩固结灌浆设计，实现隧洞外层围岩固结灌浆圈渗透系数较小，相应承担的外水渗透压力大，内层固结灌浆圈渗透系数较大，相应承担的外水渗透压力小，即达到隧洞围岩渗透系数由外到内逐层递增，渗透水压力由外到内逐层递减的效果。
附图说明
图1是本发明实施例1二层固结灌浆圈的结构图。
图2是本发明实施例1的受力图。
图3是发明实施例2三层固结灌浆圈的结构图。
具体实施方式
实施例1、如图1、图2所示，本例是圆形隧洞1、二层围岩固结灌浆圈，每个固结灌浆钻孔的灌浆分段为二段。隧洞外层围岩3固结灌浆圈较为密实、渗透系数小、相应承担的外水渗透压力大，内层围岩2固结灌浆圈相对稀疏、渗透系数大、相应承担的外水渗透压力小。在内层灌浆圈其灌浆孔径向间隔一个或两个孔可不再固结灌浆，而直接采用高标号的水泥砂浆封堵成封孔6。本例固结灌浆孔的密度约为1.0×1.0m，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类采用超细水泥，水泥浆液的颗粒比表面积为6000cm²/g；内层围岩固结灌浆采用的灌浆压力约为1.2倍外水压力，浆液种类采用普通水泥，水泥浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g。
本实施例的施工方法包括以下步骤：
1)首先针对隧洞的工程要求设计密度约为1.0×1.0m间排距的固结灌浆孔，对隧洞周边围岩进行固结灌浆，通过调整灌浆孔内灌浆塞5的位置，如把灌浆塞布置在半径r₂处进行高压固结灌浆，为了形成相对密实的外层灌浆圈，以便承载较大比例的地下外水压力，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类采用超细水泥，其颗粒比表面积为6000cm²/g。当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₁～r₂的隧洞外层密实度较大的围岩固结灌浆圈。
2)接下去向隧洞中心移动灌浆塞5的位置到半径r₃处，进行内层二序固结灌浆，在该步骤中可以加大固结灌浆孔的间排距(见图1)，即沿径向间隔一个或两个孔进行灌浆，中间不灌浆的孔在相邻孔固结灌浆之前，直接用高标号水泥砂浆进行压力封孔，同时降低灌浆压力约为1.2倍外水压力，浆液种类采用普通水泥浆液，减少浆液的颗粒比表面积为3000cm²/g，当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₂～r₃的隧洞内层密实度较小的围岩固结灌浆圈。
作用于两层围岩灌浆圈的外水压力和某处的水力梯度可以按照式1和式2计算：
式1：
H 1 = H 0 × ln r 2 r 3 ln r 2 r 3 + K 2 K 1 × ln r 1 r 2 ; ]]> H 2 = H 1 × ln r 3 r 0 ln r 3 r 0 + K 0 K 2 × ln r 2 r 3 ]]>
式2： J 1 = 2 × ( H 1 - H 2 ) ln r 2 r 3 + 2 × [ ( H 0 - H 1 ) ln r 1 r 2 - 2 ( H 1 - H 2 ) ln r 2 r 3 ] × r - r 2 r 1 - r 2 ; ]]> J 2 = 2 × ( H 1 - H 2 ) ln r 2 r 3 × r - r 3 r 2 - r 3 ]]>
式中：J₁——为外层灌浆圈半径为r处的水力梯度；
J₂——为内层灌浆圈半径为r处的水力梯度；
H_i——为作用于混凝土衬砌和各层灌浆圈边缘的地下水压力；
r_i——为混凝土衬砌和各层灌浆圈的半径；
K_i——为混凝土衬砌和各层灌浆圈的渗透系数。
通过上述公式可以根据隧洞所处工程区的外水压力值以及围岩的长期稳定渗透水力梯度，合理的设计出各层灌浆圈厚度以及渗透系数水平。
实施例2、如图1、图2所示，本例也是圆形隧洞1、二层固结灌浆圈。其基本结构与上例相同，不同之处在于本例固结灌浆孔的密度约为2.0×2.0m，外层围岩3固结灌浆采用的灌浆压力约为2倍外水压力，浆液种类采用磨细水泥，水泥浆液的颗粒比表面积为10000cm²/g；内层围岩2固结灌浆采用的灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类采用普通水泥，水泥浆液的颗粒比表面积为4500cm²/g。
本实施例的施工方法包括以下步骤：
1)首先针对隧洞的工程要求设计密度约为2.0×2.0m间排距的固结灌浆孔，对隧洞周边围岩进行固结灌浆，通过调整灌浆孔内灌浆塞的位置，如把灌浆塞布置在半径r₂处进行高压固结灌浆，为了形成相对密实的外层灌浆圈，以便承载较大比例的地下外水压力，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力约为2倍外水压力，浆液种类采用磨细水泥，水泥类浆液的颗粒比表面积为10000cm²/g。当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₁～r₂的隧洞外层密实度较大的围岩固结灌浆圈。
2)接下去向隧洞中心移动灌浆塞的位置到半径r₃处，进行内层二序固结灌浆，在该步骤中可以加大固结灌浆孔的间排距(见图1)，即沿径向间隔一个或两个孔进行灌浆，中间不灌浆的孔在相邻孔固结灌浆之前，直接用高标号水泥砂浆进行压力封孔，同时降低灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类采用普通水泥浆液，减少浆液的颗粒比表面积为4500cm²/g，当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₂～r₃的隧洞内层密实度较小的围岩固结灌浆圈。
实施例3、如图3所示，本例为圆形隧洞1、三层围岩固结灌浆圈。其基本结构与上例相同，不同之处在于本例的围岩固结灌浆圈为三层，每个固结灌浆钻孔的灌浆分段工序增加为三段，固结灌浆孔的密度约为1.5×1.5m，外层围岩3固结灌浆采用的灌浆压力约为1.8倍外水压力，浆液种类采用化学灌浆材料环氧树脂；中间层围岩4固结灌浆采用的灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类为磨细水泥，其颗粒比表面积约为7000cm²/g；内层围岩2固结灌浆采用的灌浆压力约为1.2倍外水压力，浆液种类采用普通水泥，水泥浆液的颗粒比表面积为3500cm²/g。
本实施例的施工方法包括以下步骤：
1)首先针对隧洞的工程要求设计密度为1.5×1.5m间排距的固结灌浆孔，对隧洞周边围岩进行固结灌浆，通过调整灌浆孔内灌浆塞的位置，如把灌浆塞布置在半径r₂处进行高压固结灌浆，为了形成相对密实的外层灌浆圈，以便承载较大比例的地下外水压力，外层围岩固结灌浆采用的灌浆压力约为1.8倍外水压力，浆液种类采用化学灌浆材料环氧树脂，当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₁～r₂的隧洞外层密实度较大的围岩固结灌浆圈。
2)接下去向隧洞中心移动灌浆塞的位置到半径r₃处，进行中间层二序固结灌浆，在该步骤中可以加大固结灌浆孔的间排距，即沿径向间隔一个或两个孔进行灌浆，中间不灌浆的孔在相邻孔固结灌浆之前，直接用高标号水泥砂浆进行压力封孔，同时降低灌浆压力约为1.5倍外水压力，浆液种类为磨细水泥，其颗粒比表面积约为7000cm²/g，当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₂～r₃的隧洞中间层密实度相对较小的围岩固结灌浆圈。
3)再向隧洞中心移动灌浆塞的位置到半径r₄处，进行内层三序固结灌浆，在该步骤中再次降低灌浆压力约为1.2倍外水压力，浆液种类采用普通水泥浆液，减少浆液的颗粒比表面积为3500cm²/g，当达到灌浆结束设计标准并闭浆封孔后，就可以形成半径为r₃～r₄的隧洞内层密实度最小的围岩固结灌浆圈。
本发明用到的灌浆材料，无论是水泥类灌浆材料(如超细水泥或磨细水泥或普通水泥)，还是化学类灌浆材料(如甲凝或聚氨酯或环氧树脂)等，都是普通的能够在市场上买到的商品。