縱環(huán)向注漿聯(lián)合支護技術(shù)在滑坡體黃土隧道中的應(yīng)用

許淑珍,董 鵬

(中鐵七局集團第一工程有限公司,河南洛陽 471001)

1 工程概況

青蘭高速公路青皮塔隧道為左右四車道分離式隧道,采用削竹式洞門。左線長625 m,右線長630 m,位于陜西黃龍山原始森林黃土梁峁溝壑區(qū),上部為新黃土,植被發(fā)育,降水量豐富,下部出露三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖、泥巖。隧道進口處位于山體斜坡上,洞口段為Ⅴ級淺埋偏壓段。左線進口段處于100 m寬的滑坡段。該段土體松散,含水率達30%,基底承載力小,在170～200 kPa。圍巖穩(wěn)定性極差,成洞困難。該隧道黃土入口及滑坡段施工采用縱向超前小導(dǎo)管預(yù)注漿與拱架支護方案,在LK75+145～LK75+181處出現(xiàn)了拱頂下沉變形現(xiàn)象、水平收斂速率超限,嚴(yán)重影響了施工安全和質(zhì)量。

2 拱頂下沉原因分析

(1)拱頂覆蓋土體上部為新黃土,植被發(fā)育,降水量豐富,下部為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組砂巖、泥巖,呈散體狀結(jié)構(gòu),埋深淺,成洞困難。

(2)隧道進口段處于100 m寬的滑坡段,圍巖穩(wěn)定性差。

(3)受雨水下滲影響,圍巖自重加大,巖體整體性差,承載力下降。

(4)采用原設(shè)計縱向超前小導(dǎo)管預(yù)注漿與拱架支護方案,不能達到預(yù)期質(zhì)量效果。

3 拱頂下沉處理方案

(1)對拱頂局部下沉部位按Ⅴ級圍巖小塌方先支后清原則進行處理。

(2)將地表裂縫填平夯實,在裂縫外側(cè)設(shè)置混凝土截水溝,同時做好防水措施,將水引排至隧址區(qū)以外,防止地表水及雨水滲入。

(3)對變形下沉段進行換拱處理,拱腳加設(shè)注漿導(dǎo)管擴大拱腳,代替鎖腳錨桿,采用雙層鋼筋網(wǎng),拱頂布設(shè)縱向、徑向鋼花管注水泥-水玻璃雙液漿,進行縱環(huán)向注漿加固。拱頂?shù)孛媪芽p及下沉部位采用人工填土分層夯實。

(4)滑坡段圍巖開挖前在縱向超前小導(dǎo)管預(yù)注漿基礎(chǔ)上增加徑環(huán)向注漿,設(shè)置加密型鋼拱架,將縱、徑向注漿管端與拱架焊為一體,掛網(wǎng)錨噴C25混凝土,抑制拱頂下沉、周邊收斂,確保施工質(zhì)量和安全。

(5)加強洞內(nèi)外監(jiān)控量測工作,及時反饋信息指導(dǎo)施工,為修正設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

4 施工原理

通過安裝縱向超前小導(dǎo)管和徑向注漿導(dǎo)管壓注水泥-水玻璃雙液漿,使?jié){液通過小導(dǎo)管滲透、擴散到地層空隙或裂隙中,水玻璃與添加物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其生成物填充土壤孔隙并起膠粘作用,提高土體的密實程度,加固黃土類松散圍巖,提高了土體自穩(wěn)能力,限制了其松弛變形,有效控制了拱頂下沉、周邊收斂等不穩(wěn)定因素。由縱向、徑向小導(dǎo)管，固結(jié)土體，型鋼拱架結(jié)合形成聯(lián)合支護體系。

5 聯(lián)合支護施工工藝

聯(lián)合支護施工工藝：開挖→初噴開挖面,噴2～3 cm厚混凝土→安裝縱向超前小導(dǎo)管(長4.5 m,間距30 cm)→注雙液漿→安裝徑向注漿管L=4.0 m,間距100 cm×100 cm(環(huán)向×縱向)→注雙液漿→安裝小導(dǎo)管代替錨桿、網(wǎng)片、拱架,將縱徑向?qū)Ч芘c拱架焊為一體→噴射C20早強混凝土→下一榀拱架安裝。

6 確定工藝參數(shù)

6.1 注漿參數(shù)的確定

(1)長度與外插角：超前小導(dǎo)管縱向插入傾角為6°～15°；徑向注漿管用φ50 mm無縫鋼管,長4.5 m,前端成尖狀,用風(fēng)鉆鉆孔徑向垂直插入圍巖。

(2)導(dǎo)管搭接長度：縱向小導(dǎo)管搭接水平長度根據(jù)漿液擴散半徑和圍巖固結(jié)厚度確定,一般不小于1 m。

(3)注漿壓力由土層密實度決定,一般為0.5～1.0 MPa,終壓達到1.0 MPa時,持續(xù)壓注5 min,壓漿機采用BW-250型。

(4)水泥-水玻璃雙液漿：水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5；水泥漿水灰比1∶1；水玻璃濃度35 Be′,模數(shù)2.4；注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa,終壓1.0 MPa。漿液膠凝時間控制在30 min。

(5)單孔注漿量

Q=λπR2Lηβ

式中，λ為漿液損失系數(shù),取1.1～1.2；R為漿液擴散半徑,取0.8～1.2 m；L為注漿長度,即注漿管鉆孔的有效長度,約4 m；η為巖層孔隙率,根據(jù)工程試驗確定；β為漿液有效充填系數(shù),取0.6～0.8；經(jīng)計算，每根注漿管單孔最大注漿量為0.3～0.4 m3。

6.2 注漿工藝試驗

(1)注水試驗。為了檢查止?jié){效果和測定鉆孔的吸水量,在第一次注漿前或圍巖變化后,核實巖層的透水性,進行注水試驗,將清水壓注入巖層,目的在于為確定注漿量、注漿壓力和漿液配比提供參考數(shù)據(jù)。

(2)試注確定單孔注漿量。在初次注漿前或圍巖地質(zhì)水文條件變化時應(yīng)進行注漿試驗,以核實注漿參數(shù),如注漿壓力、進漿速度、單孔注漿量等。本工程施工中小導(dǎo)管單孔注漿量最大確定為0.3～0.4 m3。

(3)進漿速度試驗。通過試驗,確定小導(dǎo)管注漿最大速度不超過100 L/min。具體應(yīng)根據(jù)試驗或?qū)嶋H情況而定。注漿參數(shù)避免出現(xiàn)大進漿量。

7 聯(lián)合支護體施工要點

7.1 超前導(dǎo)管布置

(1)超前導(dǎo)管布置沿開挖輪廓布置,一般采用單排管,處理塌方或巖體過于松散或巖體含水量大時采用雙排管(圖1、圖2)

圖1 鋼拱架及小導(dǎo)管平面布置(單位：cm)

圖2 超前小導(dǎo)管立面布置(單位：cm)

7.2 徑向注漿管布置(圖3)

其中上臺階拱架鎖腳4根,下臺階鎖腳4根,注漿管間隔1 m安裝一環(huán)。

圖3 徑向注漿管布置(單位：cm)

7.3 鋼拱架布設(shè)

鋼拱架采用I20型鋼,鋼拱架縱向間距50 cm，上半斷面鋼拱架拱腳每側(cè)加設(shè)4根3 m長φ50 mm鎖腳注漿導(dǎo)管,下半斷面鋼拱架每側(cè)加設(shè)2根3 m長φ50 mm鎖腳注漿導(dǎo)管,用鎖腳注漿導(dǎo)管取代原設(shè)計方案中的鎖腳錨桿,擴大拱腳25 cm,及時封閉成環(huán)(每2 m)；用C25網(wǎng)噴混凝土封閉掌子面20 cm厚,鋼筋網(wǎng)采用20 cm×20 cmφ8 mm雙層鋼筋網(wǎng)。根據(jù)監(jiān)控量測情況確定是否加設(shè)臨時仰拱。

7.4 注漿施工設(shè)備

(1)注漿設(shè)備。雙液注漿的設(shè)備主要有注漿泵、攪拌機、貯漿桶等。將注漿所有設(shè)備安裝在可移動的車輛上成為移動泵站,可緊靠作業(yè)面,具有輸漿管路短、漿液損失小、聯(lián)絡(luò)方便,注漿結(jié)束移離方便等優(yōu)點。

(2)鉆孔設(shè)備。利用現(xiàn)有的風(fēng)鉆,去掉風(fēng)鉆的旋轉(zhuǎn)葉片即可得到較為理想的沖擊動力,將沖擊錘桿一端的釬尾部分卡入改制過的風(fēng)鉆內(nèi),另一端先套上沖擊錘，再穿入注漿導(dǎo)管末端,開動風(fēng)鉆鉆孔打入。

(3)注漿導(dǎo)管制作。超前小導(dǎo)管和徑向注漿導(dǎo)管采用提前選定的鋼管制成,沿桿體每15 cm鉆一φ8 mm孔,四周梅花形布置出漿孔,端封閉并制成尖狀,鉆孔采用鑿巖機施作,當(dāng)圍巖松軟時,用錘擊直接打入。超前小導(dǎo)管大樣如圖4所示。

圖4 超前小導(dǎo)管大樣(單位：cm)

7.5 監(jiān)控量測

(1)在滑坡帶地段,沿隧道中線在地表每5 m設(shè)1個下沉觀測樁,洞內(nèi)拱頂也同樣對應(yīng)地表每5 m設(shè)1個下沉觀測樁。以便監(jiān)測在更換鋼拱架及下臺階、仰拱開挖時縱向沉降變化規(guī)律。

(2)沿隧道寬度方向設(shè)置2組橫向地表下沉觀測樁,每組樁間距2 m,每側(cè)布設(shè)寬度為8 m,以便監(jiān)測在更換鋼拱架及下臺階、仰拱開挖時橫向沉降變化規(guī)律。

(3)地表沉降觀測每天采用水準(zhǔn)儀觀測2次,根據(jù)變化數(shù)據(jù)分析是否增加量測頻次。

(4)洞內(nèi)水平收斂量測對應(yīng)地表縱向下沉觀測樁位置布設(shè),每天采用收斂儀量測2次,根據(jù)變化數(shù)據(jù)分析是否增加量測頻次。

(5)施工中,量測監(jiān)控組按照規(guī)范要求對周邊收斂和拱頂下沉量進行了量測,由表1、表2中量測結(jié)果可以看出，對黃土滑坡體隧道圍巖采用該支護方案能夠滿足《公路隧道施工技術(shù)細(xì)則》要求。

7.6 施工注意事項

(1)應(yīng)合理組織勞動力、搭配技術(shù)力量、機械等,保證有序施工。

注：各點的量測作業(yè)均為從持續(xù)到變形基本穩(wěn)定,相對收斂為0 mm后,在以1次/7d的量測頻率測3周后結(jié)束。

表2 拱頂下沉測量成果匯總

注：各點的量測作業(yè)均為從持續(xù)到變形基本穩(wěn)定,相對沉降為0 mm后,在以1次/7 d的量測頻率測3周后結(jié)束。

(2)堅持“先排水、短進尺、快支護、早封閉、勤量測”原則,根據(jù)量測數(shù)據(jù)科學(xué)有效指導(dǎo)施工。

(3)嚴(yán)格按試驗參數(shù)進行注漿,隨時檢查注漿效果和地質(zhì)情況,達不到要求應(yīng)重新進行補注或調(diào)整,搞好常流地下水的引排。

(4)注漿前應(yīng)試泵和泵管,以確保注漿系統(tǒng)正常和施作人員安全。

(5)注漿初期,孔的吸漿量大,要嚴(yán)格按合適比例進行雙液注漿,控制擴散范圍,以降低材料消耗和提高堵水效果。

(6)當(dāng)泵壓不變進漿量很大、發(fā)生跑漿時,可暫停,不能超過漿液凝膠時間,以防漿液在管中凝結(jié)堵管,或調(diào)整漿液濃度和配比,縮短凝膠時間,進行小泵量、低壓力注漿。

(7)根據(jù)巖層裂隙發(fā)育情況變換漿液濃度。先壓注稀漿,持續(xù)壓入一定數(shù)量,將巖層中的細(xì)裂隙充填壓好,后變換濃漿,壓注充填中等或較大的裂隙。若漿液變濃后,進漿速度明顯放慢,或泵壓力顯著升高,則說明濃度不當(dāng),應(yīng)換原漿繼續(xù)壓注。

7.7 結(jié)束注漿的標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)以單孔注入量或注漿終壓持續(xù)時間為準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達到設(shè)計終壓或單孔注入量達到最大注入量,均可結(jié)束該孔注漿。注完漿的鋼管要立即堵塞孔口,防止?jié){液外流。

8 結(jié)語

在青蘭高速第七合同段滑坡帶黃土隧道施工中,采用縱、徑向?qū)Ч茴A(yù)注漿聯(lián)合支護方法,能將松散黃土土體加固為為膠結(jié)體,改善了圍巖土體的力學(xué)性能,提高了圍巖類別,并使固結(jié)松散體和導(dǎo)管、鋼拱支撐形成三維支護體系,有效地抑制了拱頂下沉、周邊收斂,大大提高了開挖速度,順利穿過了滑坡段,保證了施工安全和質(zhì)量,取得了較好的技術(shù)、經(jīng)濟效果。

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