議注漿工藝在隧道裂隙發(fā)育地層的應(yīng)用

張春燕

0 引言

隨著我國交通建設(shè)的高速發(fā)展，穿山隧道、都市隧道(地鐵)等愈來愈多，當(dāng)隧道在淺埋地段、砂土層、砂卵(礫)石層、裂隙發(fā)育地層以及大面積淋水或涌水地段施工時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)坍塌、冒頂或襯砌后混凝土結(jié)構(gòu)體仍然滲、漏水甚至開裂等現(xiàn)象，這不僅影響施工安全，延誤工期，費(fèi)工費(fèi)料，而且影響工程質(zhì)量和隧道使用年限。為了避免上述情況，施工中人們一直在嘗試著用注漿工藝來處理這些問題。隨著注漿材料、設(shè)備和注漿理論的發(fā)展，注漿工藝也有了長足的發(fā)展，越來越多的工程實(shí)踐證明:注漿工藝的應(yīng)用已成為保證隧道工程質(zhì)量和安全的經(jīng)濟(jì)而有效的一門新型技術(shù)。

但不少工程在應(yīng)用注漿工法處理隧道裂隙發(fā)育地層工程問題時(shí)，因缺乏理論依據(jù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)注漿材料、注漿設(shè)備、注漿方法的選擇;在對(duì)注漿范圍、注漿性能指標(biāo)的確定以及注漿加固效果的檢驗(yàn)等工作中往往帶有隨意性、盲目性，以致有些注漿工作花了較大的代價(jià)卻未能達(dá)到預(yù)期效果，下面以趙家?guī)X隧道為例具體闡述如何處理隧道工程裂隙發(fā)育地層注漿工藝施工中的各種問題。

1 工程概況

由我單位承建的宜萬鐵路趙家?guī)X隧道DK39+950～DK39+924段拱頂發(fā)育有一溶蝕裂隙，主要為塊石及黃色黏土填充，該裂隙長約26 m，平均寬約1.5 m，拱頂裂隙局部坍塌，坍腔高約3 m，根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，該溶蝕裂隙與地表相通。由于該溶蝕裂隙風(fēng)化嚴(yán)重，埋深較淺(僅約30 m)，開挖后溶蝕裂隙口部圍巖及填充物時(shí)常發(fā)生掉塊甚至小型塌方，雨后地表水直接通過裂隙灌入洞內(nèi)，據(jù)現(xiàn)場滲水量觀測，平均涌水量達(dá)50 m3/h，最大涌水量達(dá)500 m3/h，雨季曾發(fā)生兩次涌水。因此應(yīng)采用注漿施工對(duì)此段隧道周圍地層進(jìn)行止水與地應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)等特殊處理。

2 注漿施工方案設(shè)計(jì)

2.1 施工目的

本工程主要以改變巖層性狀為目的，使該段隧道變?yōu)椴煌杆募庸虒?，達(dá)到隧道開挖時(shí)無漏水和塌落現(xiàn)象，以使隧道掘進(jìn)時(shí)在掘進(jìn)段方向及拱頂區(qū)域足以抵抗地表水的壓力和施工擾動(dòng)的破壞，從而達(dá)到止水及加固作用，保證暗挖施工順利進(jìn)行。

2.2 注漿鉆孔布置

根據(jù)在需注漿地段的里程DK39+950～DK39+924內(nèi)，雨季時(shí)滲水嚴(yán)重，最大涌水量達(dá)500 m3/h，平均涌水量50 m3/h。因此，在注漿鉆孔的布置時(shí)按最不利條件布置，在滲水范圍內(nèi)，其孔位按梅花形布置于巖溶裂隙兩側(cè)。

2.3 漿液擴(kuò)散半徑

根據(jù)已有資料進(jìn)行工程類比及現(xiàn)場碴體注漿試驗(yàn)情況選定注漿壓力范圍，確定漿液擴(kuò)散半徑r的大小。本注漿設(shè)計(jì)初定漿液擴(kuò)散半徑為1.0 m～1.5 m。

2.4 漿液材料和配比選定

2.4.1 材料選定

1)水泥:考慮現(xiàn)場的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和漿液要求，采用P.O42.5水泥;2)水玻璃:實(shí)際水玻璃有30 Be'，35 Be'，40 Be'，50 Be'四種規(guī)格，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用35 Be'的水玻璃進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

2.4.2 配比選定

根據(jù)現(xiàn)場滲水情況結(jié)合臨近雨季施工，考慮巖溶裂隙處的地質(zhì)條件以及盡快達(dá)到止水加固的目的，本方案計(jì)劃采用水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行注漿，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際施工情況和設(shè)備情況，在拌和時(shí)把水玻璃和水泥凈漿按配合比放置于一起進(jìn)行拌和，由于加入水玻璃時(shí)會(huì)有水泥凈漿瞬凝情況發(fā)生，故需慢慢地加入水玻璃，同時(shí)不停攪拌，直到打破瞬凝情況并達(dá)到符合配合比要求為止。

水泥凈漿的水灰比通常在0.6～0.8之間，根據(jù)實(shí)際情況，采用水灰比為0.8的水泥凈漿。

考慮到巖石縫隙中的水流對(duì)漿液的影響和漿液的注入速度，初步設(shè)計(jì)的漿液初凝時(shí)間為30 min，特此，按水泥漿與水玻璃的體積比進(jìn)行幾種比例的試配，最后確定水泥凈漿與水玻璃體積比為1∶0.1。

2.5 注漿量計(jì)算

由于漿液的擴(kuò)散半徑與巖溶裂隙的孔隙率很難精確確定，為準(zhǔn)備注漿材料，本方案的注漿設(shè)計(jì)根據(jù)有關(guān)隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及所選用的注漿材料進(jìn)行注漿量的估算。注漿量的估算可按下式進(jìn)行:

Q=Anα(1+β)。

其中，Q為總注漿量，m3;A為注漿范圍圍巖體積，m3;n為圍巖孔隙率，%;α為漿液填充系數(shù)，0.7～0.9;β為注漿材料損耗系數(shù)。

設(shè)計(jì)中，nα(1+β)為填充率，根據(jù)圍巖地質(zhì)，考慮到巖溶裂隙附近節(jié)理發(fā)育，并且兩條主要豎向裂隙因地下水的沖刷作用，其填充物已被全部沖走，形成過水通道，因此，填充率取大值，取30%。又因A=3.14×R2×L，其中R=1.0 m，L=2.0 m，所以A=6.28 m3。

根據(jù)計(jì)算，每孔設(shè)計(jì)注漿量Q=1.88 m3。

2.6 注漿壓力的選定

注漿壓力與巖層裂隙發(fā)育程度、涌水壓力、漿液材料的粘度和凝膠時(shí)間長短有關(guān)，在目前均按經(jīng)驗(yàn)公式及實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)確定。通常情況可按注漿處地層深度計(jì)算，其公式為:

P=KH。

其中，P為設(shè)計(jì)注漿壓力(終壓值)，MPa;H為注漿處深度，小于200時(shí)取200 m;K為由注漿處深度確定的壓力系數(shù)，查有關(guān)資料，K值可取0.023～0.021。所以，可估計(jì)注漿壓力P約為4.2 MPa～4.6 MPa(因涌水嚴(yán)重，故取值較大)。

3 注漿施工工藝及要求

1)注漿口位置應(yīng)準(zhǔn)確定位，與設(shè)計(jì)位置容許偏差為±5 cm，偏角應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，每鉆進(jìn)一段，檢查一段，及時(shí)糾偏，孔底位置允許偏差應(yīng)小于30 cm。

2)注漿管3 m，頂部打有梅花形布置的小孔，外部設(shè)1 m φ40(熱軋無縫鋼管，壁厚5 cm)的孔口管，在孔內(nèi)先填塞錨固劑，使管壁與巖石壁緊貼，管在巖石外露10 cm，然后接球閥，在球閥的另一側(cè)接注漿管。具體布置見圖1。

圖1 注漿施工示意圖

3)在注漿之前，應(yīng)先對(duì)整個(gè)管道進(jìn)行壓水試驗(yàn)，其目的為:a.在注漿之前濕潤設(shè)備整個(gè)管道系統(tǒng)，防止在注漿過程中管壁吸附漿液;b.驗(yàn)證注漿孔是否密閉;c.清洗注漿孔內(nèi)殘余碎屑且符合注漿要求。

4)一個(gè)孔段注漿施工作業(yè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行直到結(jié)束，不宜中斷，應(yīng)盡量避免機(jī)械故障、停電、停水、器材等問題造成的被迫中斷。

4 質(zhì)量保證措施

1)原材料要經(jīng)過檢驗(yàn)合格后方可使用。材料的配比滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

2)拌和時(shí)，要控制拌和速度，使之能很好的配合注漿速度。

3)注漿鉆孔準(zhǔn)確定位，及時(shí)糾偏，確保注漿口位置和孔底位置符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4)注漿過程中控制好注漿壓力，注漿管接頭要連接牢靠，防止漏漿。

5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及效果評(píng)定

5.1 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)可分為單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)和全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。其具體標(biāo)準(zhǔn)如下:

1)單孔結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):

a.注漿壓力逐步升高至設(shè)計(jì)終壓4.2 MPa～4.6 MPa，并持續(xù)注漿10 min以上;

b.注漿結(jié)束時(shí)的進(jìn)漿量小于20 L/min。

2)全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):

a.所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無漏注現(xiàn)象;

b.注漿后涌水量小于1 m3/(m·d);

c.漿液有效注入范圍大于設(shè)計(jì)值。

5.2 注漿效果評(píng)價(jià)

注漿段的注漿孔全部注完后，應(yīng)進(jìn)行注漿效果檢查和評(píng)定，不合格者應(yīng)重新鉆孔注漿。檢查注漿效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的方法有:

1)對(duì)注漿過程的各種記錄資料綜合分析，分析各孔注漿壓力和注漿量變化是否合理、是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求;

2)設(shè)檢查孔，每循環(huán)設(shè)2個(gè)～3個(gè)檢查孔，檢查孔鉆取巖芯，觀察漿液充填情況，并檢查孔內(nèi)涌水量，檢查孔內(nèi)涌水量應(yīng)小于0.2 L/(m·min)。

6 結(jié)語

按本施工方案進(jìn)行注漿后，該段隧道根據(jù)設(shè)檢查孔進(jìn)行孔內(nèi)檢查，孔內(nèi)涌水量全部小于0.2 L/(m·min)，檢查孔成孔良好，裂隙段得到了明顯的加固，達(dá)到了預(yù)期目的，保證了工程質(zhì)量和隧道安全，使下段隧道的施工得以順利進(jìn)行，并為以后隧道注漿施工提供了寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過注漿試驗(yàn)研究，我們?nèi)〉昧巳缦鲁晒?

1)采取注漿技術(shù)加固裂隙發(fā)育地層是可行的。

2)在該類型工程中采取注水泥—水玻璃雙液漿的方案是可行的。

3)確定出的各種參數(shù)，具有一定的借鑒應(yīng)用價(jià)值。

4)洞內(nèi)開挖施工時(shí)，要做好超前鉆探工作，并且要加強(qiáng)洞內(nèi)小導(dǎo)管注漿，以彌補(bǔ)地表鉆孔注漿的薄弱環(huán)節(jié)。

[1]齊東亮.帷幕注漿止?jié){巖盤施工技術(shù)[J].山西建筑，2009，35(18):327-328.