全風化砂巖隧道超前深孔注漿地層預(yù)加固技術(shù)

【摘要】全風化砂巖圍巖施工由于成巖作用差，施工中極易產(chǎn)生涌砂、塌頂，導(dǎo)致隧道變形、失穩(wěn)，危及施工人員及設(shè)備的安全。本文以寧夏固原原州區(qū)至王洼鐵路程兒山隧道全風化細砂圍巖施工為實例，根據(jù)巖性合理調(diào)整施工配合比，對在復(fù)雜地質(zhì)條件下地下隧道工程的加固改良和堵水施工進行簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】全風化砂巖；超前深孔注漿；地層預(yù)加固

1、前言

注漿技術(shù)在國內(nèi)外工程施工中應(yīng)用已越來越普遍受到關(guān)注，其適用各種有水或無水軟弱地層中，尤其在地鐵、海底隧道等地下工程應(yīng)用比較廣泛，但注漿技術(shù)也是近年逐漸發(fā)展起來的一種適用新型技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用上仍存在較多需進一步探索研究的地方。

寧夏固原市原州區(qū)至王洼鐵路線程兒山隧道洞身洞身穿越全風化砂巖進口723米，出口段398米。區(qū)間范圍砂巖實際表現(xiàn)為：淺紅色、磚紅色，粒狀結(jié)構(gòu)，全風化，呈中密狀態(tài)，成巖作用很差，頻繁產(chǎn)生塌方，工程進度指標遠遠不能滿足工期要求。

為了解決復(fù)雜地質(zhì)條件圍巖施工難題，確保施工進度指標及工期要求。施工中，經(jīng)建設(shè)單位、設(shè)計、監(jiān)理及施工單位四方商討確定，在進口段采用半斷面輻射深孔注漿技術(shù)，注漿循環(huán)長度20米，開挖17米，止?jié){墻3米，采用溶液型和懸濁液兩種漿液加固改良砂質(zhì)地層，注漿后有效保證了施工安全及質(zhì)量要求，提高了工效。

2、工程概況

新建原州區(qū)至王洼鐵路專用線程兒山隧道地處寧夏固原市郊黃土梁卯區(qū)，屬工企I級鐵路專用單線隧道，隧道起點里程DK5+345，終點里程DK11+788，隧道全長6443m，內(nèi)輪廓面積為32.5m2，最大縱坡4.5%。

隧道所在區(qū)域的地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土，坡積砂質(zhì)黃土，上更新統(tǒng)風砂質(zhì)黃土，下伏基巖為下第三系泥巖、砂巖，白惡系下統(tǒng)泥巖、泥灰?guī)r、頁巖及斷層角礫等。沿線分布的特殊巖土主要為第四系上更新統(tǒng)風積砂質(zhì)濕陷性黃土和膨脹性黏土巖。隧道所處區(qū)域地震基本烈度為Ⅷ度，弱富水區(qū)，預(yù)測單位正常涌水量Q=302m/d.km，單位最大涌水量906m3/d.km。

根據(jù)資料，程兒山隧道Ⅴ砂巖有723m，出口有398m，區(qū)間范圍砂巖實際表現(xiàn)為：淺紅色、磚紅色，粒狀結(jié)構(gòu)，全風化，呈中密狀態(tài)，成巖作用很差，極易產(chǎn)生塌方。

圍巖區(qū)間段支護設(shè)計情況：超前小導(dǎo)管+鋼筋網(wǎng)片+鋼拱架+C25噴射砼。采取φ42mm雙層超前小導(dǎo)管預(yù)支護，長度3.5m，環(huán)向間距40cm，每50cm架立1榀I18工字鋼，每榀鋼架施作8根φ42mm鎖腳錨管，長度3.5m，C25噴射混凝土厚度25cm。二襯砼采用C35鋼筋砼，抗?jié)B等級P10。

3、工藝原理

通過地質(zhì)注漿試驗，總結(jié)注漿使用材料及配比，并確定相關(guān)注漿技術(shù)參數(shù)，使得注漿后圍巖土體內(nèi)摩擦角值提高，開挖后土體自承穩(wěn)定性較好，漿液注入率滿足施工要求，達到加固改良地層目的，注漿體亦作為支護永久性結(jié)構(gòu)一部分。再采用七步臺階預(yù)留核心土法開挖，支護及襯砌結(jié)構(gòu)緊跟開挖工序，少擾動，勤量測，確保施工過程中處于安全可控狀態(tài)，達到質(zhì)量要求，提高工效。

4、施工工藝流程及操作要點

4.1深孔注漿施工工藝流程

注漿設(shè)計→封閉掌子面→鉆機平臺固定就位→布置孔位并設(shè)標記→鉆孔注漿→分段注漿→鉆注漿效果檢查孔→是否滿足注漿質(zhì)量標準→結(jié)束。

根據(jù)本工程掌子面實際地質(zhì)及施工條件，參考相關(guān)類似工程成功經(jīng)驗，并通過現(xiàn)場實驗決定本工程將采用洞內(nèi)半斷面放射型超前預(yù)注漿法施工。

4.2注漿范圍的設(shè)計

根據(jù)巖土工程勘察資料，結(jié)合已開挖暴露的地質(zhì)及地下水情況，隧道縱向加固長度擬定為20米，加固圈為開挖輪廓線外擴拱頂3m，加固圈可根據(jù)實際加固效果進行適當調(diào)整。（詳見半斷面放射型加固圖1、圖2）

4.3注漿孔的布置及注入順序原則

根據(jù)注漿擴散半徑計算，孔距為0.5～1.0米，平面布孔布置在后續(xù)施工中可根據(jù)開挖情況做適當調(diào)整。

注入順序：隧道加固區(qū)域?qū)耐鈬街行倪M行施工，環(huán)向從拱頂中心向兩側(cè)注漿加固。

4.4主要注漿參數(shù)

注漿孔深度20米，注漿孔直徑Φ46cm，漿液擴散半徑：0.4～0.6 m，漿液凝結(jié)時間：20s～30min，注漿壓力0.3～3.0MPa（塌方體、巖體松散等地段終壓采用低壓力0.3MPa進行注漿，正常密實段終壓最大取3.0MPa），注漿循環(huán)段長20米，開挖循環(huán)段長17米，預(yù)留止?jié){盤段長3米，掌子面采用C25網(wǎng)噴混凝土進行全封閉，厚度30cm。

4.5注漿工藝實施

4.5.1注漿段長和注漿孔的布置。根據(jù)鉆機性能，選用每循環(huán)注漿段長20米；深孔周邊預(yù)注漿就是要使?jié){液擴散到注漿深孔周邊預(yù)加固范圍內(nèi)的所有巖層裂隙中，所以注漿孔的布置要以漿液擴散不出現(xiàn)空白為原則，據(jù)此根據(jù)設(shè)計注漿孔數(shù)量以隧道中軸為中心呈傘形布置。

4.5.2注漿方式。采用分段前進式注漿，即采取注一段鉆一段的分段前進式注漿；結(jié)合全孔小導(dǎo)管一次性注漿方式施工。

4.5.3止?jié){巖盤。一個止?jié){巖盤止?jié){效果的好壞，將直接關(guān)系到深孔周邊預(yù)注漿成功與否。根據(jù)注漿段圍巖情況預(yù)留不同厚度的止?jié){巖盤：一般取3～5m左右，這樣既確保注漿效果，又避免每個注漿循環(huán)澆筑混凝土作為止?jié){墻這道工序，可以加快施工進度。

4.5.4鉆孔。鉆孔選用TXU-75地礦鉆機。先根據(jù)孔位布置、鉆孔參數(shù)，在工作面上放出鉆孔位置，并用油漆標定。調(diào)整鉆桿的仰角和水平角，移動鉆機，將鉆頭對準所標孔位。將棱鏡放在鉆桿的尾端，用全站儀檢查鉆桿的姿態(tài)，并進行調(diào)整。

當采取后退式分段注漿時，可采用鉆機直接鉆孔至設(shè)計深度。當采取前進式分段注漿時，采取鉆一段注一段的方式，直至設(shè)計孔深。

鉆孔按先外圈、后內(nèi)圈的順序進行。內(nèi)圈鉆孔可參照外圈鉆孔的順序，后序孔可檢查前序孔的注漿效果。逐步加密注漿一方面可根據(jù)鉆孔的情況調(diào)整注漿參數(shù)，另一方面如果鉆孔情況證明注漿效果已達到設(shè)計要求，即可進下一圈孔的鉆進，減少鉆孔的工作量，加快施工進度。

4.5.5制漿。選用SJY—雙層立體式攪拌機作為制漿設(shè)備，該設(shè)備分上下兩層，攪拌桶不停地攪拌。上桶為預(yù)攪拌桶，下桶既可作為終攪拌桶，又可作為儲漿及吸漿室，確保漿液均勻及吸漿便宜。根據(jù)選定漿液的配比拌好漿液，其中水泥漿拌好用網(wǎng)篩過濾后方可注漿施工。

4.5.6注漿準備。注漿管路按“圖3注漿管路連接圖”所示聯(lián)接，通過壓水檢查注漿管路的密封性，同時沖洗巖石裂隙，擴大漿液通路，增加漿液沖塞的密實性。

4.5.7注漿順序。先注外圈，后注內(nèi)圈，同一圈由下而上間隔跳開施作。溶液型漿液主要通過分段前進式注漿進行，懸濁液主要通過小導(dǎo)管進行一次性注漿加固。

4.5.8注漿速度。根據(jù)本工程實際地質(zhì)情況，注入速度控制在40～22L/min。

4.5.9注漿結(jié)束標準。單孔結(jié)束標準：注漿壓力逐步升高至設(shè)計終壓，并繼續(xù)注漿10min以上；注漿結(jié)束時的進漿量小于11L/min；注漿結(jié)束時的進漿量小于11L/min；方可結(jié)束單孔注漿。

全段結(jié)束標準：所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無漏注現(xiàn)象，預(yù)測巖體經(jīng)注漿后可在開挖后保證洞壁穩(wěn)定。

4.5.10異常情況處理。若鉆孔過程中，遇見突泥情況，立即停鉆，進行注漿。

若掌子面小裂隙漏漿，先用水泥漿浸泡過的麻絲填塞裂隙，并調(diào)整漿液配比，縮短凝膠時間；若仍跑漿，在漏漿處采用普通風鉆鉆淺孔注漿固結(jié)；若掌子面前方8米范圍內(nèi)大裂隙串漿或漏漿，采用止?jié){塞穿過該裂隙進行后退式注漿。

當注漿壓力突然增高，則只注純水泥漿或清水，待泵壓恢復(fù)正常時，再行雙液注漿；若壓力不恢復(fù)正常，則停止注漿，檢查管路是否堵塞。

當進漿量很大，壓力長時間不升高，則調(diào)整漿液濃度及配合比，縮短凝膠時間，進行小泵量、低壓力注漿，以使?jié){液在巖層裂隙中有相對停留時間，以便凝膠；有時也可以進行間歇式注漿，但停注時間不能超過漿液凝膠時間。

5、材料

5.1注漿材料

①其特性對地下水而言，不易溶解，滲透性好，能夠有效充填裂隙，加固地層。

②凝結(jié)時間可調(diào)節(jié)，可注性好；強度高、止水性好。

5.2注漿材料配比

注漿采用溶液型與懸濁液兩種漿液，其中溶液型由A、B組成，配比：A：B=1：1，A液=水玻璃：水=1：1（每立方水玻璃用量為400～440kg），懸濁液由A、C組成，配比：A：C=1：1，A液=水玻璃：水=1：2（每立方水泥用量為256kg）。

注漿時，將根據(jù)現(xiàn)場實際情況適當調(diào)整配合比，并適當加入特種材料以增加可灌性。

6、結(jié)束語

寧夏固原市原州區(qū)至王洼鐵路程兒山隧道全長6443米，其中進出口均為全風化砂巖段，尤其是進口段，圍巖極不穩(wěn)定，頻繁塌方，進尺困難。自2011年7月中旬采用深孔注漿實施以來，共進行3個循環(huán)段，進尺總長度43米，循環(huán)注漿時間5～7天，每循環(huán)共打設(shè)注漿孔71眼，孔位間距0.5m，孔位角度、孔深具體布設(shè)情況如下表1：

注漿后通過開挖發(fā)現(xiàn)采用洞內(nèi)半斷面放射型超前預(yù)注漿加固松散圍巖后，圍巖承載力明顯提高，自穩(wěn)性增強。根據(jù)目前開挖進度，每天至少能保證1.5～2.0米，基本達到注漿加固效果目的，解決了因塌方影響隧道不能掘進施工的大難題。