隧道強透水砂礫地層袖閥管地表注漿加固工藝研究

張 明

（中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

注漿加固地層就是把具有充填和凝膠性能的漿液材料，通過配套的注漿機具壓入所需加固的地層中，經(jīng)過凝膠硬化后充填和堵塞地層中的空隙，減小注漿區(qū)地層滲透系數(shù)及坑道開挖時的滲漏水量，并能固結(jié)軟弱和松散巖體使地層強度和自穩(wěn)能力得到提高。

袖閥管注漿技術(shù)具有定深、定量、分度、分段、間歇、重復(fù)等注漿特點，并集中劈裂注漿、壓（擠）密注漿和滲透注漿的優(yōu)勢，能適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、斷層破碎地帶、富水地層地段及場地狹窄情況下的地基加固。

目前，在特殊地層加固方面，圓礫、卵石等大顆粒、大孔隙比、強滲水等地層的袖閥管注漿應(yīng)用較多，如：文獻［1］針對成都砂卵地層，采用室內(nèi)試驗反復(fù)測試優(yōu)化袖閥管注漿漿液配比、改造袖閥管構(gòu)造，增強砂卵石地層定向注漿的可靠性和增大漿體注入量，確保注漿加固效果；文獻［2］采用添加外摻料提高漿液抗分散能力的復(fù)合漿液，增加了注漿可靠性；文獻［3-8］介紹了袖閥管注漿在控制地表建筑物沉降及傾斜、橋梁基礎(chǔ)糾偏、隧道地基加固、既有管線加固保護等方面的成功應(yīng)用案例；文獻［9］采用袖閥管雙液漿技術(shù)對天津地鐵3號線某異性超寬深基坑（淺基坑中套挖深基坑至31.45 m）粉細承壓砂層進行注漿加固，提出該粉砂層灌漿流量20～45 L/min的建議；文獻［10］針對廣州地鐵3號線某32 m明挖基坑，采用袖閥管雙液漿跳孔間隔、先外圍后內(nèi)部、自下而上注漿加固花崗巖全風(fēng)化沉積層，控制因基坑和暗挖區(qū)間施工對臨近房屋的沉降影響。

從現(xiàn)有工程實踐來看，袖閥管在隧道地層注漿加固應(yīng)用多集中在冒頂塌方、淺層地表處理及單一注漿模式等方面［11-12］。本文針對強透水砂礫地層，綜合考慮水力梯度及方向，結(jié)合單、雙漿液不同加固機制，檢驗約束-發(fā)散注漿模式在隧道洞身注漿加固效果，提出了對應(yīng)的注漿控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)

馬鞍梁隧道DK743+440～+620，下穿淺埋沖溝，隧道上覆土最淺處僅有11 m，上部溝谷富水，地表水及地下水發(fā)育，洞身通過地層主要為第四系全新統(tǒng)（Q4）沖洪積黏質(zhì)黃土、礫砂、細圓礫土，滲水性極強。

1.2 水文地質(zhì)

1）地表水。馬鞍梁隧道穿越的五龍溝內(nèi)常年流水，枯水期流量約4 675 m3/d。

2）地下水。馬鞍梁隧道五龍溝淺埋段地下水類型主要為第四系孔隙潛水，接受大氣降水補給，含水層為細、粗圓礫土，富水性較好，滲透系數(shù)K值達到10.0～13.74 m/d，滲透性較強，補給較充足。預(yù)測淺埋段正常涌水量約為16 167 m3/d，最大涌水量約為24 251 m3/d。

1.3 施工情況

2014年2月18日，馬鞍梁進口掌子面施工至DK743+420時，地下水有滲出現(xiàn)象，提出對掌子面進行水平鉆探探水。

2014年2月20日，對掌子面DK743+420處進行水平鉆探，拱部（拱頂下約70 cm）鉆孔6 m深出水，流水量約為4 m3/h。上臺階右側(cè)拱腳處鉆孔2.5 m深出水，流量約為40 m3/h。

為確保隧道淺埋段的施工安全，借鑒以往工程的施工經(jīng)驗，決定對該段采用地表袖閥管注漿加固。

2 袖閥管注漿方案設(shè)計

通過對地表垂直注漿，采用后退式袖閥管分段注漿工藝并基于約束-發(fā)散注漿模式對馬鞍梁隧道洞身范圍地層進行加固止水，待超前水平鉆探孔（探水）及檢查孔取芯試樣強度達到要求后方可進行隧道正常開挖。

2.1 注漿加固范圍

加固范圍為縱向IDK743+430～+470，共40 m；橫向隧道開挖輪廓線外5 m，即24.82 m；注漿深度為隧道拱頂開挖輪廓線以上5 m，隧底開挖輪廓線以下2 m；鉆孔采用等邊三角形布置，間距為1.5 m×1.5 m。本次設(shè)26排19列注漿孔，共507孔，其中周邊孔84個，中間孔423個。垂直注漿孔布置見圖1。

2.2 注漿參數(shù)

根據(jù)以往類似工程施工經(jīng)驗，注漿參數(shù)如表1所示。

圖1 垂直注漿孔布置圖Fig.1 Layout of vertical grouting holes

表1 注漿參數(shù)Table 1 Grouting parameters

2.3 注漿材料

注漿材料以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通硅酸鹽水泥與水玻璃雙液漿為輔，周邊2排孔采用普通水泥-水玻璃雙液漿，其他孔采用硫鋁酸鹽水泥單液漿。

材料配比：硫鋁酸鹽單液漿水灰比（W∶C）為0.8∶1～1∶1；水泥-水玻璃雙液漿水灰比（W∶C）為0.8∶1～1∶1；水泥-水玻璃體積比（C∶S）為1∶1；水玻璃濃度為33～38 Be′。

2.4 注漿順序

本次注漿順序原則上采取由外到內(nèi)約束-發(fā)散型方式，見圖2。

圖2 約束-發(fā)散型注漿模式Fig.2 Mode of constraining-diverging grouting

考慮地層以加固為主，總體上先注周邊孔，然后注內(nèi)圈孔，形成約束。即先通過外層間隔跳孔（按照注漿孔編號奇偶數(shù)跳孔）注漿形成類似網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成注漿骨架，再實施中間孔及內(nèi)部孔注漿，從而實現(xiàn)地層注漿的逐步擠壓密實作用?，F(xiàn)場考慮地下水流方向，先對3個周邊進行注漿，從而形成對中間部位水流方向的約束，留下一個邊形成水流的排泄出口，注漿過程中逐步將水排出，從而提高整體注漿效果，有效控制漿液擴散區(qū)域，確保注漿后形成完整的注漿加固體。

2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

2.5.1 分段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿采用雙控標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部注漿孔為主：注漿壓力逐步升高，達到設(shè)計終壓，并穩(wěn)壓10 min以上。外部注漿孔為主：注漿終壓雖未達到設(shè)計值，但注漿量已達設(shè)計注漿量的120%。

2.5.2 全孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

各分段注漿均按規(guī)定達到了注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

2.5.3 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

1）設(shè)計的所有注漿孔均達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象。

2）在注漿薄區(qū)域鉆設(shè)檢查孔，其數(shù)量不少于總注漿孔數(shù)的3% ～5%，檢查孔滿足出水量不超過0.2 L/（min·m）。

3 袖閥管注漿施工

3.1 袖閥管注漿施工工藝流程

袖閥管施工工序和注漿工藝分別見圖3和圖4。

3.1.1 鉆孔

放線定孔位，按要求完成鉆孔，安設(shè)好袖閥注漿管后，將套管拔出。

鉆孔中應(yīng)注意“套管定位”、“泥漿循環(huán)護壁成孔”、“清孔”3個環(huán)節(jié)控制。

3.1.2 安裝袖閥管

在不注漿部位下A型袖閥注漿管，在注漿部位下B型袖閥注漿管，底部加下悶蓋。B管為有孔管，并覆蓋橡膠套。

圖3 袖閥管施工工序Fig.3 Sequence of Soletanche grouting

圖4 注漿工藝流程Fig.4 Flowchart of grouting

下管前應(yīng)注意：必須在最下端一根B管上加下悶蓋，然后利用絲扣連接下一根B管，直到連至注漿段長度。之后，開始連接A管，A管連接至鉆孔深度，并要求露出地面10 cm。

下管過程中應(yīng)注意：由于鉆孔較深，下管時可將連接好的袖閥注漿管分段下入并保持豎直。待袖閥注漿管沿套管內(nèi)壁下到鉆孔底部后，在頂部加上悶蓋，然后拔出套管進行封孔作業(yè)。

3.1.3 注套殼料

在袖閥管外花管與孔壁之間的環(huán)形間隙處下注漿管，在孔口上部2 m孔段壓入套殼，直至孔口返止?jié)鉂{為止。注漿比例，水∶水泥=1∶1.5。止?jié){固管料采用速凝水泥漿，可用水玻璃或氯化鈣做速凝劑。

3.1.4 注漿

注漿方式采取后退式分段注漿工藝。在注漿帶內(nèi)由孔底進行注漿，每次注漿段長0.5～1 m。注完第1注漿段后，將注漿芯管和止?jié){系統(tǒng)采用管箝上提至第2注漿段，進行第2注漿段的注漿，依此下去，直至完成注漿帶。

注漿過程中應(yīng)注意：漿液凝膠時間的測定，確保注漿施工效果。

3.2 注漿設(shè)備

1）鉆機。地面注漿選用XY-100型鉆機。針對砂礫較硬地層采用潛孔錘沖擊鉆進，見圖5。

2）袖閥管。袖閥管系統(tǒng)主要由塑料閥管（外管）、注漿芯管（內(nèi)管）、橡皮套、密封圈等組成。每個灌漿長度固定為30～50 cm，可根據(jù)地層情況調(diào)整灌漿長度，實現(xiàn)定量定尺控制灌漿。

圖5 現(xiàn)場注漿加固Fig.5 Photo of grouting consolidation at site

4 注漿效果檢查

4.1 注漿p-Q-t曲線

單孔分段注漿完成后，繪制p-Q-t曲線（見圖6），根據(jù)曲線判斷注漿效果。

圖6（a）主要是外圈注漿孔注漿時所表現(xiàn)，其注漿壓力較小，一般為0.5～1.0 MPa，注漿速度為50～60 L/min。隨著注漿的進行，注漿壓力稍有升高，注漿速度略有降低，但表現(xiàn)不明顯。當(dāng)達到設(shè)計注漿量時，注漿終壓不能達到設(shè)計終壓值，而此時注漿速度仍表現(xiàn)為較大。

圖6（b）主要是中間注漿孔所表現(xiàn)，這和注漿設(shè)計意圖所采取的約束型注漿措施一致，達到了擠壓密實的目的。在注漿過程中，開始時注漿壓力為1.0～2.5 MPa，注漿速度為40～60 L/min。隨著注漿的進行，注漿壓力呈曲線上升，注漿速度呈曲線明顯下降，當(dāng)達到設(shè)計注漿量時，注漿終壓達到或超過設(shè)計終壓值，注漿速度降至10～15 L/min。

圖6 注漿p-Q-t曲線Fig.6 Curves of p-Q-t

4.2 注漿前后涌水量對比

注漿前在掌子面鉆設(shè)3個超前探水孔，出水量為4～40 m3/h，最小為4 m3/h。注漿完成后，鉆設(shè)3個檢查孔。檢查孔顯示，出水已完全封堵，只有少量滲水。加固效果如圖7所示。

圖7 加固效果Fig.7 Consolidation effect

4.3 檢查孔檢查

4.3.1 洞內(nèi)超前水平鉆探孔

注漿結(jié)束后，在掌子面上臺階拱部、左拱腳、右拱腳分別打超前水平探孔。

由超前水平探孔來看，檢查孔無水，成孔好。檢查孔放置24 h后，仍無坍孔、無涌水、無出水現(xiàn)象，因此，可以判定注漿效果是良好的，能滿足安全開挖要求。

4.3.2 檢查孔取芯

注漿結(jié)束后，針對注漿薄弱環(huán)節(jié)進行檢查孔取芯試驗?，F(xiàn)場進行了地表檢查孔取芯檢查，取芯表明，巖芯呈柱狀，完整性好。鉆芯取樣如圖8所示。檢查孔技術(shù)統(tǒng)計如表2所示。

圖8 鉆芯取樣Fig.8 Core samples

表2 檢查孔技術(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of inspection holes

由表2可知，檢查孔巖芯平均優(yōu)良率達到90%，有效地提高了地層整體性和完整性。由此判定，地層松散體被有效填充加固，滿足開挖施工的要求。

5 結(jié)論與討論

本次注漿采用約束-發(fā)散型注漿模式，以周邊注漿形成約束體，中間注漿提高地層整體性和完整性的試驗探索，針對袖閥管高滲地層加固得到以下結(jié)論和討論。

5.1 結(jié)論

1）對于強滲透、弱膠結(jié)、高孔隙比的散粒體地層，根據(jù)水力聯(lián)系及梯度，采用約束-發(fā)散型注漿模式能有效地限制漿液外擴，達到導(dǎo)水、擠水并擠壓地層密實的效果。

2）對于滲透系數(shù)在10～15 m/d的透水砂礫地層，周邊注漿采用雙液漿時，其凝膠時間控制在10～40 s，有利于有效形成加固范圍的外在約束體。

3）應(yīng)依據(jù)P-Q-t曲線分析，動態(tài)檢驗和控制周邊與內(nèi)部注漿加固效果及相互關(guān)系，避免因約束體強度不足或布孔不適造成漿液流失。

5.2 討論

5.2.1 合理的注漿方式設(shè)計

對于散粒體（砂礫、卵石）地層的加固方式較為集中在PVC管和袖閥管注漿方式上。受工藝方法限制，前者無法做到分段、反復(fù)、定量加固，導(dǎo)致漿液擴散不均、加固孔交圈范圍不大、最終加固體形態(tài)不均（加固體在孔深方向呈葫蘆狀）等問題。而后者能邊提邊注、定量定時、分段處理加固，適當(dāng)?shù)淖{壓力和速度控制配以科學(xué)的注漿模式，則可以將其應(yīng)用于更深、滲透性更強、膠結(jié)性差的散粒體地層。

5.2.2 富水地層加固止水注漿工藝

對于受地下水活動影響巨大的工程活動，應(yīng)根據(jù)水力條件、加固體強度設(shè)計要求、投資水平等因素，綜合確定注漿模式及孔口布置設(shè)計。即當(dāng)水流較大時，原則上由下游到上游注漿，先對下游進行注漿截水，形成擋墻，防止?jié){液流失；當(dāng)?shù)貙觾H僅以加固為主時，宜先注周邊孔，然后注內(nèi)圈孔，形成約束，逐層擠密；當(dāng)?shù)貙右远滤疄橹鲿r，地層存在一定的水流影響，可先對3個周邊進行注漿，形成對中間水流方向的約束，留出1個排水口，注漿逐步降水排出，從而提高注漿效果。本隧道洞身加固段尚未開挖，主要為避免地表沖溝及松散孔隙潛水影響，以堵水為目的，因此采用了約束-發(fā)散型注漿模式，待加固后隧道正常掘進?？梢姡{加固方式應(yīng)充分結(jié)合工程目的，不可盲目選擇注漿形式及孔口布置。

5.2.3 應(yīng)用前景

結(jié)合本工程加固實踐，建議后退式袖閥管地表注漿宜在地表相對平坦開闊，待加固深度不易超過30 m的地形條件下開展。對于僅以加固為主開展的注漿工程，尤其是存在地下水徑流或排泄時，可靈活設(shè)計約束或排泄方式，加強水平超前探孔及巖芯取樣探測即可取得良好的推廣效果。

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