注漿加固技術(shù)在既有線圓管涵頂進(jìn)施工中的應(yīng)用

秦東橋

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北黃石 435000)

注漿加固技術(shù)是將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或孔隙中，以改善其物理力學(xué)性質(zhì)的方法。用壓送設(shè)備將一定材料配成的漿液，灌入地層或縫隙內(nèi)，使其擴(kuò)散、膠凝或固化，以達(dá)到增加巖體強(qiáng)度或降低滲透性的施工過程，稱為注漿施工方法或注漿法。漿液凝結(jié)硬化后，起到膠結(jié)、堵塞作用，使地層穩(wěn)固并隔斷水源，以保證順利施工。注漿法廣泛用于防滲、堵漏、加固和糾正建筑物偏斜等方面，其具有應(yīng)用范圍廣、適應(yīng)不同地層、漿液分散規(guī)模大、可定向查找、施工簡潔等技術(shù)特點，廣泛應(yīng)用于各類建筑施工中。

注漿法自最早用于建筑施工中，距今已有170多年的歷史。目前，國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用到井巷、隧道、水利、水電等工程中，成為在復(fù)雜地質(zhì)條件下，處理垮塌、漏水、滑坡等問題的技術(shù)方法之一，對加固破碎圍巖，提高坑道穩(wěn)定性具有其他方法難以達(dá)到的效果。注漿材料在巖體中硬化后，改善了巖體原有的機(jī)械物理性能，使其顆粒粘結(jié)更牢固、更密實，抗壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等相應(yīng)改善，穩(wěn)定性得到提高。

1 注漿加固技術(shù)優(yōu)勢

1．1 注漿加固法特點

采用注漿法加固地基，雖有工期短、效果快等優(yōu)點，但由于造價昂貴，因此，通常用在加固范圍較小，處理已建工程的地基基礎(chǔ)工程事故，或?qū)ζ渌庸谭椒ú荒芙鉀Q的一些特殊工程問題中。而在新建工程中，特別是需要大面積進(jìn)行地基處理工程中很少采用。

1．2 場地地層結(jié)構(gòu)

根據(jù)勘察結(jié)果，穿越場區(qū)地層自上而下共分為3個工程地質(zhì)層。

(1)粉質(zhì)粘土層(Qal+pl4):褐黃色，可塑，粒徑1～2 mm，顆粒含量10%，表層含少量植物根系;該層分布于穿越場區(qū)地表層，層厚0．7～0．8 m，層底標(biāo)高287．84～288．66 m，承載力特征值為100 kPa。

(2)卵石層(Qal+pl4):中密，亞圓形為主，母巖成分主要為花崗巖，粒徑一般30～60 mm，大者80～100 mm，骨架顆粒含量60% ～70%，粗砂充填，級配不良。層厚2．2 ～3．6 m，層底標(biāo)高 285．06 ～285．64 m，承載力特征值為320 kPa。

(3)花崗巖層(J3w):全風(fēng)化，灰白色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，主要礦物成分為石英、長石，粒徑一般1～2 mm，巖芯呈砂土狀，手捏即碎，遇水易軟化、崩解。揭露厚度7．5 ～8．1 m，未揭穿，層底標(biāo)高 277．54 ～277．56 m，承載力特征值為250 kPa。

1．3 地基加固方法選取

(1)涵管位于中密卵石層與全風(fēng)化花崗巖層中，地層松散，承載力差。

(2)該工程Ⅰ區(qū)在凈空僅1．75 m的圓形管涵內(nèi)施工，空間狹小，大型機(jī)械設(shè)備無法進(jìn)入，不便于施工。

(3)該工程注漿范圍為既有線北側(cè)路基圓管涵頂進(jìn)作業(yè)范圍(32 m×8 m)及內(nèi)部4截涵管管周注漿，規(guī)模較小。

(4)待處理區(qū)域以上便是已投入使用的鐵路干線，為了不影響鐵路的運營，及時地對地基變形起到遏制作用，必須選用見效快、工期短、對鐵路不產(chǎn)生影響的施工方法。

(5)既有線北側(cè)路基圓管涵頂進(jìn)作業(yè)范圍(32 m×8 m)需加固區(qū)域為管涵以上5 m，以下1．5 m，與地表距離8．13 ～17．48 m 不等(圖1、圖2)。

綜上所述，注漿加固技術(shù)在地層變化大、工程規(guī)模小、作業(yè)空間有限、環(huán)境影響小的工程施工中具有絕對優(yōu)勢。注漿深度可深可淺、機(jī)械設(shè)備輕便、震動噪音較小等優(yōu)勢，都是該工程選用注漿加固技術(shù)的原因。

圖1 北側(cè)路基圓管涵頂進(jìn)作業(yè)范圍加固區(qū)域圖Fig．1 Strengthening area of working range of pipe culvert jacking in north side of subgrade

圖2 圓管涵內(nèi)注漿孔布置圖Fig．2 Arrangement plan of grouting hole in pipe culvert

2 注漿加固設(shè)計

2．1 設(shè)計目標(biāo)與原則

2．1．1 目標(biāo)

(1)對已出現(xiàn)下沉偏斜的4節(jié)圓管涵地基進(jìn)行注漿加固，保證在圓管涵拆除和頂進(jìn)期間地基土保持穩(wěn)定。

(2)確保后16節(jié)圓管涵頂進(jìn)作業(yè)可靠、順利開展。

2．1．2 原則

(1)工程設(shè)計依照經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、穩(wěn)定有效的技術(shù)手段，確保圓管涵地基注漿加固處理之后，能顯著增強(qiáng)破碎圍巖整體性和承載力，大大減小沉降量，降低滲水量，使圓管涵糾偏與后續(xù)頂進(jìn)作業(yè)可靠、順利開展，滿足圓管涵施工圖設(shè)計的各項技術(shù)要求。

(2)地基注漿加固應(yīng)遵循分段處理的原則。根據(jù)現(xiàn)場圓管涵頂進(jìn)作業(yè)情況、地層、坡度和注漿方式，對作業(yè)區(qū)進(jìn)行分段，在合理控制成本的前提下，多種鉆孔注漿方法結(jié)合，達(dá)到加固地基的目的。

(3)因地制宜原則。鉆孔注漿形式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理布置，根據(jù)不同區(qū)段的施工與地質(zhì)情況，分別采取相應(yīng)的措施。

2．2 注漿參數(shù)確定

2．2．1 范圍

該工程中注漿加固的目的是對圓管涵周圍巖土體進(jìn)行加固，最終對出現(xiàn)偏差的4根圓管涵進(jìn)行移除替換。根據(jù)地層特點，待移除管涵基本位于全風(fēng)化花崗巖地層中，管涵上部為卵石層。為了保證管涵移除過程中管涵周圍巖土層不會出現(xiàn)塌方等情況以及管涵替換后不會再次出現(xiàn)下沉偏差，此次注漿加固需對整個管涵外圍進(jìn)行加固。涵管外壁以下5 m范圍內(nèi)為全風(fēng)化花崗巖，承載力差，需加固。據(jù)統(tǒng)計，圍巖固結(jié)注漿深度一般在0．5～2倍隧道半徑間變化，建議采用1．3倍隧道半徑計算。該工程可等效為隧洞模型，隧洞半徑1．115 m，2 倍隧道半徑為2．23 m。

北側(cè)路基施工中未出現(xiàn)問題，加固范圍根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，取管底1．5 m，管頂5 m，加固寬度4 m。

2．2．2 注漿量

該工程中的注漿屬于滲透注漿，注漿的好壞取決于滲透半徑內(nèi)體積土的空隙充填程度，充填率越高，注漿效果越好。

常用的滲透注漿的注漿量計算公式為

式中:π·γ2為漿液填充體積(m3);h為導(dǎo)管長度(m);n為地層孔隙率(%);α為注漿孔隙率填充系數(shù)，通常取在0．7～0．9之間;β為漿液損失率，通常取0．1左右。nα(1+β)指的是地層的填充率，主要取決于地層［1］。

表1 常見地層填充率表Table 1 Filling rate of common formation

2．2．3 壓力

注漿壓力控制的好壞是注漿成敗的關(guān)鍵。在不考慮邊界條件下，提高注漿壓力，滲透注漿能把土層顆?？障吨械目諝夂退热颗抛?。

(1)根據(jù)注漿試驗曲線確定。注漿試驗過程中，逐步提高注漿壓力，可求得注漿壓力與注漿量的關(guān)系曲線(圖3);當(dāng)壓力升至某一數(shù)值P時，注漿量突然增大，此時表明地層已經(jīng)產(chǎn)生劈裂，把此時的P值定義為最大允許注漿壓力。

圖3 注漿壓力—注漿量關(guān)系曲線圖Fig．3 Curve of grouting pressure-grout amount

經(jīng)過注漿試驗，繪制注漿壓力—注漿量關(guān)系曲線，最終確定注漿壓力宜控制在2．5 MPa以下，以達(dá)到最佳注漿效果。

(2)最大容許注漿壓力還結(jié)合了經(jīng)驗值:1～2倍的覆蓋層土壓力加上上部結(jié)構(gòu)的荷載壓力。

在該工程中采用了注漿試驗的方法確定了注漿壓力。

2．2．4 孔距

漿液的擴(kuò)散半徑與漿液的流變特性、膠凝時間、注漿壓力、注漿時間等因素有關(guān)。在注漿范圍和注漿半徑確定后，就可以確定孔間距。確定孔間距時，既要考慮最大限度地發(fā)揮每個注漿孔的作用，減小工程造價，又要考慮孔與孔之間的相互搭接，達(dá)到均勻受漿。

對于加固注漿，一般采用等距布孔，梅花型布置［2］?？组g距一般為0．8 m(擴(kuò)散半徑)，排間距為孔距的0．87倍。在砂性土層滲透注漿孔間距取0．8～1．2 m;在粘性土層，劈裂注漿孔間距取 1．0 ～2．0 m。結(jié)合涵管所在地層確定孔距設(shè)置為1 m。

3 注漿效果檢測

該工程在進(jìn)行了為期15天的施工后，單位QC小組對該工程的注漿加固效果進(jìn)行了檢測，檢測方法采用了鉆孔取芯的方式。通過在每4個注漿孔中間鉆取巖芯的方法，如圖4所示。

圖4 取芯孔位置示意圖Fig．4 Schematic diagram of coring hole

最終取芯長度50 m，經(jīng)過巖土力學(xué)實驗，最終確定其中約5 m仍然達(dá)不到理想強(qiáng)度。經(jīng)過QC小組分析后確定原因有以下三點:

(1)注漿壓力不夠。注漿壓力表存在誤差，讀數(shù)不精準(zhǔn)等因素最終導(dǎo)致注漿壓力不夠。

(2)最大允許注漿壓力下保持時間不夠。注漿壓力剛達(dá)到2．5 MPa便停止了壓漿，導(dǎo)致注漿量不夠，使巖石裂隙充填不夠充分，最終導(dǎo)致承載力不足。

(3)注漿孔分布不均勻。施工面為管涵內(nèi)壁，施工中容易出現(xiàn)鉆孔位置不合理、不均勻，以及在孔斜嚴(yán)重的情況下導(dǎo)致注漿不均勻。

經(jīng)改進(jìn)最終在第2次的取芯檢測中合格率得到了很大程度地提高，滿足了工程質(zhì)量要求。

4 圓管涵內(nèi)注漿加固技術(shù)難點

該工程為既有線的圓管涵施工，因此在工程施工過程中會出現(xiàn)一些難題，該工程針對具體問題采取適當(dāng)方法一一解決，最終取得了理想的效果。

4．1 施工場地狹小

圓管涵內(nèi)施工，涵管內(nèi)徑僅1．75 m，大型設(shè)備難以進(jìn)入，都需人工搬運;凈空較小，鉆桿長度受到制約，鉆孔深度達(dá)到5 m，需多次添加鉆桿。

解決措施:該問題是客觀存在的問題無法從根本上解決。

4．2 鉆孔角度難以把握

由于鉆孔深度相對單節(jié)鉆桿長度較深，容易出現(xiàn)孔斜，圓管涵內(nèi)壁為圓形，孔距、角度容易出現(xiàn)偏差。按設(shè)計要求，如圖5兩鉆孔角度約為30°，如果在施工過程中孔位定位不準(zhǔn)，鉆孔角度出現(xiàn)問題變?yōu)閳D6所示情況，即兩鉆孔角度約為60°，那么，兩鉆孔之間的區(qū)域?qū)挾染陀兴龃?，要想達(dá)到理想狀態(tài)則需更大的注漿壓力，如果按設(shè)計注漿壓力則會導(dǎo)致該區(qū)域注漿不充分。

解決措施:請專業(yè)測量人員對孔位進(jìn)行定位放樣，用角度測量儀器對鉆孔角度進(jìn)行精確測量，對鉆桿的質(zhì)量進(jìn)行檢查，避免用不直、達(dá)不到施工要求的鉆桿進(jìn)行施工。

圖5 正確施工Fig．5 Correct construction

圖6 出現(xiàn)問題Fig．6 Arised problem

4．3 壓漿過程中的難點

圓管涵內(nèi)的鉆孔有的孔底朝上，在注漿過程中存在較大的注漿壓力，雖然采取用快干材料結(jié)合鉛絲、麻刀或木楔等在孔口堵塞，但仍然存在漏漿現(xiàn)象，為避免此類問題出現(xiàn)，注漿管與孔口間隙采用棉布或橡膠等柔性材料堵塞，使?jié){液不出現(xiàn)漏漿為止;注漿結(jié)束后采用專門的止?jié){塞或堵頭封閉孔口。

壓漿過程中，注漿壓力隨著注漿會不斷增大，何時終止注漿也是一大難點。終止注漿過早會導(dǎo)致注漿不充分，達(dá)不到預(yù)期效果;終止注漿過晚則導(dǎo)致注漿壓力過大，地層出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，對地層產(chǎn)生影響，亦會對注漿效果產(chǎn)生不利影響。

解決措施:安排專業(yè)技術(shù)人員嚴(yán)格控制注漿壓力，控制注漿時間。在注漿之前進(jìn)行注漿試驗，確定最大允許注漿壓力，在注漿過程中要注意觀察并記錄壓力參數(shù)，不能超過最大允許注漿壓力。

4．4 注漿中出現(xiàn)隆起

注漿過程中注漿壓力超過最大允許注漿壓力會出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象對地層產(chǎn)生影響，從而影響注漿加固效果，需要嚴(yán)格控制注漿壓力，但在控制好注漿壓力的情況下仍然可能出現(xiàn)地層局部隆起的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是局部地層的影響。

解決措施:技術(shù)人員現(xiàn)場監(jiān)督，區(qū)分正常冒漿與異常隆起，如出現(xiàn)局部隆起現(xiàn)象及時終止壓漿。

4．5 注漿效果難以把握

注漿過程是一個看不見、摸不著，只能通過注漿參數(shù)控制注漿過程的工藝，因此，對注漿效果難以掌控。

解決措施:采用鉆孔取芯方法對經(jīng)過處理的地層承載能力進(jìn)行判斷，如果發(fā)現(xiàn)不達(dá)標(biāo)，及時查找原因解決問題。

5 結(jié)語

注漿加固技術(shù)作為一種適用于砂土、粉土、粘性土和人工填土等地基的防滲堵漏、提高地基土的強(qiáng)度和變形模量以及控制地層沉降的技術(shù)手段，已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到工程實踐中，尤其在已建的地基基礎(chǔ)工程事故中應(yīng)用最為廣泛。它具有適用范圍、地層廣，使用設(shè)備簡單，占地面積小，施工靈活等特點，使它在很多領(lǐng)域都能發(fā)揮出自己的優(yōu)勢。注漿加固設(shè)計過程中要確定注漿范圍、注漿壓力、注漿量、注漿孔距等參數(shù)，指導(dǎo)施工工作。

中國鐵路四通八達(dá)，經(jīng)過的地形復(fù)雜多變，在該既有線圓管涵地基加固工程中，施工場地狹小，大型施工設(shè)備難以滿足現(xiàn)場要求，鐵路干線已投入正常使用，施工中不能對鐵路的使用產(chǎn)生影響，要求能夠快速及時地對地基起到較好的加固效果。注漿加固技術(shù)在該類工程項目施工中具有絕對的優(yōu)勢，是其它方法無法比擬的。

［1］ 黃梅．地基處理實用技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998．

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范:JGJ123—2012［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012．