大斷面隧道淺埋段地表注漿加固技術(shù)研究

梁　奇

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津300300）

大斷面隧道淺埋段地表注漿加固技術(shù)研究

梁奇*

（中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津300300）

隧道進(jìn)出口段多為淺埋段，考慮到隧道埋深較淺，圍巖風(fēng)化程度嚴(yán)重，一直以來(lái)大斷面隧道乃至標(biāo)準(zhǔn)斷面隧道的洞口加固處理都是工程的重難點(diǎn)問(wèn)題。以葛岙雙線隧道洞口段的地表注漿施工為工程背景，探討和研究了地表注漿工藝和加固機(jī)理及有效注漿半徑，總結(jié)了地表注漿加固的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)和要點(diǎn)，為今后類似工程積累寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)沉淀。

淺埋段；地表注漿；有效注漿半徑；大斷面隧道

1　工程概況

甬臺(tái)溫鐵路客運(yùn)專線葛岙隧道位于臺(tái)州市三門縣沙柳鎮(zhèn)，中心里程DK91+311，全長(zhǎng)2572m，隧道進(jìn)口縱坡坡度為0.4%。地質(zhì)復(fù)雜，處剝蝕低山區(qū)，隧道頂最小埋深不到5m，最大埋深266m，原為古河床，地下水豐富，礦藏水體積較大，有可能沿節(jié)理裂隙涌入隧道，施工時(shí)有必要采取防水措施。洞口142m為強(qiáng)風(fēng)化Ⅴ級(jí)圍巖間雜濕陷土，往里50m為Ⅲ級(jí)圍巖，再往里為Ⅱ級(jí)圍巖。由于間雜濕陷土，工程施工難度大。

2.地質(zhì)情況分析

新建鐵路甬臺(tái)溫線葛岙隧道進(jìn)口DK90+ 025～DK90+125段位于坡洪積物堆積區(qū)，根據(jù)地質(zhì)勘探資料，工程地質(zhì)依次為：褐黃色含礫粉質(zhì)粘土，厚約1.8m，局部夾塊石；粗圓礫土和砂礫層，褐黃色等雜色，松散—稍密，厚大于19m；下伏J3c-1流紋質(zhì)玻屑、含礫熔結(jié)凝灰?guī)r，強(qiáng)—弱風(fēng)化，節(jié)理不發(fā)育。地下水為粗圓礫土層孔隙潛水，預(yù)測(cè)開挖涌水量Q=（0.2～0.5）×104m3/d。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，隧道地質(zhì)情況與勘探基本相符。隧道進(jìn)口DK90+025處拱頂覆土厚4.5m，其中粘土厚約1.8m，至仰拱以下3m均為粗圓礫土；DK90+045處拱頂覆土厚7.2m，其中粘土厚約2m，至仰拱以下3m均為粗圓礫土；DK90+100處拱頂覆土厚12.3m，均為粗圓礫土，仰拱以下為基巖；DK90+125處拱頂覆土厚14.7m，均粗圓礫土，拱頂以下6m為基巖。地下水水位較高，地表以下3m左右即為常水位。距線路左側(cè)30m處有一座灌溉用的小型水庫(kù)，庫(kù)容約1.2×104m3。

3　施工方案的確定與實(shí)施

3.1施工方案的確定

根據(jù)本文前面章節(jié)的論證，隧道進(jìn)口DK90+ 025～DK90+125段埋深淺，工程水文地質(zhì)情況復(fù)雜多變，圍巖受大氣作用破壞嚴(yán)重，地層主要為松散的粗圓礫土、地下水豐富，單純的洞內(nèi)大管棚預(yù)支護(hù)和預(yù)加固技術(shù)不能滿足大斷面隧道的安全快速的施工，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)隧道淺埋段的圍巖加固除了洞內(nèi)的加固外，就只用隧道洞頂?shù)乇碜{加固方案，這種地表加固方案的實(shí)施不會(huì)影響隧道洞口其它工作的進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)空間立體交叉施工，節(jié)省工期。因此，本文將以葛岙隧道洞口段施工為基礎(chǔ)，詳細(xì)探討地表注漿的加固機(jī)理和具體實(shí)施過(guò)程。

3.2施工方案的實(shí)施

針對(duì)DK90+025～DK90+125段跨度大、埋深淺、地下水豐富的特點(diǎn)，為確保施工安全，更加有效地使土體固結(jié)，我們確定了地表深孔注漿的具體方案。

3.2.1施工參數(shù)選取

（1）注漿范圍。起點(diǎn)里程DK90+025，終點(diǎn)里程DK90+125，寬度為以隧道軸線為中心，兩側(cè)各12m共24m，注漿面積2400m2。注漿深度從拱頂以上5m或地表至隧道以下3m或者基巖，注漿深度為19～25m，具體如圖1所示。

（2）注漿材料。注漿漿液采用單液漿為主，雙液漿為輔，單液漿水灰比（0.6∶1）～（1∶1），水泥標(biāo)號(hào)為P.O32.5金圓水泥。

圖1　鉆孔布置圖

（3）擴(kuò)散半徑的確定。根據(jù)柱形擴(kuò)散理論，當(dāng)牛頓流體作柱形擴(kuò)散時(shí)，我們可采用以下計(jì)算公式[1-2]：

式中：kg——漿液在地層中的滲透系數(shù)，cm/s；

h——注漿壓力，cm水頭；

t——注漿時(shí)間，min；

n——地層的孔隙率；r0——注漿管半徑，cm。

由公式（1）可知，漿液擴(kuò)散半徑隨注漿壓力、巖土滲透系數(shù)、孔隙大小、注入時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，隨漿液濃度的增大而減小，本注漿段擴(kuò)散半徑取1.8m。

（4）注漿壓力。初壓0.2～0.5MPa，終壓2～3MPa[3]。

（5）注漿順序。注漿時(shí)，由外圍形成閉合圈，再施工內(nèi)圈，即先注最外兩排孔，然后依次向內(nèi)推進(jìn)。每排注漿孔中，先灌注兩端的孔，然后間隔交錯(cuò)灌注，這樣可以控制內(nèi)圈施工時(shí)漿液不致擴(kuò)散跑失，充分固結(jié)圈內(nèi)的巖體。由于進(jìn)口段注漿圍巖孔隙率大、含水量大等特點(diǎn)，為防止跑漿、冒漿，注漿段周邊孔采用雙液漿形成止水、止?jié){帷幕。

3.2.2地表注漿的實(shí)施

（1）注漿機(jī)具的選擇。注漿機(jī)具選用XY-100型鉆機(jī)15臺(tái)、BW-250型泥漿泵4臺(tái)，拌合機(jī)、電焊機(jī)各2臺(tái)，?114mm鋼管5t。

（2）地面止?jié){盤施工。為了防止從地面跑漿、冒漿，需將原地面修整平整，沿地面澆筑25cm厚C20鋼筋混凝土，鋼筋網(wǎng)（?8mm）呈網(wǎng)格布置，間距為20cm× 20cm。

（3）鉆孔注漿。鉆孔注漿方式的確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔，我們采用3臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)對(duì)3種鉆孔注漿方式進(jìn)行了比選。

①采用XY—100型鉆機(jī)，鉆頭為118空心合金鉆，利用水壓浮渣。鉆機(jī)就位時(shí)，鉆機(jī)立軸方向準(zhǔn)確控制，以保證孔口管的孔向正確，鉆孔斜率控制在0.5%～1%（通過(guò)測(cè)傾儀控制），待鉆孔至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，下鋼花管（鋼花管通體鉆眼），每節(jié)花管采用焊接方法進(jìn)行連接，花管到位后進(jìn)行注漿。由于注漿孔孔壁較破碎，當(dāng)鉆孔完成后下管有一定的難度，容易發(fā)生卡管等現(xiàn)象，有的甚至無(wú)法下管至設(shè)計(jì)高度；注漿時(shí)孔口周圍也出現(xiàn)了不同程度的冒漿，注漿壓力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，不能很好地達(dá)到注漿效果。

②采用分段后退式注漿，一次性成孔后，再由確定的注漿段由下而上分段注漿，一般以5～8m為一段，當(dāng)下段漿液初凝后，注漿管上提至上注漿段，再進(jìn)行注漿，依次類推，直至地表或者拱頂以上5m，分段后退式注漿與鋼花管注漿最大的區(qū)別就在于，分段后退式注漿，只在端頭的注漿段采用鋼花管，鋼管連接采用管口卡連接，即鋼管兩頭加工成外絲扣，管口卡加工成內(nèi)絲扣。分段后退式注漿與鋼花管注漿存在同樣的問(wèn)題，對(duì)鉆孔的一次成孔要求比較高，否則也會(huì)出現(xiàn)鋼管下不去等現(xiàn)象，但是注漿效果較鋼花管注漿有所提高，在注最后一段時(shí)，也出現(xiàn)冒漿等現(xiàn)象[4]。

③采用分段前進(jìn)式注漿，全孔自孔口至孔底以5～8m為一個(gè)注漿段，鉆進(jìn)一段，灌注一段，直到孔底最后一段灌完為止。一個(gè)注漿孔的完整注漿過(guò)程是：鉆孔（到第一段注漿孔深）→洗孔→壓水試驗(yàn)（可選擇做）→注漿→掃孔→鉆孔（至第二段注漿孔深）→洗孔→壓水試驗(yàn)（可選擇做）→注漿→封孔。在進(jìn)行第二階段鉆孔前，要在第一階段注漿漿液終凝后方可以進(jìn)行。套管的連接與分段后退式注漿相同。與分段后退式注漿相比，它有效地控制了冒漿等問(wèn)題，也不存在下管難的問(wèn)題[5]。

通過(guò)鉆孔取芯驗(yàn)證，分段前進(jìn)式注漿很好地保證了注漿效果，達(dá)到了地表注漿的要求。

雙液漿配比的確定。為了有效地控制漿液通過(guò)地層滲透至周遍民宅的井內(nèi)以及農(nóng)田，在注漿時(shí)，采用先在外圈（兩排）采用雙液漿（摻水玻璃）或有速凝效果的漿液（摻速凝劑），以加快漿液的初凝時(shí)間，使之形成止?jié){帷幕，在外圍形成閉合圈，再采用單液漿施工內(nèi)圈的方法，減少漿液的外滲。

主要試驗(yàn)材料：水泥漿主要采用水灰比為0.6∶1的純水泥漿，水玻璃采用濃度為35～40Be，速凝劑采用JS88-D型粉末狀速凝劑。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1　水泥—水玻璃配比試驗(yàn)記錄

表2　摻速凝劑配比試驗(yàn)記錄

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，注水泥—水玻璃漿時(shí)使用質(zhì)量比為2%的配比，注摻速凝劑的漿液時(shí)推薦使用質(zhì)量比為0.5%的配比。

4　總結(jié)

從現(xiàn)場(chǎng)的施工效果來(lái)看，本次地表注漿工作達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，對(duì)于圍巖的加固起到了一定的固結(jié)作用。通過(guò)本次大斷面隧道洞口淺埋段地表注漿加固技術(shù)的實(shí)施，總結(jié)出了以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)技術(shù)：

（1）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)主要是對(duì)注漿終壓和注漿終量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，注漿終壓和注漿終量是分析、鑒別注漿質(zhì)量的重要依據(jù)。

（2）在正常情況下，每次注漿中，注漿壓力由小逐漸增大，注漿流量由大到小，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)，其注漿終量為20～30L/min，穩(wěn)定20～30min即可結(jié)束。

（3）在遇到壓力上不去，進(jìn)漿量很大的情況下，經(jīng)過(guò)漿液濃度的調(diào)整，仍達(dá)不到終壓與終量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采用間歇注漿辦法，待24h后在進(jìn)行注漿來(lái)控制設(shè)計(jì)的注入量和終壓。

（4）通過(guò)鉆孔取芯來(lái)檢查，注漿后固結(jié)體抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于2.0MPa。

（5）注漿順序采用由外向內(nèi)，由兩端往中間的順序進(jìn)行，這樣可以使注漿段形成一個(gè)“封閉圈”，對(duì)注漿時(shí)起止?jié){、止水作用。

（6）為了減少竄孔冒漿等現(xiàn)象的發(fā)生，鉆孔注漿時(shí)要求同時(shí)進(jìn)行的注漿孔間距必須大于4m。在注漿過(guò)程中如發(fā)生竄漿，則需將竄漿孔堵住，繼續(xù)注漿使?jié){量達(dá)到注漿孔與竄孔漿量之和時(shí)停止注漿，不可因竄漿而中途停止注漿，以免報(bào)廢注漿孔和影響注漿質(zhì)量。

[1] 張建軍，黃詒寶，沈增輝.地表注漿在隧道破碎圍巖加固中的應(yīng)用[J].廣東建材，2012（12）.

[2]TB10753-2010高速鐵路隧道施工施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].鐵道出版社，2010.

[3]崔光耀，王明年，喻波.地鐵車站隧道群施工相互影響范圍及應(yīng)用研究[J].工程勘察，2011（11）.

[4]李建民，李曉夢(mèng).淺埋軟弱圍巖段冒頂塌方處治技術(shù)[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2012（1）.

[5]劉凡亮，王勇.地表注漿加固技術(shù)在淺埋松散段隧道中的應(yīng)用[J].四川建筑，2012（2）.

U455

A

1004-5716（2015）07-0172-03

2014-07-25

梁奇（1982-），男（漢族），天津人，工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程結(jié)構(gòu)安全施工工作。