水平高壓旋噴注漿技術(shù)在淺埋隧道預(yù)支護(hù)中的應(yīng)用探索

姚元章

(陜西省交通建設(shè)集團(tuán)平鎮(zhèn)管理處，陜西 西安 710065)

1 工程概況

某隧道位于鐵路車站之間，全長(zhǎng)616 m，出口段為表土順基巖面滑坡，上方覆土厚在7～12 m之間，埋深較小，屬于淺埋隧道，未能形成承載拱，在暗挖掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)地表開裂、沉降等問題。在出口段開挖過程中，發(fā)現(xiàn)掌子面底部出現(xiàn)少量涌水問題，持續(xù)掘進(jìn)突發(fā)涌泥現(xiàn)象，導(dǎo)致工程施工受到了阻礙。分析工程所在位置地質(zhì)資料可知，該段屬于泥質(zhì)白云巖和泥灰?guī)r地段，存在多處斷裂發(fā)育，夾雜厚粉質(zhì)黏土和砂礫混合物。隧道開挖面超出了地下水位，同時(shí)圍巖不穩(wěn)，部分位置屬于強(qiáng)風(fēng)化到全風(fēng)化，多為軟巖，存在極發(fā)育節(jié)埋裂隙。如果按照工程原設(shè)計(jì)進(jìn)行初期支護(hù)，容易因支護(hù)強(qiáng)度不足造成承載圍巖變形，從而引發(fā)支護(hù)破裂，給工程施工帶來安全威脅。

2 預(yù)支護(hù)施工方案

結(jié)合工程施工情況和地質(zhì)條件，針對(duì)不良地質(zhì)段還應(yīng)實(shí)施全斷面水平高壓旋噴注漿加固。具體來講，就是需要在隧道開挖外輪廓周圍構(gòu)成穩(wěn)定固結(jié)體，通過超前大管棚剛性支護(hù)完成出口段預(yù)支護(hù)，使圍巖抗壓能力得到提高，為開挖施工順利進(jìn)行提供保障。實(shí)際采用高壓旋噴注漿技術(shù)，需要結(jié)合開挖引起的掌子面松弛程度確定施工范圍，同時(shí)結(jié)合地層狀況確定樁體直徑及布置間距。此外，還應(yīng)結(jié)合地質(zhì)條件、開挖斷面等各種因素對(duì)樁長(zhǎng)、注漿參數(shù)、樁體傾角等因素進(jìn)行確認(rèn)，從而提出科學(xué)施工方案。結(jié)合工程資料，決定在注漿前完成止?jié){墻施工，墻厚為2.5 m，嵌入圍巖深約1 m，利用C30混凝土進(jìn)行澆筑。在周邊位置，需要完成兩排長(zhǎng)2 m、直徑25 mm的砂漿錨桿安裝，保持1 m排距，環(huán)向間距為1.5 m。施工前，需要利用直徑108 m鋼管焊接法蘭盤進(jìn)行掌子面涌水集中引排。在止?jié){墻周邊，需要完成長(zhǎng)2.7 m、管徑42 mm的導(dǎo)管預(yù)設(shè)，數(shù)量為5根，用于對(duì)墻與支護(hù)結(jié)構(gòu)間隙進(jìn)行注漿封閉。施工采用大型鉆機(jī)，需要在墻后進(jìn)行10 m作業(yè)平臺(tái)預(yù)留，平臺(tái)拱頂和供面保持5 m距離。施工結(jié)束后對(duì)該范圍場(chǎng)地進(jìn)行硬化處理，在整平壓實(shí)后進(jìn)行C20混凝土澆筑，厚20 cm，為鉆機(jī)移動(dòng)提供便利。

在高壓旋噴注漿施工方面，需要采用循環(huán)方式進(jìn)行注漿加固施工，每個(gè)單循環(huán)長(zhǎng)25 m，開挖長(zhǎng)20～30 m，完成3～5 m止?jié){盤預(yù)留，以實(shí)現(xiàn)下一注漿循環(huán)操作。針對(duì)出口段，需要沿著開挖外廓落線完成2圈注漿孔布設(shè)，位置在輪廓線外5 m。每次循環(huán)注漿，需要完成74個(gè)注漿孔設(shè)置，同時(shí)完成45個(gè)超前管棚孔預(yù)留。針對(duì)止?jié){墻后方10 m位置，需要實(shí)施徑向注漿加固，即在初期支護(hù)中完成鉆孔，孔深3 m，孔徑50 mm。結(jié)束后進(jìn)行清孔，然后將長(zhǎng)3 m、直徑42 mm無縫鋼管頂進(jìn)，保持30 cm孔口外露長(zhǎng)度，之后利用錨固劑完成孔隙填充。從整體來看，注漿孔呈梅花形布局，保持1.2 m的孔間距。針對(duì)縱面，需要從兩側(cè)開始注漿，然后在加固區(qū)完成搭接。施工采用的注漿材料為水泥—水玻璃混合漿液，需要結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行材料配合比調(diào)整。

3 旋噴注漿施工

3.1 鉆孔施工

在水平高壓旋噴注漿施工過程中，需要按照方案完成測(cè)量放樣，確定鉆孔位置。如表1所示，為施工采用的注漿鉆注設(shè)備。在鉆孔作業(yè)時(shí)，將鉆機(jī)移動(dòng)至鉆孔位置，使鉆頭與旋噴樁孔中心對(duì)正后，可以先以0.5 MPa壓力進(jìn)行射水試驗(yàn)，確認(rèn)噴嘴暢通后，可以進(jìn)行鉆進(jìn)。采用的鉆頭直徑130 mm，按照設(shè)計(jì)外插角和孔位坐標(biāo)初期應(yīng)保持低速鉆進(jìn)，鉆深達(dá)1.5 m，之后進(jìn)行長(zhǎng)1.5 m孔口管安裝，直徑為108 mm，厚為5 mm。實(shí)際安裝孔口管，需要利用錨固劑進(jìn)行鞏固，以免漏漿問題產(chǎn)生。錨固后，利用直徑90 mm鉆頭持續(xù)鉆進(jìn)，孔深5 m，然后安裝堵漿頭注漿。注漿結(jié)束后，需鉆進(jìn)5 m，然后再次注漿，實(shí)現(xiàn)反復(fù)循環(huán)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度。鉆孔時(shí)，可以將射水壓力從0.5 MPa提高至1 MPa，使摩擦阻力得到減小，以免出現(xiàn)噴嘴堵塞的情況。鉆孔作業(yè)期間，需要加強(qiáng)鉆壓控制，保證鉆孔角度符合要求，同時(shí)能夠破土碎巖。同時(shí)，需加強(qiáng)鉆進(jìn)速度控制，在表土層鉆進(jìn)時(shí)鉆頭線速度在2～3 m/s之間，達(dá)到軟巖層在1.7～2 m/s之間，到達(dá)礫石層應(yīng)在1.6～2.4 m/s范圍內(nèi)。

表1 工程施工采用水平高壓旋噴注漿鉆注設(shè)備

3.2 注漿施工

在注漿施工期間，需要采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥，按照水泥∶水∶速凝劑=1∶1∶(0.02～0.03)比例進(jìn)行漿液配置。采用的速凝劑為氯化鈣，配置時(shí)需要先在攪拌桶中放入結(jié)晶水，然后添加水泥和速凝劑，攪拌10～20 min后，將桶底閥門打開，實(shí)現(xiàn)0.8 mm過篩。利用泥漿泵抽出泥漿，利用0.8 mm過濾篩再次過濾后，可進(jìn)入主泥漿池待用。在高壓注漿階段，需要將漿液密度控制在1.3～1.49 g/cm3范圍內(nèi)，采用直徑2.9 mm噴嘴，流量為80 L/min，注漿壓力在14～24 MPa范圍內(nèi)。按照由外向內(nèi)、由上到下的順序，可以進(jìn)行間隔跳孔注漿。采用旋噴注漿技術(shù)，利用高壓泵向鉆機(jī)輸送泥漿，在鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升過程中，漿液將從孔底冒出，然后由下而上進(jìn)行旋噴施工。在首根鉆桿從地面提出后，需要停止壓漿，直至壓力下降后將鉆桿拆除，然后直至漿液壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值可繼續(xù)注漿。反復(fù)循環(huán)，可以將噴頭提高到樁頂位置。在注漿壓力超出設(shè)計(jì)值3～4 MPa，且穩(wěn)定壓力10 min后，可結(jié)束注漿。未免樁頂凹陷，還應(yīng)意識(shí)到漿液與土層混合后會(huì)凝固收縮，因此結(jié)束期間應(yīng)實(shí)現(xiàn)1～2 min低壓補(bǔ)漿。施工期間，冒漿量應(yīng)不超過正常量20%，否則需查明原因，對(duì)旋噴參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。旋噴期間需要連續(xù)提升鉆桿，對(duì)鉆桿進(jìn)行拆卸或接長(zhǎng)需要保證搭接長(zhǎng)在100～200 mm之間，防止斷樁問題的發(fā)生。

3.3 管棚施工

完成注漿后，可以進(jìn)行管棚施工，在完成測(cè)量放線后，按照設(shè)計(jì)位置進(jìn)行開孔。在調(diào)整后鉆機(jī)角度后，可以進(jìn)行引孔。大管棚安裝期間，應(yīng)確保達(dá)到設(shè)計(jì)深度。完成管棚布設(shè)后，需要實(shí)施全孔一次性注漿，采用與旋噴注漿相同的材料和配合比，注漿終壓控制在2～4 MPa之間。針對(duì)加固工程，檢查旋噴質(zhì)量需要保證檢查樁數(shù)達(dá)到總數(shù)5%，發(fā)現(xiàn)異常樁需要通過鉆取巖芯等方法確認(rèn)質(zhì)量是否合格。

4 施工效果分析

為確定采用上述施工方法對(duì)隧道的加固效果，還要利用FLAC3D專業(yè)軟件按成加固段數(shù)值模擬分析，利用geog-rid單元實(shí)現(xiàn)旋噴區(qū)、襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖模擬分析，利用shell單元模擬臨時(shí)仰拱，利用pile模擬大管棚。在對(duì)起始斷面注漿效果進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，控制斷面分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m的斷面，如圖1所示，為各斷面選取的控制點(diǎn)。

圖1 斷面控制點(diǎn)(①—拱頂，②、⑧—拱肩，③、⑦—拱腰，④、⑥—拱腳，⑤—拱底)

從模擬結(jié)果來看，在加固前，8個(gè)控制點(diǎn)中①～⑤測(cè)點(diǎn)位置豎向相對(duì)位移無法達(dá)到施工要求。對(duì)比這五個(gè)測(cè)點(diǎn)加固前后的豎向相對(duì)位移值，如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)用水平高壓旋噴注漿技術(shù)能夠使各測(cè)點(diǎn)位移值有效減少，因此可以解決開挖期間圍巖失穩(wěn)問題，為工程施工提供安全保障。

表2 數(shù)值模擬分析結(jié)果(%)

5 結(jié) 論

針對(duì)淺埋隧道，應(yīng)用水平高壓旋噴注漿技術(shù)能夠起到改善土地固結(jié)程度和穩(wěn)定圍巖的作用，所以能夠?yàn)樗淼篱_挖掘進(jìn)提供安全保障。在實(shí)踐應(yīng)用過程中，還要結(jié)合工程地質(zhì)條件等各方面情況實(shí)現(xiàn)施工方案合理設(shè)計(jì)，加強(qiáng)對(duì)鉆孔施工、注漿施工等各環(huán)節(jié)的控制，以便使預(yù)支護(hù)的加固效果得到保證。從施工效果來看，技術(shù)應(yīng)用能夠使斷面控制點(diǎn)豎向相對(duì)位移降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以滿足工程施工要求。