頁巖隧道高壓注漿施工技術(shù)

馮振乾

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

隨著我國高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道施工工藝標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高，隧道施工安全顯得尤為重要[1]。在修建長大隧道過程中會遇到不同程度的軟弱破碎圍巖，注漿工藝作為一種較常用的處理隧道軟弱圍巖加固的一種方法，得到大量應(yīng)用[2]。針對隧道圍巖為軟弱、破碎、含水碳質(zhì)頁巖特性，為避免施工過程中出現(xiàn)掉塊、坍塌等失穩(wěn)現(xiàn)象[3]，需提前對掌子面軟弱圍巖地段進行小導(dǎo)管高壓注漿進行預(yù)加固，保證隧道施工安全[4]。

1 圍巖情況

隧道開挖后揭示的圍巖呈黑色、灰黑色，中間夾雜石英；從現(xiàn)場檢查和試驗情況來看，錘擊聲啞，錘擊無回彈，有凹痕，易擊碎，浸水后手可掰開，單軸飽和抗壓強度為6.2Mpa，屬于軟巖；節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面大于3 組，多以風(fēng)化型裂隙為主，裂隙寬度已張開型為主，局部有填充物，圍巖完整程度為破碎，穩(wěn)定性較差；開挖后圍巖經(jīng)常滲水，滲水量達(dá)到50～150L/(min·10m)，局部易發(fā)生小范圍滑塌現(xiàn)象[5]，經(jīng)現(xiàn)場踏勘圍巖級別由原設(shè)計Ⅳ級圍巖調(diào)整為Ⅴ級圍巖，加強支護[6]。

2 注漿施工技術(shù)

2.1 注漿方法

針對隧道圍巖屬于軟弱圍巖的特性，為確保施工作業(yè)安全，現(xiàn)場采取超前高壓注漿加固巖體的措施，保證隧道施工平穩(wěn)推進，依據(jù)不同的圍巖特性，選定四種加固方案[8]，如下所示：

⑴軟弱圍巖自穩(wěn)能力差且無水地段，采取拱部雙層超前小導(dǎo)管高壓注漿預(yù)加固；

⑵圍巖破碎且有水地段，采用深孔引排水+拱部雙層小導(dǎo)管高壓注漿；

⑶圍巖破碎且掌子面自穩(wěn)能力差的地段，采取拱部和掌子面同時高壓注漿；

⑷初期支護完成后，根椐滲水情況進行局部或者全斷面徑向注漿堵水[9]。

同時，針對軟弱圍巖地段，除采用高壓注漿加固圍巖外，還對初支鋼架增加鎖腳錨管數(shù)量、增大鋼架連接板面積等措施來保證初支穩(wěn)定，確保有效降低初期支護變形速率及后續(xù)凈空滿足要求，保證施工安全。

2.2 注漿設(shè)備選型及參數(shù)

為確保超前預(yù)加固漿液擴散范圍，確保破碎帶、松散、含水地段巖層加固效果，現(xiàn)場選用3SNS-A柱塞式高壓注漿泵。該泵最大特點是注漿壓力能達(dá)到10Mpa，屬于往復(fù)式單作用三柱塞泵，而且流量和壓力可以根椐現(xiàn)場需要進行調(diào)節(jié)，能滿足現(xiàn)場超前預(yù)加固注漿需要，如圖4 所示。

2.3 注漿材料選取

結(jié)合前期注漿施工的經(jīng)驗，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，每次注漿前都要進行工藝性試驗，注漿材料選用水泥凈漿，注漿參數(shù)如下：

⑴水灰比0.8～1.0；

⑵注漿壓力2.5～3.5MPa，瞬時壓力最大4.0MPa，持壓時間8～10min。

2.4 注漿工藝及參數(shù)控制

2.4.1 工藝流程

超前小導(dǎo)管工藝流程如下圖所示。

圖1 超前小導(dǎo)管高壓注漿工藝流程圖

2.4.2 注漿準(zhǔn)備

⑴小導(dǎo)管加工

超前小導(dǎo)管在鋼構(gòu)廠統(tǒng)一加工，注漿管用Φ42 的小導(dǎo)管，長度4.0m，周邊鉆注漿孔，孔徑6～8mm梅花型布置，間距30cm，孔口處留0.8～1.0m 不開孔，作為注漿孔口段。

⑵導(dǎo)向拱架加工

小導(dǎo)管環(huán)向間距是通過在拱架中心位置開孔來控制的，間距30cm，直徑φ60mm。

⑶止?jié){閥及快速接頭加工

止?jié){閥采用普通球閥，注漿接頭采用無縫鋼管車絲加工，一端與導(dǎo)管焊接，一端與注漿管快速接頭匹配。

圖2 止?jié){閥及快速接頭

圖3 L 型高壓風(fēng)管

圖4 小導(dǎo)管安裝（與鋼拱架焊接）

⑷ 3SNS-A 柱塞式高壓注漿泵介紹

采用3SNS-A 往復(fù)式單作用三柱塞泵，功率18.5kw，注漿壓力最大10MPa，流量和壓力可調(diào)，操作方便，外觀設(shè)計緊湊，體積小，重量輕，滿足洞內(nèi)施工頻繁的移動。

2.4.3 鉆孔

緊貼掌子面安裝1 榀腹板上開孔的導(dǎo)向拱架，人工手持鑿巖機穿過拱架導(dǎo)向孔，根據(jù)需要加固的范圍以5～10°的外插角鉆孔，第二排小導(dǎo)管在兩榀拱架之間以外插角度45°進行鉆孔，環(huán)向間距2m；直徑均為φ45mm，鉆孔深度大于導(dǎo)管長度20cm。

含水、軟弱、松散或易溜坍地段除了拱部注漿外，還在掌子面進行注漿加固和徑向注漿。掌子面局部按1.0×1.0m 梅花型布孔，徑向局部注漿按1.5×1.5m 梅花型布孔。采用手持風(fēng)動鑿巖機或者錨桿專用鉆機鉆孔，孔徑φ48mm，孔深大于小導(dǎo)管長度20cm。

2.4.4 清孔

管鉆孔完成后，采用L 形高壓風(fēng)管清孔。

2.4.5 小導(dǎo)管安裝

清孔后立即安裝導(dǎo)管，避免塌孔。采用鑿巖機頂進方式推送小導(dǎo)管，推送到位后安裝止?jié){閥，小導(dǎo)管與孔壁間用錨固劑封堵，同時將小導(dǎo)管沿拱架開孔周圍焊接一起。

2.4.6 止?jié){閥安裝

導(dǎo)管推送完成將止?jié){閥一端與小導(dǎo)管焊接，最后用6號鐵絲將止?jié){閥與鋼拱架捆綁在一起，防止注漿過程中導(dǎo)管沖出傷人。

2.4.7 止?jié){墻施工

掌子面噴不小于20cm 厚的混凝土，同時對小導(dǎo)管周圍，拱架與掌子面之間進行重點噴混凝土封堵（露出止?jié){閥即可），噴混凝土之前采用土工布將止?jié){閥和快速接頭包裹。

2.4.8 注漿單元設(shè)置

注漿單元配置強制式水泥漿攪拌機，3SNS-A 柱塞式高壓注漿泵、止?jié){閥、儲料桶、流量計（配套帶打印功能的記錄儀）、回漿桶、混凝土運輸車、高壓注漿管（耐壓20MPa），注漿管路連接見下圖。

2.4.9 注漿施工

⑴注漿管路連接后進行壓水試驗，檢查管路是否暢通，其次對路進行濕潤[10]；

⑵剛開始注漿時低壓送漿，逐步提高注漿壓力；

⑶隔孔注漿，由下往上交錯進行；

⑷注漿開始后，首先關(guān)閉回漿閥門，將注漿泵調(diào)至低速擋，待壓力上升至2.0MPa 左右時，調(diào)節(jié)壓力緩慢升至3.5MPa 左右繼續(xù)注漿，單孔注漿壓力穩(wěn)定在8min 以上，可結(jié)束該孔注漿；

⑸在關(guān)閉小導(dǎo)管的止?jié){球閥的同時，松開注漿機離合器，使注漿機空載運行；

⑹轉(zhuǎn)移至下一注漿管，重復(fù)上述步驟，直至注漿全部完成。

圖5 注漿單元設(shè)置

2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

⑴單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿以定壓為主。根據(jù)地層圍巖情況壓力注漿終壓定為2.5～3.5Mpa 時穩(wěn)壓8min 以上可結(jié)束該孔。

⑵全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

①所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏孔；

②依據(jù)注漿量分布，取薄弱環(huán)節(jié)布置檢查孔，鉆孔檢查注漿效果。

2.6 注漿量統(tǒng)計分析

按施工圖單孔每米注漿量在0.034m3，采取高壓注漿措施后，通過隧道橫洞工區(qū)和作業(yè)面對75 個循環(huán)的180 米注漿總用量分析，單孔每米的注漿量平均在0.144m3。

2.7 注漿標(biāo)準(zhǔn)及判斷方式

⑴拱部和掌子面采用超前小導(dǎo)管注漿加固的地段，加固深度距掌子面不小于2m，采用探孔或短進尺開挖驗證[11]。

⑵拱部采用雙層小導(dǎo)管超前高壓注漿預(yù)加固地段，加固半徑不小于0.5m，加固深度不小于2m。

探孔、短進尺開挖或取芯驗證。

⑶探孔：拱架下方30～50cm 范圍內(nèi)探孔判斷，探孔環(huán)向間距布2.0m，孔深3.5m，根據(jù)鉆進速度和是否存在塌孔現(xiàn)象，初步判斷注漿效果[12]。

⑷短進尺開挖，直觀揭示注漿效果。

⑸拱架下方30～50cm 范圍內(nèi)取芯。

2.8 注漿功效對比分析

通過對含水、軟弱、破碎地段以及初支完成后滲水地段局部范圍采取高壓注漿措施，保證了施工安全的同時，增加了圍巖整體性和穩(wěn)定性，從而減小了超挖、減少開挖時間、減少噴混凝土用量和噴混凝土作業(yè)節(jié)約時間，加快整體施工進度，截止目前現(xiàn)場Ⅴ級圍巖開挖進度由注漿前45m/月提高到50～60m/月，且滲水量明顯減少，為后續(xù)不斷提升功效創(chuàng)造了條件。

表1 注漿前后功效對比

高壓注漿后圍巖收斂沉降也處于可控狀態(tài)且變形數(shù)值變小。

如下圖，1 月21 日進行了高壓漿漿，距注漿面最近的一組拱頂沉降回歸分析顯示，通過注漿圍巖沉降明顯趨于穩(wěn)定。

圖6 臨近掌子面拱頂沉降回歸分析圖

由于隧道設(shè)計基本為Ⅳ、Ⅴ級襯砌類型，通過不斷提升軟弱破碎圍巖地段施工功效，可有力保障總工期目標(biāo)的實現(xiàn)。

3 結(jié)語

通過高壓注漿，隧道橫洞實現(xiàn)安全挑頂，橫洞洞身及正洞兩側(cè)軟弱圍巖實現(xiàn)安全掘進；隧道含水段碳質(zhì)頁巖地段得以順利施工。經(jīng)現(xiàn)場試驗證明，在長大鐵路隧道軟弱、破碎含水地段進行高壓注漿，對圍巖加固效果良好，可以充分固結(jié)圍巖，消除安全隱患，且加快了施工進度。在接下來的軟弱圍巖施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場揭示地層特性，對注漿孔的布置情況、注漿壓力、漿液配比等參數(shù)進行調(diào)整，針對不同地質(zhì)條件下的高壓注漿工藝，總結(jié)出一套的高壓注漿參數(shù)、設(shè)備配備、人員配置和科學(xué)合理的現(xiàn)場施工組織，并形成工法，為長大隧道軟弱圍巖施工提供安全保障。