富水軟弱圍巖超淺埋隧道快速注漿技術(shù)研究

趙靜波

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222)

1 引言

沿海地區(qū)通常地質(zhì)條件復(fù)雜，近島區(qū)域大多為灘涂，拋石層、回填層居多，與海水連通，涌水風(fēng)險(xiǎn)極高，為地下暗挖結(jié)構(gòu)的修建提出挑戰(zhàn)，例如海底隧道陸地連接線、地鐵車站等結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)交叉影響大，施工作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)源多，且具有工期緊張等方面的特點(diǎn)。 傳統(tǒng)的注漿工藝有許多[1-8]，例如前進(jìn)式注漿、后退式注漿，但是由于其工藝復(fù)雜、施工效率較低，影響工程進(jìn)度，開(kāi)展快速注漿施工技術(shù)研究是解決問(wèn)題的良策。

對(duì)于不同的快速注漿技術(shù)而言，必須針對(duì)不同施工環(huán)境不同，即使相同的技術(shù)，面對(duì)不同的施工環(huán)境，施工方案也不盡相同。 為了使所研究的技術(shù)，能夠有效地應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中，本文以某臨海地下暗挖隧道為例，針對(duì)臨海強(qiáng)富水軟弱圍巖地質(zhì)條件，研究了快速注漿施工工藝。 從注漿工藝到注漿設(shè)備建立了系統(tǒng)的注漿生產(chǎn)線，保證堵水和加固效果，為隧道開(kāi)挖降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程概況

某沿海地區(qū)地下暗挖隧道下穿城市主干道，上面有重載車輛通過(guò)，路下管線密布，包括電力管、雨水管、燃?xì)夤?、污水管等幾十條市政管網(wǎng)。 隧道埋深較淺，主要為雜填土、淤泥、原狀土、全強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，且與海水聯(lián)系密切，自穩(wěn)能力差。 注漿區(qū)段下穿地層主要為全強(qiáng)風(fēng)化層，下半斷面存在中風(fēng)化巖層，拱頂埋深10.4 ～12.3 m，整個(gè)開(kāi)挖輪廓線位于正常水位以下。 臨海富水軟弱圍巖條件下穿城市主干道超淺埋隧道施工方法一般為先帷幕注漿進(jìn)行堵水、加固地層，注漿效果判定合格后，再進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工。

3 注漿施工工藝

傳統(tǒng)注漿管材多為金屬可重復(fù)利用，但是存在反復(fù)拼接、拆裝復(fù)雜的問(wèn)題，因此會(huì)大大降低施工效率。 管材形式對(duì)漿液可注性、注漿工藝會(huì)產(chǎn)生重要影響。 針對(duì)傳統(tǒng)注漿工藝施工效率慢的特點(diǎn)，對(duì)注漿管、注漿材料、注漿工藝的環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)一次性快速注漿施工工藝。

3.1 新型注漿管

為了提高注漿效率，自行研制免拆裝、易于破除的塑料注漿管，即將塑料注漿管一次性直接送入預(yù)鉆孔中，注漿完畢后留在掌子面作為加筋結(jié)構(gòu)，隨著掌子面開(kāi)挖一同破除。 免拆裝特性有效避免了金屬管材拆裝復(fù)雜、浪費(fèi)工時(shí)的特點(diǎn)，易于破除又不會(huì)給隧道開(kāi)挖帶來(lái)額外的負(fù)擔(dān)。 一次性注漿管，如圖1 所示。 詳細(xì)參數(shù)如下：

圖1 注漿管加工示意

(1)塑料注漿管采用PVC 材料，外徑φ25 mm，壁厚2.8 mm。

(2)每節(jié)管長(zhǎng)不小于4 m，節(jié)與節(jié)之間通過(guò)內(nèi)徑φ25 mm 的直接頭進(jìn)行連接，并用PVC 粘用膠粘接牢固。

(3)φ20 mm 導(dǎo)絲管縮尖成錐形尖絲扣，通過(guò)內(nèi)絲直接頭與PVC 管材前端相連，因此注漿管前端為封閉尖型結(jié)構(gòu)，方便注漿管快速送入鉆孔。

(4)整個(gè)注漿管全長(zhǎng)開(kāi)孔，間距1 m 開(kāi)一對(duì)對(duì)孔，孔徑8 mm，開(kāi)孔用橡膠帶＋塑料膠帶包裹好，不僅能夠低壓沖開(kāi)橡膠帶使得漿液流出，還能有效避免送管時(shí)泥土堵塞注漿管。

(5)注漿管長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)雙液漿凝結(jié)時(shí)間合理選擇，通常情況下，雙液漿凝結(jié)時(shí)間宜為40 ～60 s，按照流速計(jì)算，在初凝時(shí)間內(nèi)可以流動(dòng)至最前端，實(shí)現(xiàn)全孔一次性等壓注漿，注漿管長(zhǎng)度選擇宜為20 m。

3.2 注漿方式

針對(duì)新型注漿管材的特點(diǎn)，為提高注漿效率，注漿采用上半斷面全斷面帷幕注漿的形式，全孔一次性快速注漿，從注漿工藝的角度免除了注漿管材的反復(fù)拆裝。 為確保止?jié){墻在注漿過(guò)程中無(wú)漏漿、松動(dòng)，施作時(shí)，先鑿除止?jié){墻區(qū)段初支鋼拱架表面的噴射混凝土，設(shè)三層鋼筋網(wǎng)，并設(shè)φ22 以上的粗筋骨架與拱架焊接牢固，鋪設(shè)一層鋼筋網(wǎng)，噴一層C25 混凝土，共分三次，累計(jì)噴80 cm 厚C25 網(wǎng)噴混凝土，如圖2 所示。

圖2 止?jié){墻

為了探究新型注漿方案的注漿效果，掌子面上半斷面布孔方案分兩組：

方案一：布孔分為五序，第一、二序各為43 個(gè)孔，第三序21 個(gè)孔，第四序11 個(gè)孔，第五序3 個(gè)孔，共計(jì)121 個(gè)孔。 方案一鉆孔布設(shè)，如圖3 所示。

圖3 方案一鉆孔布設(shè)(單位:cm)

方案二：布孔分為五序，第一序27 個(gè)孔，第二序22 個(gè)孔，第三序14 個(gè)孔，第四序7 個(gè)孔，注漿孔共70 個(gè)。 方案二鉆孔布設(shè)，如圖4 所示。

圖4 方案二鉆孔布設(shè)(單位:cm)

臨時(shí)仰拱注漿方案相同，垂直注漿，1.5 m×1.5 m梅花形布設(shè)，邊墻拱腳1. 5 m 間距。 單個(gè)注漿孔6 m，共計(jì)75 個(gè)孔，鉆孔總長(zhǎng)度為450 m。 布孔示意圖，如圖5 所示。

圖5 臨時(shí)仰拱垂直注漿布孔平面圖(單位:cm)

注漿過(guò)程中嚴(yán)格遵循注漿順序，跳孔施工，避免產(chǎn)生集中隆起效應(yīng)，增加各種輔助措施，嚴(yán)格控制水玻璃等漿材的溫度，進(jìn)而控制雙液漿凝結(jié)時(shí)間，使?jié){液能夠在凝結(jié)時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到遠(yuǎn)端，使得整個(gè)注漿體均勻地被漿液充填，地表隆起呈現(xiàn)均勻性。

3.3 漿液參數(shù)

注漿漿液包括普通雙液漿和超細(xì)水泥漿。 普通雙液漿為普通水泥漿-水玻璃，水灰比1∶1，水泥漿和水玻璃體積比1 ∶1，初凝40 ～50 s，終凝5 min；超細(xì)水泥漿，水灰比1∶1。 拱部以下區(qū)域采用普通雙液漿注漿，注漿壓力控制在2.5 MPa 以內(nèi)；拱部范圍內(nèi)采用超細(xì)水泥漿注漿，注漿壓力控制在1.2 MPa 以內(nèi)。 鉆孔布設(shè)分為四序注漿順序，先底部、拱腳，再中部、上部的注漿順序，同序間進(jìn)行跳孔注漿施工。 單孔注漿按照注漿量、注漿壓力雙控結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

3.4 施工工藝

由于地表管線密集，注漿過(guò)程中控制地表隆起、管線上揚(yáng)尤為重要。 帷幕注漿前，先采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段摸清掌子面前方地質(zhì)情況，為帷幕注漿確定合理施工參數(shù)提供依據(jù)。 為提高注漿施工效率，采用一次打孔，全孔一次注漿方式。鉆孔采用94 mm 鉆頭，鉆孔完成后安裝PVC 注漿管，并在孔口端部用錨固劑封堵。 注漿前后，均需打設(shè)檢查孔，測(cè)出水量，對(duì)比注漿前后出水量變化及注漿效果的判定。 注漿完成后，在掌子面上鉆取芯樣，通過(guò)取芯率和芯樣中漿液充填和膠結(jié)情況來(lái)判斷加固圈的質(zhì)量。 施工流程如圖6所示。

圖6 注漿施工流程

4 注漿效果分析

注漿效果檢測(cè)方法有許多[9-12]，本試驗(yàn)段采用分析法、鉆孔取芯、檢測(cè)出水量、變性控制等方法相結(jié)合，對(duì)堵水加固效果進(jìn)行檢測(cè)。

(1)分析法

根據(jù)孔隙率預(yù)測(cè)所需注漿量，對(duì)注漿量、注漿壓力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合實(shí)際情況初步預(yù)測(cè)注漿效果。

(2)鉆孔取芯

在掌子面通過(guò)鉆芯取樣檢驗(yàn)注漿效果，每循環(huán)設(shè)5 個(gè)檢查孔，檢查孔的深度應(yīng)比注漿加固段短1 ～2 m。加固強(qiáng)度以取芯率作為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，土層取芯率100%，巖石風(fēng)化殘積土、強(qiáng)風(fēng)化半巖半土取芯率80% ～90%，破碎巖及軟質(zhì)巖取芯率65%，巖石取芯率可達(dá)80%，判定注漿效果良好。

(3)出水量檢測(cè)

在掌子面鉆取檢查孔，測(cè)定鉆孔單位時(shí)間，單位長(zhǎng)度的出水量：

式中，q為鉆孔單位時(shí)間和單位長(zhǎng)度的出水量(L/m·min)；Q為鉆孔總出水量(L)；L為鉆孔總長(zhǎng)(m)；t為測(cè)試時(shí)間(min)。

檢查孔的出水量＜0.2 L/m·min 時(shí)，可以認(rèn)為注漿效果較好。

注漿效果，如圖7、圖8 所示。

圖7 回填土、淤泥加固效果

圖8 全強(qiáng)風(fēng)化層加固效果

(4)變形監(jiān)測(cè)

對(duì)兩種布孔方案注漿后隧道中軸線地表隆起、相鄰最近管線變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖9、圖10 所示。采用方案一時(shí)，鉆孔取芯表明在注漿管長(zhǎng)度內(nèi)注漿情況良好，檢查孔出水量檢測(cè)表明堵水效果良好。 但是，方案一布孔較為密集，最大地表隆起14 cm，管線位移7 cm，試驗(yàn)表明該注漿方案的變形控制較差。通過(guò)對(duì)布孔方案進(jìn)行調(diào)整，實(shí)施布孔方案二后，注漿加固效果與堵水效果仍然能滿足強(qiáng)度要求和施工要求，且地表隆起降低為4 cm，管線位移2.5 cm，變形得到較好的控制。

圖9 地表隆起變形

圖10 管線位移

綜合取芯率和出水量對(duì)加固和堵水效果進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不滿足要求時(shí)，可增加檢測(cè)數(shù)量對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，若仍然不滿足要求，則通過(guò)補(bǔ)注漿的方式進(jìn)一步完善。 變形監(jiān)測(cè)是控制注漿過(guò)程的重要手段，必須在滿足變形的前提下完成注漿才能滿足安全需要，在動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中若不滿足變形要求，需要及時(shí)調(diào)整注漿方案。 通過(guò)調(diào)整凝結(jié)時(shí)間，注漿管開(kāi)孔方式，注漿量、注漿壓力，注漿順序等控制隆起值。 試驗(yàn)段注漿經(jīng)驗(yàn)表明，注漿孔過(guò)于密集會(huì)產(chǎn)生交大的變形，在擴(kuò)散范圍滿足要求的情況下減少注漿孔數(shù)量可以有效降低變形。 通過(guò)兩種注漿布孔方案的比較，給出了布孔方案經(jīng)驗(yàn)。

5 效益分析

試驗(yàn)段全長(zhǎng)50 m，進(jìn)行一次性快速注漿，開(kāi)挖月均進(jìn)尺12 m，開(kāi)挖施工133 d，節(jié)約了98 d，較傳統(tǒng)的帷幕注漿提高了施工效率，降低了施工成本，節(jié)約投入約580 萬(wàn)元。

6 結(jié)論

結(jié)合臨海富水軟弱圍巖、超淺埋暗挖隧道下穿城市主干道或敏感建筑物的施工特點(diǎn)，對(duì)注漿工藝進(jìn)行系統(tǒng)研究，結(jié)合施工案例獲得以下結(jié)論：

(1)從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、帷幕注漿工藝、注漿管的發(fā)明創(chuàng)新、注漿效果質(zhì)量控制方面總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，提出一種一次性快速注漿的施工方案，降低了突涌水風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，降低施工成本。

(2)對(duì)注漿管的優(yōu)化解決了傳統(tǒng)注漿工藝效率低的問(wèn)題，有效避免了傳統(tǒng)注漿管反復(fù)拼接、拆裝的問(wèn)題，并且滿足經(jīng)濟(jì)環(huán)保、易于破除的需求。

(3)通過(guò)示范技術(shù)及應(yīng)用，總結(jié)了布孔方案、漿液參數(shù)等施工經(jīng)驗(yàn)，為國(guó)內(nèi)外類似工程施工提供寶貴的借鑒資料。