隧道洞口淺埋段袖閥管地表注漿試驗(yàn)研究

季建慶 張慧健

(1.浙江省龍泉市城市建設(shè)投資開發(fā)有限公司，浙江 龍泉 323700； 2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

0 引言

礦山法隧道洞口段巖體一般風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙較為發(fā)育，圍巖較為破碎，自穩(wěn)能力差，且常常處于淺埋段，洞頂圍巖成拱能力不足，進(jìn)洞施工過程中對洞頂土體多次擾動，極易造成洞頂邊仰坡失穩(wěn)破壞，甚至發(fā)生洞內(nèi)塌方現(xiàn)象，雨季施工，還會造成大氣降水沿地表裂隙滲入洞周土體，造成圍巖軟化、掌子面滲水，更有甚者，容易引發(fā)突水突泥災(zāi)害，嚴(yán)重威脅隧道施工人員的安全，因此，采取措施保證隧道洞頂圍巖的穩(wěn)定和防止地表雨水下滲是隧道安全進(jìn)洞的前提。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，在地層松散、圍巖穩(wěn)定性較差、掌子面自穩(wěn)能力弱、開挖過程中可能引起塌方的淺埋段或洞口地段，可采用地表注漿加固地層的輔助施工措施。隧道工程中常用的地表注漿方式有鋼花管注漿和袖閥管注漿兩種，大量工程實(shí)踐表明，袖閥管注漿的總體優(yōu)勢更為明顯，加固效果更為理想[1-5]。本文以某大跨隧道洞口淺埋段洞頂注漿加固為例，詳細(xì)描述了袖閥管注漿施工流程，對注漿參數(shù)進(jìn)行了分析，取得了較好的加固效果，如隧道工程遇到類似問題，可借鑒本文方案進(jìn)行處理。

1 袖閥管的作用機(jī)理

袖閥管的主體結(jié)構(gòu)由外管和注漿芯管兩部分組成。外管一般采用PVC材質(zhì)，特殊情況下，外管采用鋼管，又叫剛性袖閥管，外管縱向每隔一定距離設(shè)置出漿孔，出漿孔被橡膠套遮蓋，保證漿液只能在壓力作用下?lián)伍_橡膠套流出，不能回流。注漿芯管為帶雙側(cè)止?jié){橡皮圈的中空開孔細(xì)鋼管，可在外管內(nèi)上下移動，一方面可保證漿液由注漿芯管到達(dá)外管特定注漿段落，另一方面在注漿加壓時，橡皮圈膨脹與外管內(nèi)壁緊密接觸，防止?jié){液沿注漿芯管兩端流失。袖閥管要完全發(fā)揮作用，還依賴于外管與鉆孔側(cè)壁之間的套殼料，套殼料是由水泥、粘性土和水經(jīng)一定比例混合后，通過注漿管注入袖閥管與鉆孔側(cè)壁之間，經(jīng)養(yǎng)護(hù)凝固后形成的具有一定的強(qiáng)度和脆性的材料，既保證了漿液能夠在較小的壓力下沖破套殼料進(jìn)入目標(biāo)土層，又避免了漿液在袖閥管與孔壁之間流動，有效防止了孔口冒漿，確保注漿壓力的穩(wěn)定。袖閥管最早起源于法國，由于袖閥管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性，近年來，在國內(nèi)土木工程界注漿加固領(lǐng)域越來越受到工程人員的青睞。

2 袖閥管的優(yōu)缺點(diǎn)

與普通鋼花管一次常壓注漿相比，袖閥管注漿具有以下優(yōu)勢：

1)袖閥管本質(zhì)上是分層注漿，通過套殼料和注漿芯管的橡皮圈，把漿液和注漿壓力限制在目標(biāo)土層，在不同深度和不同空隙率的土層，均可保證足夠的注漿壓力和注漿量，保證了注漿深度范圍內(nèi)土體注漿的均勻性。

2)由于注漿芯管可上下移動，可清洗后重復(fù)利用，對不同的注漿段落，工程人員可以采用不同的注漿壓力和漿液類別，保證了注漿的可控性，如某一土層或某一孔單次注漿量不足，注漿效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，還可重復(fù)注漿。

3)袖閥管制作工藝成熟，利用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段可以很方便的接長，保證了工程人員能夠在任意深度進(jìn)行注漿操作。

4)由于套殼料的止?jié){作用，地表冒漿的可能性大大降低，地表無須制作混凝土止?jié){盤，節(jié)省了圬工工程量。

袖閥管的主要缺點(diǎn)有：

1)施工流程較為繁瑣，施工人員需經(jīng)過培訓(xùn)后方可施工。

2)套殼料的制備要求高，既要有一定的強(qiáng)度，保證漿液不會沿袖閥管與鉆孔側(cè)壁之間的空隙四處流動，又要保證出漿孔處漿液能夠很容易的壓碎套殼料進(jìn)入土體，因此，套殼料的配合比必須經(jīng)過試驗(yàn)確定。

3)由于袖閥管多為PVC管，需要通過地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔后方可下管，袖閥管的材料價格相比普通鋼花管要高，因此，袖閥管延米造價指標(biāo)較高。

3 隧道工程概況

本文依托的隧道工程為雙向四車道城市隧道，兩側(cè)設(shè)非機(jī)動車道和人行道，最大開挖跨度達(dá)16.6 m，為超大斷面市政隧道。隧道出口端右線洞頂?shù)乇頌槎钙碌匦危O(shè)計(jì)為三級高邊坡，洞頂以上出露地層為灰黃色殘坡積粉質(zhì)粘土和磚紅色全風(fēng)化變質(zhì)花崗巖，其中，全風(fēng)化變質(zhì)花崗巖為本隧道洞口段洞頂主要圍巖。隧道圍巖整體風(fēng)化程度劇烈，表層圍巖已完全風(fēng)化為砂性土，深層圍巖雖保留了巖石外觀，但實(shí)際上已完全風(fēng)化，圍巖干燥狀態(tài)下結(jié)構(gòu)致密，空隙被黏性土填充，孔隙率低，滲透性差，原狀圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，經(jīng)擾動后呈松散的砂土狀，圍巖遇水即軟化崩解成泥狀，完全喪失承載能力。

隧道洞口段暗洞施工過程中，由于持續(xù)性降雨，雨水沿地表裂隙滲入洞周圍巖，土體砂性骨架不斷被雨水沖刷流失，導(dǎo)致洞頂仰坡土體軟化變形，最終發(fā)生了失穩(wěn)滑移，造成洞口大管棚上覆土層崩塌冒頂，管棚塌陷。項(xiàng)目部召開緊急會議，決定對滑坡變形體進(jìn)行卸載減壓，為保證后續(xù)重新進(jìn)洞的安全性，各責(zé)任主體共同商議后決定采取袖閥管地表注漿方式加固洞頂土體，但在大面積實(shí)施地表注漿前，需要進(jìn)行現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定注漿參數(shù)。

4 現(xiàn)場注漿試驗(yàn)

1)試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

通過現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，熟悉袖閥管的施工流程，分析不同漿液類型和不同漿液配合比下的土層注漿效果，探索不同配合比下套殼料的強(qiáng)度和脆性是否滿足注漿要求，根據(jù)漿液擴(kuò)散半徑，確定袖閥管的布置間距。

2)試驗(yàn)參數(shù)。

漿液類型：分別采用普通硅酸鹽水泥單液漿、超細(xì)硅酸鹽水泥單液漿和普通硅酸鹽水泥—水玻璃(1∶1)雙液漿三種類型。

漿液配合比：水灰比分別采用0.8∶1,1∶1和1.2∶1三種配合比。

套殼料配合比：水泥、粘性土和水的比例分別采用0.5∶1∶2,0.8∶1∶2和1∶1∶2三種配合比。

根據(jù)正交試驗(yàn)原理，對于三因子三水平的試驗(yàn)，可以采用L9(34)正交試驗(yàn)表，進(jìn)行9次試驗(yàn)即可代表27次全面試驗(yàn)的結(jié)果，大大減少工作量。

3)試驗(yàn)流程。

a.布孔：在隧道右線出口洞頂?shù)乇聿贾?個點(diǎn)位，點(diǎn)位之間的間隔按照不小于3 m間隔進(jìn)行布置，防止試驗(yàn)過程中發(fā)生串漿。

b.鉆孔：采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆孔孔徑為110 mm，垂直度偏差不大于1%，試驗(yàn)孔深度取6 m，便于通過開挖進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，鉆孔時應(yīng)采取措施防止塌孔，鉆孔完畢應(yīng)進(jìn)行清孔。

c.安裝袖閥管：袖閥管采用外徑50×4 mm的硬質(zhì)PVC管，注漿部分每隔50 cm鉆出漿孔，非注漿部分不鉆孔，將袖閥管底部封閉，插入到孔底，應(yīng)保證袖閥管在鉆孔中心位置，然后在袖閥管中注入清水，防止袖閥管上浮，袖閥管應(yīng)高出原地面約30 cm。

d.下套殼料：將制備完成的不同配合比的套殼料注入鉆孔中，套殼料通過注漿管送至孔底，直到孔口溢出套殼料漿液為止，保證套殼料完全置換孔壁泥漿。

e.封孔養(yǎng)護(hù)：將袖閥管與孔壁之間的空隙進(jìn)行填充，地面1 m處以下采用砂或碎石填充，地面1 m以上采用速凝水泥砂漿封堵，防止冒漿。套殼料養(yǎng)護(hù)至3 d～5 d且達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行注漿，露出地面的管口上部采用混凝土塊覆蓋，防止養(yǎng)護(hù)期間異物進(jìn)入袖閥管。

f.注漿：將注漿芯管插入袖閥管外管至孔底進(jìn)行后退式分段注漿，開啟注漿泵，初始注漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa，注意觀察壓力表讀數(shù)的變化，特別是突變值，當(dāng)注漿壓力穩(wěn)定后，繼續(xù)注漿5 min以上，結(jié)束注漿，先向孔內(nèi)泵送清水，防止注漿管堵塞，然后提升注漿芯管，進(jìn)入下一注漿段落。注漿試驗(yàn)過程中，應(yīng)做好施工資料的記錄工作，其中重點(diǎn)包括套殼料開環(huán)壓力、穩(wěn)定注漿壓力、漿液流量以及地表環(huán)境的變化。

g.注漿效果檢查：通過挖掘機(jī)配合人工開挖對注漿區(qū)域漿液的擴(kuò)散形態(tài)、擴(kuò)散半徑、漿液填充度、飽滿度進(jìn)行檢查，綜合判定注漿效果?，F(xiàn)場注漿試驗(yàn)的基本流程圖如圖1所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果及注意事項(xiàng)

現(xiàn)場注漿試驗(yàn)得到的結(jié)論如下：

1)對全風(fēng)化變質(zhì)花崗巖來說，由于土體孔隙率較低，漿液在土層中通過滲透擴(kuò)散的范圍較小，試驗(yàn)中擴(kuò)散半徑為10 cm左右，漿液主要通過填充土體裂隙和高壓劈裂方式進(jìn)入土層，因此注漿材料的類型對注漿效果的影響很小，超細(xì)水泥價格較高，實(shí)際注漿中采用普通硅酸鹽水泥即可。

2)水灰比越大，漿液流動性越好，但凝結(jié)時間越久，結(jié)石體強(qiáng)度越低，在水泥漿液中加入適量的水玻璃可以改善凝結(jié)時間，但不影響結(jié)石體的最終強(qiáng)度，還可以達(dá)到止水的目的，試驗(yàn)結(jié)果顯示水灰比為0.8∶1時，漿液效果最佳，大面積實(shí)施地表注漿時，外邊緣兩排注漿孔可采用水泥—水玻璃雙液漿，其余孔可采用單液漿。

3)水泥的摻量直接影響套殼料的流動性、體積收縮率、抗壓和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)，當(dāng)水泥和粘性土的比例在0.8∶1時，套殼料的開環(huán)壓力在0.3 MPa左右，各項(xiàng)性能均較為適宜，可以更好的實(shí)現(xiàn)高壓注漿。

4)通過開挖觀察，袖閥管注漿壓力穩(wěn)定在1.5 MPa左右時，高壓劈裂形成2條～3條漿脈，漿液擴(kuò)散半徑在1 m左右，因此袖閥管按照1.5 m×1.5 m梅花形布置，可保證相鄰袖閥管控制的注漿區(qū)域漿液相互咬合，避免出現(xiàn)注漿盲區(qū)。

注漿試驗(yàn)過程中，容易出現(xiàn)的問題和解決方法如下：

1)注漿時應(yīng)采取間隔注漿方法，跳孔注漿，防止串漿。

2)注漿過程中如發(fā)現(xiàn)個別孔周邊地表隆起開裂，應(yīng)停止注漿，采用止?jié){盤加固后繼續(xù)注漿，若漿液自注漿管與土體之間縫隙處流出，壓力無法達(dá)到注漿壓力，應(yīng)采用快硬水泥砂漿或其他密封措施進(jìn)行糊縫。

3)若注漿量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足理論注漿量，壓力突然升高，應(yīng)停止注漿，檢查原因，改用低濃度漿液，若一次吃漿量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過理論注漿量，則應(yīng)及時停止注漿，認(rèn)為該孔已經(jīng)飽滿，防止?jié){液浪費(fèi)。

6 結(jié)語

袖閥管地表注漿是一種比較可靠、高效的注漿方式，在隧道洞口段施工過程中，如洞頂覆蓋土層為淺埋破碎圍巖，進(jìn)洞施工存在安全隱患，經(jīng)方案比選后，可嘗試采取該方法對洞頂土體進(jìn)行注漿加固后安全進(jìn)洞。