水平模袋樁在隧道進(jìn)洞口注漿加固中的應(yīng)用

鄭世杰，趙爭科，馮 超

(中交隧道工程局有限公司，北京 100102)

0 引言

近年來，隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道工程建設(shè)數(shù)量日益增多[1]。但我國地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，在地下工程進(jìn)洞口施工過程中，經(jīng)常遇到圍巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重、穩(wěn)定性差等不良地質(zhì)，施工難度大，如支護(hù)措施不當(dāng)，極易引發(fā)坍塌等安全事故。

目前對隧道進(jìn)洞口不良地質(zhì)加固已取得一些成果。黃啟貴等[2]針對隧道進(jìn)出口段地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜不良情況，應(yīng)用管棚與小導(dǎo)管聯(lián)合注漿技術(shù)確保了施工質(zhì)量與安全。針對復(fù)雜環(huán)境下的洞口加固問題，楊曌[3]、趙毅鑫等[4]采用管棚注漿技術(shù)進(jìn)行處理，最終形成了較強(qiáng)的預(yù)支護(hù)體系。鄭明新等[5]對偏壓隧道洞口段不良地質(zhì)的加固方案進(jìn)行研究，結(jié)果表明,局部注漿配合錨桿支護(hù)加固后土體穩(wěn)定性好，還可減少開挖對地表變形的影響。由于管棚注漿、超前小導(dǎo)管注漿等傳統(tǒng)加固技術(shù)難以控制漿液擴(kuò)散范圍，因此為了克服這一缺點，模袋注漿逐漸應(yīng)用在不良地質(zhì)的加固處理中。張浩等[6]采用模袋注漿技術(shù)解決注漿過程中跑漿、串漿等問題，并推導(dǎo)計算出模袋注漿的注漿壓力理論公式。帥建兵[7]應(yīng)用模袋注漿樁技術(shù)，對破碎帶圍巖漿液擴(kuò)散范圍進(jìn)行控制，從而降低了漿液的無效擴(kuò)散與用量。呂虎波[8]為解決隧道斷層帶突水涌水注漿加固問題，采用模袋高壓分段注漿技術(shù)，成功取得了堵水加固效果。陳劍等[9]采用地表模袋注漿與洞內(nèi)堵水聯(lián)合注漿技術(shù)處理破碎帶突水涌砂災(zāi)害，最終大幅度提高了破碎圍巖的強(qiáng)度，并封堵了滲流通道。閆蘇濤[10]在平導(dǎo)不良地質(zhì)段進(jìn)行模袋注漿，分析了模袋注漿的可行性，結(jié)果表明模袋注漿工藝在注漿效果、成本、工期等方面較傳統(tǒng)注漿工藝有明顯優(yōu)勢。張柯[11]通過采用模袋技術(shù)對軟土地基進(jìn)行加固，并與數(shù)值模擬結(jié)合，分析模袋成樁的受力特性。目前模袋在隧道不良地質(zhì)加固中的研究多只考慮漿液的作用，較少考慮模袋注漿成樁后對地層的擠密作用，缺乏模袋樁加固機(jī)理方面的認(rèn)識，采用水平模袋控制漿液擴(kuò)散的研究也極少。

因此，本文以青島市紅島—膠南城際軌道交通二期工程香江路站進(jìn)洞口不良地質(zhì)加固為工程背景，研究水平模袋樁工藝的加固機(jī)理，并展開工程應(yīng)用，最終取得良好的加固效果。

1 加固方案分析

1.1 工程概況

青島市紅島—膠南城際軌道交通二期工程嘉陵江路站—香江路站區(qū)間由嘉陵江路站(2層，框架)引出后，沿嘉陵江西路敷設(shè)，途經(jīng)金泰苑小區(qū)、青島印象住宅樓、中國石化加油站、愛思恩梯重工有限公司廠房、鑫奧特汽車服務(wù)、金隅麗港城、井岡山新村、東海龍宮、億星賓館、青島海關(guān)繳私分局等，到達(dá)香江路站(2層，框架)。

目標(biāo)加固段為香江路站進(jìn)洞口，起止里程為Y(Z)SK6+148.979—Y(Z)SK6+178.979，段長30m。

1.2 工地地質(zhì)分析

本隧道區(qū)間屬于濱海堆積區(qū)，地形平坦，地勢較低，進(jìn)洞口需加固范圍內(nèi)的地層分布為：①第四系全新統(tǒng)人工素填土層,土體濕度稍濕～飽和,松散～稍密,土體顆粒不均勻,透水性強(qiáng),屬于Ⅰ級松土；④海相沼澤化層，含淤泥中粗、砂斷續(xù)分布于填土層下部,土體含水量為飽和狀態(tài),土質(zhì)松散,透水性強(qiáng)，富水性好,為可液化地層,液化等級為中等～嚴(yán)重，屬于Ⅰ級松土；⑥含有機(jī)質(zhì)粉質(zhì)黏土層,基本連續(xù)分布于海相層底部,土質(zhì)均勻,土體流塑～軟塑狀,局部為可塑性土，微有腥臭味,透水性差,屬Ⅱ級普通土；上更新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏土,土體可塑～硬塑狀,土質(zhì)較均勻,連續(xù)分布于場區(qū)內(nèi),透水性差,屬Ⅱ級普通土；上更新統(tǒng)粗、礫砂,場區(qū)范圍內(nèi)僅局部分布,土體含水量為飽和狀態(tài),密度在稍密～中密,砂質(zhì)不純,且混有較多黏性土,富水性較好,透水性較好，屬Ⅱ級普通土；下伏基巖主要為燕山晚期花崗巖,中風(fēng)化花崗巖；8-2層凝灰?guī)r(砂土狀碎裂巖)，紫褐色～灰褐色，碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；原巖為凝灰?guī)r，膠結(jié)物為火山灰等，碎屑物為長石晶屑、巖屑等；節(jié)理、裂隙很發(fā)育，節(jié)理面可見較多鐵錳質(zhì)浸染；巖芯呈砂土狀、角礫狀，粒徑0.5～2.0cm，最大4.0cm，手可掰碎，巖芯采取率65%。香江路站進(jìn)洞口地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 香江路站進(jìn)洞口地質(zhì)縱斷面

由地質(zhì)縱斷面圖可知，目標(biāo)加固區(qū)域內(nèi)隧道拱頂以上4m范圍內(nèi),分布8-2層凝灰?guī)r及上更新統(tǒng)粗、礫砂，地層分布雜亂，變化劇烈，地層自穩(wěn)能力差，受開挖擾動影響大，安全開挖難度較大。

圖2 碎裂巖開挖情況

1.3 進(jìn)洞口加固方案分析

由地質(zhì)分析可知，隧道進(jìn)洞口加固僅采用管棚支護(hù)不夠，必須對隧道拱頂?shù)貙舆M(jìn)行注漿加固，工程上通常采用管棚+注漿加固方案。但本項目中隧道拱頂?shù)貙幼{加固存在以下難點。

1)地層加固條件較高 隧道區(qū)間地質(zhì)條件較差，拱頂上方分布上更新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏土，且含有松散土，圍巖穩(wěn)定性差，地層承載力較低、含水率較高，開挖時極易造成涌水、坍塌等事故。進(jìn)洞口周圍地表建筑較多，為確保隧道開挖后地表房屋建筑實現(xiàn)“零沉降”，對加固后地層土體強(qiáng)度提出較高要求。

2)漿液擴(kuò)散不易控制 依據(jù)相關(guān)研究和資料，本項目地層注漿屬于劈裂和擠密復(fù)合注漿模式，注漿擴(kuò)散由劈裂效應(yīng)起主導(dǎo)作用。在注漿加固初始階段，漿液首先會向應(yīng)力較小的地層進(jìn)行劈裂擴(kuò)散[12-13]。碎裂巖地層以上為易劈裂地層，因此，在對目標(biāo)地層進(jìn)行注漿過程中，漿液會有明顯的向上擴(kuò)散趨勢，漿液會向淺部地層擴(kuò)散。這將導(dǎo)致漿液在目標(biāo)加固區(qū)，即隧道拱頂附近碎裂巖地層，留存在的漿液較少，出現(xiàn)漿液無效擴(kuò)散過大，無法起到預(yù)期的注漿加固效果。同時，漿液無效擴(kuò)散會導(dǎo)致注漿材料損失，增加項目成本，降低經(jīng)濟(jì)效益；若漿液在目標(biāo)地表范圍外擴(kuò)散，會對周圍環(huán)境造成污染，產(chǎn)生一定程度的負(fù)面社會影響。

3)隧道周圍管線影響 碎裂巖以上主要地層為粉質(zhì)黏土和素填土，其中粉質(zhì)黏土可壓縮性極低，因此注漿擴(kuò)散至該地層時，注漿壓力將產(chǎn)生明顯的地層抬升，進(jìn)而表現(xiàn)為地表抬升隆起。而隧道上方及周圍區(qū)域管線密集，主要有天然氣、電纜、雨水、路燈、雨水等管線，對注漿引起的地層抬升非常敏感，且控制難度較大。

為了克服上述注漿加固難題，本項目在管棚+注漿加固的基礎(chǔ)上，引入了水平模袋樁工藝，形成三重復(fù)合的加固支護(hù)模式。

2 水平模袋樁工藝研究

模袋樁是通過注漿漿液與高強(qiáng)紡織土工布袋形成類似圓柱狀的硬化體來加固地層的技術(shù)，是注漿技術(shù)與土工織物綜合應(yīng)用的工藝[14]，其方法為在注漿管外壁綁扎直徑為40～60cm的高強(qiáng)紡織土工布袋，通過鉆機(jī)引孔后將注漿管放入注漿孔內(nèi)，注漿前向高強(qiáng)紡織布袋內(nèi)注入速凝性漿液，模袋布隨漿液的注入不斷膨脹并擠壓鉆孔孔壁及周圍土體，待模袋布充填完畢，形成類似圓柱狀的硬化體。膨脹模袋綁扎工藝如圖3所示，膨脹模袋注漿工藝如圖4所示。

圖3 膨脹模袋綁扎工藝

圖4 膨脹模袋注漿工藝

模袋在膨脹過程中，模袋內(nèi)壓力始終大于周圍的地層應(yīng)力，周圍地層不斷被擠壓，模袋周圍土體透水性降低，提高了土體密實度和強(qiáng)度[15]。地層應(yīng)力增加，漿液劈裂地層擴(kuò)散所需的起劈壓力也相應(yīng)增加。模袋樁影響范圍內(nèi)的地層除了自身強(qiáng)度提高，與模袋樁形成一個整體的加筋復(fù)合加固體，還能起到止?jié){巖盤的作用，可有效控制漿液的擴(kuò)散范圍，減少漿液損失，確保目標(biāo)地層的注漿加固效果。模袋樁作用機(jī)理如圖5所示。

圖5 模袋樁作用機(jī)理示意

模袋樁工藝的特點描述如下。

1)相比于普通注漿過程，整個施工過程并不繁瑣，只需在普通注漿管外壁綁扎高強(qiáng)紡織土工布袋，然后隨注漿管一同放入鉆孔內(nèi)，無須再次培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員，普通注漿人員即可進(jìn)行操作。

2)施工成本低，鉆孔注漿設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，涉及材料主要包括水泥、水玻璃、高強(qiáng)紡織土工布袋等，工程造價低。

3)施工靈活方便，成孔孔徑小，可利用小型鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行施工。

4)適用范圍廣，可在各種復(fù)雜地質(zhì)中應(yīng)用，加固效果顯著。

5)高強(qiáng)紡織土工布袋內(nèi)漿液凝固后，起到類似止?jié){墻的作用，把漿液限制在注漿管附近，漿液在地層中易形成規(guī)則的注漿體。有效控制漿液擴(kuò)散范圍，防止產(chǎn)生漿液無效擴(kuò)散。

3 加固方案設(shè)計和實施

1)注漿加固過程中，地表隆起抬升不超出規(guī)范要求。

2)工程開挖過程中無明顯地下水，這就要求加固后地層含水量極大降低。

3)在機(jī)械開挖產(chǎn)生擾動的情況下，拱頂?shù)貙颖３址€(wěn)定，不出現(xiàn)任何安全事故。

根據(jù)本工程地質(zhì)條件及加固要求，采用水平模袋樁+注漿+管棚的三重復(fù)合加固方案。模袋樁超前支護(hù)結(jié)構(gòu)與隧道超前注漿加固體相互配合，將在隧道拱頂?shù)貙有纬伞皠傂灾?擠密固結(jié)+注漿加固體”復(fù)合加固體，最后施工管棚作為最后一道安全儲備措施。本方案的技術(shù)核心是利用水平模袋樁控制注漿擴(kuò)散，起到加固作用的同時，解決了注漿過程中的3個難題，實現(xiàn)預(yù)期的加固目標(biāo)和要求。

3.1 方案實施

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件及加固需求，對Y(Z)SK6+148.979—Y(Z)SK6+178.979(30m)范圍層粗、礫砂和碎裂巖進(jìn)行加固。

方案設(shè)置鉆孔布置2環(huán)，根據(jù)香江路車站現(xiàn)場情況，第1環(huán)孔布置在隧道拱頂上方1m，鉆孔環(huán)向間距1.5m，第2排孔布置在隧道拱頂上方2.5m，環(huán)向間距為2m，每環(huán)孔數(shù)為13個，共計26個。鉆孔布置如圖6所示。

晚清關(guān)稅制度變遷過程是一個被動變遷的過程，是鴉片戰(zhàn)爭失敗造成的后果。除此之外，國際、國內(nèi)政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境的改變，迫使清朝政府重建經(jīng)濟(jì)秩序以維護(hù)自身的統(tǒng)治，這是關(guān)稅變遷的間接原因。

圖6 鉆孔布置平面

施工步驟為：①施工外圍13個鉆孔，并進(jìn)行注漿加固，可采用相對較小的注漿壓力，防止跑漿和地表隆起；②將已注漿的外圍鉆孔掃孔，下待模袋鋼管，對模袋進(jìn)行注漿膨脹，形成水平模袋樁；③施工內(nèi)側(cè)13個鉆孔，并進(jìn)行注漿。外圍鉆孔注漿和水平模袋樁已形成控制漿液擴(kuò)散的止?jié){巖盤，因此可采用相對較高的注漿壓力，進(jìn)行重點加固；④施工管棚。

3.2 注漿設(shè)計

考慮到擬注漿區(qū)域巖體破碎，采用一次成孔進(jìn)行注漿的方式對地層擾動較大，易塌孔，且漿液擴(kuò)散不均勻，地層存在加固盲區(qū)。為了解決這一問題，減少漿液不均勻擴(kuò)散，采用前進(jìn)式分段注漿工藝。根據(jù)孔深從淺層到深層分4段進(jìn)行注漿加固，每段長度為0～6，6～14，14～22，22～30m。在施工過程中交替進(jìn)行鉆孔與注漿，確保每一段內(nèi)漿液擴(kuò)散均勻。關(guān)鍵注漿參數(shù)設(shè)計如下。

1)漿液類型 注漿材料采用水泥單液漿、水泥-水玻璃雙液漿，其中水泥漿W∶C=1∶1，水泥-水玻璃雙液漿C∶S=0.6∶1.0，W∶C=0.8∶1～1∶1，水玻璃模數(shù)2.4～3.2，水玻璃濃度32～40°Bé，現(xiàn)場漿液參數(shù)根據(jù)效果進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。由于水泥漿凝結(jié)后具有更高強(qiáng)度，優(yōu)先選用水泥漿進(jìn)行加固，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整。

2)注漿壓力 注漿壓力根據(jù)工程地質(zhì)條件及加固范圍確定，設(shè)計終壓值一般為比注漿處靜水壓力大0.5～1.5MPa；若注漿處靜水壓力較大，則調(diào)整設(shè)計終壓為靜水壓力的2～3倍，現(xiàn)場注漿壓力控制應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況及注漿止水效果進(jìn)行調(diào)整。

3)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn) 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)由注漿壓力和注漿量共同控制，單孔注漿壓力滿足設(shè)計終壓后持續(xù)注漿10min。單孔注漿量滿足設(shè)計規(guī)定后，觀察其進(jìn)漿速度不小于初始值的1/4。檢查單孔涌水量，若<0.2L/min，則可終止本孔注漿。全段內(nèi)所有單孔滿足標(biāo)準(zhǔn)后可結(jié)束此段注漿。

3.3 加固效果評價

在隧道開挖前，為了驗證方案的加固效果，采用加固區(qū)探孔檢測和地表地質(zhì)雷達(dá)探測2種方法進(jìn)行綜合檢驗，對加固治理效果給出科學(xué)的系統(tǒng)評價。

1)地表取芯和超前探孔結(jié)果顯示，地層特點和漿脈水平板式擴(kuò)散導(dǎo)致無法取得完整巖芯和較大漿液結(jié)石體。探孔鉆屑中可見明顯漿液結(jié)石體顆粒和小碎塊。掌子面超前鉆孔過程中未出現(xiàn)塌孔，表明加固后地層原先松散狀態(tài)得到極大改善，鉆孔過程無涌水，鉆孔出水為滴水狀態(tài)，地層透水性降低。探孔檢測表明漿液在地層中得到較好擴(kuò)散。

目前，該加固段已順利完成開挖掘進(jìn)。揭露的掌子面拱頂滲水小于拱腰滲水，證明拱頂?shù)貙尤〉昧溯^好的注漿加固效果。在注漿結(jié)束后的地層抬升和開挖后的地表沉降也均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，本方案實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

綜合開挖前后的效果評價可認(rèn)為，通過合理的鉆孔設(shè)計，在隧道進(jìn)洞口上部地層范圍形成了環(huán)繞洞口輪廓線的殼狀結(jié)構(gòu)，有效抑制圍巖松動和垮塌，控制了漿液的無效擴(kuò)散，抑制了地表的隆起抬升。本方案降低了地層含水量，提高了地層穩(wěn)定性，改善了地層的物理力學(xué)特征，取得了較好效果。

4 結(jié)語

1)水平模袋樁配合隧道超前注漿將在隧道拱頂?shù)貙有纬伞皠傂灾?擠密固結(jié)+注漿加固體”復(fù)合加固體，既可起到類似于管棚的梁拱作用，有效抑制圍巖松動防止地層坍塌，又可擠密地層，降低地層含水量，提高地層穩(wěn)定性。

2)水平模袋樁加固工藝可減少注漿壓力對可壓縮性低的地層的影響，有效降低地層的抬升，進(jìn)而控制地面隆起滿足規(guī)范要求。

3)水平模袋樁工藝能較好地控制漿液擴(kuò)散范圍，控制地層發(fā)生跑漿、串漿現(xiàn)象，可減少漿液損失，能獲得較好的加固效果。