富水粉砂層安全注漿加固的實(shí)驗(yàn)研究及在城市隧道中的應(yīng)用

覃劍文，田月明＊，陳友勇

1.廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧 530201

2.山東齊魯社會(huì)保障服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250100

城市隧道大部分都設(shè)計(jì)在交通路面下，沿城市地面道路延展，埋藏較淺。有的隧道洞體位于填礫層、松散的土層、富水砂層、不穩(wěn)定的礫石層等復(fù)雜松軟地層內(nèi)，開挖時(shí)往往出現(xiàn)圍巖變形失穩(wěn)、坍塌、地表沉陷、涌水突泥等環(huán)境地質(zhì)問題。超前預(yù)注漿加固是保證隧道開挖安全性的必要措施之一。在地面鉆孔并對(duì)隧道圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，不僅可以有效解決注漿與開挖兩道工序的矛盾，而且在材料運(yùn)輸、漿液配制、注漿效果檢查、多面同時(shí)作業(yè)等方面，超前預(yù)注漿加固與洞內(nèi)注漿加固相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在注漿加固機(jī)理上，張連震[1]研究了地鐵隧道富水砂層內(nèi)漿液的擴(kuò)散機(jī)理，提出了滲透與劈裂─壓密兩種注漿模式。張紅軍[2]針對(duì)隧道開挖面失穩(wěn)破壞機(jī)理及注漿加固控制對(duì)策，建立了地表變形控制與實(shí)時(shí)注漿參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制；在注漿對(duì)控制隧道圍巖變形上，溫忠義[3]等利用隧道兩側(cè)垂直和斜向注漿孔灌注化學(xué)漿和雙液漿對(duì)溶（土）洞進(jìn)行了加固。酈亮等[4]經(jīng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬，提出了注漿孔在距隧道近的工況下注漿效果最好的結(jié)論。王康任等[5]在基巖內(nèi)施工了截水注漿帷幕，消除了壓扭型破碎帶給隧道安全帶來的嚴(yán)重威脅。張鴻勇等[6]經(jīng)數(shù)值模擬得出了注漿對(duì)隧道水平收斂恢復(fù)比例的影響呈非線性減小的結(jié)論。鞠鳳萍[7]針對(duì)隧道錯(cuò)臺(tái)變形問題，提出了理論預(yù)測(cè)、設(shè)計(jì)模擬、效果評(píng)價(jià)的方法體系；在注漿加固工藝上，宋興弟[8]為實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道溶洞及紅黏土的注漿加固，研究了水泥砂漿和水泥漿的配比、注漿壓力、注漿量等技術(shù)參數(shù)。于亞玫[9]通過理論分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，克服了地下水及地面沉降的影響，研究了注漿漿液的滲入能力、穩(wěn)定性和析水性，使水泥─水玻璃漿液在帷幕注漿中得到良好的應(yīng)用。

研究小組為達(dá)到形成隧道頂部拱形的注漿加固有效區(qū)域，且不破壞地下管線和路面結(jié)構(gòu)的目的，借鑒上述研究成果后，結(jié)合濟(jì)南市某隧道治理段粉砂圍巖具有結(jié)構(gòu)松散、富水且濕陷性的特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)注漿鉆孔的布置方式、注漿漿液類型及注漿參數(shù)等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，取得了較好效果，并在全線進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)研究背景及主要內(nèi)容

1.1 工程概況

濟(jì)南市某隧道為雙線淺埋暗隧道，全長3.26 km，基底深10.5～17.5 m，全線暗埋段共長2.76 km。研究小組擬對(duì)K2+680─920 開挖高風(fēng)險(xiǎn)段進(jìn)行地面超前預(yù)注漿加固，該段隧道上覆粉質(zhì)粘土層、粉砂層，因雨水滲入，導(dǎo)致管道泄漏，局部地段富水。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，隧道頂部要形成3 m 厚的注漿加固拱形區(qū)，而且注漿操作不能破壞地下管線及路面結(jié)構(gòu)。研究小組選擇了YK1+680─710 里程段進(jìn)行了注漿實(shí)驗(yàn)，經(jīng)探測(cè)，該段相對(duì)其他加固段富水性更強(qiáng)，且分布有較強(qiáng)的集中富水區(qū)，富水的粉砂巖自穩(wěn)能力差，給隧道開挖帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)更高，而且實(shí)驗(yàn)區(qū)域地表變形隆起。因此，研究小組認(rèn)為對(duì)其進(jìn)行加固實(shí)驗(yàn)更具有代表性和推廣價(jià)值。

1.2 水文地質(zhì)與工程地質(zhì)

隧道沿線地下水類型有第四系松散巖類孔隙水、輝長巖風(fēng)化裂隙水、灰?guī)r巖溶裂隙水。注漿治理段隧道地下水為第四系松散巖類孔隙水及輝長巖風(fēng)化裂隙水的混合水，二者水力聯(lián)系密切，主要含水層為第四系下部粉砂、碎石土及輝長巖風(fēng)化帶。研究小組在勘探期間測(cè)得地下水靜止水位埋深為6.1～9.2 m，相應(yīng)標(biāo)高為46.38～52.30 m，水位由南向北逐漸降低。注漿實(shí)驗(yàn)段隧道地下水位埋藏較深，低于注漿加固地層。受注地層中的水主要來源有雨水入滲、污水管和雨水管道滲漏、自來水管爆裂滲漏和地下水。

隧道地層自上而下分別為：雜填土、濕陷性黃土、粉砂、粘土（碎石）和石灰?guī)r。實(shí)驗(yàn)段隧道頂部注漿治理層位主要以粉砂層為主，部分為濕陷性黃土和碎石。粉砂為深灰色，主要由粉砂及黏粒組成，角礫含量為2.8%，砂粒含量為65.3%，粉粒含量為26.7%，黏粒含量為5.2%，分選性好，顆粒均勻，滲透性好，結(jié)構(gòu)松散富水，被動(dòng)水?dāng)y帶能力強(qiáng)。研究小組在富水區(qū)進(jìn)行鉆孔施工，泥水噴出、漏風(fēng)、串風(fēng)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，這說明實(shí)驗(yàn)段地層已被水侵蝕破壞，產(chǎn)生了一定的塌陷并處于富水狀態(tài)。

1.3 實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容

隧道如果在富水砂層內(nèi)開挖將導(dǎo)致富水砂層嚴(yán)重失穩(wěn)，引發(fā)涌水、涌沙和坍塌等，因此，必須對(duì)富水粉砂層進(jìn)行注漿加固，提高該層的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，減少其滲透性，保證隧道安全。

（1）研究小組對(duì)地面注漿鉆孔的分布、終孔深度以及鉆孔內(nèi)的注漿段距進(jìn)行選擇。實(shí)驗(yàn)必須在隧道頂部形成3m厚的拱形注漿加固區(qū)，并通過注漿效果檢驗(yàn)和隧道開挖來驗(yàn)證注漿漿脈的擴(kuò)散形態(tài)、加固質(zhì)量和拱形加固區(qū)的開挖穩(wěn)定性。

（2）利用瞬變電磁法、直流電法等綜合物探手段，對(duì)預(yù)注漿加固前后地層內(nèi)富水性的差異性、地下管線分布等情況進(jìn)行探查與分析。

（3）受地下管線的影響，地面鉆孔難以按照均勻等距分布的常規(guī)思路進(jìn)行布置，實(shí)驗(yàn)必須要在完成內(nèi)容（1）的同時(shí)，根據(jù)地下管線的分布和埋藏深度情況避讓施工。所有鉆孔必須均勻控制整個(gè)注漿區(qū)域，既要無盲區(qū)、無漏點(diǎn)，又要安全、準(zhǔn)確地完成速凝漿液的輸送工作。

（4）實(shí)驗(yàn)需調(diào)整適宜的安全注漿參數(shù)，既保證漿液在受注地層內(nèi)的擴(kuò)散范圍，又必須滿足不破壞地下管線、不造成地面開裂、不造成隆起事故等要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.1 注漿實(shí)驗(yàn)鉆孔的布置及鉆孔結(jié)構(gòu)

研究小組調(diào)查探明了實(shí)驗(yàn)段地下管線的分布規(guī)律及準(zhǔn)確位置，地面注漿實(shí)驗(yàn)鉆孔均須在管線間布置和施工。

實(shí)驗(yàn)采用了避障注漿鉆孔和常規(guī)鉆孔相結(jié)合、垂直鉆孔和定向斜孔相結(jié)合的方式，保證注漿鉆孔按照漿液擴(kuò)散半徑使各鉆孔終點(diǎn)能均勻分布在拱形注漿區(qū)域的底面上。以鉆孔終點(diǎn)為參照，調(diào)節(jié)鉆孔在地面的開孔點(diǎn)位，終孔點(diǎn)位數(shù)和開孔點(diǎn)位數(shù)必須相等且為鉆孔數(shù)量，做到開孔點(diǎn)位和終孔點(diǎn)位一一對(duì)應(yīng)，開孔點(diǎn)位和終孔點(diǎn)位的連線即為鉆孔軌跡。調(diào)節(jié)地面開孔點(diǎn)位是為了使鉆孔軌跡避開地下管線，也稱為避障鉆孔。其他鉆孔為常規(guī)鉆孔，避障鉆孔可以為垂直孔，也可以為斜孔，如圖1、圖2 所示。

圖1 隧道上覆土層注漿加固范圍橫斷面和沿隧道縱向剖面示意圖

注漿過程中，研究小組根據(jù)同深度相鄰鉆孔的串漿方向及孔徑，求得注漿壓力下的漿液擴(kuò)散距離，即為注漿鉆孔的有效布距。經(jīng)實(shí)驗(yàn)最終確定采用單孔漿液擴(kuò)散半徑1.5 m，相鄰鉆孔間距2 m 的布孔方式。相鄰鉆孔終孔點(diǎn)位間距為2 m，如圖2 所示。

為達(dá)到在隧道頂部形成3 m 厚的拱形注漿加固區(qū)的目的，隧道開挖輪廓線內(nèi)的實(shí)驗(yàn)鉆孔終孔深度需為10～11.5 m，隧道開挖輪廓線兩側(cè)鉆孔深度需為12～13 m。研究小組擬使用鉆孔直徑為90 mm，下入42 mm 的注漿鋼管和直徑為95 mm，長度為1.5 m 的膨脹式止?jié){塞,膨脹式止?jié){塞可以保證漿液在拱形注漿加固區(qū)內(nèi)擴(kuò)散并留存。地面注漿加固鉆孔的布置及漿液擴(kuò)散范圍原理如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)注漿鉆孔布置及漿液擴(kuò)散范圍交圈示意圖

2.2 注漿參數(shù)的實(shí)驗(yàn)選擇

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，土層除因圍巖濕陷性及開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的裂隙或因沉陷出現(xiàn)的脫空空間內(nèi)能注入較多量漿液外，其他區(qū)域難以注入較多量的漿液。砂層結(jié)構(gòu)松散，單液漿難以在鉆孔周邊產(chǎn)生、留存較大的固結(jié)體，采用單液漿進(jìn)行加固效果不明顯。實(shí)驗(yàn)區(qū)需采用高壓擠密─劈裂方式結(jié)合速凝漿液能夠壓入漿液進(jìn)行加固，但這種方法產(chǎn)生的相對(duì)高壓又有可能對(duì)地下管線和路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生破壞。

研究小組選擇較小流量,并能提供較高擠密劈裂壓力的注漿泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)選擇了2TGZ-60/210 高壓雙液注漿泵，選取16L/min、36L/min 兩個(gè)檔位分別注漿。為減少漿液的過渡擴(kuò)散，做到對(duì)注漿的可控，實(shí)驗(yàn)選用了水泥─水玻璃漿液，水泥漿密度控制在1.5 g/cm3左右，水玻璃漿液濃度為35Be，模數(shù)為2.6。研究小組分別使用水泥與水玻璃體積比為1 ∶1、1 ∶2 的漿液進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，注漿過程中密切監(jiān)測(cè)路面的變化及相鄰鉆孔之間的串漿情況。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)驗(yàn)中造成路面結(jié)構(gòu)層隆起變形的最大注漿壓力1.0～1.2 MPa。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水泥漿液密度為1.45～1.60 g/cm3，水泥、水玻璃體積比為1 ∶1，注漿泵量為16 L/min，且注漿終壓控制最高為0.8 MPa 時(shí)的注漿參數(shù)安全有效，注漿效果良好，漿脈分布均勻飽滿。

3 工程應(yīng)用

為進(jìn)一步推廣注漿實(shí)驗(yàn)取得的結(jié)果，研究小組對(duì)隧道K2+680─920 里程段雙線進(jìn)行了注漿加固，左右雙線共注漿加固長度800 m，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道頂部拱形的注漿加固。

結(jié)合不同區(qū)段水文地質(zhì)和工程地質(zhì)的差異性，以及開挖暴露面穩(wěn)定和漿脈分布情況，研究小組適當(dāng)調(diào)整了注漿工藝及其參數(shù)。比如經(jīng)對(duì)注漿區(qū)域的隧道開挖暴露面觀察，在看不到漿脈的區(qū)域時(shí)重新設(shè)計(jì)鉆孔并補(bǔ)充注漿的情況下，把注漿鉆孔延伸到開挖輪廓線內(nèi)；再比如在黃土或粘土層內(nèi)注漿時(shí)，加強(qiáng)路面變形監(jiān)控兩側(cè)密度，在路面變形可控范圍內(nèi)把注漿壓力提高到1.2～1.5 MPa。

在漿液使用上，部分區(qū)域采用了濃稠的單液水泥漿。在濕陷破壞區(qū)域，采用單液水泥漿和水泥─水玻璃漿液相結(jié)合的交替式注漿工藝，適當(dāng)延長混合漿液的初凝時(shí)間，以提高漿液的擴(kuò)散性。

4 結(jié)語

（1）實(shí)驗(yàn)表明，在地下管線間隙布設(shè)避障地面鉆孔，利用垂向孔和定向斜孔相結(jié)合的方式，在注漿加固邊界線外止?jié){，可使鉆孔得到控制并形成良好、穩(wěn)定的拱形注漿區(qū)域。

（2）注漿層位底部為基巖及風(fēng)化裂隙，漿液擴(kuò)散流失較少，因此應(yīng)重點(diǎn)限制注漿區(qū)域的頂部漿液擴(kuò)散，鉆孔結(jié)構(gòu)必須有良好的止?jié){措施才能滿足注漿要求。

（3）在富水粉砂層內(nèi)注漿時(shí)，應(yīng)按照擠密─劈裂注漿機(jī)理，在注漿加固區(qū)域最終形成眾多互相交叉的樹根狀漿脈體，以保證被加固圍巖的抗?jié)B性、整體強(qiáng)度和開挖穩(wěn)定性。研究小組建議，在類似水文地質(zhì)條件和埋深條件下對(duì)城市隧道進(jìn)行加固時(shí)，對(duì)粉砂層的注漿工藝可選用水泥漿液密度平均為1.50 g/cm3，水泥與水玻璃體積比為1 ∶1，注漿速率為20 L/min左右，最高注漿終壓為產(chǎn)生變形時(shí)壓力的0.8倍等參數(shù)。