公路隧道注漿處治方法的探討

周 雄，張 逸，趙益鑫，楊 斌

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 401147）

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，公路隧道建設(shè)事業(yè)取得了突破性的進步，但其投入使用后，在反復(fù)的行車作用以及復(fù)雜的水文地質(zhì)條件中，路面不斷出現(xiàn)裂縫、坑槽等病害，隨即造成交通設(shè)施超負荷運行，阻礙了國家和地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展[1-3]。由于前期存在重建設(shè)、輕養(yǎng)護的觀念，導(dǎo)致我國在公路隧道養(yǎng)護領(lǐng)域發(fā)展較為遲緩。為了保證隧道內(nèi)的行車安全性和舒適性，也為了按照國家及交通運輸部加強公路隧道養(yǎng)護水平的要求，進行隧道路面病害處治十分重要也非常緊迫。

1 工程概況

某隧道為高速公路雙向四車道隧道，隧道為左右幅分離式雙洞雙向四車道特長隧道。屬于中緯度亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)，主要地表水體為隧道進洞口附近的朱衣河和沖溝、出洞口附近的沖溝，場地地貌上屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，隧道區(qū)位于朱衣背斜南翼，地層倒轉(zhuǎn)，局部小揉皺發(fā)育，隧道區(qū)基巖直接裸露，為砂巖夾煤線和三疊系中統(tǒng)巴東組二段、三段和四段的泥灰?guī)r及灰?guī)r和泥巖不等厚互層。

2 病害處治方式的研究與選擇

當(dāng)仰拱結(jié)構(gòu)難以滿足實際受力要求時，則需要對病害情況較為嚴重的區(qū)段進行拆換處理，從根本上解決由于基底軟化和結(jié)構(gòu)缺陷造成的實際病害。應(yīng)根據(jù)隧底工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、病害等情況，結(jié)合施工條件、環(huán)境條件確定隧底加固。根據(jù)規(guī)范JTG/T 5440—2018《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》第10.1.3條與第10.1.4條：隧道原結(jié)構(gòu)無仰拱需加強隧底時，宜采用隧底注漿、隧底填換、增設(shè)仰拱等措施進行加固；隧道原結(jié)構(gòu)有仰拱需加強隧底時，宜采用仰拱補強或重做仰拱方案，并結(jié)合隧底注漿、增設(shè)樁基等措施進行加固[4-5]。

采用礫石、片狀或石灰土對不密實與強度不足的隧道軟弱地基結(jié)構(gòu)進行替換，改善其底部的承載能力，實現(xiàn)沉降值滿足設(shè)計標準要求；通過增加襯砌拱腳以改善承載能力。以上兩種方法的治理原理簡單，設(shè)計和施工不復(fù)雜。此外，加設(shè)鎖腳錨桿也屬于常規(guī)處治方法，采用直徑較大的鋼管并予以注漿，對隧道的沉降處治效果十分明顯，其本身的高剛度和深入圍巖為其形成穩(wěn)定結(jié)合體提供了較大的承載能力[6-8]。

對隧道仰拱結(jié)構(gòu)進行拆換的處治工程中，需將其分成一定間距的澆筑路段，進行及時澆筑。如遇到長時間侵泡的圍巖或者圍巖中存在軟弱地基、地下水積水或者虛渣等均應(yīng)清理干凈，如開挖到路面以下新鮮的基巖表面[9]。隧道底鼓如出現(xiàn)地下水滲漏，應(yīng)立刻采取封堵措施，以免進一步加大隧道底部病害。

此外，為了保證隧道仰拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，在其隧道底部設(shè)置仰拱架，以使得隧道封閉成環(huán)。在隧道仰拱澆筑之前，在拱腳的左右兩側(cè)設(shè)置連續(xù)鋼筋，保證隧道的成環(huán)整體性，也需做好防排水工程的設(shè)計。若隧道仰拱結(jié)構(gòu)四周的圍巖不穩(wěn)定，需要在拆換或者更換仰拱時設(shè)置臨時支撐提供可靠的工作環(huán)境，避免發(fā)生較大的變形情況，從而造成倒塌現(xiàn)象，這種處治方式能夠有效解決隧道底鼓出現(xiàn)滲漏水、地基承載力不足等病害問題，使隧道整體成環(huán)，形成封閉的受力結(jié)構(gòu)，極大地改善了隧道襯砌的受力狀態(tài)。但是，隧道仰拱拆除更換成本很高，施工時間長，而且需要封路，對交通影響很大，交通組織困難。對于單車道雙通道的交通組織形式，由于占路施工只能封閉一小半的隧道路面，所以采用拆除和置換的方式處理占路施工[1，10-11]。

3 注漿材料的研究與選擇

注漿材料的性能和品種直接影響工程的質(zhì)量和成本。大多數(shù)注漿原料包括主劑和助劑兩部分。常用的添加劑有固化劑、促進劑、催化劑、懸浮劑、緩凝劑和膨脹劑。注漿材料已從最早的粘土、石灰、水泥發(fā)展到有機聚合物、水泥-水玻璃漿、各種化學(xué)漿料等注漿材料[12-14]。鑒于品種和性質(zhì)，有許多分類方法。例如，根據(jù)漿料的狀態(tài)，可分為懸浮液、真溶液和乳液；按工藝性質(zhì)可分為雙漿和單漿；根據(jù)漿料主劑的性質(zhì)，可分為有機系列和無機系列兩大類；用于基層加固的灌漿材料根據(jù)早強和凝結(jié)時間的不同，可分為普通型和快凝早強型兩種。普通型適用于交通封閉時間1~3 d的路面基層補強加固，快凝早強型適用于交通封閉時間只有4~8 h的路面基層的注漿加固。

3.1 高聚物注漿材料

高聚物也稱為聚合物和高分子。聚合物注漿材料是由多異氰酸酯、聚醚多元醇或聚酯多元醇等與各種催化劑或發(fā)泡劑按照一定的配合比構(gòu)成，可以通過改變各組份材料的類別和成分制成不同的形狀和性能的產(chǎn)品。根據(jù)漿液的成分，高聚物注漿材料分為單組份水反應(yīng)型和雙組份非水反應(yīng)型兩大類。其中，單組份水反應(yīng)類材料分為親水型和疏水型兩種；雙組份非水反應(yīng)類材料分為雙組份發(fā)泡體（包括開孔材料和閉孔材料）和雙組份彈性體（包括親水型與疏水型材料）[8，15]。

高聚物注漿材料粘度適中，泵送性好，施工效率較高。它不僅可以填充巖體中相互連通的裂縫，還可以壓實封閉的微裂縫和孔隙，起到填充和壓實破碎巖體的作用。自彈性模量增加，巖體的抗壓強度增加。填充裂縫后，裂縫被填充一定的膨脹壓力，顯著提高了圍巖的強度極限，從而提高了圍巖在無振動的情況下抵抗變形和破壞的能力?？赏ㄟ^夯實自動填入設(shè)備基礎(chǔ)的所有縫隙，滿足二次注漿要求，強度高，施工簡單。但價格昂貴具有一定毒性。原料生產(chǎn)過程易造成環(huán)境污染。無干縮現(xiàn)象，但抗?jié)B性較差[7，16-17]。

3.2 地聚物注漿材料

地聚物注漿材料作為一種具有有機聚合物粘結(jié)結(jié)構(gòu)的新型膠凝材料，其主體為無機硅-氧四面體和鋁氧四面體，其可以由堿性活化劑激發(fā)，例如飛灰、高爐渣、鋼渣土工業(yè)廢料和偏高嶺土制備，具有潛在活性的硅鋁源材料。其強度高、具有較好的早強性，且擁有防水抗?jié)B、體積穩(wěn)定性好、耐久性好、處理效果好、生產(chǎn)能耗低的優(yōu)點。同時，無須高溫煅燒、沒有干縮、工期短、體積小、見效快，施工設(shè)備和工藝簡單，施工過程中產(chǎn)生的噪音和振動對環(huán)境影響很小，特別是由于注漿材料采用提前拌好的干混料，進一步保證了注漿材料揚塵少，達到更加環(huán)保的目的。但是遇到過濕條件時，會影響注漿材料的凝結(jié)時間和強度等性能，且注漿效果受地質(zhì)以及氣候因素的制約明顯，需要時刻保持養(yǎng)護，且地聚物注漿材料價格比較高[1]。

3.3 水玻璃注漿材料

水玻璃注漿材料是以水玻璃（硅酸鈉）溶液為主劑，與各種膠凝劑反應(yīng)形成不溶于水的硅酸凝膠的化學(xué)注漿材料。該注漿材料的價格較低，大部分原料較易獲得，主劑毒副作用小，不存在環(huán)境污染，粘度較小，注射性好，且膠凝時間可控，在幾秒到幾十分鐘內(nèi)均可調(diào)整。水玻璃注漿材料滲透性好，粘度低，粘度增長曲線存在陡變，但固體砂體和凝膠體強度低[18]。

3.4 材料的選擇

為此，基于注漿材料應(yīng)具有防水、耐腐蝕性、初始粘度低、流動性好、早強、耐老化、環(huán)保、與地基較好結(jié)合等基本特征，通過對高聚物注漿材料、地聚物注漿材料、水玻璃注漿材料進行調(diào)研，選擇高聚物注漿材料作為公路隧道病害加固處治為最優(yōu)選擇[19]。

4 注漿處治施工要點及效果分析

4.1 混凝土面層及以上拆換及底部鉆孔注漿

采用隧道混凝土面層及以上拆換及鉆孔注漿進行處治。具體工序流程如下[20-21]：

（1）拆除路面瀝青層、混凝土面層。

（2）注漿路段定位。

（3）標注注漿孔位置：根據(jù)高聚物注漿技術(shù)要求及注漿孔布置設(shè)計，對處理路段使用自噴漆及時進行標注，以便鉆孔。在路面底部及邊墻布孔，路面按1.0 m（環(huán)）×0.5 m（縱）梅花型布置，布設(shè)時離中心水溝中線1.5 m；邊墻兩側(cè)各布置3排鉆孔，環(huán)向間距0.6 m，縱向間距0.5 m。

（4）注漿前檢測：使用落錘式彎沉儀對路面橫向裂縫進行檢測，縱向裂縫可根據(jù)實際情況確定是否需要檢測。

（5）鉆孔：按事先標記的位置進行鉆孔，并及時對鉆孔處進行清理，邊墻注漿孔徑φ16，深度為1.5 m；路面注漿孔徑φ25，深度為2.5 m，可依據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整。

（6）下注漿管：把PVC注漿管通過注漿孔注入。

（7）安裝注射帽：把注射帽凹型邊緣使用特制的清潔工具清理干凈，使得注射槍可以更好地結(jié)合。

（8）注漿：采用夾具把注射槍與注射帽夾牢，根據(jù)路面現(xiàn)場情況及工程經(jīng)驗進行注漿，注漿的壓力不應(yīng)超過7 MPa。同時，為了避免出現(xiàn)跑漿狀況，鉆孔封孔的深度應(yīng)該≥1 m。

（9）封孔：使用道路密封膠把注漿孔封住。

（10）恢復(fù)路面層（10 cm瀝青層，26 cm路面面層）。

4.2 路面瀝青層拆換及底部鉆孔注漿

先對隧道路面瀝青層進行拆除。在路面底部及邊墻布孔，路面按1.5 m（環(huán)）×0.75 m（縱）梅花型布置，布設(shè)時離中心水溝中線1.5 m；邊墻兩側(cè)各布置3排鉆孔，環(huán)向間距0.6 m，縱向間距0.75 m。最后恢復(fù)路面10 cm瀝青層。

4.3 現(xiàn)場注漿效果

如圖1所示，通過對現(xiàn)場的注漿效果進行鉆芯取樣與彎沉值的檢測，對注漿效果開展分析研究。該項目對4處位置進行了鉆芯取樣，芯樣側(cè)壁上留著高聚物注漿材料，且取芯過程中，隨著鉆機的冷卻水鉆孔，高聚物材料不斷涌出，證明了高聚物注漿材料的注漿效果良好。同時，對路面注漿前后的彎沉值進行測試發(fā)現(xiàn)，注漿后的ISM值得到了增加，離散性降低，說明路面承載能力和均勻性均得到提升。不但證明高聚物注漿對道路路基的縫隙填充是有效可行的，而且高聚物注漿之后與圍巖形成的結(jié)合體參數(shù)得到了提升，選擇高聚物注漿材料作為公路隧道病害加固處治為最優(yōu)選擇[22]。

圖1 注漿現(xiàn)場圖

5 結(jié)束語

本文通過對病害處治方法的對比研究以及注漿材料的調(diào)研分析，結(jié)合工程實例對高聚物注漿材料進行了一系列的檢測驗證，且進行了半年的數(shù)據(jù)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，該方法的處治為類似工程提供了一定的參考。