帷幕注漿加固技術(shù)在地鐵線路段工程施工中的運(yùn)用

薛永斌

（中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100000）

帷幕注漿加固是將制備好的漿液材料，以一定壓力注入到巖層的裂隙中。一段時(shí)間后漿液材料凝固，可同時(shí)發(fā)揮阻水效果和加固效果，顯著提高了巖層強(qiáng)度，保證了上部工程穩(wěn)定。在地鐵隧道工程施工中，由于隧道開挖深度大、隧道線路長，不可避免會(huì)遇到軟弱圍巖、巖層破碎等特殊地質(zhì)。這種情況下選用帷幕注漿加固技術(shù)，可以在較短時(shí)間內(nèi)顯著提升巖層強(qiáng)度，為隧道工程施工創(chuàng)造理想條件。當(dāng)然，在帷幕注漿加固施工中，鉆孔深度、注漿壓力、注漿量等都是需要重點(diǎn)把控的技術(shù)要點(diǎn)。只有采取精細(xì)化的施工管理，才能切實(shí)發(fā)揮帷幕注漿加固技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保證地鐵工程建設(shè)任務(wù)的高標(biāo)準(zhǔn)完成。

1 工程概況

X 市地鐵的某區(qū)間隧道全長2 683.06 m，深度11.5～15.5 m。該區(qū)段內(nèi)設(shè)有1 座豎井和1 處橫通道，豎井采用噴錨支護(hù)方式，橫通道采用噴錨構(gòu)筑法施工。隧道整體為復(fù)合襯砌，隧道拱頂與地面最小距離為4.6 m。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，施工區(qū)域位于構(gòu)造破碎帶上，沿線有3 條寬度在15～20 m 不等的構(gòu)造破碎帶；地下水主要為松散土層孔隙水和基巖裂隙水。為保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用了帷幕注漿加固技術(shù)。

2 帷幕注漿加固技術(shù)的應(yīng)用

2.1 注漿材料的選用

帷幕注漿加固技術(shù)中所用的漿液材料，主要有主劑、溶劑、外加劑三部分組成。主劑通常選擇水泥、粉煤灰，與溶劑（水）和外加劑按照一定比例混合后，充分?jǐn)嚢柚频脻{液[1]。注漿材料的選用直接決定帷幕注漿加固效果，是施工準(zhǔn)備階段的一項(xiàng)重要工作。在本次工程中，結(jié)合地質(zhì)條件和隧道施工要求，在選擇注漿材料時(shí)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：（1） 漿液粘度低，保證有良好的流動(dòng)性，可以充分滲透至巖層的微小裂隙中，達(dá)到良好的充填、加固效果。（2） 漿液無腐蝕性，不會(huì)對(duì)注漿設(shè)備造成腐蝕，并且易于沖洗。（3） 漿液的穩(wěn)定性強(qiáng)，可在常溫環(huán)境下保存較長時(shí)間。（4） 漿液綠色、無毒，不會(huì)對(duì)地下水以及施工現(xiàn)場的生態(tài)環(huán)境造成破壞?，F(xiàn)階段市場上可以選擇的注漿材料有多種，按照其組成形態(tài)的不同，大體可分為兩類，即顆粒漿液、溶液漿液。前者又包括水泥漿、水泥粉煤灰漿等；后者包括水泥-水玻璃漿、環(huán)氧樹脂類漿、聚氨酯類漿。在綜合考慮成本、性能、適用范圍等多種因素的基礎(chǔ)上，本次隧道帷幕注漿加固工程最終選擇了水泥-水玻璃漿液，黏度20～100×10-3pa·s，滲透系數(shù)10-2cm/s，擴(kuò)散半徑20·30 cm，其組成成分見表1。

表1 水泥-水玻璃漿液的基本參數(shù)

2.2 施工準(zhǔn)備

2.2.1 布置注漿系統(tǒng)

在選定漿液材料后，還要設(shè)計(jì)帷幕注漿加固的注漿系統(tǒng)。現(xiàn)場施工時(shí)，首先進(jìn)行預(yù)注漿，目的是檢查并修正注漿施工的各項(xiàng)參數(shù)，將最終確定的參數(shù)應(yīng)用到正式的注漿施工中。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，該隧道工程位于斷裂破碎帶上，因此無論是鉆孔作業(yè)還是注漿作業(yè)，都必須按照“先外后內(nèi)，先近后遠(yuǎn)”的順序，可有效避免出現(xiàn)塌孔的情況。另外，現(xiàn)場作業(yè)空間狹小，在布置注漿系統(tǒng)時(shí)也應(yīng)盡可能的節(jié)約空間，本次工程中逐漸系統(tǒng)的布置見圖1。

圖1 注漿系統(tǒng)布置示意

注漿系統(tǒng)安裝完畢后，還要安排注漿施工所用的各類機(jī)具設(shè)備進(jìn)場。本次工程中使用到的主要設(shè)備有鉆孔機(jī)、注漿泵、止?jié){塞等。KY-200 型潛孔鉆機(jī)入場后，按照標(biāo)記好的孔位順序，置于1#孔位處，施工人員調(diào)整鉆機(jī)，使鉆桿垂直，鉆頭與孔位點(diǎn)對(duì)齊。

2.2.2 漿液的配制

本次工程中所用注漿材料為水泥-水玻璃漿液。其中，水灰比為1:1，水玻璃原漿與水的比例為1:1.5。按照上述比例將各類基礎(chǔ)材料倒入雙層攪拌器中，設(shè)定攪拌時(shí)間為20 min[2]。等到充分?jǐn)嚢杞Y(jié)束后，使用網(wǎng)孔為1 mm×1 mm 的細(xì)目篩網(wǎng)進(jìn)行漿液過濾。所得漿液可以暫存于施工現(xiàn)場的儲(chǔ)漿桶中，漿液從制備完成到施工，中間間隔時(shí)間應(yīng)控制在3 h 以內(nèi)。漿液經(jīng)檢查確定符合施工要求后，確定注漿參數(shù)，包括注漿加固長度、注漿壓力、注漿速度等，為下一步的注漿施工提供必要的參考。注漿參數(shù)見表2。

表2 注漿參數(shù)

2.3 帷幕注漿施工流程

上述準(zhǔn)備工作結(jié)束后，開始進(jìn)行帷幕注漿加固施工。首先按照施工圖紙，在掌子面上彈線標(biāo)記出各個(gè)注漿孔的位置，對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核確定無誤后，按照順序標(biāo)記序號(hào)。然后重新檢查鉆機(jī)是否校正，并設(shè)定鉆進(jìn)參數(shù)（包括進(jìn)給壓力、進(jìn)給速度等），參數(shù)設(shè)定完成后啟動(dòng)鉆孔機(jī)，開始進(jìn)行鉆孔。鉆進(jìn)作業(yè)中隨時(shí)檢查成孔效果，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜后及時(shí)采取糾偏措施。嚴(yán)格控制鉆進(jìn)深度，避免出現(xiàn)超挖或欠挖的情況。第一個(gè)鉆孔鉆完以后，退出鉆頭，檢查成孔效果，確認(rèn)無塌孔等質(zhì)量問題后，進(jìn)行鉆孔清洗。此時(shí)將鉆孔機(jī)移動(dòng)至2#孔位，同時(shí)在1#孔位進(jìn)行注漿施工。注漿時(shí)同樣需要設(shè)定注漿泵的參數(shù)，對(duì)于短孔可適當(dāng)減小注漿壓力，對(duì)于長孔則增加注漿壓力，保證漿液能夠充分滲透到破碎巖層的孔隙中?，F(xiàn)場注漿中，以注漿壓力和注漿量作為結(jié)束依據(jù)。當(dāng)實(shí)際注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的80%后，或者是注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力并穩(wěn)定10 min 后，即可停止注漿。等到施工區(qū)域內(nèi)所有的鉆孔全部注漿完畢后，統(tǒng)一檢查注漿效果，避免出現(xiàn)漏注孔。

2.4 配套注漿工藝

在地鐵隧道的帷幕注漿加固施工中，由于線路較長，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此在實(shí)際施工中還應(yīng)根據(jù)不同區(qū)段的具體情況，采取一些配套的注漿工藝。例如在地表隆起程度過大的情況下，要使用誘導(dǎo)劈裂注漿工藝；在遇到富水軟弱區(qū)域時(shí)，需要使用前進(jìn)式分段注漿工藝等。

2.4.1 隔壓滲透封固注漿

施工中遇到砂層結(jié)構(gòu)時(shí)，由于這類地質(zhì)組成松散、強(qiáng)度不高，鉆孔施工或注漿施工容易對(duì)原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，進(jìn)而出現(xiàn)漏漿、孔間串漿的現(xiàn)象。因此，在砂層地質(zhì)進(jìn)行注漿施工，需要采取隔壓滲透封固注漿工藝[3]。該工藝的原理是：選擇速凝材料加入到專用的隔壓膨脹注漿器內(nèi)，使材料膨脹后自動(dòng)完成加壓。然后將注漿器緊貼在鉆孔的孔壁上，這樣就能利用注漿器使?jié){液材料與砂層進(jìn)行分隔。然后打開注漿器末端的高壓閥門，在釋放壓力的過程中讓漿液填充到周圍的軟弱圍巖中。等到漿液凝固后，即可提高圍巖的穩(wěn)定性，從而達(dá)到理想的注漿加固效果。隔壓滲透封固注漿的現(xiàn)場布置見圖2。

圖2 隔壓滲透封固注漿示意

2.4.2 前進(jìn)式分段注漿

在隧道加固施工中，如果遇到富水軟弱區(qū)域，會(huì)因?yàn)榈叵滤^為豐富導(dǎo)致漿液注入后被稀釋，從而影響加固效果，這種情況下需要采用前進(jìn)式分段注漿工藝。其原理是按照逐段、逐層推進(jìn)的方式，讓鉆孔和注漿工序交替進(jìn)行，既可以提高注漿加固的施工效率，同時(shí)還能解決漿液材料不均勻的問題，讓加固效果得到明顯提升。為了保證注漿質(zhì)量，每段長度控制在4～5 m[4]。前進(jìn)式分段注漿區(qū)段可分為3 部分，靠近孔口管的起始段，需要保持低壓、慢速注漿，避免注漿太快或者一次性注漿量太大，導(dǎo)致地表隆起的情況；在進(jìn)行末端注漿時(shí)，要適當(dāng)增加注漿壓力，保證漿液能夠滲透到底部巖石的裂隙中。前進(jìn)式分段注漿的現(xiàn)場布置見圖3。

圖3 前進(jìn)式分段注漿示意

2.5 特殊情況的處理

在帷幕注漿加固施工中，有可能遇到一些特殊情況，如孔間串漿、注漿壓力長時(shí)間不上升等?，F(xiàn)場施工人員要根據(jù)具體問題采取相應(yīng)的處理措施，確?，F(xiàn)場施工順利進(jìn)行和提高施工質(zhì)量。這里以注漿壓力長時(shí)間不上升為例，其原因可能與漿液材料過于稀薄，或者注漿壓力太小有關(guān)。因此，現(xiàn)場施工人員在觀察到注漿壓力超過10 min 沒有明顯變化后，必須檢查漿液的濃度，如果過于稀薄需要調(diào)整漿液的比例，增加水玻璃的比例，以提高漿液濃度[5]。如果漿液濃度合適，則考慮是因?yàn)閴毫Σ蛔銓?dǎo)致的，需要在注漿設(shè)備上調(diào)大壓力，在觀察到注漿壓力開始穩(wěn)定上升后即可解決問題。

3 帷幕注漿施工效果分析

為了驗(yàn)證帷幕注漿加固技術(shù)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用效果，還需要選擇恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行評(píng)價(jià)。常用的評(píng)價(jià)方法有檢查孔法、開挖取樣法以及分析法。本研究選擇分析法，通過收集注漿信息，根據(jù)注漿壓力（P）、注漿流量（Q）和注漿時(shí)間（T）的相互關(guān)系，繪制P-Q-T 曲線，評(píng)價(jià)注漿加固效果，見圖4。

圖4 注漿P-T 與Q-T 曲線圖

根據(jù)圖4 可知，本次工程中起始注漿壓力為0.7 MPa，隨著注漿時(shí)間的增加，注漿壓力也相應(yīng)的提升。這是因?yàn)楝F(xiàn)場注漿采用的是由上到下、由近及遠(yuǎn)的順序。注漿時(shí)間越長，注漿位置越深，為了保證漿液能夠以鉆孔為中心向四周順利擴(kuò)散，必須要持續(xù)增加逐漸壓力。當(dāng)單孔注漿時(shí)間達(dá)到40 min 后，注漿壓力達(dá)到了1.1 MPa，之后隨著注漿時(shí)間的繼續(xù)增加，注漿壓力穩(wěn)定在1.1 MPa 不變，說明漿液已經(jīng)完全充填到破碎巖層的裂隙中，并且沒有漏漿情況。在開始注漿后的50 min，終止注漿。另外，在剛開始注漿時(shí)進(jìn)漿量比較大，結(jié)合圖4（右）可知大概在52 L/min，這是因?yàn)榈乇韼r層裂隙較大，消耗的漿液量較多，并且注漿阻力較小，因此進(jìn)漿量較大；而隨著時(shí)間的推移，注漿深度增加，地層巖層的裂隙寬度變小，注漿阻力增加，因此進(jìn)漿量逐漸降低，最終在注漿40 min 后，穩(wěn)定在20 L/min。根據(jù)P-Q-T 曲線分析可知，本次工程中采用帷幕注漿加固技術(shù)，可以使?jié){液較好地充填到隧道破碎巖層的孔隙中，起到了理想的加固效果。

4 結(jié)論

在地鐵線路工程施工中，經(jīng)常會(huì)遇到各類復(fù)雜地質(zhì)條件。其中，巖層破碎會(huì)導(dǎo)致工程基礎(chǔ)的承載力下降，進(jìn)而影響到地鐵線路工程的運(yùn)行穩(wěn)定和行車安全。因此，在地鐵隧道施工中必須要采取針對(duì)性措施加固基礎(chǔ)。帷幕注漿加固是一種比較常用的破碎巖層和軟弱圍巖加固技術(shù)，將制作好的漿液以較大的壓力灌注到巖石裂隙中，等到漿液凝固后可以同時(shí)發(fā)揮加固巖層和阻擋滲水的效果。在本次工程中，使用帷幕注漿加固技術(shù)對(duì)地鐵隧道工程的破碎巖層進(jìn)行了加固，分析表明注漿效果良好，為地鐵線路工程的高質(zhì)量建設(shè)完成奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。