洞內(nèi)土體加固注漿施工技術(shù)分析

余良碧、謝向陽(yáng)

（中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 工程概況

黃田站至機(jī)場(chǎng)東站區(qū)間線路大體呈南-北走向，南起于黃田站，北止于機(jī)場(chǎng)東站。區(qū)間線路沿107 國(guó)道轉(zhuǎn)入機(jī)場(chǎng)道，側(cè)穿空港加油站、側(cè)穿機(jī)場(chǎng)信息大樓地下車庫(kù)、下穿寶安大道下沉隧道、下穿既有地鐵1號(hào)線高架橋墩，沿線設(shè)置2 個(gè)礦山法施工豎井。黃田站至機(jī)場(chǎng)東站區(qū)間礦山法隧道穿越硬塑狀砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、全風(fēng)化混合花崗巖、中等風(fēng)化混合花崗巖、微風(fēng)化混合花崗巖等多種強(qiáng)弱交替的圍巖地層，其隧道穿越地層圍巖情況復(fù)雜、多變；加之該區(qū)間隧道線路下穿的地表建(構(gòu))筑物對(duì)地表沉降變形控制要求高等特點(diǎn)，本區(qū)間隧道的軟弱地質(zhì)處理成為隧道貫通的關(guān)鍵點(diǎn)和重難點(diǎn)。

2 加固施工技術(shù)工藝

2.1 施工情況分析

結(jié)合黃田站至機(jī)場(chǎng)東站區(qū)間隧道下穿107 國(guó)道及下穿機(jī)場(chǎng)道范圍的地質(zhì)圍巖情況、地下水位和地表建(構(gòu))筑物的特點(diǎn)，開展該范圍隧道施工時(shí)其掌子面土體的加固注漿工序分析：一是下穿107 國(guó)道段，隧道地質(zhì)圍巖呈現(xiàn)典型的“上軟下硬”的特點(diǎn)，隧道下臺(tái)階巖石的爆破振動(dòng)，弱化了隧道上臺(tái)階圍巖的穩(wěn)定性、獨(dú)立性，致使本就松散軟弱的隧道上部圍巖失穩(wěn)加劇。在隧道的開挖過(guò)程中表現(xiàn)為：隧道爆破后，隧道拱頂有土塊持續(xù)性掉落，且拱頂、上臺(tái)階掌子面滲水量增大。二是下穿機(jī)場(chǎng)道的地質(zhì)情況呈現(xiàn)為砂質(zhì)黏性土，含水量偏大，且局部范圍洞頂覆土厚度不足一倍的洞徑，隧道施工采用上下臺(tái)階法人工開挖，施工時(shí)需加固隧道周邊圍巖，減小擾動(dòng)，確保隧道上方道路的行車安全。

2.2 施工方案?jìng)?cè)重點(diǎn)分析

綜合本區(qū)間隧道施工情況的特征分析，其土體加固注漿的側(cè)重點(diǎn)劃分為以下兩個(gè)重點(diǎn)：

2.2.1 下穿107 國(guó)道段

隧道土體加固注漿要求提高圍巖自穩(wěn)性及圍巖強(qiáng)度。即通過(guò)采用優(yōu)化的水凝性膠凝材料填充圍巖裂隙，最大限度地固結(jié)破碎圍巖；同時(shí)，通過(guò)對(duì)隧道土體注漿加固，利用漿液的強(qiáng)擴(kuò)散性、填充性和固化的特點(diǎn)去阻塞隧道掌子面周邊圍巖的滲流路徑，將滲流水阻擋在隧道掌子面圍巖外，同時(shí)結(jié)合漿液的固化板結(jié)作用改善隧道掌子面圍巖的滲流和強(qiáng)度情況。

2.2.2 下穿機(jī)場(chǎng)道段

此段隧道土體注漿加固的要求在于被加固土體的整體性和穩(wěn)定性的提升，可以適當(dāng)降低對(duì)加固后圍巖的強(qiáng)度要求。即在隧道掌子面整體注漿后，其周邊土質(zhì)、砂質(zhì)地層能達(dá)到固結(jié)要求，在隧道開挖過(guò)程中可提供良好的支撐性，滿足隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性要求。

2.3 下穿107 國(guó)道段的施工工藝

在隧道開挖掘進(jìn)過(guò)程中，區(qū)間隧道左、右線小里程掌子面圍巖均呈現(xiàn)持續(xù)性變?nèi)踮厔?shì)，隧道開挖巖體破碎結(jié)構(gòu)發(fā)育：上臺(tái)階主要為強(qiáng)風(fēng)化砂土狀(含粉細(xì)砂)混合花崗巖，結(jié)構(gòu)體無(wú)強(qiáng)度，且遇水易軟化、自穩(wěn)性差；下臺(tái)階的巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育，并伴有泥砂質(zhì)填充物，但破碎結(jié)構(gòu)體多為硬質(zhì)巖石，需進(jìn)行爆破開挖。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，施工時(shí)采用超前小導(dǎo)管+斷面注漿（水泥+水玻璃雙液漿）措施進(jìn)行加固，達(dá)到隧道掌子面注漿加固效果。但隧道下臺(tái)階的爆破施工加劇隧道掌子面圍巖的破碎發(fā)育，易引起拱頂圍巖較軟弱部位發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

鑒于此類情況，施工過(guò)程中聘請(qǐng)專家組進(jìn)行咨詢、研究：首先，結(jié)合圍巖裂隙發(fā)育情況及圍巖中含粉細(xì)砂的情況，采用后退式水泥+水玻璃+磷酸注漿方式加固土體。其次，上臺(tái)階采用人工開挖，并嚴(yán)格按照要求預(yù)留核心土、控制上下臺(tái)階間距、初支及時(shí)封閉成環(huán)，減少上臺(tái)階擾動(dòng)的同時(shí)，盡可能減輕下臺(tái)階開挖對(duì)上臺(tái)階的擾動(dòng)。

2.3.1 注漿施工工藝

區(qū)間隧道拱頂采用超前小導(dǎo)管注漿加固，沖孔完成將小導(dǎo)管打入拱頂圍巖后，使用塑膠泥封堵小導(dǎo)管孔口及其周圍，對(duì)小導(dǎo)管注漿增加其剛度，使得小導(dǎo)管在拱頂形成良好的棚護(hù)作用。隧道掌子面采用半斷面注漿加固，由于其圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化砂土狀、塊狀混合花崗巖，內(nèi)含大量粉細(xì)砂，在對(duì)小導(dǎo)管注漿過(guò)程中，極易堵塞注漿孔，小導(dǎo)管的注漿無(wú)法通過(guò)沖擊的孔洞形成注漿脈絡(luò)，或者注漿脈絡(luò)受限，無(wú)法形成貫通式注漿，造成注漿效果不佳。綜合注漿后的開挖效果和地質(zhì)圍巖情況，項(xiàng)目調(diào)整了注漿工藝，采用水平地質(zhì)鉆機(jī)，進(jìn)行隧道掌子面引孔，到達(dá)制定長(zhǎng)度后，利用雙重管鉆桿進(jìn)行漿液(水泥漿+水玻璃漿+磷酸漿液)的分段注入，達(dá)到壓力和擴(kuò)散要求后，將鉆桿后退一定距離，進(jìn)行下一循環(huán)注漿加固。

2.3.2 鉆機(jī)就位

結(jié)合隧道掌子面的巖土分界面和需要加固部分的堅(jiān)硬情況，在隧道掌子面前利用鋼管腳手架搭設(shè)注漿平臺(tái)，利用地質(zhì)鉆機(jī)上帶刻度的地質(zhì)轉(zhuǎn)盤，調(diào)整機(jī)械鉆進(jìn)的角度，控制注漿孔打設(shè)的角度和后退式注漿的范圍。

2.3.3 試驗(yàn)效能檢測(cè)

根據(jù)進(jìn)場(chǎng)材料水泥、水玻璃、磷酸的比例適配，材料性能檢測(cè)和施工配合比校對(duì)。試驗(yàn)主要根據(jù)水泥漿、水玻璃漿液、磷酸漿液三者配合比的硬化時(shí)間、配合比例進(jìn)行確定，液漿的硬化原理是：水玻璃漿+磷酸漿液快速硬化，封堵破碎巖層中的裂隙，提供注漿空腔，也防止?jié){液串流；水泥漿+水玻璃漿硬化反應(yīng)，填充由磷酸+水玻璃確定好的定向空腔，快速填充空腔，提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，形成破碎巖體的連接脈絡(luò)，提高土體的自穩(wěn)定性。

2.3.4 鉆孔布置

結(jié)合隧道掌子面的巖土類別、隧道埋深、注漿壓力和漿液串流范圍，水平鉆孔注漿的平面布置間距按照0.4～0.5m 布置，便于水玻璃+磷酸漿液在空隙中迅速形成貫通式串流，并利用兩種混合液體速凝(凝結(jié)速度為4s)的特性，填充主要空隙的同時(shí)，封閉可能串流的地層間隙。然后再將水玻璃+水泥漿填充到已經(jīng)加固處理的地層裂隙中(封閉地層細(xì)小間隙，形成注漿承載空腔)，利用雙液漿相對(duì)凝結(jié)時(shí)間慢的特性，在主要裂隙中起到支撐填充效應(yīng)，隧道圍巖破碎體間相互貫通，膠凝性材料有效填充縫隙，在土層中迅速形成注漿脈絡(luò)，利用膠凝材料的膠結(jié)作用，形成固結(jié)土體的加固效果。

2.3.5 注漿加固

隧道注漿根據(jù)試驗(yàn)配合比進(jìn)行漿液調(diào)配，采取水玻璃漿液為主，磷酸漿液、水泥漿液配套使用，水泥漿為水灰比1∶1 的漿液，水玻璃液為2∶1 比例制拌的漿液，磷酸漿液為1∶19 比例制拌的漿液，注漿加固過(guò)程中采用注漿量、注漿壓力雙控指標(biāo)。

(1)注漿量計(jì)算按照加固土體體積進(jìn)行計(jì)算公式：H=ΠR2LnáβA，每延米注漿加固14.81～16.68m3（水泥漿+水玻璃）+1.9～2.1（磷酸用量待修訂）。

(2)注漿壓力按照0.5～1MPa 控制，原則上為保障注漿效果，最優(yōu)注漿壓力為0.8MPa，漿液注入過(guò)程中，必須由專人負(fù)責(zé)盯控注漿孔位的滲漏情況、壓力表、流量計(jì)等，根據(jù)效果不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[1]。

(3)注漿完成后必須沖洗注漿管路，防止注漿管路堵塞。

2.3.6 隧道開挖

區(qū)間隧道一次注漿加固10m，根據(jù)開挖情況進(jìn)行注漿情況判別，效果不佳時(shí)，及時(shí)進(jìn)行隧道二次補(bǔ)注，保障圍巖穩(wěn)定。在隧道開挖過(guò)程中必須注意以下幾個(gè)方面：

(1)隧道開挖根據(jù)圍巖情況進(jìn)行上下臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在4～5m，并且需要嚴(yán)格按照要求預(yù)留核心土。

(2)隧道圍巖每次開挖前必須根據(jù)超前地質(zhì)雷達(dá)和超前探孔進(jìn)行隧道圍巖判別，確定巖層分界面、掌子面巖土層的厚度。

(3)隧道上臺(tái)階需要人工開挖，下臺(tái)階需要爆破時(shí)，必須合理控制施工步驟，保障足夠長(zhǎng)的上下臺(tái)階間距后，再進(jìn)行下臺(tái)階爆破[2]。

(4)隧道在開挖過(guò)程中，必須嚴(yán)格預(yù)留核心土，為掌子面提供反向土壓力，確保隧道掌子面穩(wěn)定。

(5)隧道一個(gè)循環(huán)加固注漿范圍10m，一次性開挖長(zhǎng)度不得超8m，需預(yù)留2m 厚止?jié){墻。隧道開挖到止?jié){墻位置時(shí)，進(jìn)行掌子面掛網(wǎng)噴射混凝土，噴射采用C25 混凝土，厚度200mm 進(jìn)行施工，掛網(wǎng)采用直徑8mm、間距250mm×250mm 的鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行施工。

2.3.7 隧道支護(hù)

嚴(yán)格控制隧道開挖支護(hù)工序的銜接，把握隧道注漿加固的工序時(shí)間，從施工方法、人員、機(jī)械設(shè)備三方面配合，減少加固圍巖的開挖停滯時(shí)間：

(1)根據(jù)加固效果選擇支護(hù)方法，圍巖加固條件相對(duì)較好時(shí)，采用上下臺(tái)階支護(hù)方式進(jìn)行施工；開挖后圍巖加固效果不佳，臨時(shí)在封閉條件不滿足時(shí)，可采用礦山法隧道CRD 法進(jìn)行開挖+支護(hù)。

(2)Ⅵ級(jí)圍巖注漿加固后的每個(gè)工序銜接必須緊湊，采用輪班制的各工序班組人員到場(chǎng)時(shí)間間隔不得超過(guò)10min。

(3)隧道人工開挖過(guò)程中，必須配置支護(hù)鋼架、噴射混凝土干拌料等臨時(shí)加固的材料，做好一切應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處置準(zhǔn)備工作。

(4)支護(hù)過(guò)程中注意對(duì)掌子面的臨時(shí)支護(hù)，采用噴射3～5cm 厚噴射混凝土進(jìn)行封閉，局部圍巖軟弱時(shí)，對(duì)預(yù)留核心土部分可進(jìn)行臨時(shí)噴混凝土加固。

(5)在格柵鋼架與圍巖交接的位置噴射混凝土?xí)r，噴射混凝土面預(yù)留鋼筋網(wǎng)片達(dá)到寬度后，混凝土面必須盡量抵充到開挖面，與超前小導(dǎo)管結(jié)合，形成臨時(shí)結(jié)構(gòu)的超前加固硬殼體，控制人工開挖對(duì)注漿加固段圍巖的擾動(dòng)。

(6)Ⅵ級(jí)圍巖段的超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管必須隨開挖支護(hù)的進(jìn)程同步推進(jìn)，必要情況下，制作同步注漿臺(tái)車，方便支護(hù)體系注漿需要，確保隧道受力體系的穩(wěn)定。

2.3.8 隧道開挖過(guò)程安全防護(hù)

根據(jù)隧道施工中暴露出的問(wèn)題，特別對(duì)隧道開挖過(guò)程做出如下要求：

(1)隧道在開挖完成后，必須按照隧道安全施工要求進(jìn)行找頂，排除潛在施工危險(xiǎn)。

(2)結(jié)合隧道開挖進(jìn)度，在隧道開挖結(jié)束前，制備足量的噴射混凝土，隧道找頂排險(xiǎn)后，及時(shí)對(duì)隧道拱頂、掌子面進(jìn)行素噴，形成臨時(shí)支護(hù)體系。

(3)在隧道超前小導(dǎo)管支護(hù)前，先對(duì)拱頂進(jìn)行噴射混凝土，保障拱頂穩(wěn)定，超前小導(dǎo)管位置根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)留。

(4)在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整，以確保隧道安全為目標(biāo)。

2.4 下穿機(jī)場(chǎng)道段的施工工藝

2.4.1 注漿施工工藝

下穿機(jī)場(chǎng)道段的地質(zhì)圍巖為均勻的土質(zhì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查后，巖土的含砂量?jī)?yōu)于下穿107 國(guó)道段，且土體的黏聚性較強(qiáng)。設(shè)計(jì)采用的水泥+水玻璃雙液漿混合后的填充效果較好，為提升隧道注漿加固效率，最大限度地滿足隧道開挖的時(shí)效性。隧道的土體注漿加固采用分段注漿加固方式。根據(jù)隧道注漿加固長(zhǎng)度、隧道斷面和注漿擴(kuò)散的有效范圍，采用階梯式的注漿管組合注漿加固。隧道注漿加固要求長(zhǎng)度9m，注漿擴(kuò)散有效寬度1.2m，注漿壓力有效管控長(zhǎng)度為3m。注漿管選用9m、6m 和3m 三種規(guī)格，間套連做，分段注漿加固，共同作用下形成整體加固體的效果。

2.4.2 鉆機(jī)就位

注漿鉆機(jī)結(jié)合隧道圍巖全部為土質(zhì)的特點(diǎn)，為提升鉆進(jìn)效率，采用單人作業(yè)輕便的手持式水鉆，鉆具的直徑選擇3cm 的中空鉆桿，鉆桿采用可接長(zhǎng)的形式，滿足9m 的成孔深度要求。

2.4.3 鉆孔布置

注漿孔的布置需要提前根據(jù)單孔注漿擴(kuò)散范圍調(diào)整，砂質(zhì)亞黏土的擴(kuò)散范圍為1.2m，鉆孔的布置采用3m、6m、9m 鉆孔交錯(cuò)布置，綜合注漿擴(kuò)散范圍的限制，鉆孔間距控制在0.4m，不同孔深的鉆孔交替布置，保障同深度鉆孔間距不超過(guò)1.2m。

2.4.4 注漿管安裝

注漿孔深度滿足要求后，立即采用直徑小于3cm的PVC 管材，安裝在孔內(nèi)。然后采用干硬性水泥進(jìn)行孔口周邊封堵，封堵可適當(dāng)增加面紗或布條。PVC 管材為保障注漿效果，在管材末端2.5m 范圍內(nèi)，間隔0.3m 設(shè)置梅花型注漿孔，注漿孔用電工膠帶進(jìn)行封閉(纏一層即可)，保障注漿管安裝過(guò)程中，孔內(nèi)的泥砂不堵塞注漿孔。

2.4.5 注漿施工

注漿管安裝完成，進(jìn)行注漿施工前，一定在隧道的區(qū)段注漿的最低點(diǎn)位置，設(shè)置注漿排水管，讓隧道注射的水泥+水玻璃雙液漿能夠更充分地填充圍巖空隙，將圍巖內(nèi)的孔隙水置換出來(lái)。隧道注漿施工為保障作業(yè)效率，將隧道注漿管固定在隧道一側(cè)，在注漿施工作業(yè)前，由專人檢查注漿管路，并用清水疏通注漿管路。隧道的注漿加固按照1∶1 水泥水玻璃雙液漿進(jìn)行作業(yè)，注漿壓力控制在0.8～1.5MPa，以保障達(dá)到注漿加固效果。

2.4.6 施工開挖

利用便攜高效的隧道注漿工具，并采用PVC 管材的注漿管，一方面減少隧道注漿加固作業(yè)的循環(huán)時(shí)間，另一方面降低了隧道開挖過(guò)程遇到的注漿管強(qiáng)度，人工+機(jī)械破除既能滿足施工開挖要求，又減少礦山法單循環(huán)作業(yè)時(shí)間，提高開挖效率。

3 結(jié)語(yǔ)

黃田站至機(jī)場(chǎng)東站區(qū)間隧道通過(guò)土體加固注漿施工，安全順利地通過(guò)了巖層破碎帶及眾多的地表建（構(gòu)）筑物，發(fā)揮了顯著的堵水、固結(jié)作用，保證了隧道結(jié)構(gòu)和隧道施工安全。采用土體加固注漿還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止地下水的過(guò)度流失而對(duì)附近地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。