淺埋偏壓隧道注漿長管棚施工技術研究

劉忠磊 LIU Zhong-lei

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，濟南 250002）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，我國高速鐵路的發(fā)展呈現(xiàn)井噴狀態(tài)，其中鐵路隧道占了很大一部分。經(jīng)過多年的施工探索和經(jīng)驗總結，我國的土木工程領域早已廣泛采用注漿技術，但是對于淺埋偏壓隧道的處理方案仍未達成一個具有行業(yè)共識的解決方案，稍有不慎，極易造成隧道受偏壓整體位移甚至通天塌方。本文通過分析新建張吉懷高速鐵路隧道淺埋偏壓破碎地段注漿長管棚的力學作用機理，采用注漿長管棚施工方案對泥質粉砂巖淺埋偏壓破碎地段進行超前預加固處理，對防止隧道坍塌、控制地面沉降具有良好的效果，并為同類鐵路隧道工程的建設提供參考。

1 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路蘭村鄉(xiāng)隧道隧址區(qū)位于沅麻紅層盆地，屬于丘陵地貌，因受長期風化侵蝕作用，丘間多有狹長溝谷，地勢起伏較大，多呈“V”或“U”字型。在經(jīng)歷了漫長多期的地質演變過程中，隧址區(qū)構造運動頻繁，斷裂構造發(fā)育，穿越的次級區(qū)域構造單元主要為來草坡背斜，呈北向西展布，本隧道橫穿來草坡背斜西北翼，其屬平緩，開闊褶曲。

隧址區(qū)穿過白堊系紅層地層，覆蓋層主要為全風化泥質粉砂巖，基巖主要為泥質粉砂巖。泥質粉砂巖中含有少量方解石（0~12%）和云母（0~2%），泥質粉砂結構，厚層狀構造。該巖層屬于較軟巖。受風化作用影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎嚴重，其中強風化層風化較劇烈，強風化、弱風化層風化不均，厚約0.5~17m。隧道洞口巖土體穩(wěn)定性差，開挖后隧道巖層面和節(jié)理裂隙易切割形成楔形破壞，造成洞頂和兩側臨空，產(chǎn)生局部巖土體坍塌、洞身失穩(wěn)。

2 注漿長管棚力學作用機理分析

地層中的巖土體在未受到人類工程活動影響時保持著應力平衡狀態(tài)。隨著隧道工程的進行，巖土體原有的應力平衡狀態(tài)被破壞，使得巖土體內(nèi)部的應力得到釋放，巖土體在經(jīng)過一段時間的應力再分布后達到一個新的平衡狀態(tài)，巖土體在宏觀上即表現(xiàn)為地層的移動。因此，為了在惡劣和特殊條件下保證隧道工程的正常進行，采用注漿長管棚超前支護，預先增強地層的承載力，而且長管棚注漿后與周圍巖體形成一個固結殼體，有效地提高了巖土的自穩(wěn)能力，對控制隧道塌方和地面沉降有著明顯的效果。

另外，長管棚注漿后可看作是具有一定跨度和剛度的超靜定梁，將上部所受巖土的壓力和地基反力傳遞給鋼拱架，大大降低掌子面開挖所受荷載，提高了掌子面的穩(wěn)定性。隧道開挖長管棚力學模型如圖1所示。

圖1 隧道開挖長管棚力學模型圖

3 注漿長管棚施工工藝

長管棚施工前需設置混凝土導向墻，保證長管棚的施工方向，導向墻按隧道拱部140°范圍計算，截面尺寸、厚度均為1m。

3.1 長管棚施工工藝

3.1.1 測量定位

測量人員按設計圖紙要求放出鉆孔位置，孔口處采用十字線準確定位。

3.1.2 安放φ140定位導管

安放φ140熱軋無縫鋼管作為定位導管，φ140導管長1m，外露出導向墻10cm，嵌入土體，傾角為0~3°，導管與導向墻鋼拱架焊接牢固。

3.1.3 鉆機進場及就位

鉆機下方土體不得超挖，鋪墊兩層橫豎交叉的15×15cm尺寸的方木，保證穩(wěn)定性。

3.1.4 管棚鋼管加工

隧道洞口長管棚采用φ108×6mm熱軋無縫鋼管，首節(jié)管棚采用長3m和6m鋼管，保證同一橫截面內(nèi)接頭數(shù)量≤50%，且相鄰鋼管的接頭至少錯開1m，之后每節(jié)均采用6m長鋼管，管身用電鉆機鉆出φ10mm溢漿孔，梅花型布置，相鄰兩孔間距為11cm，尾部1.1m不設壓漿孔，如圖2所示。鋼管之間采用絲扣對口連接，活接頭長30cm。

圖2 鋼管加工示意圖

3.1.5 螺旋鉆進施工

①鉆機安裝完成后調(diào)試儀器儀表，連接第一根鉆具，鉆機采用志高ZGYX-420管棚鉆機。

②鉆孔順序由高向低，間隔錯開施工。鉆孔過程中還須詳細記錄開鉆時間、結束時間及所遇到的問題，以便為超前地質預報提供一定依據(jù)。

③安裝鉆具，接第一根鉆桿，前端裝導向鉆頭。

④第一根鉆桿鉆進過程中控制轉速約35轉/min；每鉆進1m必須對深度、方位、傾角等參數(shù)進行測定。

⑤鉆孔施工中嚴格控制鉆孔軸線，若有偏向要及時進行糾正，深度達到要求后應邊退鉆邊清孔。

3.2 長管棚注漿工藝

鋼管內(nèi)設置鋼筋籠并采用插入小導管、后退分段注漿法注漿。圖3為鋼筋籠示意圖。圖4為φ32小導管與管棚連接示意圖。

圖3 鋼筋籠示意圖

圖4 φ32小導管與管棚連接示意圖

3.2.1 注漿參數(shù)選擇

①注漿壓力。

注漿壓力是管棚注漿工藝中的一個重要參數(shù)，較高的注漿壓力能夠使?jié){液更好的壓入地層，使得結石體飽滿、密實；但同時過高的注漿壓力可能會造成巖土體劈裂破壞，使得漿液流失和地表松動。圖5為管棚注漿孔布置示意圖。根據(jù)試驗所得結果調(diào)整注漿參數(shù)，保證管棚注漿取得最佳效果。當注漿壓力升至某一數(shù)值時，注漿速率突然增大時，此時地層已產(chǎn)生劈裂破壞，這一壓力值即為最大容許注漿壓力。參照類似工程經(jīng)驗和現(xiàn)場注漿試驗曲線，確定注漿壓力在0.5-2MPa之間。

圖5 管棚注漿孔布置示意圖

②注漿孔布置形式。

確定注漿孔間距時既要考慮充分發(fā)揮各個注漿孔的作用，節(jié)約工程造價；也要考慮各孔之間的搭接作用，達到均勻受漿的目的。所以注漿孔的布置采用等間距均勻布孔的形式。本工程根據(jù)地層巖土破碎程度及漿液擴散程度確定均勻布置直徑為10mm的小孔，間距為11cm且梅花型布置，如圖2所示。

③注漿結束標準。

當注漿壓力達到設計終壓時間超過20分鐘時即使注漿量達不到設計要求也可停止注漿。另外，當注漿壓力達到設計終壓的80%時出現(xiàn)較大跑漿，在間歇注漿后即可結束注漿。

3.2.2 注漿工藝流程

管棚注漿工藝流程為：管棚鋼管插入鉆孔→向孔內(nèi)插入φ32小導管→φ32小導管與管棚鋼管封閉→φ32小導管與注漿機連接→開始注漿→逐次分段后退小導管注漿→注漿管路檢查→完成注漿→M10水泥砂漿充實鋼管→結束。

4 工程存在問題及解決辦法

4.1 鉆孔孔位偏斜

導致鉆孔孔位發(fā)生偏斜的原因主要有：

①鉆孔孔位和鉆機的中心兩點未能準確的對準，使得導向系統(tǒng)存在誤差，鉆孔偏離預定軌跡太大；

②鉆頭與鉆桿管徑不匹配，鉆頭受到向下的豎向力后產(chǎn)生振動，引起鉆機固定松動從而發(fā)生偏移；

③鉆機的設置與實際地層情況不符，增大鉆機與鉆孔孔壁之間的摩擦，導致鉆機的扭矩和地質情況不相適應，發(fā)生順右傾的傾向而偏斜，地質情況也是導致孔位發(fā)生偏斜的主要原因。

解決措施：

①鉆孔時必須及時掌握鉆機與地質情況引起的向下偏移量，微調(diào)鋼管的外插方向；

②對于由鉆頭與鉆桿不匹配引起的重力，可在鉆桿上安裝與鉆頭大小相近的穩(wěn)定器，不僅可消除鉆頭所受向下的豎向力，而且還可以增加鉆頭的穩(wěn)定性；

③在管棚施工過程中應準備多種型號的鉆頭以適應不同的地質情況，并且在圍巖面與鉆孔方向不垂直時加大鋼管的強度和硬度，以及減少鉆機的旋轉速度。

4.2 管棚后半部分注漿效果差

在大量實際管棚施工的經(jīng)驗基礎上，總結發(fā)現(xiàn)管棚后半部分注漿效果特別差，甚至很多時候幾乎沒有漿液，其原因如下：

①注漿時鋼管內(nèi)由于有泥漿發(fā)生堵塞，漿液不能達到鋼管后端；

②漿液配合比選擇不合理發(fā)生漿液過早的凝固收縮現(xiàn)象；

③注漿壓力未達到設計要求導致漿液未能充填到地層孔隙里；

④地層中節(jié)理裂隙發(fā)育，導致相鄰兩孔發(fā)生串漿。

解決措施：

①在節(jié)理裂隙發(fā)育的地層注漿時應限量低壓，采取鉆一段注一段、交替注漿的原則，且注漿應及時；

②為了不發(fā)生串漿現(xiàn)象，漿液濃度應較高，且采取下調(diào)注漿壓力、限制注漿流速的方法直到土體吸漿速度降低時再加大注漿壓力，當發(fā)生穿孔后需先清孔再進行注漿。

5 總結

①通過注漿加固工程實例的分析研究得出：長管棚結合注漿技術能改善淺埋偏壓破碎地段的物理力學特性，其各項性能得到很大改善，注漿效果明顯。②注漿長管棚結構承擔了開挖面上方土體的上覆壓力和地基反力，大大降低開挖面所受荷載，有效提高了隧道開挖面的穩(wěn)定性。③通過總結淺埋偏壓破碎地段注漿長管棚施工經(jīng)驗，并對長管棚注漿相關參數(shù)、實際工程中存在的問題及相應解決措施進行歸納，為以后類似隧道工程的建設提供參考。