洞內(nèi)土體加固注漿施工技術(shù)分析

洞內(nèi)土體加固注漿施工技術(shù)分析余良碧、謝向陽（中國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場東站區(qū)間線路大體呈南-北走向，南起于黃田站，北止于機場東站。區(qū)間線路沿107國道轉(zhuǎn)入機場道，側(cè)穿空港加油站、側(cè)穿機場信息大樓地下車庫、下穿寶安大道下沉隧道、下穿既有地鐵1號線高架橋墩，沿線設(shè)置2個礦山法施工豎井。黃田站至機場東站區(qū)間礦山法隧道穿越硬塑狀砂質(zhì)黏性土、強風(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)）筑物對地表沉降變形控制要求高等特點，本區(qū)間隧道的軟弱地質(zhì)處理成為隧道貫通的關(guān)鍵點和重難點。2加固施工技術(shù)工藝1施工情況分析結(jié)合黃田站至機場東站區(qū)間隧道下穿107國道及下穿機場道范圍的地質(zhì)圍巖情況、地下水位和地表建（構(gòu)）筑物的特點，開展該范圍隧道施工時其掌子面土體的加固注漿工序分析：一是下穿107國道段，隧道地質(zhì)圍巖呈現(xiàn)典型的“上軟下硬”的特點，隧道下臺階巖石的爆破振動，弱化了隧道上臺階圍巖的穩(wěn)定性、獨立性，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、上臺階掌子面滲水量增大。二是下穿機場道的地質(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階法人工開挖，施工時需加固隧道周邊圍巖，減小擾動，確保隧道上方道路的行車安全。2.2施工方案側(cè)重點分析綜合本區(qū)間隧道施工情況的特征分析，其土體加固注漿的側(cè)重點劃分為以下兩個重點：2.2.1下穿107國道段隧道土體加固注漿要求提高圍巖自穩(wěn)性及圍巖強度。即通過采用優(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,通過對隧道土體注漿加固，利用漿液的強擴散性、填充性和固化的特點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度情況。2.2下穿機場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)降低對加固后圍巖的強度要求。即在隧道掌子面整體注漿后，其周邊土質(zhì)、砂質(zhì)地層能達到固結(jié)要求，在隧道開挖過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國道段的施工工藝在隧道開挖掘進過程中，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?，隧道開挖巖體破碎結(jié)構(gòu)發(fā)育：上臺階主要為強風(fēng)化砂土狀（含粉細砂）混合花崗巖，結(jié)構(gòu)體無強度，且遇水易軟化、自穩(wěn)性差；下臺階的巖體中節(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，需進行爆破開挖。根據(jù)設(shè)計圖紙要求，施工時采用超前小導(dǎo)管+斷面注漿（水泥+水玻璃雙液漿）措施進行加固，達到隧道掌子面注漿加固效果。但隧道下臺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，施工過程中聘請專家組進行咨詢、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、控制上下臺階間距、初支及時封閉成環(huán)，減少上臺階擾動的同時，盡可能減輕下臺階開挖對上臺階的擾動。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風(fēng)化砂土狀、塊狀混合花崗巖，內(nèi)含大量粉細砂，在對小導(dǎo)管注漿過程中，極易堵塞注漿孔，小導(dǎo)管的注漿無法通過沖擊的孔洞形成注漿脈絡(luò)，或者注漿脈絡(luò)受限，無法形成貫通式注漿，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，項目調(diào)整了注漿工藝，采用水平地質(zhì)鉆機，進行隧道掌子面引孔，到達制定長度后，利用雙重管鉆桿進行漿液（水泥漿+水玻璃漿+磷酸漿液）的分段注入，達到壓力和擴散要求后，將鉆桿后退一定距離，進行下一循環(huán)注漿加固。2.3.2鉆機就位結(jié)合隧道掌子面的巖土分界面和需要加固部分的堅硬情況，在隧道掌子面前利用鋼管腳手架搭設(shè)注漿平臺，利用地質(zhì)鉆機上帶刻度的地質(zhì)轉(zhuǎn)盤，調(diào)整機械鉆進的角度，控制注漿孔打設(shè)的角度和后退式注漿的范圍。2.3.3試驗效能檢測根據(jù)進場材料水泥、水玻璃、磷酸的比例適配，材料性能檢測和施工配合比校對。試驗主要根據(jù)水泥漿、水玻璃漿液、磷酸漿液三者配合比的硬化時間、配合比例進行確定，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，便于水玻璃十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，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（封閉地層細小間隙，形成注漿承載空腔)，利用雙液漿相對凝結(jié)時間慢的特性，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)試驗配合比進行漿液調(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，注漿加固過程中采用注漿量、注漿壓力雙控指標(biāo)。(1)注漿量計算按照加固土體體積進行計算公式：H=HR2LnaBA,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?IMPa控制，原則上為保障注漿效果，最優(yōu)注漿壓力為0.8MPa,漿液注入過程中，必須由專人負責(zé)盯控注漿孔位的滲漏情況、壓力表、流量計等，根據(jù)效果不斷進行參數(shù)優(yōu)化［1］。⑶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)開挖情況進行注漿情況判別，效果不佳時，及時進行隧道二次補注，保障圍巖穩(wěn)定。在隧道開挖過程中必須注意以下幾個方面：(1)隧道開挖根據(jù)圍巖情況進行上下臺階法開挖，臺階長度控制在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)雷達和超前探孔進行隧道圍巖判別，確定巖層分界面、掌子面巖土層的厚度。(3)隧道上臺階需要人工開挖，下臺階需要爆破時，必須合理控制施工步躲，保障足夠長的上下臺階間距后，再進行下臺階爆破[2]0(4)隧道在開挖過程中，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。⑸隧道一個循環(huán)加固注漿范圍10m,一次性開挖長度不得超8m,需預(yù)留2m厚止?jié){墻。隧道開挖到止?jié){墻位置時，進行掌子面掛網(wǎng)噴射混凝土，噴射采用C25混凝土，厚度200mm進行施工，掛網(wǎng)采用直徑8nlm、間距250nlmX250mm的鋼筋網(wǎng)片進行施工。2.3.7隧道支護嚴(yán)格控制隧道開挖支護工序的銜接，把握隧道注漿加固的工序時間，從施工方法、人員、機械設(shè)備三方面配合，減少加固圍巖的開挖停滯時間：⑴根據(jù)加固效果選擇支護方法，圍巖加固條件相對較好時，采用上下臺階支護方式進行施工；開挖后圍巖加固效果不佳，臨時在封閉條件不滿足時，可采用礦山法隧道CRD法進行開挖+支護。⑵VI級圍巖注漿加固后的每個工序銜接必須緊湊，采用輪班制的各工序班組人員到場時間間隔不得超過lOmino(3)隧道人工開挖過程中，必須配置支護鋼架、噴射混凝土干拌料等臨時加固的材料，做好一切應(yīng)對突發(fā)事件的應(yīng)急處置準(zhǔn)備工作。(4)支護過程中注意對掌子面的臨時支護，采用噴射3?5cm厚噴射混凝土進行封閉，局部圍巖軟弱時，對預(yù)留核心土部分可進行臨時噴混凝土加固。(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，形成臨時結(jié)構(gòu)的超前加固硬殼體，控制人工開挖對注漿加固段圍巖的擾動。(6)VI級圍巖段的超前小導(dǎo)管、鎖腳錨管必須隨開挖支護的進程同步推進，必要情況下，制作同步注漿臺車，方便支護體系注漿需要，確保隧道受力體系的穩(wěn)定。2.3.8隧道開挖過程安全防護根據(jù)隧道施工中暴露出的問題，特別對隧道開挖過程做出如下要求:⑴隧道在開挖完成后，必須按照隧道安全施工要求進行找頂，排除潛在施工危險。⑵結(jié)合隧道開挖進度，在隧道開挖結(jié)束前，制備足量的噴射混凝土，隧道找頂排險后，及時對隧道拱頂、掌子面進行素噴，形成臨時支護體系。⑶在隧道超前小導(dǎo)管支護前，先對拱頂進行噴射混凝土，保障拱頂穩(wěn)定，超前小導(dǎo)管位置根據(jù)需要進行預(yù)留。⑷在現(xiàn)場施工過程中，可以根據(jù)現(xiàn)場條件進行臨時調(diào)整，以確保隧道安全為目標(biāo)。2.4下穿機場道段的施工工藝2.4.1注漿施工工藝下穿機場道段的地質(zhì)圍巖為均勻的土質(zhì)，現(xiàn)場實地勘查后，巖土的含砂量優(yōu)于下穿107國道段，且土體的黏聚性較強。設(shè)計采用的水泥+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)隧道注漿加固長度、隧道斷面和注漿擴散的有效范圍，采用階梯式的注漿管組合注漿加固。隧道注漿加固要求長度9m,注漿擴散有效寬度1.2m,注漿壓力有效管控長度為3%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鉆機就位注漿鉆機結(jié)合隧道圍巖全部為土質(zhì)的特點，為提升鉆進效率，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)單孔注漿擴散范圍調(diào)整，砂質(zhì)亞黏土的擴散范圍為1.2%鉆孔的布置采用3m、6m.9m鉆孔交錯布置，綜合注漿擴散范圍的限制，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L2%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行封閉（纏一層即可），保障注漿管安裝過程中，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，進行注漿施工前，一定在隧道的區(qū)段注漿的最低點位置，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。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行作業(yè)，注漿壓力控制在0.8?1.5MPa,以保障達到注漿加固效果