縱環向注漿聯合支護技術在滑坡體黃土隧道中的應用

許淑珍,董 鵬

(中鐵七局集團第一工程有限公司,河南洛陽 471001)

1 工程概況

青蘭高速公路青皮塔隧道為左右四車道分離式隧道,采用削竹式洞門。左線長625 m,右線長630 m,位于陜西黃龍山原始森林黃土梁峁溝壑區,上部為新黃土,植被發育,降水量豐富,下部出露三疊系上統瓦窯堡組砂巖、泥巖。隧道進口處位于山體斜坡上,洞口段為Ⅴ級淺埋偏壓段。左線進口段處于100 m寬的滑坡段。該段土體松散,含水率達30%,基底承載力小,在170～200 kPa。圍巖穩定性極差,成洞困難。該隧道黃土入口及滑坡段施工采用縱向超前小導管預注漿與拱架支護方案,在LK75+145～LK75+181處出現了拱頂下沉變形現象、水平收斂速率超限,嚴重影響了施工安全和質量。

2 拱頂下沉原因分析

(1)拱頂覆蓋土體上部為新黃土,植被發育,降水量豐富,下部為三疊系上統瓦窯堡組砂巖、泥巖,呈散體狀結構,埋深淺,成洞困難。

(2)隧道進口段處于100 m寬的滑坡段,圍巖穩定性差。

(3)受雨水下滲影響,圍巖自重加大,巖體整體性差,承載力下降。

(4)采用原設計縱向超前小導管預注漿與拱架支護方案,不能達到預期質量效果。

3 拱頂下沉處理方案

(1)對拱頂局部下沉部位按Ⅴ級圍巖小塌方先支后清原則進行處理。

(2)將地表裂縫填平夯實,在裂縫外側設置混凝土截水溝,同時做好防水措施,將水引排至隧址區以外,防止地表水及雨水滲入。

(3)對變形下沉段進行換拱處理,拱腳加設注漿導管擴大拱腳,代替鎖腳錨桿,采用雙層鋼筋網,拱頂布設縱向、徑向鋼花管注水泥-水玻璃雙液漿,進行縱環向注漿加固。拱頂地面裂縫及下沉部位采用人工填土分層夯實。

(4)滑坡段圍巖開挖前在縱向超前小導管預注漿基礎上增加徑環向注漿,設置加密型鋼拱架,將縱、徑向注漿管端與拱架焊為一體,掛網錨噴C25混凝土,抑制拱頂下沉、周邊收斂,確保施工質量和安全。

(5)加強洞內外監控量測工作,及時反饋信息指導施工,為修正設計參數提供依據。

4 施工原理

通過安裝縱向超前小導管和徑向注漿導管壓注水泥-水玻璃雙液漿,使漿液通過小導管滲透、擴散到地層空隙或裂隙中,水玻璃與添加物發生化學反應,其生成物填充土壤孔隙并起膠粘作用,提高土體的密實程度,加固黃土類松散圍巖,提高了土體自穩能力,限制了其松弛變形,有效控制了拱頂下沉、周邊收斂等不穩定因素。由縱向、徑向小導管，固結土體，型鋼拱架結合形成聯合支護體系。

5 聯合支護施工工藝

聯合支護施工工藝：開挖→初噴開挖面,噴2～3 cm厚混凝土→安裝縱向超前小導管(長4.5 m,間距30 cm)→注雙液漿→安裝徑向注漿管L=4.0 m,間距100 cm×100 cm(環向×縱向)→注雙液漿→安裝小導管代替錨桿、網片、拱架,將縱徑向導管與拱架焊為一體→噴射C20早強混凝土→下一榀拱架安裝。

6 確定工藝參數

6.1 注漿參數的確定

(1)長度與外插角：超前小導管縱向插入傾角為6°～15°；徑向注漿管用φ50 mm無縫鋼管,長4.5 m,前端成尖狀,用風鉆鉆孔徑向垂直插入圍巖。

(2)導管搭接長度：縱向小導管搭接水平長度根據漿液擴散半徑和圍巖固結厚度確定,一般不小于1 m。

(3)注漿壓力由土層密實度決定,一般為0.5～1.0 MPa,終壓達到1.0 MPa時,持續壓注5 min,壓漿機采用BW-250型。

(4)水泥-水玻璃雙液漿：水泥漿與水玻璃體積比1∶0.5；水泥漿水灰比1∶1；水玻璃濃度35 Be′,模數2.4；注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa,終壓1.0 MPa。漿液膠凝時間控制在30 min。

(5)單孔注漿量

Q=λπR2Lηβ

式中，λ為漿液損失系數,取1.1～1.2；R為漿液擴散半徑,取0.8～1.2 m；L為注漿長度,即注漿管鉆孔的有效長度,約4 m；η為巖層孔隙率,根據工程試驗確定；β為漿液有效充填系數,取0.6～0.8；經計算，每根注漿管單孔最大注漿量為0.3～0.4 m3。

6.2 注漿工藝試驗

(1)注水試驗。為了檢查止漿效果和測定鉆孔的吸水量,在第一次注漿前或圍巖變化后,核實巖層的透水性,進行注水試驗,將清水壓注入巖層,目的在于為確定注漿量、注漿壓力和漿液配比提供參考數據。

(2)試注確定單孔注漿量。在初次注漿前或圍巖地質水文條件變化時應進行注漿試驗,以核實注漿參數,如注漿壓力、進漿速度、單孔注漿量等。本工程施工中小導管單孔注漿量最大確定為0.3～0.4 m3。

(3)進漿速度試驗。通過試驗,確定小導管注漿最大速度不超過100 L/min。具體應根據試驗或實際情況而定。注漿參數避免出現大進漿量。

7 聯合支護體施工要點

7.1 超前導管布置

(1)超前導管布置沿開挖輪廓布置,一般采用單排管,處理塌方或巖體過于松散或巖體含水量大時采用雙排管(圖1、圖2)

圖1 鋼拱架及小導管平面布置(單位：cm)

圖2 超前小導管立面布置(單位：cm)

7.2 徑向注漿管布置(圖3)

其中上臺階拱架鎖腳4根,下臺階鎖腳4根,注漿管間隔1 m安裝一環。

圖3 徑向注漿管布置(單位：cm)

7.3 鋼拱架布設

鋼拱架采用I20型鋼,鋼拱架縱向間距50 cm，上半斷面鋼拱架拱腳每側加設4根3 m長φ50 mm鎖腳注漿導管,下半斷面鋼拱架每側加設2根3 m長φ50 mm鎖腳注漿導管,用鎖腳注漿導管取代原設計方案中的鎖腳錨桿,擴大拱腳25 cm,及時封閉成環(每2 m)；用C25網噴混凝土封閉掌子面20 cm厚,鋼筋網采用20 cm×20 cmφ8 mm雙層鋼筋網。根據監控量測情況確定是否加設臨時仰拱。

7.4 注漿施工設備

(1)注漿設備。雙液注漿的設備主要有注漿泵、攪拌機、貯漿桶等。將注漿所有設備安裝在可移動的車輛上成為移動泵站,可緊靠作業面,具有輸漿管路短、漿液損失小、聯絡方便,注漿結束移離方便等優點。

(2)鉆孔設備。利用現有的風鉆,去掉風鉆的旋轉葉片即可得到較為理想的沖擊動力,將沖擊錘桿一端的釬尾部分卡入改制過的風鉆內,另一端先套上沖擊錘，再穿入注漿導管末端,開動風鉆鉆孔打入。

(3)注漿導管制作。超前小導管和徑向注漿導管采用提前選定的鋼管制成,沿桿體每15 cm鉆一φ8 mm孔,四周梅花形布置出漿孔,端封閉并制成尖狀,鉆孔采用鑿巖機施作,當圍巖松軟時,用錘擊直接打入。超前小導管大樣如圖4所示。

圖4 超前小導管大樣(單位：cm)

7.5 監控量測

(1)在滑坡帶地段,沿隧道中線在地表每5 m設1個下沉觀測樁,洞內拱頂也同樣對應地表每5 m設1個下沉觀測樁。以便監測在更換鋼拱架及下臺階、仰拱開挖時縱向沉降變化規律。

(2)沿隧道寬度方向設置2組橫向地表下沉觀測樁,每組樁間距2 m,每側布設寬度為8 m,以便監測在更換鋼拱架及下臺階、仰拱開挖時橫向沉降變化規律。

(3)地表沉降觀測每天采用水準儀觀測2次,根據變化數據分析是否增加量測頻次。

(4)洞內水平收斂量測對應地表縱向下沉觀測樁位置布設,每天采用收斂儀量測2次,根據變化數據分析是否增加量測頻次。

(5)施工中,量測監控組按照規范要求對周邊收斂和拱頂下沉量進行了量測,由表1、表2中量測結果可以看出，對黃土滑坡體隧道圍巖采用該支護方案能夠滿足《公路隧道施工技術細則》要求。

7.6 施工注意事項

(1)應合理組織勞動力、搭配技術力量、機械等,保證有序施工。

注：各點的量測作業均為從持續到變形基本穩定,相對收斂為0 mm后,在以1次/7d的量測頻率測3周后結束。

表2 拱頂下沉測量成果匯總

注：各點的量測作業均為從持續到變形基本穩定,相對沉降為0 mm后,在以1次/7 d的量測頻率測3周后結束。

(2)堅持“先排水、短進尺、快支護、早封閉、勤量測”原則,根據量測數據科學有效指導施工。

(3)嚴格按試驗參數進行注漿,隨時檢查注漿效果和地質情況,達不到要求應重新進行補注或調整,搞好常流地下水的引排。

(4)注漿前應試泵和泵管,以確保注漿系統正常和施作人員安全。

(5)注漿初期,孔的吸漿量大,要嚴格按合適比例進行雙液注漿,控制擴散范圍,以降低材料消耗和提高堵水效果。

(6)當泵壓不變進漿量很大、發生跑漿時,可暫停,不能超過漿液凝膠時間,以防漿液在管中凝結堵管,或調整漿液濃度和配比,縮短凝膠時間,進行小泵量、低壓力注漿。

(7)根據巖層裂隙發育情況變換漿液濃度。先壓注稀漿,持續壓入一定數量,將巖層中的細裂隙充填壓好,后變換濃漿,壓注充填中等或較大的裂隙。若漿液變濃后,進漿速度明顯放慢,或泵壓力顯著升高,則說明濃度不當,應換原漿繼續壓注。

7.7 結束注漿的標準

注漿結束標準以單孔注入量或注漿終壓持續時間為準。當注漿壓力達到設計終壓或單孔注入量達到最大注入量,均可結束該孔注漿。注完漿的鋼管要立即堵塞孔口,防止漿液外流。

8 結語

在青蘭高速第七合同段滑坡帶黃土隧道施工中,采用縱、徑向導管預注漿聯合支護方法,能將松散黃土土體加固為為膠結體,改善了圍巖土體的力學性能,提高了圍巖類別,并使固結松散體和導管、鋼拱支撐形成三維支護體系,有效地抑制了拱頂下沉、周邊收斂,大大提高了開挖速度,順利穿過了滑坡段,保證了施工安全和質量,取得了較好的技術、經濟效果。

[1]中交第一公路工程局有限公司.JTGF60—2009 公路隧道施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]中交第一公路工程局有限公司.JTG/T F60—2009 公路隧道施工技術細則[S].北京：人民交通出版社，2009.

[3]鐵道部隧道工程局.1991年鐵道部部級工法.(TLEJGF—91—11)，粉細砂層改性水玻璃注漿工法[Z].北京：1991.

[4]鐵道部隧道工程局.1991年鐵道部部級工法，雙線隧道富水軟弱破碎圍巖大斷面工法[Z].北京：1991.

[5]鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊·隧道(下冊)[M].北京：中國鐵道出版社，2004.

[6]史趙鵬.偏壓超淺埋大斷面黃土隧道施工技術[J].鐵道建筑，2010(5).

[7]孫海洲.富水黃土隧道施工技術[J].山西建筑，2010(4).