地表超前預注漿技術在隧道淺埋破碎地層中的應用

張紅榮

（陽泉市道路橋梁有限公司，山西 陽泉 045000）

隧道施工在我國已經進行多年，已經形成了一套比較嚴密的施工技術規范，但是在一些地質情況復雜的區域，施工方法還有待于進一步的研究，例如淺埋段破碎巖層，有的在洞內超前注漿加固，有的在洞內施做超前管棚或超前小導管，但這些方法不但對工期有較大影響，而且工程費用較高，故本文將介紹一個既不影響工期，又比較經濟的施工方法。即采用地表注漿加固，這種方法可以在隧道未施工到該區域時提前施工，不影響工期，同時，地表注漿施工較為容易，注漿區域易于控制，能較好地節省施工費用。

1 淺埋段圍巖注漿加固的意義及作用

淺埋段隧道的圍巖一般較差，圍巖呈碎塊狀，且較松散。隧道開挖后，圍巖自穩時間短，初支支護未施工或者正在施工時，容易發生坍塌，會造成人員傷亡及機械損壞。因此，在隧道開挖前，必須對隧道前方的圍巖進行有效的加固處治，使松散破碎的巖層形成一個整體，以保證隧道開挖到此時，能安全、快速地穿過。注漿加固對淺埋段的隧道施工有重要的意義。

2 圍巖加固后巖土體強度增長的原理

巖土介質在被注漿后，不管是水泥漿液還是化學漿液，都要依靠漿液的滲透凝膠把土顆粒黏結在一起，以此來充填巖土的孔隙，使巖土體密實度增加；同時，漿液在化學反應過程中，某些化學劑與巖土中的元素進行離子交換形成了新的物質，這都增加了固結后巖土體的黏聚力。強度增長的原理可用公式（1）、公式（2）表示：

注漿前的無黏性土的抗剪強度（τf）為：τf=tanφ，（1）

注漿后的抗剪強度（τfl）為：τfl=σtanφ+c.（2）式中：σ為土體內剪切面上的法向有效應力；φ為土的內摩擦角；c為土的黏聚力。

應注意式中，注漿后的內摩擦角φ采用的是原土的內摩擦角φ，當注漿壓力過大時，土體膨脹，需考慮內摩擦角降低的影響[1]。

3 實際應用情況

3.1 工程概況

XXX隧道穿越多條斷層，且有多處淺埋地段，對施工造成了一定的安全隱患。為了確保隧道安全、快速地穿過淺埋段不良地質，須對此地段進行注漿處治。

本次注漿段為隧道右線K10+550—K10+630，長80 m，最大埋深為30 m，最小埋深為18 m，圍巖呈碎塊狀鑲嵌結構，且較松散。

3.2 XXX隧道注漿現場實施

3.2.1 注漿設備及注漿材料

注漿設備技術性能以及數量必須滿足施工需要。

注漿材料采用325硅酸鹽水泥及35～40 Be的中性水玻璃。漿液為水泥+水玻璃的雙液漿，可加入適量速凝劑，當遇到注漿量較大時，可先用粗骨料填充。根據壓水試驗，適當選擇漿液的濃度及水玻璃的用量。水灰比采用0.5∶1～1，水玻璃用量一般是水泥漿重量的10%～15%，這樣就控制了凝膠時間。具體水玻璃的用量可在施工中根據實際情況進行調整。

在正式施工前，應按施工時使用的水泥、水玻璃在實驗室做漿液配合比試驗，試驗內容應包括每立方米干料含量、漿液濃度、最終凝固時間、結實率、試塊無側限抗壓強度等。

因此，根據現場試驗配合比及設備所能達到的參數要求，決定雙漿液采用水灰比為0.8∶1，水玻璃和水泥的質量比為15%。

3.2.2 注漿范圍

注漿范圍根據該隧道淺埋段的圍巖破碎程度以及裂地發育情況綜合考慮[2]。

本次地表注漿加固的范圍為K10+550—K10+630段，共計80 m，豎向范圍隧道拱頂以上15 m到隧底5 m，橫向為隧道兩側4 m。

3.2.3 注漿半徑及注漿孔的布設

3.2.3.1 注漿半徑

對隧道進行注漿設計時，由于受地質情況的綜合影響，導致我們很難經過公式準確地計算注漿的擴散半徑，現實中，我們一般通過做注漿試驗確定擴散半徑，本次的擴散半徑為1.3 m。

3.2.3.2 注漿孔的布置

注漿孔周邊設計帷幕注漿孔，孔間距為2.5 m。中部孔位按梅花形布置。

3.2.4 注漿次序和注漿壓力

XXX隧道注漿以封堵地下水和加固隧道為目的，總體注漿的順序為：先進行周邊帷幕注漿，再從低處往高處注漿，并且采用隨鉆隨注分段大間距跳孔的注漿方式，這樣能保證每一注漿孔都是充分的注滿，還能防止同步注漿時發生的跑漿。當遇到襯砌背后空腔較大時，應先用粗骨料填充再用漿液加固。

考慮到圍巖的破碎程度，注漿壓力為1～3 MPa。

3.2.5 施工要點

a）注漿開始前必須對注漿材料及機械器具等進行檢查，滿足設計要求后方可開始施工。

b）在注漿過程中，必須詳細記錄注漿各項參數的變化，例如注漿壓力、注漿量等。

c）當單孔的注漿量很大時，同時注漿壓力在不斷增大時，以單孔注漿量作為結束標準；當單孔注漿量較小時，以注漿壓力來作為結束標準。

d）在進行鉆孔時，在鉆桿下降、升起時，一定控制好鉆桿的方向。

e）在注漿過程中，工作人員請勿靠近注漿孔，防止注漿管破裂造成人員傷亡。

4 結論

a）通過地表超前預注漿，隧道開挖前方的地層得到了較好的加固，對隧道的安全掘進提供了較好的保障。

b）針對不同隧道淺埋的地質情況，可設計不同的注漿方式。

c）針對不同的地質情況，采用不同的注漿材料，如在含水量較大的地層，水玻璃的量可適當加大。

d）在注漿時，根據實際情況，可適當提高注漿的壓力，以便注漿效果更好。

e）如果地表地形受到限制，不易進行注漿加固，或注漿效果有限。這時可在洞內采用超前預注漿，或者超前管棚或小導管進行預加固。

f）注漿完成后，清理施工產生的建筑垃圾，注意對周邊環境的保護。