水平高壓旋噴注漿技術在淺埋隧道預支護中的應用探索

姚元章

(陜西省交通建設集團平鎮管理處，陜西 西安 710065)

1 工程概況

某隧道位于鐵路車站之間，全長616 m，出口段為表土順基巖面滑坡，上方覆土厚在7～12 m之間，埋深較小，屬于淺埋隧道，未能形成承載拱，在暗挖掘進過程中容易出現地表開裂、沉降等問題。在出口段開挖過程中，發現掌子面底部出現少量涌水問題，持續掘進突發涌泥現象，導致工程施工受到了阻礙。分析工程所在位置地質資料可知，該段屬于泥質白云巖和泥灰巖地段，存在多處斷裂發育，夾雜厚粉質黏土和砂礫混合物。隧道開挖面超出了地下水位，同時圍巖不穩，部分位置屬于強風化到全風化，多為軟巖，存在極發育節埋裂隙。如果按照工程原設計進行初期支護，容易因支護強度不足造成承載圍巖變形，從而引發支護破裂，給工程施工帶來安全威脅。

2 預支護施工方案

結合工程施工情況和地質條件，針對不良地質段還應實施全斷面水平高壓旋噴注漿加固。具體來講，就是需要在隧道開挖外輪廓周圍構成穩定固結體，通過超前大管棚剛性支護完成出口段預支護，使圍巖抗壓能力得到提高，為開挖施工順利進行提供保障。實際采用高壓旋噴注漿技術，需要結合開挖引起的掌子面松弛程度確定施工范圍，同時結合地層狀況確定樁體直徑及布置間距。此外，還應結合地質條件、開挖斷面等各種因素對樁長、注漿參數、樁體傾角等因素進行確認，從而提出科學施工方案。結合工程資料，決定在注漿前完成止漿墻施工，墻厚為2.5 m，嵌入圍巖深約1 m，利用C30混凝土進行澆筑。在周邊位置，需要完成兩排長2 m、直徑25 mm的砂漿錨桿安裝，保持1 m排距，環向間距為1.5 m。施工前，需要利用直徑108 m鋼管焊接法蘭盤進行掌子面涌水集中引排。在止漿墻周邊，需要完成長2.7 m、管徑42 mm的導管預設，數量為5根，用于對墻與支護結構間隙進行注漿封閉。施工采用大型鉆機，需要在墻后進行10 m作業平臺預留，平臺拱頂和供面保持5 m距離。施工結束后對該范圍場地進行硬化處理，在整平壓實后進行C20混凝土澆筑，厚20 cm，為鉆機移動提供便利。

在高壓旋噴注漿施工方面，需要采用循環方式進行注漿加固施工，每個單循環長25 m，開挖長20～30 m，完成3～5 m止漿盤預留，以實現下一注漿循環操作。針對出口段，需要沿著開挖外廓落線完成2圈注漿孔布設，位置在輪廓線外5 m。每次循環注漿，需要完成74個注漿孔設置，同時完成45個超前管棚孔預留。針對止漿墻后方10 m位置，需要實施徑向注漿加固，即在初期支護中完成鉆孔，孔深3 m，孔徑50 mm。結束后進行清孔，然后將長3 m、直徑42 mm無縫鋼管頂進，保持30 cm孔口外露長度，之后利用錨固劑完成孔隙填充。從整體來看，注漿孔呈梅花形布局，保持1.2 m的孔間距。針對縱面，需要從兩側開始注漿，然后在加固區完成搭接。施工采用的注漿材料為水泥—水玻璃混合漿液，需要結合實際地質條件進行材料配合比調整。

3 旋噴注漿施工

3.1 鉆孔施工

在水平高壓旋噴注漿施工過程中，需要按照方案完成測量放樣，確定鉆孔位置。如表1所示，為施工采用的注漿鉆注設備。在鉆孔作業時，將鉆機移動至鉆孔位置，使鉆頭與旋噴樁孔中心對正后，可以先以0.5 MPa壓力進行射水試驗，確認噴嘴暢通后，可以進行鉆進。采用的鉆頭直徑130 mm，按照設計外插角和孔位坐標初期應保持低速鉆進，鉆深達1.5 m，之后進行長1.5 m孔口管安裝，直徑為108 mm，厚為5 mm。實際安裝孔口管，需要利用錨固劑進行鞏固，以免漏漿問題產生。錨固后，利用直徑90 mm鉆頭持續鉆進，孔深5 m，然后安裝堵漿頭注漿。注漿結束后，需鉆進5 m，然后再次注漿，實現反復循環，直至達到設計深度。鉆孔時，可以將射水壓力從0.5 MPa提高至1 MPa，使摩擦阻力得到減小，以免出現噴嘴堵塞的情況。鉆孔作業期間，需要加強鉆壓控制，保證鉆孔角度符合要求，同時能夠破土碎巖。同時，需加強鉆進速度控制，在表土層鉆進時鉆頭線速度在2～3 m/s之間，達到軟巖層在1.7～2 m/s之間，到達礫石層應在1.6～2.4 m/s范圍內。

表1 工程施工采用水平高壓旋噴注漿鉆注設備

3.2 注漿施工

在注漿施工期間，需要采用425號普通硅酸鹽水泥，按照水泥∶水∶速凝劑=1∶1∶(0.02～0.03)比例進行漿液配置。采用的速凝劑為氯化鈣，配置時需要先在攪拌桶中放入結晶水，然后添加水泥和速凝劑，攪拌10～20 min后，將桶底閥門打開，實現0.8 mm過篩。利用泥漿泵抽出泥漿，利用0.8 mm過濾篩再次過濾后，可進入主泥漿池待用。在高壓注漿階段，需要將漿液密度控制在1.3～1.49 g/cm3范圍內，采用直徑2.9 mm噴嘴，流量為80 L/min，注漿壓力在14～24 MPa范圍內。按照由外向內、由上到下的順序，可以進行間隔跳孔注漿。采用旋噴注漿技術，利用高壓泵向鉆機輸送泥漿，在鉆桿旋轉和提升過程中，漿液將從孔底冒出，然后由下而上進行旋噴施工。在首根鉆桿從地面提出后，需要停止壓漿，直至壓力下降后將鉆桿拆除，然后直至漿液壓力達到設計值可繼續注漿。反復循環，可以將噴頭提高到樁頂位置。在注漿壓力超出設計值3～4 MPa，且穩定壓力10 min后，可結束注漿。未免樁頂凹陷，還應意識到漿液與土層混合后會凝固收縮，因此結束期間應實現1～2 min低壓補漿。施工期間，冒漿量應不超過正常量20%，否則需查明原因，對旋噴參數進行調整。旋噴期間需要連續提升鉆桿，對鉆桿進行拆卸或接長需要保證搭接長在100～200 mm之間，防止斷樁問題的發生。

3.3 管棚施工

完成注漿后，可以進行管棚施工，在完成測量放線后，按照設計位置進行開孔。在調整后鉆機角度后，可以進行引孔。大管棚安裝期間，應確保達到設計深度。完成管棚布設后，需要實施全孔一次性注漿，采用與旋噴注漿相同的材料和配合比，注漿終壓控制在2～4 MPa之間。針對加固工程，檢查旋噴質量需要保證檢查樁數達到總數5%，發現異常樁需要通過鉆取巖芯等方法確認質量是否合格。

4 施工效果分析

為確定采用上述施工方法對隧道的加固效果，還要利用FLAC3D專業軟件按成加固段數值模擬分析，利用geog-rid單元實現旋噴區、襯砌結構及圍巖模擬分析，利用shell單元模擬臨時仰拱，利用pile模擬大管棚。在對起始斷面注漿效果進行檢驗時，控制斷面分別為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m的斷面，如圖1所示，為各斷面選取的控制點。

圖1 斷面控制點(①—拱頂，②、⑧—拱肩，③、⑦—拱腰，④、⑥—拱腳，⑤—拱底)

從模擬結果來看，在加固前，8個控制點中①～⑤測點位置豎向相對位移無法達到施工要求。對比這五個測點加固前后的豎向相對位移值，如表2所示，可以發現應用水平高壓旋噴注漿技術能夠使各測點位移值有效減少，因此可以解決開挖期間圍巖失穩問題，為工程施工提供安全保障。

表2 數值模擬分析結果(%)

5 結 論

針對淺埋隧道，應用水平高壓旋噴注漿技術能夠起到改善土地固結程度和穩定圍巖的作用，所以能夠為隧道開挖掘進提供安全保障。在實踐應用過程中，還要結合工程地質條件等各方面情況實現施工方案合理設計，加強對鉆孔施工、注漿施工等各環節的控制，以便使預支護的加固效果得到保證。從施工效果來看，技術應用能夠使斷面控制點豎向相對位移降低一個數量級，因此可以滿足工程施工要求。