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(zhèn)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(fā)現掌子面底部出現少量涌水問題，持續(xù)掘進突發(fā)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?guī)r地段，存在多處斷裂發(fā)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(wěn)，部分位置屬于強風化到全風化，多為軟巖，存在極發(fā)育節(jié)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(fā)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(wěn)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?jié){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(huán)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?jié){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(yè)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(huán)方式進行注漿加固施工，每個單循環(huán)長25 m，開挖長20～30 m，完成3～5 m止?jié){盤預留，以實現下一注漿循環(huán)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(huán)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?jié){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(qū)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(yè)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(xù)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(huán)，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(yè)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(xù)注漿。反復循環(huán)，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(wěn)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(xù)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(fā)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(fā)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(yè)軟件按成加固段數值模擬分析，利用geog-rid單元實現旋噴區(qū)、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(fā)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(wěn)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(wěn)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(huán)節(jié)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。