隧道地層施工中注漿預加固技術的應用

陳鈺斌

（中鐵二十局集團第一工程有限公司,江蘇 蘇州 215000）

引言

隨著城市經濟、文化的不斷發展,隧道成為當前主要交通設施,在城市交通系統中發揮著不可代替的作用。在隧道地層施工中需要采取有效手段,對隧道地層進行加固,提高隧道整體穩定性,防止周圍巖土體位移和下沉。但由于國內隧道建設起步比較晚,相關施工技術和方法理論還不夠成熟,雖然近幾年隧道地層加固受到了學者和專家的關注,并取得了一些研究成果,但是至今沒有形成一套系統的隧道地層加固施工方法,在實際項目中施工質量難以達標,施工后隧道位移和下沉量較大,現有的隧道地層施工方法和技術還存在較大的提升空間,為此提出隧道地層施工中注漿預加固技術的應用。

1 工程概述

以某隧道地層施工項目為例,針對該工程實際情況開展注漿預加固施工。該隧道長度總長為2 648.66 m,寬度為8.46 m,隧道的上半斷面位于軟流塑地層,地層含水豐富,穩定性較差。隧道地層開挖施工采用分層法,并且預計穿過126 m 淤泥質黏土層以及164 m 的粉質黏土層,該隧道工程地質性質較差,但是地層沒有發生腐蝕現象。該隧道地層主要包含5層土體,自上而下依次為人工填土層、淤泥質黏土層、粉質黏土層、灰褐色軟流粉質粘土層以及灰色粉質粘土層,工程地層土體物理學參數見表1。

表1 工程地層土體物理學參數表

考慮到該隧道地層巖土結構極不穩定,在無支護條件下隧道地層巖土自穩能力較差,會影響到隧道施工質量和安全。根據該隧道工程實際情況,決定應用注漿預加固技術,對隧道地層進行加固處理,增強隧道地層巖土體抗剪強度,避免出現隧道位移和下沉。

2 基于注漿預加固技術的隧道地層施工

2.1 施工準備

為了保證隧道地層注漿預加固施工質量,在施工前需要做好準備工作,主要包括施工現場清理、準備關鍵的施工設備以及材料[1]。在人員與設備和材料未進場之前,將隧道地層施工現場的生活垃圾、碎石料等清理干凈,并利用測量儀器對隧道地層進行詳細測量,收集相關數據信息[2]。隧道地層注漿預加固施工涉及到鉆孔、封孔等工藝,根據該隧道地層施工需求,準備一套旋噴設備,其型號為IGDF-4544 旋噴式注漿機,準備一臺型號為FHAFT/565AF 電焊機,一臺型號為 HIFAT-454F45 立式鉆機, 一臺型號為OIYDF-46744 鉆頭,并且還需要準備50 個規格為160 mm×15 mm 套管鋼管[3]。根據說明書以及使用規則,對所有施工設備功能進行校準,同時根據材料質量檢驗標準,隨機抽查5 個套管鋼管質量,檢驗其是否符合隧道地層施工要求。

2.2 布孔及鉆進

考慮到該隧道地層支護樁基礎直徑為2.5 m,在支護樁圓周上布置孔位,相鄰兩個孔圓心間距35 mm。根據注漿孔位設計圖,利用HIFAT-454F45 立式鉆機和OIYDF-46744 鉆頭開展鉆孔施工,利用鋼管套管對鉆機鉆孔進行定位和導向,令鉆桿與隧道地層垂直,當鋼管套管垂直度不滿足要求時,需要及時糾正垂度,避免其對鉆孔質量造成不良影響[4-6]。在鉆孔時需要嚴格控制鉆孔深度和鉆桿外插角等技術參數,鉆孔深度與隧道地層坍落高度以及角度有直接關系,其計算公式為

式中,L 為隧道地層注漿孔深度；H 為隧道圍巖坍落高度；為隧道圍巖坍落角度[7]。

隧道圍巖坍落高度越大,坍落角度越小,隧道地層的穩定性越高,隧道圍巖的自穩能力越強,已知該隧道的坍落高度和坍落角度,隧道地層注漿孔的深度取值范圍為4.5 m～6.5 m[8]。鉆桿的外插角度主要與注漿孔深度、注漿半徑有關,其計算公式為

式中,α 為鉆桿的外插角度；r 為隧道地層注漿半徑。

根據該工程實際情況,隧道地層注漿半徑為0.45 m,根據上述公式計算可以得到鉆桿外插角范圍為6.5°～9.5°[9]。令鉆頭對準套管鋼管孔位,對隧道地層進行勻速鉆進,鉆取的注漿孔偏斜不應大于0.15%,孔位偏差不應超過1.5 mm,成孔深度不應超過設計深度的0.35 m。鉆孔完成后將孔內的碎石料清理干凈,待后續高壓注漿。

2.3 砂漿制備

砂漿是隧道地層注漿預加固施工的關鍵施工材料,其直接關系到隧道地層施工質量,以及最終的注漿預加固效果,注漿預加固技術主要是通過向隧道地層圍巖內注入人工配制的漿液,改變隧道地層圍巖物理性能和應力狀態,從而達到加固的目的。漿液制備的原材料主要為水泥、水、石灰、添加劑,常用的添加劑為磷酸- 水玻璃,根據該隧道工程地層土體物理學參數,設計四個原材料比例為3：2：1：1,使用的水泥為36.4 普通硅酸鹽水泥。在砂漿制備之前,需要配制添加劑,即磷酸- 水玻璃,將工業磷酸與水玻璃按照1:1的比例放入到容器中,對其進行充分攪拌,攪拌時間為10 min～15 min,環境溫度為25℃～30℃,水玻璃與磷酸接觸后,發生化學反應,形成酸性水玻璃凝膠。將配制好的磷酸- 水玻璃倒入混凝土攪拌機中,與水泥、石灰以及水一起攪拌,攪拌時間為25 min～30 min,酸性水玻璃凝膠的添加會增加水泥砂漿的粘稠度,降低水泥砂漿的孔隙率。將制備好的漿液放在背陰環境下備用。

2.4 注漿預加固施工

根據注漿孔規格制作出配套的小導管,小導管的材料為N35 鋼材,在小導管的管壁鉆取直徑為4.5 mm～6.5 mm 的小孔,孔的間距控制在3.5 cm～6.5 cm范圍內,小導管出漿孔布置示意圖見圖1。

圖1 小導管出漿孔布置示意圖

如圖1 所示,小導管壁上的孔并非遍布管身,其主要集中在中間部位,從管頭一側100 cm 處開始鉆孔,距離另一端60 cm 處停止布孔,該孔的作用是使漿液滲透到隧道地層圍巖內。將制作好的小導管下放到注漿孔內,并且將制備好的漿液放入到IGDF-4544旋噴式注漿機內,根據該隧道地層注漿預加固需求,將注漿機的注漿壓力設定為24.54 MPa,注漿量設定為880 kg/m3,噴嘴直徑設定為2.64 mm,旋轉角設定為360°,提升速度設定為16.62 cm/min。

2.5 孔口補漿及封孔

高壓旋噴注漿施工完成后,將注漿噴頭提出,小導管內并非需要全部注滿漿液,當漿液注入與隧道地層平行時,停止注漿,此時使用木棍或者其他工具攪拌小導管內漿液,排出漿液內的空氣和氣泡,攪拌時間至少5 min。如果發現攪拌后漿液有所下沉,需要由人工及時進行注漿,再次將漿液補充到與隧道地層持平。隨后利用型號為HIFHA-5474 封孔器對注漿孔進行封孔,壓密注漿加固示意圖見圖2。

圖2 壓密注漿加固示意圖

如圖2 所示,漿液被封鎖在小導管內,受到管內壓力作用,漿液從小導管壁上的孔滲透到隧道地層圍巖內,通過不斷擴散形成漿泡,填補隧道地層內部的縫隙。隨著漿液的不斷擴散,促使隧道地層圍巖形成二次應力狀態,改變隧道圍巖的物理力學性能,提高隧道地層圍巖的內摩擦角、彈性模量,減小隧道圍巖的泊松比,形成一個注漿預加固層,從而起到隧道地層承載拱的作用。

3 實驗方案及結果討論

進行隧道地層注漿預加固實驗,考慮到注漿厚度是隧道地層注漿預加固施工質量的主要影響因素,因此根據相關文獻,以及工程注漿預加固技術應用經驗,設計注漿厚度為0.35 m、0.55 m、0.85 m、1.15 m、1.45 m、1.75 m 6 種工況。對6 種工況下隧道地層圍巖物理力學性能實驗,選取隧道圍巖的抗剪強度作為驗證指標,計算出施工后隧道圍巖抗剪強度。

為了進一步檢驗處不同工況下隧道地層注漿預加固效果,利用型號為HIDF-4554 測量儀對隧道下沉量和水平位移量進行測量,利用電子表格對實驗數據進行記錄,不同注漿厚度下隧道地層加固效果對比見表2。

表2 不同注漿厚度下隧道地層加固效果對比

由表2 可知,在隧道地層施工中應用注漿預加固技術,需要嚴格控制注漿厚度技術參數,將其控制在1.15 m 左右,以此保證隧道地層注漿預加固效果,以及隧道地層施工質量。

4 結論

此次結合相關文獻資料,以及個人實踐經驗,對隧道地層施工中注漿預加固技術的應用進行了研究,通過實例分析,對隧道地層注漿預加固技術參數進行了優化,實現了對隧道地層施工技術的創新與完善,此次研究對注漿預加固技術在隧道地層施工中的廣泛應用具有一定的推廣意義,同時也為隧道地層施工中注漿預加固技術的應用提供參考依據,有助于提高隧道地層施工質量,以及保證隧道施工安全性和穩定性,此次研究具有良好的現實意義。但是由于此次研究時間有限,僅對注漿厚度一個技術參數進行了優化,在研究內容方面可能存在一些不足之處,今后還會對該課題進行深入探究,為隧道地層施工中注漿預加固技術的應用提供有力的理論支撐。