隧道淺埋段地表深層注漿施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：針對(duì)隧道淺埋段拱頂沉降變形嚴(yán)重，影響到隧道工程質(zhì)量和安全的問題，提出隧道淺埋段地表深層注漿施工關(guān)鍵技術(shù)研究。以新屋隧道工程為工程背景，結(jié)合該工程實(shí)際情況，采用梅花孔方式對(duì)注漿孔布設(shè)，孔位間距為180mm。采用深層鉆孔技術(shù)對(duì)淺埋段地表開展鉆孔施工，利用玻璃水與水泥配制漿液，將漿液注入到孔內(nèi)，并做封孔處理，以此完成隧道淺埋段地表深層注漿施工。對(duì)注漿段與未注漿段隧道拱頂沉降進(jìn)行檢測(cè)，注漿段隧道拱頂沉降量與沉降速率小于未注漿段，具有良好的加固效果。

關(guān)鍵詞：淺埋段地表；深層注漿施工；沉降變形；梅花孔；鉆孔

0 " 引言

隨隧道淺埋段地質(zhì)條件比較復(fù)雜，相對(duì)于其他地段地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，其主要具有以下4個(gè)特點(diǎn)：第一，隧道淺埋段巖體多為厚度比較薄且硬度較低的巖體，以石灰?guī)r、泥巖以及砂巖巖體居多，巖體狀態(tài)主要呈現(xiàn)碎裂狀態(tài)。第二，隧道淺埋段土層厚度不夠，且風(fēng)化比較嚴(yán)重。第三，隧道淺埋層區(qū)域地下水位比較高，地下水量比較大，導(dǎo)致地質(zhì)結(jié)構(gòu)自穩(wěn)性比較低。第四，淺埋層區(qū)域埋深比較小，該區(qū)域容易發(fā)生隧道坍塌、冒頂?shù)仁鹿剩瑖?yán)重威脅到隧道安全性與穩(wěn)定性。因此對(duì)隧道淺埋段地表加固是非常有必要的。

深層注漿是隧道淺埋段地表加固手段之一，具有成本低、工期短、效果好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到橋梁、公路、隧道建設(shè)工程中。但是國內(nèi)關(guān)于隧道淺埋段地表深層注漿施工研究起步比較晚，相關(guān)技術(shù)與理論還不夠成熟，并且相比較國外當(dāng)前施工技術(shù)水平還存在較大的差距。雖然近幾年該項(xiàng)技術(shù)受到了研究領(lǐng)域重視，相關(guān)學(xué)者與專家開展了一系列研究，提出了一些施工工藝和思路，但是在實(shí)際施工中一些關(guān)鍵技術(shù)仍存在一些不足，無法達(dá)到預(yù)期的施工效果，為此本文對(duì)隧道淺埋段地表深層注漿施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

1 " 工程概況

本次研究以新屋隧道工程為工程背景，該隧道拱頂高程為4.65m，隧道寬度為11.36m，隧道埋深范圍為3.14～10.69m線路呈“M”形狀縱坡。隧道部分線路位于淺埋段，地下水位為12.15m。該區(qū)域埋深比較小，平均埋深僅為5.36m，近幾年內(nèi)該區(qū)域經(jīng)常發(fā)生塌方、突水等事故，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1562.24萬元。為了提高隧道穩(wěn)定性和安全性，特決定對(duì)淺埋段地表進(jìn)行深層注漿施工，以加固隧道淺埋段巖土體強(qiáng)度。

2 " 地表深層注漿施工要點(diǎn)

2.1 " 注漿孔布設(shè)

注漿孔布設(shè)是注漿施工的關(guān)鍵技術(shù)之一，此次結(jié)合該工程實(shí)際地質(zhì)情況，和淺埋段地表深層注漿加固需求，采用梅花樁布孔方式對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)注漿孔進(jìn)行布設(shè)。隧道淺埋段地表深層注漿孔布設(shè)剖面如圖1所示。

如圖1所示，水平方向兩個(gè)相鄰注漿孔距離為180mm。在隧道中線上方布設(shè)一個(gè)注漿孔，由中心向四方呈梅花形狀分布，垂直方向兩個(gè)相鄰注漿孔距離為200mm[1]。4個(gè)注漿孔形成一個(gè)矩形，在矩形中心處布設(shè)一個(gè)注漿孔，從而形成一個(gè)梅花狀。

2.2 " 深層鉆孔

根據(jù)注漿孔布設(shè)，采用OFHA-48CA4鉆機(jī)對(duì)隧道淺埋段地表深層鉆孔。將鉆機(jī)回轉(zhuǎn)角度設(shè)定為360°，爬坡能力設(shè)定為45°，最大扭矩為10000N·m。漿液進(jìn)入到孔內(nèi)向四周擴(kuò)散，將淺埋段地表巖體裂縫填滿，從而達(dá)到注漿加固的效果[2]。而孔徑大小直接關(guān)系淺埋段地表深層注漿加固效果，因此在鉆孔過程中要嚴(yán)格把控孔徑大小，其計(jì)算公式為：

（1）

式中：h表示注漿孔徑；u表示漿液擴(kuò)散半徑；o表示注漿孔間距[3]。

鉆孔順序同樣采用先中心后四周的順序，首先選取與隧道中線重合的注漿孔。在鉆孔過程中要控制鉆孔速率，轉(zhuǎn)速過快會(huì)容易出現(xiàn)鉆孔誤差，而轉(zhuǎn)速過慢會(huì)降低施工效率。結(jié)合實(shí)際需求，鉆孔深度為孔底與隧道拱頂保持0.5m距離，以防鉆孔施工對(duì)隧道混凝土結(jié)構(gòu)造成損壞。

為了保證鉆孔施工質(zhì)量，在鉆孔過程中使用IYFR-A487型全站儀對(duì)鉆孔垂直度誤差測(cè)量。相關(guān)規(guī)范要求，鉆孔垂直度誤差不能超過1.25%，將其作為質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)檢測(cè)到鉆孔垂直度誤差超出規(guī)定范圍時(shí)，要調(diào)整鉆孔方向。鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，將鉆桿緩慢拔出，并對(duì)孔內(nèi)碎石等雜質(zhì)進(jìn)行清理，然后按照以上流程對(duì)下一個(gè)孔位鉆孔。

2.3 " 地表注漿

鉆孔完成之后，利用水泥、水玻璃、水等材料配制漿液。根據(jù)該工程地質(zhì)情況，此次采用U.262.R2普通碳酸鹽水泥、IYIFA2.36水玻璃，水玻璃的作用是加速漿液凝固速度。將水泥、水和水玻璃按照3：2：1的比例配制成漿液[4]。在配制過程中要使3種材料均勻，攪拌時(shí)間最好為10～15min。

將配制好的漿液倒入IYFA注漿管中。該注漿管材質(zhì)為鋼，直徑為43.26mm，將其伸入到鉆孔內(nèi)，采用由下至上的方式注漿。這種方式注漿相比較傳統(tǒng)的由上至下前進(jìn)式注漿方式，漿液穩(wěn)定性更高。在注漿過程中，使?jié){液可以更少地接觸到空氣，減小漿液孔隙率[5]。

漿液中水玻璃模數(shù)和濃度會(huì)影響到漿液性能，該兩個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式為：

（2）

式中：U表示水玻璃模數(shù)；p表示無水二氧化硅分子數(shù)；x表示氧化鈉分子數(shù)；Y表示水玻璃的濃度；O表示波美度[6]。

當(dāng)水玻璃的模數(shù)在2.4～3.4之間，濃度在35%～45%時(shí)開始注漿。要根據(jù)不同區(qū)域地質(zhì)情況，確定注漿量，其計(jì)算公式為：

F=cnX " " " " " " " " " （3）

式中：F表示鉆孔注漿量；c表示設(shè)計(jì)的注漿體積；n表示水泥砂漿損失系數(shù)，通常情況下該系數(shù)取值為0.01；X表示隧道淺埋段地表土的孔隙率[7]。

嚴(yán)格把控各個(gè)孔的注漿量，同時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)注漿壓力參數(shù)合理設(shè)計(jì)與控制，現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力不能超出允許限值，該最大容許值計(jì)算公式為：

V=v+q1q2S " " " " " " " " （4）

式中：V表示容許注漿壓力值，即最大注漿壓力限值；v表示容許注漿壓力初值；q1、q2分別為隧道淺埋段地表深層注漿方法與次數(shù)系數(shù)；S表示注漿段隧道最小埋深。根據(jù)地表巖性，確定各個(gè)參數(shù)，具體如表1所示。

根據(jù)施工地區(qū)巖性，選擇計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出注漿容許壓力。在注漿過程中，將注漿壓力控制在容許壓力上下不超過0.05MPa。采用先中間后四周的順序注漿，孔內(nèi)注滿漿液后對(duì)其進(jìn)行封孔，防止雜物進(jìn)入到漿液內(nèi)，影響深層注漿質(zhì)量，以此完成隧道淺埋段地表深層注漿施工。

3 " 施工效果檢驗(yàn)

地表深層注漿的目的是減小隧道拱頂沉降變形，對(duì)隧道基礎(chǔ)加固。為了檢驗(yàn)以上提出的淺埋段地表深層注漿施工技術(shù)方案實(shí)踐效果，對(duì)注漿段拱頂沉降情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)隧道拱頂沉降變形情況，評(píng)價(jià)施工效果。

為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的說明性，選擇未注漿段作為對(duì)比。實(shí)驗(yàn)在注漿段與未注漿段各設(shè)定10個(gè)測(cè)點(diǎn)，每隔10天使用IHFA-A4F87型全站儀測(cè)量一次各個(gè)測(cè)點(diǎn)處隧道拱頂高程。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量3次，取3次測(cè)量平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用電子表格記錄70d注漿段與未注漿段隧道拱頂累計(jì)沉降和沉降速率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

相關(guān)規(guī)范規(guī)定，隧道拱頂沉降變形不得超過500mm，沉降速率不能大于5.15mm/d。從表2可以看出，注漿段隧道拱頂累計(jì)沉降僅為36.69mm，符合規(guī)范要求，并且比未注漿段累計(jì)沉降小近850mm。

分析認(rèn)為，此次采用了深層注漿技術(shù)，漿液通過鉆孔滲透到淺埋地段地表，增加了地表巖土抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度，從而增加了隧道基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，使隧道拱頂沉降變形比較?。辉诔两邓俾史矫?，注漿段平均沉降速率為0.46mm/d，比未注漿段小11.63mm/d，并在規(guī)定范圍內(nèi)，符合規(guī)范要求，說明本次提出的淺埋段地表深層注漿施工技術(shù)方案具有良好的加固效果。

4 " 結(jié)束語

此次結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)以及實(shí)際工程案例，對(duì)隧道淺埋段地表深層注漿施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探究，梳理了深層注漿施工流程，對(duì)注漿施工中的注漿孔布設(shè)、鉆孔、漿液配制以及現(xiàn)場(chǎng)注漿等技術(shù)進(jìn)行了分析。此次研究對(duì)提高淺埋段地表深層注漿施工技術(shù)水平，解決隧道淺埋段拱頂沉降變形問題，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

但由于此次研究時(shí)間有限，僅為施工中個(gè)別技術(shù)進(jìn)行了研究，在研究?jī)?nèi)容方面可能存在一些不足之處，今后會(huì)對(duì)施工中其他關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為隧道淺埋段地表深層注漿施工提供有力的理論支撐。

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