洞內(nèi)土體加固注漿施工技術(shù)分析

余良碧、謝向陽

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

1 工程概況

黃田站至機場東站區(qū)間線路大體呈南-北走向，南起于黃田站，北止于機場東站。區(qū)間線路沿107 國道轉(zhuǎn)入機場道，側(cè)穿空港加油站、側(cè)穿機場信息大樓地下車庫、下穿寶安大道下沉隧道、下穿既有地鐵1號線高架橋墩，沿線設(shè)置2 個礦山法施工豎井。黃田站至機場東站區(qū)間礦山法隧道穿越硬塑狀砂質(zhì)黏性土、強風化混合花崗巖、全風化混合花崗巖、中等風化混合花崗巖、微風化混合花崗巖等多種強弱交替的圍巖地層，其隧道穿越地層圍巖情況復雜、多變；加之該區(qū)間隧道線路下穿的地表建(構(gòu))筑物對地表沉降變形控制要求高等特點，本區(qū)間隧道的軟弱地質(zhì)處理成為隧道貫通的關(guān)鍵點和重難點。

2 加固施工技術(shù)工藝

2.1 施工情況分析

結(jié)合黃田站至機場東站區(qū)間隧道下穿107 國道及下穿機場道范圍的地質(zhì)圍巖情況、地下水位和地表建(構(gòu))筑物的特點，開展該范圍隧道施工時其掌子面土體的加固注漿工序分析：一是下穿107 國道段，隧道地質(zhì)圍巖呈現(xiàn)典型的“上軟下硬”的特點，隧道下臺階巖石的爆破振動，弱化了隧道上臺階圍巖的穩(wěn)定性、獨立性，致使本就松散軟弱的隧道上部圍巖失穩(wěn)加劇。在隧道的開挖過程中表現(xiàn)為：隧道爆破后，隧道拱頂有土塊持續(xù)性掉落，且拱頂、上臺階掌子面滲水量增大。二是下穿機場道的地質(zhì)情況呈現(xiàn)為砂質(zhì)黏性土，含水量偏大，且局部范圍洞頂覆土厚度不足一倍的洞徑，隧道施工采用上下臺階法人工開挖，施工時需加固隧道周邊圍巖，減小擾動，確保隧道上方道路的行車安全。

2.2 施工方案側(cè)重點分析

綜合本區(qū)間隧道施工情況的特征分析，其土體加固注漿的側(cè)重點劃分為以下兩個重點：

2.2.1 下穿107 國道段

隧道土體加固注漿要求提高圍巖自穩(wěn)性及圍巖強度。即通過采用優(yōu)化的水凝性膠凝材料填充圍巖裂隙，最大限度地固結(jié)破碎圍巖；同時，通過對隧道土體注漿加固，利用漿液的強擴散性、填充性和固化的特點去阻塞隧道掌子面周邊圍巖的滲流路徑，將滲流水阻擋在隧道掌子面圍巖外，同時結(jié)合漿液的固化板結(jié)作用改善隧道掌子面圍巖的滲流和強度情況。

2.2.2 下穿機場道段

此段隧道土體注漿加固的要求在于被加固土體的整體性和穩(wěn)定性的提升，可以適當降低對加固后圍巖的強度要求。即在隧道掌子面整體注漿后，其周邊土質(zhì)、砂質(zhì)地層能達到固結(jié)要求，在隧道開挖過程中可提供良好的支撐性，滿足隧道開挖的圍巖穩(wěn)定性要求。

2.3 下穿107 國道段的施工工藝

在隧道開挖掘進過程中，區(qū)間隧道左、右線小里程掌子面圍巖均呈現(xiàn)持續(xù)性變?nèi)踮厔?，隧道開挖巖體破碎結(jié)構(gòu)發(fā)育：上臺階主要為強風化砂土狀(含粉細砂)混合花崗巖，結(jié)構(gòu)體無強度，且遇水易軟化、自穩(wěn)性差；下臺階的巖體中節(jié)理、裂隙發(fā)育，并伴有泥砂質(zhì)填充物，但破碎結(jié)構(gòu)體多為硬質(zhì)巖石，需進行爆破開挖。

根據(jù)設(shè)計圖紙要求，施工時采用超前小導管+斷面注漿（水泥+水玻璃雙液漿）措施進行加固，達到隧道掌子面注漿加固效果。但隧道下臺階的爆破施工加劇隧道掌子面圍巖的破碎發(fā)育，易引起拱頂圍巖較軟弱部位發(fā)生掉塊現(xiàn)象。

鑒于此類情況，施工過程中聘請專家組進行咨詢、研究：首先，結(jié)合圍巖裂隙發(fā)育情況及圍巖中含粉細砂的情況，采用后退式水泥+水玻璃+磷酸注漿方式加固土體。其次，上臺階采用人工開挖，并嚴格按照要求預留核心土、控制上下臺階間距、初支及時封閉成環(huán)，減少上臺階擾動的同時，盡可能減輕下臺階開挖對上臺階的擾動。

2.3.1 注漿施工工藝

區(qū)間隧道拱頂采用超前小導管注漿加固，沖孔完成將小導管打入拱頂圍巖后，使用塑膠泥封堵小導管孔口及其周圍，對小導管注漿增加其剛度，使得小導管在拱頂形成良好的棚護作用。隧道掌子面采用半斷面注漿加固，由于其圍巖主要為強風化砂土狀、塊狀混合花崗巖，內(nèi)含大量粉細砂，在對小導管注漿過程中，極易堵塞注漿孔，小導管的注漿無法通過沖擊的孔洞形成注漿脈絡(luò)，或者注漿脈絡(luò)受限，無法形成貫通式注漿，造成注漿效果不佳。綜合注漿后的開挖效果和地質(zhì)圍巖情況，項目調(diào)整了注漿工藝，采用水平地質(zhì)鉆機，進行隧道掌子面引孔，到達制定長度后，利用雙重管鉆桿進行漿液(水泥漿+水玻璃漿+磷酸漿液)的分段注入，達到壓力和擴散要求后，將鉆桿后退一定距離，進行下一循環(huán)注漿加固。

2.3.2 鉆機就位

結(jié)合隧道掌子面的巖土分界面和需要加固部分的堅硬情況，在隧道掌子面前利用鋼管腳手架搭設(shè)注漿平臺，利用地質(zhì)鉆機上帶刻度的地質(zhì)轉(zhuǎn)盤，調(diào)整機械鉆進的角度，控制注漿孔打設(shè)的角度和后退式注漿的范圍。

2.3.3 試驗效能檢測

根據(jù)進場材料水泥、水玻璃、磷酸的比例適配，材料性能檢測和施工配合比校對。試驗主要根據(jù)水泥漿、水玻璃漿液、磷酸漿液三者配合比的硬化時間、配合比例進行確定，液漿的硬化原理是：水玻璃漿+磷酸漿液快速硬化，封堵破碎巖層中的裂隙，提供注漿空腔，也防止?jié){液串流；水泥漿+水玻璃漿硬化反應，填充由磷酸+水玻璃確定好的定向空腔，快速填充空腔，提供結(jié)構(gòu)強度，形成破碎巖體的連接脈絡(luò)，提高土體的自穩(wěn)定性。

2.3.4 鉆孔布置

結(jié)合隧道掌子面的巖土類別、隧道埋深、注漿壓力和漿液串流范圍，水平鉆孔注漿的平面布置間距按照0.4～0.5m 布置，便于水玻璃+磷酸漿液在空隙中迅速形成貫通式串流，并利用兩種混合液體速凝(凝結(jié)速度為4s)的特性，填充主要空隙的同時，封閉可能串流的地層間隙。然后再將水玻璃+水泥漿填充到已經(jīng)加固處理的地層裂隙中(封閉地層細小間隙，形成注漿承載空腔)，利用雙液漿相對凝結(jié)時間慢的特性，在主要裂隙中起到支撐填充效應，隧道圍巖破碎體間相互貫通，膠凝性材料有效填充縫隙，在土層中迅速形成注漿脈絡(luò)，利用膠凝材料的膠結(jié)作用，形成固結(jié)土體的加固效果。

2.3.5 注漿加固

隧道注漿根據(jù)試驗配合比進行漿液調(diào)配，采取水玻璃漿液為主，磷酸漿液、水泥漿液配套使用，水泥漿為水灰比1∶1 的漿液，水玻璃液為2∶1 比例制拌的漿液，磷酸漿液為1∶19 比例制拌的漿液，注漿加固過程中采用注漿量、注漿壓力雙控指標。

(1)注漿量計算按照加固土體體積進行計算公式：H=ΠR2LnáβA，每延米注漿加固14.81～16.68m3（水泥漿+水玻璃）+1.9～2.1（磷酸用量待修訂）。

(2)注漿壓力按照0.5～1MPa 控制，原則上為保障注漿效果，最優(yōu)注漿壓力為0.8MPa，漿液注入過程中，必須由專人負責盯控注漿孔位的滲漏情況、壓力表、流量計等，根據(jù)效果不斷進行參數(shù)優(yōu)化[1]。

(3)注漿完成后必須沖洗注漿管路，防止注漿管路堵塞。

2.3.6 隧道開挖

區(qū)間隧道一次注漿加固10m，根據(jù)開挖情況進行注漿情況判別，效果不佳時，及時進行隧道二次補注，保障圍巖穩(wěn)定。在隧道開挖過程中必須注意以下幾個方面：

(1)隧道開挖根據(jù)圍巖情況進行上下臺階法開挖，臺階長度控制在4～5m，并且需要嚴格按照要求預留核心土。

(2)隧道圍巖每次開挖前必須根據(jù)超前地質(zhì)雷達和超前探孔進行隧道圍巖判別，確定巖層分界面、掌子面巖土層的厚度。

(3)隧道上臺階需要人工開挖，下臺階需要爆破時，必須合理控制施工步驟，保障足夠長的上下臺階間距后，再進行下臺階爆破[2]。

(4)隧道在開挖過程中，必須嚴格預留核心土，為掌子面提供反向土壓力，確保隧道掌子面穩(wěn)定。

(5)隧道一個循環(huán)加固注漿范圍10m，一次性開挖長度不得超8m，需預留2m 厚止?jié){墻。隧道開挖到止?jié){墻位置時，進行掌子面掛網(wǎng)噴射混凝土，噴射采用C25 混凝土，厚度200mm 進行施工，掛網(wǎng)采用直徑8mm、間距250mm×250mm 的鋼筋網(wǎng)片進行施工。

2.3.7 隧道支護

嚴格控制隧道開挖支護工序的銜接，把握隧道注漿加固的工序時間，從施工方法、人員、機械設(shè)備三方面配合，減少加固圍巖的開挖停滯時間：

(1)根據(jù)加固效果選擇支護方法，圍巖加固條件相對較好時，采用上下臺階支護方式進行施工；開挖后圍巖加固效果不佳，臨時在封閉條件不滿足時，可采用礦山法隧道CRD 法進行開挖+支護。

(2)Ⅵ級圍巖注漿加固后的每個工序銜接必須緊湊，采用輪班制的各工序班組人員到場時間間隔不得超過10min。

(3)隧道人工開挖過程中，必須配置支護鋼架、噴射混凝土干拌料等臨時加固的材料，做好一切應對突發(fā)事件的應急處置準備工作。

(4)支護過程中注意對掌子面的臨時支護，采用噴射3～5cm 厚噴射混凝土進行封閉，局部圍巖軟弱時，對預留核心土部分可進行臨時噴混凝土加固。

(5)在格柵鋼架與圍巖交接的位置噴射混凝土時，噴射混凝土面預留鋼筋網(wǎng)片達到寬度后，混凝土面必須盡量抵充到開挖面，與超前小導管結(jié)合，形成臨時結(jié)構(gòu)的超前加固硬殼體，控制人工開挖對注漿加固段圍巖的擾動。

(6)Ⅵ級圍巖段的超前小導管、鎖腳錨管必須隨開挖支護的進程同步推進，必要情況下，制作同步注漿臺車，方便支護體系注漿需要，確保隧道受力體系的穩(wěn)定。

2.3.8 隧道開挖過程安全防護

根據(jù)隧道施工中暴露出的問題，特別對隧道開挖過程做出如下要求：

(1)隧道在開挖完成后，必須按照隧道安全施工要求進行找頂，排除潛在施工危險。

(2)結(jié)合隧道開挖進度，在隧道開挖結(jié)束前，制備足量的噴射混凝土，隧道找頂排險后，及時對隧道拱頂、掌子面進行素噴，形成臨時支護體系。

(3)在隧道超前小導管支護前，先對拱頂進行噴射混凝土，保障拱頂穩(wěn)定，超前小導管位置根據(jù)需要進行預留。

(4)在現(xiàn)場施工過程中，可以根據(jù)現(xiàn)場條件進行臨時調(diào)整，以確保隧道安全為目標。

2.4 下穿機場道段的施工工藝

2.4.1 注漿施工工藝

下穿機場道段的地質(zhì)圍巖為均勻的土質(zhì)，現(xiàn)場實地勘查后，巖土的含砂量優(yōu)于下穿107 國道段，且土體的黏聚性較強。設(shè)計采用的水泥+水玻璃雙液漿混合后的填充效果較好，為提升隧道注漿加固效率，最大限度地滿足隧道開挖的時效性。隧道的土體注漿加固采用分段注漿加固方式。根據(jù)隧道注漿加固長度、隧道斷面和注漿擴散的有效范圍，采用階梯式的注漿管組合注漿加固。隧道注漿加固要求長度9m，注漿擴散有效寬度1.2m，注漿壓力有效管控長度為3m。注漿管選用9m、6m 和3m 三種規(guī)格，間套連做，分段注漿加固，共同作用下形成整體加固體的效果。

2.4.2 鉆機就位

注漿鉆機結(jié)合隧道圍巖全部為土質(zhì)的特點，為提升鉆進效率，采用單人作業(yè)輕便的手持式水鉆，鉆具的直徑選擇3cm 的中空鉆桿，鉆桿采用可接長的形式，滿足9m 的成孔深度要求。

2.4.3 鉆孔布置

注漿孔的布置需要提前根據(jù)單孔注漿擴散范圍調(diào)整，砂質(zhì)亞黏土的擴散范圍為1.2m，鉆孔的布置采用3m、6m、9m 鉆孔交錯布置，綜合注漿擴散范圍的限制，鉆孔間距控制在0.4m，不同孔深的鉆孔交替布置，保障同深度鉆孔間距不超過1.2m。

2.4.4 注漿管安裝

注漿孔深度滿足要求后，立即采用直徑小于3cm的PVC 管材，安裝在孔內(nèi)。然后采用干硬性水泥進行孔口周邊封堵，封堵可適當增加面紗或布條。PVC 管材為保障注漿效果，在管材末端2.5m 范圍內(nèi)，間隔0.3m 設(shè)置梅花型注漿孔，注漿孔用電工膠帶進行封閉(纏一層即可)，保障注漿管安裝過程中，孔內(nèi)的泥砂不堵塞注漿孔。

2.4.5 注漿施工

注漿管安裝完成，進行注漿施工前，一定在隧道的區(qū)段注漿的最低點位置，設(shè)置注漿排水管，讓隧道注射的水泥+水玻璃雙液漿能夠更充分地填充圍巖空隙，將圍巖內(nèi)的孔隙水置換出來。隧道注漿施工為保障作業(yè)效率，將隧道注漿管固定在隧道一側(cè)，在注漿施工作業(yè)前，由專人檢查注漿管路，并用清水疏通注漿管路。隧道的注漿加固按照1∶1 水泥水玻璃雙液漿進行作業(yè)，注漿壓力控制在0.8～1.5MPa，以保障達到注漿加固效果。

2.4.6 施工開挖

利用便攜高效的隧道注漿工具，并采用PVC 管材的注漿管，一方面減少隧道注漿加固作業(yè)的循環(huán)時間，另一方面降低了隧道開挖過程遇到的注漿管強度，人工+機械破除既能滿足施工開挖要求，又減少礦山法單循環(huán)作業(yè)時間，提高開挖效率。

3 結(jié)語

黃田站至機場東站區(qū)間隧道通過土體加固注漿施工，安全順利地通過了巖層破碎帶及眾多的地表建（構(gòu)）筑物，發(fā)揮了顯著的堵水、固結(jié)作用，保證了隧道結(jié)構(gòu)和隧道施工安全。采用土體加固注漿還可以保護生態(tài)環(huán)境，防止地下水的過度流失而對附近地表生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。