淺埋偏壓隧道注漿長(zhǎng)管棚施工技術(shù)研究

劉忠磊 LIU Zhong-lei

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，濟(jì)南 250002）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，我國(guó)高速鐵路的發(fā)展呈現(xiàn)井噴狀態(tài)，其中鐵路隧道占了很大一部分。經(jīng)過(guò)多年的施工探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，我國(guó)的土木工程領(lǐng)域早已廣泛采用注漿技術(shù)，但是對(duì)于淺埋偏壓隧道的處理方案仍未達(dá)成一個(gè)具有行業(yè)共識(shí)的解決方案，稍有不慎，極易造成隧道受偏壓整體位移甚至通天塌方。本文通過(guò)分析新建張吉懷高速鐵路隧道淺埋偏壓破碎地段注漿長(zhǎng)管棚的力學(xué)作用機(jī)理，采用注漿長(zhǎng)管棚施工方案對(duì)泥質(zhì)粉砂巖淺埋偏壓破碎地段進(jìn)行超前預(yù)加固處理，對(duì)防止隧道坍塌、控制地面沉降具有良好的效果，并為同類鐵路隧道工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

新建張家界至吉首至懷化鐵路蘭村鄉(xiāng)隧道隧址區(qū)位于沅麻紅層盆地，屬于丘陵地貌，因受長(zhǎng)期風(fēng)化侵蝕作用，丘間多有狹長(zhǎng)溝谷，地勢(shì)起伏較大，多呈“V”或“U”字型。在經(jīng)歷了漫長(zhǎng)多期的地質(zhì)演變過(guò)程中，隧址區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，斷裂構(gòu)造發(fā)育，穿越的次級(jí)區(qū)域構(gòu)造單元主要為來(lái)草坡背斜，呈北向西展布，本隧道橫穿來(lái)草坡背斜西北翼，其屬平緩，開(kāi)闊褶曲。

隧址區(qū)穿過(guò)白堊系紅層地層，覆蓋層主要為全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，基巖主要為泥質(zhì)粉砂巖。泥質(zhì)粉砂巖中含有少量方解石（0~12%）和云母（0~2%），泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造。該巖層屬于較軟巖。受風(fēng)化作用影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎嚴(yán)重，其中強(qiáng)風(fēng)化層風(fēng)化較劇烈，強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化層風(fēng)化不均，厚約0.5~17m。隧道洞口巖土體穩(wěn)定性差，開(kāi)挖后隧道巖層面和節(jié)理裂隙易切割形成楔形破壞，造成洞頂和兩側(cè)臨空，產(chǎn)生局部巖土體坍塌、洞身失穩(wěn)。

2 注漿長(zhǎng)管棚力學(xué)作用機(jī)理分析

地層中的巖土體在未受到人類工程活動(dòng)影響時(shí)保持著應(yīng)力平衡狀態(tài)。隨著隧道工程的進(jìn)行，巖土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，使得巖土體內(nèi)部的應(yīng)力得到釋放，巖土體在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)力再分布后達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，巖土體在宏觀上即表現(xiàn)為地層的移動(dòng)。因此，為了在惡劣和特殊條件下保證隧道工程的正常進(jìn)行，采用注漿長(zhǎng)管棚超前支護(hù)，預(yù)先增強(qiáng)地層的承載力，而且長(zhǎng)管棚注漿后與周?chē)鷰r體形成一個(gè)固結(jié)殼體，有效地提高了巖土的自穩(wěn)能力，對(duì)控制隧道塌方和地面沉降有著明顯的效果。

另外，長(zhǎng)管棚注漿后可看作是具有一定跨度和剛度的超靜定梁，將上部所受巖土的壓力和地基反力傳遞給鋼拱架，大大降低掌子面開(kāi)挖所受荷載，提高了掌子面的穩(wěn)定性。隧道開(kāi)挖長(zhǎng)管棚力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 隧道開(kāi)挖長(zhǎng)管棚力學(xué)模型圖

3 注漿長(zhǎng)管棚施工工藝

長(zhǎng)管棚施工前需設(shè)置混凝土導(dǎo)向墻，保證長(zhǎng)管棚的施工方向，導(dǎo)向墻按隧道拱部140°范圍計(jì)算，截面尺寸、厚度均為1m。

3.1 長(zhǎng)管棚施工工藝

3.1.1 測(cè)量定位

測(cè)量人員按設(shè)計(jì)圖紙要求放出鉆孔位置，孔口處采用十字線準(zhǔn)確定位。

3.1.2 安放φ140定位導(dǎo)管

安放φ140熱軋無(wú)縫鋼管作為定位導(dǎo)管，φ140導(dǎo)管長(zhǎng)1m，外露出導(dǎo)向墻10cm，嵌入土體，傾角為0~3°，導(dǎo)管與導(dǎo)向墻鋼拱架焊接牢固。

3.1.3 鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)及就位

鉆機(jī)下方土體不得超挖，鋪墊兩層橫豎交叉的15×15cm尺寸的方木，保證穩(wěn)定性。

3.1.4 管棚鋼管加工

隧道洞口長(zhǎng)管棚采用φ108×6mm熱軋無(wú)縫鋼管，首節(jié)管棚采用長(zhǎng)3m和6m鋼管，保證同一橫截面內(nèi)接頭數(shù)量≤50%，且相鄰鋼管的接頭至少錯(cuò)開(kāi)1m，之后每節(jié)均采用6m長(zhǎng)鋼管，管身用電鉆機(jī)鉆出φ10mm溢漿孔，梅花型布置，相鄰兩孔間距為11cm，尾部1.1m不設(shè)壓漿孔，如圖2所示。鋼管之間采用絲扣對(duì)口連接，活接頭長(zhǎng)30cm。

圖2 鋼管加工示意圖

3.1.5 螺旋鉆進(jìn)施工

①鉆機(jī)安裝完成后調(diào)試儀器儀表，連接第一根鉆具，鉆機(jī)采用志高ZGYX-420管棚鉆機(jī)。

②鉆孔順序由高向低，間隔錯(cuò)開(kāi)施工。鉆孔過(guò)程中還須詳細(xì)記錄開(kāi)鉆時(shí)間、結(jié)束時(shí)間及所遇到的問(wèn)題，以便為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供一定依據(jù)。

③安裝鉆具，接第一根鉆桿，前端裝導(dǎo)向鉆頭。

④第一根鉆桿鉆進(jìn)過(guò)程中控制轉(zhuǎn)速約35轉(zhuǎn)/min；每鉆進(jìn)1m必須對(duì)深度、方位、傾角等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。

⑤鉆孔施工中嚴(yán)格控制鉆孔軸線，若有偏向要及時(shí)進(jìn)行糾正，深度達(dá)到要求后應(yīng)邊退鉆邊清孔。

3.2 長(zhǎng)管棚注漿工藝

鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠并采用插入小導(dǎo)管、后退分段注漿法注漿。圖3為鋼筋籠示意圖。圖4為φ32小導(dǎo)管與管棚連接示意圖。

圖3 鋼筋籠示意圖

圖4 φ32小導(dǎo)管與管棚連接示意圖

3.2.1 注漿參數(shù)選擇

①注漿壓力。

注漿壓力是管棚注漿工藝中的一個(gè)重要參數(shù)，較高的注漿壓力能夠使?jié){液更好的壓入地層，使得結(jié)石體飽滿、密實(shí)；但同時(shí)過(guò)高的注漿壓力可能會(huì)造成巖土體劈裂破壞，使得漿液流失和地表松動(dòng)。圖5為管棚注漿孔布置示意圖。根據(jù)試驗(yàn)所得結(jié)果調(diào)整注漿參數(shù)，保證管棚注漿取得最佳效果。當(dāng)注漿壓力升至某一數(shù)值時(shí)，注漿速率突然增大時(shí)，此時(shí)地層已產(chǎn)生劈裂破壞，這一壓力值即為最大容許注漿壓力。參照類似工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)曲線，確定注漿壓力在0.5-2MPa之間。

圖5 管棚注漿孔布置示意圖

②注漿孔布置形式。

確定注漿孔間距時(shí)既要考慮充分發(fā)揮各個(gè)注漿孔的作用，節(jié)約工程造價(jià)；也要考慮各孔之間的搭接作用，達(dá)到均勻受漿的目的。所以注漿孔的布置采用等間距均勻布孔的形式。本工程根據(jù)地層巖土破碎程度及漿液擴(kuò)散程度確定均勻布置直徑為10mm的小孔，間距為11cm且梅花型布置，如圖2所示。

③注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓時(shí)間超過(guò)20分鐘時(shí)即使注漿量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求也可停止注漿。另外，當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓的80%時(shí)出現(xiàn)較大跑漿，在間歇注漿后即可結(jié)束注漿。

3.2.2 注漿工藝流程

管棚注漿工藝流程為：管棚鋼管插入鉆孔→向孔內(nèi)插入φ32小導(dǎo)管→φ32小導(dǎo)管與管棚鋼管封閉→φ32小導(dǎo)管與注漿機(jī)連接→開(kāi)始注漿→逐次分段后退小導(dǎo)管注漿→注漿管路檢查→完成注漿→M10水泥砂漿充實(shí)鋼管→結(jié)束。

4 工程存在問(wèn)題及解決辦法

4.1 鉆孔孔位偏斜

導(dǎo)致鉆孔孔位發(fā)生偏斜的原因主要有：

①鉆孔孔位和鉆機(jī)的中心兩點(diǎn)未能準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)，使得導(dǎo)向系統(tǒng)存在誤差，鉆孔偏離預(yù)定軌跡太大；

②鉆頭與鉆桿管徑不匹配，鉆頭受到向下的豎向力后產(chǎn)生振動(dòng)，引起鉆機(jī)固定松動(dòng)從而發(fā)生偏移；

③鉆機(jī)的設(shè)置與實(shí)際地層情況不符，增大鉆機(jī)與鉆孔孔壁之間的摩擦，導(dǎo)致鉆機(jī)的扭矩和地質(zhì)情況不相適應(yīng)，發(fā)生順右傾的傾向而偏斜，地質(zhì)情況也是導(dǎo)致孔位發(fā)生偏斜的主要原因。

解決措施：

①鉆孔時(shí)必須及時(shí)掌握鉆機(jī)與地質(zhì)情況引起的向下偏移量，微調(diào)鋼管的外插方向；

②對(duì)于由鉆頭與鉆桿不匹配引起的重力，可在鉆桿上安裝與鉆頭大小相近的穩(wěn)定器，不僅可消除鉆頭所受向下的豎向力，而且還可以增加鉆頭的穩(wěn)定性；

③在管棚施工過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)備多種型號(hào)的鉆頭以適應(yīng)不同的地質(zhì)情況，并且在圍巖面與鉆孔方向不垂直時(shí)加大鋼管的強(qiáng)度和硬度，以及減少鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

4.2 管棚后半部分注漿效果差

在大量實(shí)際管棚施工的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)發(fā)現(xiàn)管棚后半部分注漿效果特別差，甚至很多時(shí)候幾乎沒(méi)有漿液，其原因如下：

①注漿時(shí)鋼管內(nèi)由于有泥漿發(fā)生堵塞，漿液不能達(dá)到鋼管后端；

②漿液配合比選擇不合理發(fā)生漿液過(guò)早的凝固收縮現(xiàn)象；

③注漿壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致漿液未能充填到地層孔隙里；

④地層中節(jié)理裂隙發(fā)育，導(dǎo)致相鄰兩孔發(fā)生串漿。

解決措施：

①在節(jié)理裂隙發(fā)育的地層注漿時(shí)應(yīng)限量低壓，采取鉆一段注一段、交替注漿的原則，且注漿應(yīng)及時(shí)；

②為了不發(fā)生串漿現(xiàn)象，漿液濃度應(yīng)較高，且采取下調(diào)注漿壓力、限制注漿流速的方法直到土體吸漿速度降低時(shí)再加大注漿壓力，當(dāng)發(fā)生穿孔后需先清孔再進(jìn)行注漿。

5 總結(jié)

①通過(guò)注漿加固工程實(shí)例的分析研究得出：長(zhǎng)管棚結(jié)合注漿技術(shù)能改善淺埋偏壓破碎地段的物理力學(xué)特性，其各項(xiàng)性能得到很大改善，注漿效果明顯。②注漿長(zhǎng)管棚結(jié)構(gòu)承擔(dān)了開(kāi)挖面上方土體的上覆壓力和地基反力，大大降低開(kāi)挖面所受荷載，有效提高了隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。③通過(guò)總結(jié)淺埋偏壓破碎地段注漿長(zhǎng)管棚施工經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)長(zhǎng)管棚注漿相關(guān)參數(shù)、實(shí)際工程中存在的問(wèn)題及相應(yīng)解決措施進(jìn)行歸納，為以后類似隧道工程的建設(shè)提供參考。