粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术探讨[权威资料]

1、粉细砂地层浅埋暗挖法注浆加固技术探讨摘要：石家庄轨道交通 1 号线区间隧道工程部分采 用浅埋暗挖法进行施工，隧道主要穿越第四系粉土、粉细 砂、中粗砂地层，采用管棚注浆、小导管注浆、深孔注浆及 掌子面注浆加固是该类地层条件下隧道施工的重要手段。因 此，有必要研究粉细砂地层的注浆机理，据此进行注浆材料 的选择、合理确定各注浆参数，以及进行注浆效果评价等以 减少注浆施工的盲目性，有针对性地对此类地层的注浆给予 探索研究。关键词：粉细砂地层 注浆 检验 评价C35 A1 工程地质1.1 工程地质概述石家庄市城市轨道交通 1 号线一期工程西起西王站， 东至？匚哟蟮勒荆？线路沿中山路、长江大道和秦岭大街敷

2、 设，均为地下线。轨道交通线路区域属华北地层区，地层分布以古早界 分布面积为主，拟建线路位于平原区，地层以第四系松散层 为主。第四系地层由老至新依次为：下更新统（Q1）、中更新统（Q2、上更新统（Q3、全新统（Q4）。地铁工程埋 深自西向东一般为1030m车站、区间隧道主要穿越粉质粘 土、粉细砂层、中粗砂、粉细砂、细中砂、中粗砂等。颜色 以褐黄色为主，黄褐次之的粉土、粉细砂、中粗砂及砂卵砾 石，东部南部为粘性土，多夹有淤泥层，沙层多为粉细砂透 镜体。沿线地下水主要为第四系松散岩类孔隙水，包括上层 滞水、潜水和承压水，现状地下水位均位于地面以下约 23- 50m均在车站底板以下，地下水对施工无影

3、响。1.2 粉细砂的基本性质及工程地质 粉细砂受粒径、天然含水率、重度、孔隙比等因素影 响，在不同区段表现出不同力学性质及性状。根据勘察地质 资料表现石家庄轨道交通 1 号线暗挖隧道穿越粉细砂层主要 基本性质：粒径 d0.075mm颗粒大于总质量的 50%85% 渗 透系数1.2 X 10-36.0 X 10-3cm/s，天然含水率在 2.2%左 右，干重度值 14.315.5kN/m3之间，孔隙比在 0.60.85 之间。粉细砂土的工程性质介于砂土和粘性土之间，在天然 状态下，结构松散，密度也较低，在自重作用下，可压密， 埋深较深，密度也较大，在有水地层，内摩擦角也很大，根 据工程实践及试验

4、，总结粉细砂土主要工程性质：1 、粉细砂的粒径分布均匀，且颗粒范围很小，结构松 散，在外界荷载作用下，很容易变形。2、粉细砂土体主要靠取决于颗粒间法向压力的粒间摩 擦力维持本身稳定和承载能力，在受剪力的作用下土体很容 易失稳，使得土粒重新排列，趋于密室。3、在被水饱和情况下，粉细砂在荷载作用下的变形速 率加大，而变形控制的承载力较低。4、粉细砂属中等透水性，水平渗透系数明显大于垂直 向的渗透系数，破坏形式主要为流土，继而产生流沙现象。5、饱和粉细砂在往复剪切力作用下，会瞬间产生滑移 破坏，孔隙体积减少，趋于振密，而不可压缩的孔隙水一时 不能及时排出，导致孔隙水压力骤然上升，使通过砂土颗粒 间相

5、互接触所传递的接触压力大大减少，摩擦阻力随之减 少。当孔隙水压力上升到等于覆土压力时，接触完全消失， 抗剪强度随之消失，粉细砂从散粒状转变为黏滞流体状态， 产生振动液化流动现象。2 注浆加固技术2.1 粉细砂地层注浆加固机理由粉细砂的工程特性可知，粉细砂遇水饱和后或有外 力作用后，极易失去结构凝聚力，砂土受卸载作用往往会沿 结构疏松的滑动面呈整体的滑动，发生坍塌、塌方等事故。 所以，在这种地质条件下修建隧道基本均采用注浆加固，通 过注浆把松散的粉细砂扰动变得致密、均匀，减少滑移面的 发生，同时提高砂土的固结度，增大抗剪强度，以改善地层 的性质，确保隧道开挖时不坍塌，不发生突水、涌砂现象。从现场

6、实际发生的过程来看，注浆是挤密、劈裂、渗 透的复合过程。对于土体空隙较大，渗透性较好时（如中粗 砂），在注浆压力作用下，大多数发生渗透过程。土体空隙 较小，渗透性较差时，渗透过程伴随发生劈裂。对于粉细砂 地层而言，浆液在地层中的流动是复杂多变的，要受到地质 条件、注浆材料、注浆参数等因素影响，伴有渗透、劈裂等 流动形式，但在一定现场条件下，总是以某一种形式流动为 主。这种劈裂渗透注浆的作用机理是：1、注浆是一种综合效果，通过注浆，使浆脉周边的土 体受到挤密和压实，改善土体的强度和减少渗透系数。2、通过渗透注浆作用，形成浆液凝结体与土体构成一 种复合土体，浆脉自身硬化，产生强度，与土体共同承受外

7、 力。3、浆液在进入地层是的劈裂，首先进入砂性土中对浆 液阻力相对较小的弱部位，虽压力增大，再进入土体其他部 位。这对加强弱部位土体是非常有利的。4、在压力作用下，注浆材料特别是细颗粒浆液能够进 入渗水通道，通过渗水通道到达远处，起到堵塞水的作用， 待其固结后，再继续注浆会在通道周边一定范围内形成劈裂 浆脉加固土体。2.2 注浆加固阶段划分根据实验室和现场注浆试验，粉细砂地层中注浆的全 过程可分为五个阶段，如图所示。第一阶段：充填渗透阶段在注浆压力不大的前提下，充填土体中的孔隙以及土 体中的空洞起到固结作用，属于无压注浆阶段，持续时间较 短。第二阶段：挤密阶段 随注浆压力逐渐增大，浆液聚集在注

8、浆孔附近，形成 椭圆形泡体挤压土体，使得土体的孔隙有所减少，达到图中 b 点后，开始劈裂阶段。第三阶段：劈裂阶段 浆液在注浆压力作用下，先后克服地层的初始应力和 抗拉强度，使其沿垂直于小主应力的平面上发生劈裂，浆液 由此进入，挤密土体，形成复合土体的浆脉。第四阶段：被动土压力阶段 通过前三阶段的作用，土体得到初步加固，土中的软 弱面、孔隙及裂隙均被充填，此时浆液在较高压力作用下， 克服土的被动土压力，挤密土体使其固结，同时浆脉周围的 土体也被压密，最终形成以浆脉网络为骨架的复合土体，并 提高土体的刚度。 第五阶段：再渗透阶段经历前四个阶段之后，浆液沿着主浆脉和裂隙继续向 四周扩散，与地层土体被

9、动土压力之间平衡反复破坏与建 立，是个反复的循环过程，使注浆土体的力学性能反复加 强。实际过程中，在地层埋深浅时，浆液沿水平剪切力方向 流动，地面会出现冒浆、地表隆起等现象。2.3 浆液要求及参数选择 由于粉细砂地层存在土颗粒比较小，天然的孔隙比较 大，渗透系数比较低，排水条件较差，超静水压力不易扩 散，在很小的渗流量或周期应力的作用下会液化等特点，注 浆浆液要求较高。所选材料必须具有可注性、抗分散性、早 强、凝结时间可控及材料粒径分布的均匀性、耐久性、环保 性等特性。作为永久加固地层，大多数情况下采用水泥浆液，作 为临时加固地层，多数情况下采用水玻璃浆液。常见浆液配 比参数及功能见下表。常用

10、浆液配比参数及功能表序号 名称 配比参数 功能水灰比 体积比 水玻璃浓度 凝胶时间（ min） 28d 抗 压强度（ Mpa）1普通水泥单液浆0.6 : 1-1：1 240- 480 10 -202超细水泥单液浆0.8 : 1-1：1 30-120 203 普通水泥-水玻璃双液浆0.6：1-1：11 ：1-1：0.3 30- 35oBe 0.5 - 3 5 - 104 超细水泥-水玻璃双液浆0.8：1-1：11 ：1-1：0.3 30- 35oBe 0.5 - 3 10 - 155 HSC 浆 0.8 : 1 1 : 1 30- 90 203 现场注浆工艺及技术要点石家庄地铁 1 号线全线设计

11、有 11 个区间（或区段）、2 座车站（下穿道路段采用暗挖）采用矿山法施工，矿山法分 为以下几种断面形式：单洞单线标准断面、单洞双线标准断 面、人防断面（单洞单线和单洞双线）、区间渡线断面及出 入场等断面。根据设计和地质资料，在现场施工中，开挖控 制主要对应采用上下台阶法（环形开挖并预留核心土）、 CRD 法及双侧壁导坑法等施工工法，涉及采用注浆的工艺主要 有：超前小导管、超前管棚、深孔注浆加固、掌子面加固， 因所处位置及工程特点，注浆工法及注浆方式各不相同。3.1 超前小导管注浆 超前小导管注浆主要为渗入式注浆，浆液主要对具有 一定孔隙或裂缝有效，在工作面周围形成承载薄壳，注浆加 固后起到临

12、时支护的作用，满足开挖时地层不坍塌，保证开 挖的需要。在石家庄地铁区间暗挖隧道初期支护体系均设置有超 前小导管，区段不同，采用设计参数也不同。超前小导管一 般采用3250mm钢管，长度2.03.5m，环向管间距 30 50cm,外插角1020 ,拱部以上布设，注浆扩散半径取 0.250.5m，搭接1.01.5m，每榀或隔榀布设，注浆采用普 通水泥单液浆或水泥水玻璃双液浆,注浆压力选择 0.3 0.5Mpa。施工主要技术要点：1 、调查地质情况,按渗透系数确定注浆类型,进行注 浆设计,通过现场试验确定配合比、注浆压力、注浆扩散半 径、单管注浆量等参数。2、小导管安装好后,必须对开挖掌子面进行封闭

13、,注 浆管设防护帽,旋紧孔口阀后,连接注浆管后进行压水试 验,浆液随用随配。3、注浆压力按分级升压法控制,浆液先稀后浓、注浆 量先大后少。4、注浆过程中,严格控制注浆压力,注浆终压力必须 达到0.20.4Mpa，并稳压，保证浆液的渗透范围，防止出现 结构变形、串浆、危及地下构筑物、地面建筑物等现象。5、注浆的次序由两侧对称向中间进行,自下而上逐孔 注浆,并有专人详细记录。6、单液浆注浆量很大或长时间压力不升高,则调整浆 液浓度或配合比,也可采用低压泵间歇式注浆。7、结束标准：注浆过程中,压力逐渐上升,流量逐渐减少,当压力达到注浆终压,注浆量达到设计注浆量的80%以上,可结束该孔注浆；注浆压力未

14、能达到设计终压,注浆量 已达到设计注浆量,无楼浆现象,亦可结束注浆。3.2 超前管棚注浆支护在隧道开挖工作面上半断面,用大型水平钻孔,打入大孔径后壁钢管,向钢管桩注入浆液,增加钢管的刚度,在地层中形成临时承载体系,在其防护下进行隧道的分部开 挖、支护作业,作业环境大为改善,提高施工的安全性。注 浆管棚则通过注浆填充土体裂隙,提高整体的刚度和强度, 从而提高围岩的整体承载力，隧道支护结构所承受的上部荷 载大大减少，提高隧道开挖的安全性。在地铁 1 号线长城桥站、平安大街站暗挖“柱洞法” 施工区段，地处十字路口，地下管线多且复杂，该段对地层 沉降要求较高，采用超前大管棚作为超前支护设计。该地层 采

15、用无注浆管棚（仅管棚内填充水泥砂浆），设计参数：采 用108mm壁厚6mm1钢管，环向间距 30cm,长度12m 注浆以 普通水泥砂浆或水泥浆为主。超前管棚施工技术要点：1、严格按照设计在导向墙上布点，采用取芯机或钻机 进行导向墙开孔。2、在开孔钻进时要有一定上仰角度，考虑现场地层、管棚材质、钻机工艺等因素，可取13 。采用带有自动导向功能的钻机进行水平成孔工艺。3、如设计采用注浆管棚时，需根据所处地层地质情 况，结合现场试验合理选择浆液各项参数，直至浆液充满钢 管和周围孔隙，并做好全数检查和记录。3.3 深孔注浆加固 为保证暗挖隧道施工的安全，在石家庄地铁 1 号线一 级风险源地段暗挖大断面

16、隧道及车站暗挖段内均设有深孔注 浆工艺，通过深孔注浆，超前加固隧道开挖面前方土体，形 成承载拱，提高后续施工的安全性。暗挖段深孔注浆设置在隧道拱部以上，注浆范围为隧道初衬外轮廓外2.0m，向内1.0m，单循环12米，搭接3m。采用超细水泥水玻璃浆液，超细水泥浆与水玻璃配合比为 1 ： 1 1 ： 0 . 6 ，且根据现场进行适当调整。为防止注浆过程 中工作面漏浆，注浆前设置止浆墙，封闭开挖工作面，止浆 墙厚度3米。根据实际情况，现场进行了 TSS（袖阀管）施工 工艺和高压喷射注浆工艺的比选。车站暗挖段深孔注浆示意图 矿山法隧道深孔注浆示意图深孔注浆布管图 掌子面止浆墙1、TSS （袖阀管）注浆

17、工艺 袖阀管注浆工法是在浆液经过注浆泵加压后，通过连通管进入注浆管，聚集到袖阀管注浆管段，然后通过 ? 有直 径6mnm勺泄浆孔的PVC管（即袖阀管），在压力的作用下， 将包裹在PVC外的橡胶圈涨开和套壳料挤碎。当压力逐渐增 大到一定程度。被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、 渗透、压密、劈裂流动，此时由于供浆量小于进入量，压力 会自动回复到平衡状态，续后的浆液在压力的作用下，使得 劈裂裂缝不断向外延伸，浆液在土体中形成固结体，从而达 到增加地层强度，增加整体稳定性。逐次滑动内管即可实现 分段注浆。袖阀管注浆最大优点是可以分段、定量和间歇注浆， 能较好地控制注浆范围和注浆压力，可进行反复注浆

18、，且发 生冒浆与串浆的可能性较小。在石家庄地铁深孔注浆进行多次现场试验，在粉细砂 地层采用常规地质钻机成孔，成孔较困难，且塌孔严重，袖 阀管不能很好的插入，影响后期注浆质量，现场水平注浆改 用高压喷射注浆工艺实施。2、高压喷射注浆工艺 现场深孔注浆主要以高压喷射注浆工艺为主，采用钻机在隧道掌子面按设计方向钻至预定深度后，由钻杆端部安 装的喷嘴，以高压喷射流使浆液与土体混合，凝固硬化加固 端头范围内土体，注浆达到要求后，钻杆后退，再次注浆， 以此重复循环直至设计范围内全部注浆完成。按照设备操作 空间及现场注浆情况，每孔沿前进方向设置 4 个不同角度， 钻孔分不同深度对应施工，沿环向以0.30.6

19、m设置间距，以此覆盖整个加固区域。根据石家庄暗挖隧道不同区段及工程实施的现场情况 来看，现场分别采用了超细水泥单液浆和超细水泥水玻璃 双液浆，从现场开挖实施效果看，超细水泥单液浆更便于操 作，且注浆质量更加稳定。施工技术要点：1、严格按照加固区域范围及单孔浆液试验扩散半径范 围来确定钻孔角度及数量，确保注浆加固全覆盖加固区域。2、钻机定位及方向控制：在封闭掌子面按照设计点位 布点，钻机摆放牢固，导向准确，严格控制钻进深度。3、注浆逐渐加压，现场以注浆压力为主要控制指标， 注浆压力0.5I.OMpa为主，并随时观察监测地表面隆起情 况，以控制单延米注浆量为辅。4、采用后退式注浆，拔钻要均匀进行，

20、每次以前方注 浆完成达到要求后再拔钻，避免出现加固区域不连续等质量 问题。3.4 开挖掌子面注浆加固 地铁隧道工程穿越粉细砂地层时，因粉细砂致密无胶 结，无自稳能力，为加强隧道开挖掌子面自稳能力及减少下 部拱架施工期间坍塌出现，在石家庄地铁 1 号线粉细砂地层 部分隧道掌子面，采取改性水玻璃浆液进行临时注浆加固， 改性水玻璃浆液通过小导管按一定的扩散半径及加固范围注 入粉细砂层中，扩散凝胶，把松散的土体固结成一个强度适 中的块体，从而达到开挖时掌子面土体稳定的目的，以满足 施工期间的现场安全。隧道掌子面采用50mmPV塑料注浆管或钢花管注 浆，单根管长度2m,搭接1m, 60x60cm梅花型布

21、设，方向及 数量视现场粉细砂地质情况机动调整，确保掌子面及拱脚开 挖过程稳定,采用钻机钻进或吹管吹孔的成孔工艺,改性水玻璃采用普通水玻璃、硫酸为主要原料,掺入 少量外加剂配置成的粘度底、可靠性好、凝胶时间可控、稳 定性好的浆液。注浆采用改性水玻璃浆液主要性能指标有： 比重 1.07 1.11 ；粘度 25cp；PH：3.5 6（改性水玻璃固 砂体呈中性）；凝胶时间530min ;固砂体单轴抗压强度：0.3 0.5MPa。考虑到现场可操作性及可注入性，在相同的地层条件 和注浆压力下，选择浆液的粘度小、渗透性好、凝胶时间不 宜过长，现场进行了不同试验，选择了不同浓度的配比以适 应不同地层和部位，其

22、浆液体积比为水玻璃（1015 Be）:硫酸溶液（10%20% 约=（68）: 1 , PH值控 制在 3.5 5 之间，浆液在空气中胶凝时间为 0.5 1.5h 。施工技术要点:1 、稀释硫酸溶液配制过程中，注意做好防护，严禁将 水加入到浓硫酸中。2、将水玻璃加入稀硫酸中应缓慢加入并不断搅拌，防 止局部浓度过大产生絮状沉淀。3、注浆前先开风，检查气密性，排除导管中砂土等杂 物。4、打开风阀实施注浆采用间隔二次送风，使浆液有一 点的扩散时间。5、注浆结束标准:采用定量注浆法，所有导管达到设 计注浆标准即可结束。4 注浆效果检验及评价 注浆效果是指浆液在地层中的实际分布状态与设计的 预定注入范围的

23、吻合程度及注浆后复合土质参数（抗剪强 度、密度、渗透系数等）的提高状况。注浆效果的评价无成 熟的理论，现场往往是根据经验或一些辅助检测手段，但受 现场许多不确定性因素影响，评价结果出入较大。粉细砂地层注浆效果的评价主要可根据以下几个方面 进行评价:1 、注浆前后土体的力学状态的变化情况。2、实际注入范围与设计的预定注入范围的吻合程度以 及浆脉的分布形式和状况。3、对周围环境的影响，入地下式、建构筑物变形等情 况来评价。注浆效果检查评定方法较多，每种方法对应评定标准 也不一样。结合石家庄地铁粉细砂地层特征，现场采用的主要注 浆效果评定方法及评定标准如下表：注浆效果检查评定标准表序号 评定方法 评定标准1 P-Q-t 曲线法 注浆施工中 P-t （注浆压力 - 时间） 曲线呈上升趋势，Q t （注浆速度一时间）曲线呈下降趋 势，注浆结束时，注浆压力达到设计终压，注浆速度达到设 计速度。2 检查孔观察法 根据注浆量分布特征，以及注浆过程 中所揭示的工程地质及水文地质特点，并结合对注浆 P-Q-t 曲线分析，对可能存在注浆薄弱环节处设置检查孔，通过检 查孔观察、取芯、注浆试验、渗透系数测定，对注浆效果进 行总的评价。目前公认最可靠方法。3 加固效果观察法 开挖面浆液填充饱满，能自稳，掌 子面无水；注