洞内土体加固注浆施工技术分析

洞内土体加固注浆施工技术分析余良碧、谢向阳（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州450000）1工程概况黄田站至机场东站区间线路大体呈南-北走向，南起于黄田站，北止于机场东站。区间线路沿107国道转入机场道，侧穿空港加油站、侧穿机场信息大楼地下车库、下穿宝安大道下沉隧道、下穿既有地铁1号线高架桥墩，沿线设置2个矿山法施工竖井。黄田站至机场东站区间矿山法隧道穿越硬塑状砂质黏性土、强风化混合花岗岩、全风化混合花岗岩、中等风化混合花岗岩、微风化混合花岗岩等多种强弱交替的围岩地层，其隧道穿越地层围岩情况复杂、多变；加之该区间隧道线路下穿的地表建（构）筑物对地表沉降变形控制要求高等特点，本区间隧道的软弱地质处理成为隧道贯通的关键点和重难点。2加固施工技术工艺1施工情况分析结合黄田站至机场东站区间隧道下穿107国道及下穿机场道范围的地质围岩情况、地下水位和地表建（构）筑物的特点，开展该范围隧道施工时其掌子面土体的加固注浆工序分析：一是下穿107国道段，隧道地质围岩呈现典型的“上软下硬”的特点，隧道下台阶岩石的爆破振动，弱化了隧道上台阶围岩的稳定性、独立性，致使本就松散软弱的隧道上部围岩失稳加剧。在隧道的开挖过程中表现为：隧道爆破后，隧道拱顶有土块持续性掉落，且拱顶、上台阶掌子面渗水量增大。二是下穿机场道的地质情况呈现为砂质黏性土，含水量偏大，且局部范围洞顶覆土厚度不足一倍的洞径，隧道施工采用上下台阶法人工开挖，施工时需加固隧道周边围岩，减小扰动，确保隧道上方道路的行车安全。2.2施工方案侧重点分析综合本区间隧道施工情况的特征分析，其土体加固注浆的侧重点划分为以下两个重点：2.2.1下穿107国道段隧道土体加固注浆要求提高围岩自稳性及围岩强度。即通过采用优化的水凝性胶凝材料填充围岩裂隙，最大限度地固结破碎围岩；同时,通过对隧道土体注浆加固，利用浆液的强扩散性、填充性和固化的特点去阻塞隧道掌子面周边围岩的渗流路径，将渗流水阻挡在隧道掌子面围岩外，同时结合浆液的固化板结作用改善隧道掌子面围岩的渗流和强度情况。2.2下穿机场道段此段隧道土体注浆加固的要求在于被加固土体的整体性和稳定性的提升，可以适当降低对加固后围岩的强度要求。即在隧道掌子面整体注浆后，其周边土质、砂质地层能达到固结要求，在隧道开挖过程中可提供良好的支撑性，满足隧道开挖的围岩稳定性要求。2.3下穿107国道段的施工工艺在隧道开挖掘进过程中，区间隧道左、右线小里程掌子面围岩均呈现持续性变弱趋势，隧道开挖岩体破碎结构发育：上台阶主要为强风化砂土状（含粉细砂）混合花岗岩，结构体无强度，且遇水易软化、自稳性差；下台阶的岩体中节理、裂隙发育，并伴有泥砂质填充物，但破碎结构体多为硬质岩石，需进行爆破开挖。根据设计图纸要求，施工时采用超前小导管+断面注浆（水泥+水玻璃双液浆）措施进行加固，达到隧道掌子面注浆加固效果。但隧道下台阶的爆破施工加剧隧道掌子面围岩的破碎发育，易引起拱顶围岩较软弱部位发生掉块现象。鉴于此类情况，施工过程中聘请专家组进行咨询、研究：首先，结合围岩裂隙发育情况及围岩中含粉细砂的情况，采用后退式水泥+水玻璃+磷酸注浆方式加固土体。其次，上台阶采用人工开挖，并严格按照要求预留核心土、控制上下台阶间距、初支及时封闭成环，减少上台阶扰动的同时，尽可能减轻下台阶开挖对上台阶的扰动。2.3.1注浆施工工艺区间隧道拱顶采用超前小导管注浆加固，冲孔完成将小导管打入拱顶围岩后，使用塑胶泥封堵小导管孔口及其周围，对小导管注浆增加其刚度，使得小导管在拱顶形成良好的棚护作用。隧道掌子面采用半断面注浆加固，由于其围岩主要为强风化砂土状、块状混合花岗岩，内含大量粉细砂，在对小导管注浆过程中，极易堵塞注浆孔，小导管的注浆无法通过冲击的孔洞形成注浆脉络，或者注浆脉络受限，无法形成贯通式注浆，造成注浆效果不佳。综合注浆后的开挖效果和地质围岩情况，项目调整了注浆工艺，采用水平地质钻机，进行隧道掌子面引孔，到达制定长度后，利用双重管钻杆进行浆液（水泥浆+水玻璃浆+磷酸浆液）的分段注入，达到压力和扩散要求后，将钻杆后退一定距离，进行下一循环注浆加固。2.3.2钻机就位结合隧道掌子面的岩土分界面和需要加固部分的坚硬情况，在隧道掌子面前利用钢管脚手架搭设注浆平台，利用地质钻机上带刻度的地质转盘，调整机械钻进的角度，控制注浆孔打设的角度和后退式注浆的范围。2.3.3试验效能检测根据进场材料水泥、水玻璃、磷酸的比例适配，材料性能检测和施工配合比校对。试验主要根据水泥浆、水玻璃浆液、磷酸浆液三者配合比的硬化时间、配合比例进行确定，液浆的硬化原理是：水玻璃浆+磷酸浆液快速硬化，封堵破碎岩层中的裂隙，提供注浆空腔，也防止浆液串流；水泥浆+水玻璃浆硬化反应，填充由磷酸+水玻璃确定好的定向空腔，快速填充空腔，提供结构强度，形成破碎岩体的连接脉络，提高土体的自稳定性。2.3.4钻孔布置结合隧道掌子面的岩土类别、隧道埋深、注浆压力和浆液串流范围，水平钻孔注浆的平面布置间距按照0.4〜0.5m布置，便于水玻璃十磷酸浆液在空隙中迅速形成贯通式串流，并利用两种混合液体速凝（凝结速度为4s）的特性，填充主要空隙的同时，封闭可能串流的地层间隙。然后再将水玻璃+水泥浆填充到已经加固处理的地层裂隙中（封闭地层细小间隙，形成注浆承载空腔)，利用双液浆相对凝结时间慢的特性，在主要裂隙中起到支撑填充效应，隧道围岩破碎体间相互贯通,胶凝性材料有效填充缝隙，在土层中迅速形成注浆脉络，利用胶凝材料的胶结作用，形成固结土体的加固效果。2.3.5注浆加固隧道注浆根据试验配合比进行浆液调配，采取水玻璃浆液为主，磷酸浆液、水泥浆液配套使用，水泥浆为水灰比1：1的浆液，水玻璃液为2：1比例制拌的浆液，磷酸浆液为1：19比例制拌的浆液，注浆加固过程中采用注浆量、注浆压力双控指标。(1)注浆量计算按照加固土体体积进行计算公式：H=HR2LnaBA,每延米注浆加固14.81~16.68m3(水泥浆+水玻璃)+1.9—2.1(磷酸用量待修订)。(2)注浆压力按照0.5〜IMPa控制，原则上为保障注浆效果，最优注浆压力为0.8MPa,浆液注入过程中，必须由专人负责盯控注浆孔位的渗漏情况、压力表、流量计等，根据效果不断进行参数优化［1］。⑶注浆完成后必须冲洗注浆管路，防止注浆管路堵塞。2.3.6隧道开挖区间隧道一次注浆加固10m,根据开挖情况进行注浆情况判别，效果不佳时，及时进行隧道二次补注，保障围岩稳定。在隧道开挖过程中必须注意以下几个方面：(1)隧道开挖根据围岩情况进行上下台阶法开挖，台阶长度控制在4〜5m,并且需要严格按照要求预留核心土。(2)隧道围岩每次开挖前必须根据超前地质雷达和超前探孔进行隧道围岩判别，确定岩层分界面、掌子面岩土层的厚度。(3)隧道上台阶需要人工开挖，下台阶需要爆破时，必须合理控制施工步躲，保障足够长的上下台阶间距后，再进行下台阶爆破[2]0(4)隧道在开挖过程中，必须严格预留核心土，为掌子面提供反向土压力，确保隧道掌子面稳定。⑸隧道一个循环加固注浆范围10m,一次性开挖长度不得超8m,需预留2m厚止浆墙。隧道开挖到止浆墙位置时，进行掌子面挂网喷射混凝土，喷射采用C25混凝土，厚度200mm进行施工，挂网采用直径8nlm、间距250nlmX250mm的钢筋网片进行施工。2.3.7隧道支护严格控制隧道开挖支护工序的衔接，把握隧道注浆加固的工序时间，从施工方法、人员、机械设备三方面配合，减少加固围岩的开挖停滞时间：⑴根据加固效果选择支护方法，围岩加固条件相对较好时，采用上下台阶支护方式进行施工；开挖后围岩加固效果不佳，临时在封闭条件不满足时，可采用矿山法隧道CRD法进行开挖+支护。⑵VI级围岩注浆加固后的每个工序衔接必须紧凑，采用轮班制的各工序班组人员到场时间间隔不得超过lOmino(3)隧道人工开挖过程中，必须配置支护钢架、喷射混凝土干拌料等临时加固的材料，做好一切应对突发事件的应急处置准备工作。(4)支护过程中注意对掌子面的临时支护，采用喷射3〜5cm厚喷射混凝土进行封闭，局部围岩软弱时，对预留核心土部分可进行临时喷混凝土加固。(5)在格栅钢架与围岩交接的位置喷射混凝土时，喷射混凝土面预留钢筋网片达到宽度后，混凝土面必须尽量抵充到开挖面，与超前小导管结合，形成临时结构的超前加固硬壳体，控制人工开挖对注浆加固段围岩的扰动。(6)VI级围岩段的超前小导管、锁脚锚管必须随开挖支护的进程同步推进，必要情况下，制作同步注浆台车，方便支护体系注浆需要，确保隧道受力体系的稳定。2.3.8隧道开挖过程安全防护根据隧道施工中暴露出的问题，特别对隧道开挖过程做出如下要求:⑴隧道在开挖完成后，必须按照隧道安全施工要求进行找顶，排除潜在施工危险。⑵结合隧道开挖进度，在隧道开挖结束前，制备足量的喷射混凝土，隧道找顶排险后，及时对隧道拱顶、掌子面进行素喷，形成临时支护体系。⑶在隧道超前小导管支护前，先对拱顶进行喷射混凝土，保障拱顶稳定，超前小导管位置根据需要进行预留。⑷在现场施工过程中，可以根据现场条件进行临时调整，以确保隧道安全为目标。2.4下穿机场道段的施工工艺2.4.1注浆施工工艺下穿机场道段的地质围岩为均匀的土质，现场实地勘查后，岩土的含砂量优于下穿107国道段，且土体的黏聚性较强。设计采用的水泥+水玻璃双液浆混合后的填充效果较好，为提升隧道注浆加固效率，最大限度地满足隧道开挖的时效性。隧道的土体注浆加固采用分段注浆加固方式。根据隧道注浆加固长度、隧道断面和注浆扩散的有效范围，采用阶梯式的注浆管组合注浆加固。隧道注浆加固要求长度9m,注浆扩散有效宽度1.2m,注浆压力有效管控长度为3%注浆管选用9m、6m和3m三种规格，间套连做，分段注浆加固，共同作用下形成整体加固体的效果。2.4.2钻机就位注浆钻机结合隧道围岩全部为土质的特点，为提升钻进效率，采用单人作业轻便的手持式水钻，钻具的直径选择3cm的中空钻杆，钻杆采用可接长的形式，满足9m的成孔深度要求。2.4.3钻孔布置注浆孔的布置需要提前根据单孔注浆扩散范围调整，砂质亚黏土的扩散范围为1.2%钻孔的布置采用3m、6m.9m钻孔交错布置，综合注浆扩散范围的限制，钻孔间距控制在0.4m,不同孔深的钻孔交替布置，保障同深度钻孔间距不超过L2%2.4.4注浆管安装注浆孔深度满足要求后，立即采用直径小于3cm的PVC管材，安装在孔内。然后采用干硬性水泥进行孔口周边封堵，封堵可适当增加面纱或布条。PVC管材为保障注浆效果，在管材末端2.5m范围内，间隔0.3m设置梅花型注浆孔，注浆孔用电工胶带进行封闭（缠一层即可），保障注浆管安装过程中，孔内的泥砂不堵塞注浆孔。2.4.5注浆施工注浆管安装完成，进行注浆施工前，一定在隧道的区段注浆的最低点位置，设置注浆排水管，让隧道注射的水泥+水玻璃双液浆能够更充分地填充围岩空隙，将围岩内的孔隙水置换出来。隧道注浆施工为保障作业效率，将隧道注浆管固定在隧道一侧，在注浆施工作业前，由专人检查注浆管路，并用清水疏通注浆管路。隧道的注浆加固按照1：1水泥水玻璃双液浆进行作业，注浆压力控制在0.8〜1.5MPa,以保障达到注浆加固效果