双液注浆技术在富水黄土隧道加固中的应用

2018-07-11陶云平

山西建筑 2018年16期

陶云平

(中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原　030032)

0　引言

近年来，随着国家高速公路网的不断完善及“一带一路”发展战略的不断实施，我国在黄土地区修建了大量的高速公路，使得黄土隧道施工及运营规模迅速增大。由于黄土是形成于第四纪的全新统或更新统堆积土，其主要成分为粉土、砂质粉土等，具有大孔隙发育、垂直节理裂隙发育、结构疏松等特性，且具有强烈的水敏性和显著的结构性[1]。黄土地区一般沟壑纵横、支离破碎，其水文地质条件复杂，导致黄土地层极易形成陷穴、空洞、地裂缝、软弱破碎带、落水洞等不良地质情况；加之黄土地区在极端降雨条件下，地表水沿垂直节理下渗，导致黄土隧道围岩呈富水状，极易导致黄土隧道在施工及运营过程中产生塌方、掉块、冒顶、衬砌开裂、渗漏水、底板隆起等病害，严重威胁施工人员及机械安全，增大施工成本，降低黄土隧道运营服务功能[2]。

目前，黄土隧道注浆加固已成为隧道工程界一大研究热点问题。韩士洲[3]结合陕北黄土隧道的注浆治理工程，深入分析了黄土隧道注浆效果；周烨[4]依托太峪隧道的工程实例，深入研究了黄土隧道注浆工艺及质量检查技术；徐润[5]利用室内试验手段，深入分析了黏土—水泥浆液在黄土隧道注浆加固中的作用及效果。上述研究有力推动了黄土隧道注浆加固技术的发展，本文依托吉河高速乔原隧道富水段，利用水泥—水玻璃浆液进行注浆加固，深入分析其施工工艺，并通过现场观察手段对注浆加固效果进行评价。研究成果为类似工程提供借鉴意义。

1　工程概况

吉河高速乔原隧道为分离式双向四车道隧道，其总体走向为西北—东南方向，左右两洞中轴线间距最大值为32 m，右洞起讫里程为K9+152～K10+778，全长1 626 m，左洞起讫里程为ZK9+163～ZK10+735，全长1 572 m，属长隧道。该隧道位于黄土塬上，在地表水的长期冲蚀、侵蚀作用下，隧址区地表冲沟发育、沟壑纵横，导致隧道地表处沟谷、陷穴分布较多，极易形成汇水区。

该隧道采用新奥法施工，其衬砌结构型式为复合式衬砌，初期支护采用25 cm厚的C25喷射混凝土、Ⅰ18型钢拱架，其间距为80 cm，锚杆采用φ25自钻式中空注浆锚杆，钢筋网片采用Φ8钢筋，间距为80 mm×100 mm，二次衬砌采用50 cm厚的C30钢筋混凝土。隧道在施工过程中，由于地表水下渗引起隧道围岩含水量增大，在初期支护施作完成10 d左右，渗水浸透整个初期支护结构，且表面产生较多的白色结晶体；同时，随着施工进度的不断开展，该隧道富水段产生不均匀沉降，导致仰拱处开裂，具体情况如图1，图2所示。

2　水泥—水玻璃浆液的基本性能

2.1　水泥—水玻璃浆液加固的基本原理

利用水泥—水玻璃进行黄土隧道加固时，其基本原理在于当水玻璃注入黄土体后，其与黄土中含有的金属原子发生化学反应，生成SiO2凝胶物和碱性金属硅酸盐。由于黄土地层中节理裂隙发育、大孔隙分布较多，该凝胶物迅速充填其中，提高了黄土颗粒间的粘结力，减小了黄土富水地层的含水量，增强了黄土体的强度。

同时，水玻璃具有增强水泥水化反应的速度，当水玻璃与水泥中Ca(OH)2发生反应后，产生硅酸钙凝胶物。该凝胶物极大的减小了水泥注浆体的初凝时间，提高了水泥注浆体的早期强度。

2.2　水泥—水玻璃浆液加固的特点

1)水泥—水玻璃浆液的凝固时间可控性较强。由于水泥—水玻璃浆液的凝固时间与水灰比、水玻璃浓度、温度等因素均相关，在同一温度条件下，水灰比、水玻璃浓度越低，其浆液凝结时间越短。因此，在一定条件下，通过调节水灰比及水玻璃浓度即可有效控制其凝固时间，其调整范围可从几分钟到几十分钟不等。

2)水泥—水玻璃注浆体中的结石程度较高，可形成较为清晰的浆脉，极大缩短了黄土隧道围岩开挖后的自稳调整时间，有效增强了黄土隧道围岩的整体稳定性。

3)水泥—水玻璃注浆体的强度与水泥、水玻璃的配合比具有非常明确的函数关系，即注浆体的强度存在一个最大值，对应于配合比的最佳值。经现场试验验证，该最佳值为水泥—水玻璃体积比为1∶0.65。

3　黄土隧道注浆加固工艺

3.1　浆液配合比

根据乔原隧道的实际情况，为保证水泥浆液在富水黄土隧道段的可注入性及扩散性，该浆液采用的水玻璃模数为2.8，其浓度Be′为38～40，配合比为：水灰质量比0.75∶1，水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥—水玻璃的体积比为1∶0.5。

3.2　注浆孔布设位置

在隧道施工过程中，为保证富水黄土隧道掌子面及周边围岩的稳定性，采用水平注浆及辐射注浆。首先，在水平注浆方面，其注浆孔布设于掌子面的开挖轮廓线内的全部范围内，呈梅花形双层布设，孔间距为0.5 m，孔深应结合实际情况确定，其长度不小于3 m。在辐射注浆方面，该注浆孔以水平注浆孔为基准，每个水平注浆孔周围布设5个辐射注浆孔，其与水平方向的夹角分别为15°，25°，35°，45°，55°，具体情况如图3，图4所示。

3.3　注浆压力

在黄土隧道围岩注浆时，其注浆压力主要受黄土体密度、初始应力、孔深、布设位置、注浆工艺等因素的影响。在注浆施工过程中，当注浆位置埋深较浅，浆液极易沿围岩体的剪切滑动面流动，导致浆液无法注入目标处，甚至从其他裂隙冒出。根据注浆压力的经验公式，可对注浆压力进行初步估算：

Pc-P0=c+kγh。

其中，Pc为注浆压力；P0为黄土隧道围岩水压力；c为黄土体粘聚力；k为土压力系数；γ为土体重度；h为注浆孔深度。

根据上述公式，结合本项目的实际情况，经计算后可知，注浆起始压力为0.5 MPa，终压为2.0 MPa。

3.4　注浆扩散半径

在通常意义上讲，注浆扩散半径并非隧道注浆过程中浆液能达到的最远位置，而是指达到注浆效果的有效半径。在黄土隧道注浆方案设计过程中，应选取有效的注浆扩散半径，以准确指导施工。然而，注浆扩散半径受土体渗透系数、含水量等因素的影响，其理论计算结果与实际情况差别较大，无法准确指导施工。本项目根据现场试验结果，确定了黄土隧道注浆在终压小于3 MPa

的条件下通常为0.6 m。

4　注浆加固效果评价

本项目在注浆加固施工完成后，通过对后续掌子面的开挖情况观察可知，水泥—水玻璃浆液在富水黄土围岩中得到有效扩散，并形成了清晰的浆脉，其现场具体情况如图5所示。同时，土体中地下水被挤出，含水量减小，黄土围岩整体稳定性提高。通过室内试验，对注浆后黄土隧道围岩进行抗压强度测试后可知，注浆后土体的平均抗压强度达到4.0 MPa，较原黄土体的强度有大幅提升。

总之，采用水泥—水玻璃双液注浆技术后，黄土隧道富水段围岩工程性质得到明显改善，整体稳定性得到大幅提升，取得了良好的注浆效果。