陈钰斌

（中铁二十局集团第一工程有限公司,江苏 苏州 215000）

引言

随着城市经济、文化的不断发展,隧道成为当前主要交通设施,在城市交通系统中发挥着不可代替的作用。在隧道地层施工中需要采取有效手段,对隧道地层进行加固,提高隧道整体稳定性,防止周围岩土体位移和下沉。但由于国内隧道建设起步比较晚,相关施工技术和方法理论还不够成熟,虽然近几年隧道地层加固受到了学者和专家的关注,并取得了一些研究成果,但是至今没有形成一套系统的隧道地层加固施工方法,在实际项目中施工质量难以达标,施工后隧道位移和下沉量较大,现有的隧道地层施工方法和技术还存在较大的提升空间,为此提出隧道地层施工中注浆预加固技术的应用。

1 工程概述

以某隧道地层施工项目为例,针对该工程实际情况开展注浆预加固施工。该隧道长度总长为2 648.66 m,宽度为8.46 m,隧道的上半断面位于软流塑地层,地层含水丰富,稳定性较差。隧道地层开挖施工采用分层法,并且预计穿过126 m 淤泥质黏土层以及164 m 的粉质黏土层,该隧道工程地质性质较差,但是地层没有发生腐蚀现象。该隧道地层主要包含5层土体,自上而下依次为人工填土层、淤泥质黏土层、粉质黏土层、灰褐色软流粉质粘土层以及灰色粉质粘土层,工程地层土体物理学参数见表1。

表1 工程地层土体物理学参数表

考虑到该隧道地层岩土结构极不稳定,在无支护条件下隧道地层岩土自稳能力较差,会影响到隧道施工质量和安全。根据该隧道工程实际情况,决定应用注浆预加固技术,对隧道地层进行加固处理,增强隧道地层岩土体抗剪强度,避免出现隧道位移和下沉。

2 基于注浆预加固技术的隧道地层施工

2.1 施工准备

为了保证隧道地层注浆预加固施工质量,在施工前需要做好准备工作,主要包括施工现场清理、准备关键的施工设备以及材料[1]。在人员与设备和材料未进场之前,将隧道地层施工现场的生活垃圾、碎石料等清理干净,并利用测量仪器对隧道地层进行详细测量,收集相关数据信息[2]。隧道地层注浆预加固施工涉及到钻孔、封孔等工艺,根据该隧道地层施工需求,准备一套旋喷设备,其型号为IGDF-4544 旋喷式注浆机,准备一台型号为FHAFT/565AF 电焊机,一台型号为 HIFAT-454F45 立式钻机, 一台型号为OIYDF-46744 钻头,并且还需要准备50 个规格为160 mm×15 mm 套管钢管[3]。根据说明书以及使用规则,对所有施工设备功能进行校准,同时根据材料质量检验标准,随机抽查5 个套管钢管质量,检验其是否符合隧道地层施工要求。

2.2 布孔及钻进

考虑到该隧道地层支护桩基础直径为2.5 m,在支护桩圆周上布置孔位,相邻两个孔圆心间距35 mm。根据注浆孔位设计图,利用HIFAT-454F45 立式钻机和OIYDF-46744 钻头开展钻孔施工,利用钢管套管对钻机钻孔进行定位和导向,令钻杆与隧道地层垂直,当钢管套管垂直度不满足要求时,需要及时纠正垂度,避免其对钻孔质量造成不良影响[4-6]。在钻孔时需要严格控制钻孔深度和钻杆外插角等技术参数,钻孔深度与隧道地层坍落高度以及角度有直接关系,其计算公式为

式中,L 为隧道地层注浆孔深度；H 为隧道围岩坍落高度；为隧道围岩坍落角度[7]。

隧道围岩坍落高度越大,坍落角度越小,隧道地层的稳定性越高,隧道围岩的自稳能力越强,已知该隧道的坍落高度和坍落角度,隧道地层注浆孔的深度取值范围为4.5 m～6.5 m[8]。钻杆的外插角度主要与注浆孔深度、注浆半径有关,其计算公式为

式中,α 为钻杆的外插角度；r 为隧道地层注浆半径。

根据该工程实际情况,隧道地层注浆半径为0.45 m,根据上述公式计算可以得到钻杆外插角范围为6.5°～9.5°[9]。令钻头对准套管钢管孔位,对隧道地层进行匀速钻进,钻取的注浆孔偏斜不应大于0.15%,孔位偏差不应超过1.5 mm,成孔深度不应超过设计深度的0.35 m。钻孔完成后将孔内的碎石料清理干净,待后续高压注浆。

2.3 砂浆制备

砂浆是隧道地层注浆预加固施工的关键施工材料,其直接关系到隧道地层施工质量,以及最终的注浆预加固效果,注浆预加固技术主要是通过向隧道地层围岩内注入人工配制的浆液,改变隧道地层围岩物理性能和应力状态,从而达到加固的目的。浆液制备的原材料主要为水泥、水、石灰、添加剂,常用的添加剂为磷酸- 水玻璃,根据该隧道工程地层土体物理学参数,设计四个原材料比例为3：2：1：1,使用的水泥为36.4 普通硅酸盐水泥。在砂浆制备之前,需要配制添加剂,即磷酸- 水玻璃,将工业磷酸与水玻璃按照1:1的比例放入到容器中,对其进行充分搅拌,搅拌时间为10 min～15 min,环境温度为25℃～30℃,水玻璃与磷酸接触后,发生化学反应,形成酸性水玻璃凝胶。将配制好的磷酸- 水玻璃倒入混凝土搅拌机中,与水泥、石灰以及水一起搅拌,搅拌时间为25 min～30 min,酸性水玻璃凝胶的添加会增加水泥砂浆的粘稠度,降低水泥砂浆的孔隙率。将制备好的浆液放在背阴环境下备用。

2.4 注浆预加固施工

根据注浆孔规格制作出配套的小导管,小导管的材料为N35 钢材,在小导管的管壁钻取直径为4.5 mm～6.5 mm 的小孔,孔的间距控制在3.5 cm～6.5 cm范围内,小导管出浆孔布置示意图见图1。

图1 小导管出浆孔布置示意图

如图1 所示,小导管壁上的孔并非遍布管身,其主要集中在中间部位,从管头一侧100 cm 处开始钻孔,距离另一端60 cm 处停止布孔,该孔的作用是使浆液渗透到隧道地层围岩内。将制作好的小导管下放到注浆孔内,并且将制备好的浆液放入到IGDF-4544旋喷式注浆机内,根据该隧道地层注浆预加固需求,将注浆机的注浆压力设定为24.54 MPa,注浆量设定为880 kg/m3,喷嘴直径设定为2.64 mm,旋转角设定为360°,提升速度设定为16.62 cm/min。

2.5 孔口补浆及封孔

高压旋喷注浆施工完成后,将注浆喷头提出,小导管内并非需要全部注满浆液,当浆液注入与隧道地层平行时,停止注浆,此时使用木棍或者其他工具搅拌小导管内浆液,排出浆液内的空气和气泡,搅拌时间至少5 min。如果发现搅拌后浆液有所下沉,需要由人工及时进行注浆,再次将浆液补充到与隧道地层持平。随后利用型号为HIFHA-5474 封孔器对注浆孔进行封孔,压密注浆加固示意图见图2。

图2 压密注浆加固示意图

如图2 所示,浆液被封锁在小导管内,受到管内压力作用,浆液从小导管壁上的孔渗透到隧道地层围岩内,通过不断扩散形成浆泡,填补隧道地层内部的缝隙。随着浆液的不断扩散,促使隧道地层围岩形成二次应力状态,改变隧道围岩的物理力学性能,提高隧道地层围岩的内摩擦角、弹性模量,减小隧道围岩的泊松比,形成一个注浆预加固层,从而起到隧道地层承载拱的作用。

3 实验方案及结果讨论

进行隧道地层注浆预加固实验,考虑到注浆厚度是隧道地层注浆预加固施工质量的主要影响因素,因此根据相关文献,以及工程注浆预加固技术应用经验,设计注浆厚度为0.35 m、0.55 m、0.85 m、1.15 m、1.45 m、1.75 m 6 种工况。对6 种工况下隧道地层围岩物理力学性能实验,选取隧道围岩的抗剪强度作为验证指标,计算出施工后隧道围岩抗剪强度。

为了进一步检验处不同工况下隧道地层注浆预加固效果,利用型号为HIDF-4554 测量仪对隧道下沉量和水平位移量进行测量,利用电子表格对实验数据进行记录,不同注浆厚度下隧道地层加固效果对比见表2。

表2 不同注浆厚度下隧道地层加固效果对比

由表2 可知,在隧道地层施工中应用注浆预加固技术,需要严格控制注浆厚度技术参数,将其控制在1.15 m 左右,以此保证隧道地层注浆预加固效果,以及隧道地层施工质量。

4 结论

此次结合相关文献资料,以及个人实践经验,对隧道地层施工中注浆预加固技术的应用进行了研究,通过实例分析,对隧道地层注浆预加固技术参数进行了优化,实现了对隧道地层施工技术的创新与完善,此次研究对注浆预加固技术在隧道地层施工中的广泛应用具有一定的推广意义,同时也为隧道地层施工中注浆预加固技术的应用提供参考依据,有助于提高隧道地层施工质量,以及保证隧道施工安全性和稳定性,此次研究具有良好的现实意义。但是由于此次研究时间有限,仅对注浆厚度一个技术参数进行了优化,在研究内容方面可能存在一些不足之处,今后还会对该课题进行深入探究,为隧道地层施工中注浆预加固技术的应用提供有力的理论支撑。