隧道地層施工中注漿預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用

陳鈺斌

（中鐵二十局集團第一工程有限公司,江蘇 蘇州 215000）

引言

隨著城市經(jīng)濟、文化的不斷發(fā)展,隧道成為當(dāng)前主要交通設(shè)施,在城市交通系統(tǒng)中發(fā)揮著不可代替的作用。在隧道地層施工中需要采取有效手段,對隧道地層進行加固,提高隧道整體穩(wěn)定性,防止周圍巖土體位移和下沉。但由于國內(nèi)隧道建設(shè)起步比較晚,相關(guān)施工技術(shù)和方法理論還不夠成熟,雖然近幾年隧道地層加固受到了學(xué)者和專家的關(guān)注,并取得了一些研究成果,但是至今沒有形成一套系統(tǒng)的隧道地層加固施工方法,在實際項目中施工質(zhì)量難以達標(biāo),施工后隧道位移和下沉量較大,現(xiàn)有的隧道地層施工方法和技術(shù)還存在較大的提升空間,為此提出隧道地層施工中注漿預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用。

1 工程概述

以某隧道地層施工項目為例,針對該工程實際情況開展注漿預(yù)加固施工。該隧道長度總長為2 648.66 m,寬度為8.46 m,隧道的上半斷面位于軟流塑地層,地層含水豐富,穩(wěn)定性較差。隧道地層開挖施工采用分層法,并且預(yù)計穿過126 m 淤泥質(zhì)黏土層以及164 m 的粉質(zhì)黏土層,該隧道工程地質(zhì)性質(zhì)較差,但是地層沒有發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。該隧道地層主要包含5層土體,自上而下依次為人工填土層、淤泥質(zhì)黏土層、粉質(zhì)黏土層、灰褐色軟流粉質(zhì)粘土層以及灰色粉質(zhì)粘土層,工程地層土體物理學(xué)參數(shù)見表1。

表1 工程地層土體物理學(xué)參數(shù)表

考慮到該隧道地層巖土結(jié)構(gòu)極不穩(wěn)定,在無支護條件下隧道地層巖土自穩(wěn)能力較差,會影響到隧道施工質(zhì)量和安全。根據(jù)該隧道工程實際情況,決定應(yīng)用注漿預(yù)加固技術(shù),對隧道地層進行加固處理,增強隧道地層巖土體抗剪強度,避免出現(xiàn)隧道位移和下沉。

2 基于注漿預(yù)加固技術(shù)的隧道地層施工

2.1 施工準(zhǔn)備

為了保證隧道地層注漿預(yù)加固施工質(zhì)量,在施工前需要做好準(zhǔn)備工作,主要包括施工現(xiàn)場清理、準(zhǔn)備關(guān)鍵的施工設(shè)備以及材料[1]。在人員與設(shè)備和材料未進場之前,將隧道地層施工現(xiàn)場的生活垃圾、碎石料等清理干凈,并利用測量儀器對隧道地層進行詳細(xì)測量,收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息[2]。隧道地層注漿預(yù)加固施工涉及到鉆孔、封孔等工藝,根據(jù)該隧道地層施工需求,準(zhǔn)備一套旋噴設(shè)備,其型號為IGDF-4544 旋噴式注漿機,準(zhǔn)備一臺型號為FHAFT/565AF 電焊機,一臺型號為 HIFAT-454F45 立式鉆機, 一臺型號為OIYDF-46744 鉆頭,并且還需要準(zhǔn)備50 個規(guī)格為160 mm×15 mm 套管鋼管[3]。根據(jù)說明書以及使用規(guī)則,對所有施工設(shè)備功能進行校準(zhǔn),同時根據(jù)材料質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn),隨機抽查5 個套管鋼管質(zhì)量,檢驗其是否符合隧道地層施工要求。

2.2 布孔及鉆進

考慮到該隧道地層支護樁基礎(chǔ)直徑為2.5 m,在支護樁圓周上布置孔位,相鄰兩個孔圓心間距35 mm。根據(jù)注漿孔位設(shè)計圖,利用HIFAT-454F45 立式鉆機和OIYDF-46744 鉆頭開展鉆孔施工,利用鋼管套管對鉆機鉆孔進行定位和導(dǎo)向,令鉆桿與隧道地層垂直,當(dāng)鋼管套管垂直度不滿足要求時,需要及時糾正垂度,避免其對鉆孔質(zhì)量造成不良影響[4-6]。在鉆孔時需要嚴(yán)格控制鉆孔深度和鉆桿外插角等技術(shù)參數(shù),鉆孔深度與隧道地層坍落高度以及角度有直接關(guān)系,其計算公式為

式中,L 為隧道地層注漿孔深度；H 為隧道圍巖坍落高度；為隧道圍巖坍落角度[7]。

隧道圍巖坍落高度越大,坍落角度越小,隧道地層的穩(wěn)定性越高,隧道圍巖的自穩(wěn)能力越強,已知該隧道的坍落高度和坍落角度,隧道地層注漿孔的深度取值范圍為4.5 m～6.5 m[8]。鉆桿的外插角度主要與注漿孔深度、注漿半徑有關(guān),其計算公式為

式中,α 為鉆桿的外插角度；r 為隧道地層注漿半徑。

根據(jù)該工程實際情況,隧道地層注漿半徑為0.45 m,根據(jù)上述公式計算可以得到鉆桿外插角范圍為6.5°～9.5°[9]。令鉆頭對準(zhǔn)套管鋼管孔位,對隧道地層進行勻速鉆進,鉆取的注漿孔偏斜不應(yīng)大于0.15%,孔位偏差不應(yīng)超過1.5 mm,成孔深度不應(yīng)超過設(shè)計深度的0.35 m。鉆孔完成后將孔內(nèi)的碎石料清理干凈,待后續(xù)高壓注漿。

2.3 砂漿制備

砂漿是隧道地層注漿預(yù)加固施工的關(guān)鍵施工材料,其直接關(guān)系到隧道地層施工質(zhì)量,以及最終的注漿預(yù)加固效果,注漿預(yù)加固技術(shù)主要是通過向隧道地層圍巖內(nèi)注入人工配制的漿液,改變隧道地層圍巖物理性能和應(yīng)力狀態(tài),從而達到加固的目的。漿液制備的原材料主要為水泥、水、石灰、添加劑,常用的添加劑為磷酸- 水玻璃,根據(jù)該隧道工程地層土體物理學(xué)參數(shù),設(shè)計四個原材料比例為3：2：1：1,使用的水泥為36.4 普通硅酸鹽水泥。在砂漿制備之前,需要配制添加劑,即磷酸- 水玻璃,將工業(yè)磷酸與水玻璃按照1:1的比例放入到容器中,對其進行充分?jǐn)嚢?攪拌時間為10 min～15 min,環(huán)境溫度為25℃～30℃,水玻璃與磷酸接觸后,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成酸性水玻璃凝膠。將配制好的磷酸- 水玻璃倒入混凝土攪拌機中,與水泥、石灰以及水一起攪拌,攪拌時間為25 min～30 min,酸性水玻璃凝膠的添加會增加水泥砂漿的粘稠度,降低水泥砂漿的孔隙率。將制備好的漿液放在背陰環(huán)境下備用。

2.4 注漿預(yù)加固施工

根據(jù)注漿孔規(guī)格制作出配套的小導(dǎo)管,小導(dǎo)管的材料為N35 鋼材,在小導(dǎo)管的管壁鉆取直徑為4.5 mm～6.5 mm 的小孔,孔的間距控制在3.5 cm～6.5 cm范圍內(nèi),小導(dǎo)管出漿孔布置示意圖見圖1。

圖1 小導(dǎo)管出漿孔布置示意圖

如圖1 所示,小導(dǎo)管壁上的孔并非遍布管身,其主要集中在中間部位,從管頭一側(cè)100 cm 處開始鉆孔,距離另一端60 cm 處停止布孔,該孔的作用是使?jié){液滲透到隧道地層圍巖內(nèi)。將制作好的小導(dǎo)管下放到注漿孔內(nèi),并且將制備好的漿液放入到IGDF-4544旋噴式注漿機內(nèi),根據(jù)該隧道地層注漿預(yù)加固需求,將注漿機的注漿壓力設(shè)定為24.54 MPa,注漿量設(shè)定為880 kg/m3,噴嘴直徑設(shè)定為2.64 mm,旋轉(zhuǎn)角設(shè)定為360°,提升速度設(shè)定為16.62 cm/min。

2.5 孔口補漿及封孔

高壓旋噴注漿施工完成后,將注漿噴頭提出,小導(dǎo)管內(nèi)并非需要全部注滿漿液,當(dāng)漿液注入與隧道地層平行時,停止注漿,此時使用木棍或者其他工具攪拌小導(dǎo)管內(nèi)漿液,排出漿液內(nèi)的空氣和氣泡,攪拌時間至少5 min。如果發(fā)現(xiàn)攪拌后漿液有所下沉,需要由人工及時進行注漿,再次將漿液補充到與隧道地層持平。隨后利用型號為HIFHA-5474 封孔器對注漿孔進行封孔,壓密注漿加固示意圖見圖2。

圖2 壓密注漿加固示意圖

如圖2 所示,漿液被封鎖在小導(dǎo)管內(nèi),受到管內(nèi)壓力作用,漿液從小導(dǎo)管壁上的孔滲透到隧道地層圍巖內(nèi),通過不斷擴散形成漿泡,填補隧道地層內(nèi)部的縫隙。隨著漿液的不斷擴散,促使隧道地層圍巖形成二次應(yīng)力狀態(tài),改變隧道圍巖的物理力學(xué)性能,提高隧道地層圍巖的內(nèi)摩擦角、彈性模量,減小隧道圍巖的泊松比,形成一個注漿預(yù)加固層,從而起到隧道地層承載拱的作用。

3 實驗方案及結(jié)果討論

進行隧道地層注漿預(yù)加固實驗,考慮到注漿厚度是隧道地層注漿預(yù)加固施工質(zhì)量的主要影響因素,因此根據(jù)相關(guān)文獻,以及工程注漿預(yù)加固技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗,設(shè)計注漿厚度為0.35 m、0.55 m、0.85 m、1.15 m、1.45 m、1.75 m 6 種工況。對6 種工況下隧道地層圍巖物理力學(xué)性能實驗,選取隧道圍巖的抗剪強度作為驗證指標(biāo),計算出施工后隧道圍巖抗剪強度。

為了進一步檢驗處不同工況下隧道地層注漿預(yù)加固效果,利用型號為HIDF-4554 測量儀對隧道下沉量和水平位移量進行測量,利用電子表格對實驗數(shù)據(jù)進行記錄,不同注漿厚度下隧道地層加固效果對比見表2。

表2 不同注漿厚度下隧道地層加固效果對比

由表2 可知,在隧道地層施工中應(yīng)用注漿預(yù)加固技術(shù),需要嚴(yán)格控制注漿厚度技術(shù)參數(shù),將其控制在1.15 m 左右,以此保證隧道地層注漿預(yù)加固效果,以及隧道地層施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

此次結(jié)合相關(guān)文獻資料,以及個人實踐經(jīng)驗,對隧道地層施工中注漿預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用進行了研究,通過實例分析,對隧道地層注漿預(yù)加固技術(shù)參數(shù)進行了優(yōu)化,實現(xiàn)了對隧道地層施工技術(shù)的創(chuàng)新與完善,此次研究對注漿預(yù)加固技術(shù)在隧道地層施工中的廣泛應(yīng)用具有一定的推廣意義,同時也為隧道地層施工中注漿預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用提供參考依據(jù),有助于提高隧道地層施工質(zhì)量,以及保證隧道施工安全性和穩(wěn)定性,此次研究具有良好的現(xiàn)實意義。但是由于此次研究時間有限,僅對注漿厚度一個技術(shù)參數(shù)進行了優(yōu)化,在研究內(nèi)容方面可能存在一些不足之處,今后還會對該課題進行深入探究,為隧道地層施工中注漿預(yù)加固技術(shù)的應(yīng)用提供有力的理論支撐。