穿越301國道頂管段灌漿加固技術分析

王 蛟，王德成，趙宏偉

（1.樺川縣新城灌區管理站，黑龍江樺川 154300;2.樺川縣新河宮排灌站，黑龍江樺川 154300;3.樺川縣水務局，黑龍江樺川 154300）

1 工程位置以及現場問題

紅旗泡水庫主要為大慶石化公司的生產和生活用水來源，紅旗泡泵站異地新建項目位于紅旗泡水庫西水源管理站的北部，有7根供水管線鋼管要穿越301國道，頂管的工作坑位置位于供水管線的上游側，在穿越國道的管線中有直徑D1620的套管1根，套管編號為2號，直徑D1420的套管6根，套管編號為 1、3、4、5、6、7，7 根套管的長度均為66 m，采用的鋼材鋼號均為Q235-BZ的普通碳素鋼材。

該工程開工以來，在穿越G015國道的7根管線中，目前有1～3號管線管線上部的路面出現8.5 cm的沉降，分析原因有3點：①降水效果不理想，操作坑下沉18 cm;②地下水位比較高，降水引起公路地基沉降;③公路過往車輛超重，對公路路基振動過大，引起局部沉降。根據以上問題以及公路部門的對路基安全的相關要求，應對公路路基進行注漿措施，防止出現路基下部更多地方的大規模沉降，由于頂進套管是每根是焊接成一個整體的，套管外部的每個地方沉降都可能對路基造成影響，所以進行對套管外部進行灌漿，加固路基。本著技術可靠、經濟安全的情況，結合多年來設計公司對公路注漿加固的經驗，經詳細計算和應力分析，結合該套管周圍地質是粉細砂土層，水泥灌漿的可灌性極差，而且需要灌漿壓力很大，壓強過大還會造成管壁外壓失穩，研究決定采用從鋼套管內部鉆孔進行化學水玻璃注漿，每排6孔，排距1.5 m，成梅花型布置，加固因為施工頂進套管的對周圍擾動的土體，在套管周圍形成拱應力圈，加大公路在該地段的抗壓強度，增加該路基的穩定，保證以后通車安全。

2 路基下部地質結構

根據該工程的地質勘察報告，在輸水管線穿越G015國道段，管道的中心高程為142.759 m，在管線周圍從上向下分布為黃色低液性黏土、級配不良細砂、灰黑色的低液性黏土、高液性粉土，公路兩側的地面高程在145.1～147.1 m，公路的路面凈寬度24 m，在路基的下部，管線正好穿越的位置為級配不良細砂層。

3 注漿材料的選擇與計算

管線正好穿越的位置為級配不良細砂層，最大承載力140 kPa，該砂層的高程處于140.40～145.10 m，厚度5 m左右，正好包含整個在G015國道管線，該粉細砂經過我公司巖土實驗室進行顆粒級配試驗數據顯示，該細砂層的顆粒比較小，粒徑大多數在0.075～0.25 mm。根據以往工程經驗，采用水泥砂漿材料進行灌漿的可灌性很低，通常工程上對細砂層的灌漿采用化學灌漿，化學灌漿的主要優點：①化學溶液的黏度低，可灌性好，能灌入0.03～0.001 mm的微細裂隙中，還能滲入泥化夾層中，并改變其物理力學性能。②化學溶液從流體變成膠凝體或固體的聚合時間，可在幾秒鐘到數小時之間較準確地進行控制，有效地控制漿液擴散范圍，還可在很短的時間內封堵有壓集中滲流。③其聚合體幾乎是不透水的，滲透系數一般為10-8cm/s，且在高水頭下不易被擠出，化學漿材種類很多，常用化學漿材的逐步要材料就是硅酸鈉（Na2SiO3）化合物溶液。

由于本工程采用硅酸鈉化合物溶液作為漿液灌漿，它可解決水泥灌漿難以奏效的特殊工程地質問題，粉細砂層常用化學灌漿進行補強加固，經過計算研究決定采用水玻璃灌漿材料，水玻璃化學名稱就是硅酸鈉，分為液體、固體、水淬3種，該灌漿采用的是液體硅酸鈉無色、略帶色的透明黏稠狀液體。分子式：Na2·nSiO2，石英砂和堿的配合比例即SiO2和Na2O的摩爾比決定著硅酸鈉的模數n，模數即顯示硅酸鈉的組成。液體硅酸鈉的技術指標見表1。

鈉水玻璃為硅酸鈉水溶液，分子式為Na2O·nSiO2，土木工程中主要使用鈉水玻璃，優質純凈的水玻璃為無色透明的黏稠液體，溶于水。水玻璃分子式中的n稱為水玻璃的模數，代表Na2O和SiO2的分子數比，是非常重要的參數。n值越大，水玻璃的黏性和強度越高，但水中的溶解能力下降，工程中常用模數n為2.6～2.8，既易溶于水又有較高的強度，工程中常用液態水玻璃的密度一般為1.36～1.50 g/cm3，相當于波美度38.4～48.3，為加速水玻璃的凝結固化速度和提高強度，水玻璃使用時一般要求加入固化劑氟硅酸鈉，氟硅酸鈉的摻量一般為12%～15%。

表1 液體硅酸鈉的技術指標

4 注漿孔范圍的確定

注漿采用的是管內固結注漿，在套管內管壁上每排鉆孔6個，孔徑50 mm左右，6個鉆孔成對稱布置，相鄰鉆孔的夾角為60°，D1620套管的每個鉆孔深度經計算后確定為2.0 m，D1420套管的每個鉆孔深度經計算后確定為1.5 m，D1620套管和D1420套管鉆孔排距均為1.5 m，排與排之間的鉆孔采用梅花形錯開布置，采用間隔式對鉆孔進行灌漿，灌漿量經過計算在壓強≤0.28 MPa的作用下，根據滲透半徑與滲透速度，最后灌漿量52 L/m，灌漿完畢后對鉆孔采用與套管等厚度鋼板封堵焊死。

5 注漿鉆孔進尺量以及注漿量計算

5.1 D1620套管進尺計算

每排6孔，每孔進尺2 m，排距1.5 m，1根頂進的66 m套管共45排，所以D1620的鉆孔進尺量L=540 m。

5.2 D1620套管注漿量計算

式中：Q為注漿液用量，m3;D為注漿直徑，m;H為鉆孔深度，m;B為損失系數。

5.3 D1420套管進尺計算

每排6孔，每孔進尺1.5 m，6根頂進的66 m套管共270排，所以D1420的鉆孔進尺量L=2 430 m。

5.4 D1420套管注漿量計算

式中：Q為注漿液用量，m3;D為注漿直徑，m;H為鉆孔深度，m;B為損失系數。

綜上，在對公路路基下部土體進行固結灌漿的同時，還要考慮灌漿的壓力不可以太大，隨著新管線需要大量興建和過去的舊管線大量待重建或翻修，管線建設愈多，在穿過公路路基為粉細砂路段，采用化學灌漿的加固措施是可行的。

[1]華東水利設計院.水工設計手冊（第八卷）[R].北京：中國水利電力出版社，1992.

[2]崔冠英.水利工程地質[M].北京：中國水利電力出版社，2003.

[3]袁光裕.水利工程施工[M].北京：中國水利電力出版社，2003.