超前小導管注漿在上白隧道穿越砂層中的應用

王越云

1 概述

上白隧道位于山西省聞喜縣境內，全長1 717m(里程DK 594+ 747～DK 596+464)，自進口至出口為1.45%的上坡，隧道最大埋深126.22m。隧道所屬峨眉嶺地區，黃土臺塬地貌，沖溝發育，地形起伏較大，大部分被黃土覆蓋，地表多為耕地及林地。根據設計縱斷面圖顯示，隧道整體圍巖均較差(全隧設計圍巖等級均為黃土Ⅴ級，最大開挖斷面 168.23m3)，且全隧洞身范圍內均含有不同程度的砂層。根據設計圖紙顯示，該段砂層長度為 708m(改DK 594+812～改DK 595+520)，由下至上逐漸覆蓋隧道整個開挖斷面，該砂的天然含水率在3%～5%之間，顆粒密度在1.8g/cm3～2.0 g/cm3之間，在人工開挖過程中，粉砂呈水流狀流出。

上白隧道穿越砂層施工中，超前小導管注漿效果直接影響著施工的安全，包括人身安全、質量安全及上白隧道路面的安全和施工進度，針對這一點，需要我們根據上白隧道的砂層情況，選擇好超前小導管注漿的施工控制參數。

超前小導管注漿加固地層技術，是通過沿主洞開挖輪廓線外縱向向前傾斜鉆孔安設注漿管，并注入漿液，達到超前加固圍巖和止水的目的，同時小導管還可起到超前管棚預支護作用。該技術是軟弱、松散圍巖施工中采取的輔助技術措施。

依據《地鐵暗挖隧道注漿施工技術規程》和其他一些規范資料，我們對設計提出的注漿用的兩種漿液(改性水玻璃、水泥—水玻璃雙漿液)和小導管的長度進行了對比、分析，通過在掌子面的試驗，結論為 4.0m長的小導管注入改性水玻璃漿液，固結效果明顯，在開挖中沒有坍塌失穩現象，并可以滿足設計及安全施工的要求。

2 超前小導管注漿材料的選擇

根據《地鐵暗挖隧道注漿施工技術規程》，依據隧道所處地層條件合理選擇注漿材料:

1)對于無水粗砂及砂礫(卵)石地層應選擇單液水泥漿。2)對無水的中砂及粉細砂地層應選擇改性水玻璃漿。3)在有水的粗砂及礫石地層，應選擇水泥—水玻璃雙液漿。4)對于前期及后期強度要求很高的地層，可選擇硫鋁酸鹽水泥類(TGRM，HSC)漿。

對于本隧道地層地質結構(屬于無水的中砂及粉細砂地層)選擇超前小導管注漿材料為改性水玻璃。

3 超前小導管注漿配合比試驗

3.1 試驗室改性水玻璃配合比試驗

由于各種規范資料中配合比都是在一定限制條件下，而且是一個范圍，這就需要我們盡量縮小試驗范圍。

3.1.1 規范配合比試驗

原液:水玻璃:模數2.8～3.3，濃度40 Be′以上;硫酸:濃度98%以上，亦可用廢硫酸代替。

按《地鐵暗挖隧道注漿施工技術規程》，水玻璃稀釋表見表1，將40 Be′的水玻璃原液稀釋成15 Be′的水玻璃;98%的濃硫酸稀釋成15%的稀硫酸;然后將稀釋后的15 Be′水玻璃緩緩倒入稀釋后的 15%的稀硫酸中并充分的攪拌，并根據配制改性水玻璃的pH值控制兩種漿液的配比。

當改性水玻璃漿液pH值控制在 4～6范圍內時，漿液的固結效果為最佳。稀釋硫酸∶稀釋水玻璃=1∶2.8。

規范配合比折算成體積比為:

水玻璃稀釋配比為:水玻璃∶水=1∶1.77;

濃硫酸稀釋配比為:濃硫酸∶水=1∶5.5;

改性水玻璃配比為:稀釋硫酸∶稀釋水玻璃=1∶2.8。

表1 水玻璃稀釋表

3.1.2 施工經驗配合比試驗

水玻璃稀釋配比為:水玻璃∶水=1∶3;

濃硫酸稀釋配比為:濃硫酸∶水=1∶6;

改性水玻璃配比為:稀釋硫酸∶稀釋水玻璃=1∶3。

3.2 改性水玻璃配制步驟

3.2.1 水玻璃的稀釋

采用邊加水邊攪拌邊用波美計測量的方法進行，亦可用計算方法，先算出加水量，然后加入水攪拌均勻。

其中，d原，d配分別為原水玻璃和預配水玻璃的比重，水玻璃比重與波美度的關系為d=145/(145-Be′);V水，V配，V原分別為加水、原水玻璃和預配水玻璃的體積。

3.2.2 硫酸的稀釋

先算出所需濃硫酸量和加水量，然后將濃硫酸緩慢倒入水中，攪拌均勻，嚴禁將水倒入濃硫酸中。

3.2.3 改性水玻璃配制

在高速攪拌情況下，將水玻璃緩慢倒入稀硫酸中，并用pH計(或試紙)測其pH值。

4 超前小導管注漿參數

4.1 壓漿孔布置

沿鋼拱架左下側連接板5 cm處開始向右布眼，眼直徑5 cm，眼間距10 cm，下一循環沿鋼拱架左下側連接板10 cm處開始向右布眼，眼直徑5 cm，眼間距10 cm，盡量避免相鄰兩個循環超前小導管在隧道徑向重疊。

4.2 注漿順序

沿隧道軸線由低到高、由下往上、隔孔進行注漿。

4.3 漿液擴散范圍

漿液擴散范圍與漿液粘度、膠凝時間、注漿的壓力、速度、注漿量有關，設計中常用類比參考值選用，漿液注入量可根據擴散半徑及巖層裂隙率計算確定。施工中根據注漿效果適當增減。

4.4 漿液膠凝時間

為防止漿液在混合器膠凝，又確保注完漿下一道工序能及時開展，漿液膠凝時間不宜小于30min，見表2。

表2 改性水玻璃膠凝時間表

4.5 壓漿結束標準

單根注漿結束標準:注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸減少，當壓力達到注漿終壓，注漿量達到設計注漿量的80%以上，可結束該孔注漿;注漿壓力未能達到設計終壓，注漿量已達到設計注漿量，無漏漿現象，亦可結束該孔注漿;本循環注漿結束標準:所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象，即可結束本循環注漿。

5 注漿效果檢查

1)注漿結束前，必須對注漿效果進行檢查，確認已達到注漿結束標準，方可結束注漿。否則必須進行補孔注漿。效果檢查的主要方法為分析法和直觀檢查法。2)分析法:對注漿記錄進行統計分析，檢查每孔壓力流量是否達到注漿結束標準，有無漏漿、串漿情況，從而反算漿液擴散范圍;檢查本循環所有注漿孔是否都按規定進行了注漿，有無漏注或無法注漿的情況，判定注漿效果。3)直觀檢查法:在開挖過程中觀察漿液擴散情況，地層是否達到了有效的固結，有無漏水和流砂現象，完善和修改下次循環注漿參數。

6 試驗結論

1)經試注，改性水玻璃漿液在砂層滲透性良好，擴散均勻，固結效果明顯。但改性水玻璃配制的影響因素很多，其中包括:試驗環境的溫度、濕度、注漿土體的含堿量、土體的潮濕程度、水玻璃、硫酸的濃度及質量、稀釋用水等。所以改性水玻璃的配制，配合比會因為配制地點、配制環境、配制方法的改變而發生變化，改性水玻璃的固結效果也會有明顯的變化。

2)在注漿效果檢查中發現，在注漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa時，漿液擴散半徑80mm～100mm，漿液配制完成到固結的時間為60min～80min。且兩種漿液濃度相對較低時，在試驗過程中反應相對緩慢，試驗成功率較高，固結效果明顯，無漏水和流砂現象。

經過試驗確定改性水玻璃配合比為:

水玻璃稀釋配比為:水玻璃∶水=1∶3;

濃硫酸稀釋配比為:濃硫酸∶水=1∶6;

改性水玻璃配比為:稀釋硫酸∶稀釋水玻璃 =1∶3.2。

因為影響改性水玻璃的配合比及效果的因素很多，所以在實際操作中要經常調整改性水玻璃的配合比，不能循規蹈矩的只遵循一個死數，這樣才能保證注漿效果，保證施工人員的安全。

[1] DBJ 01-96-2004，地鐵暗挖隧道注漿施工技術規程[S].

[2] GB 50299-1999，地下鐵道工程施工及驗收規范[S].

[3] SL 62-94，水下建筑物水泥灌漿施工技術規范[S].