深孔高壓注漿法在大西客運專線上白隧道穿越砂層中的應用

蒲正林

(中鐵十二局集團有限公司大西鐵路客運專線工程指揮部，山西臨汾 041000)

1 概述

大西客運專線上白隧道位于山西省聞喜縣境內，全長1 717 m(里程DK594+747～DK596+464)，自進口至出口為1.45%的上坡，隧道最大埋深126.22 m。隧道為黃土臺塬地貌，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161.23 m3)，開挖過程中有大面積的砂層滑落，導致隧道初期支護無法正常施工。經研究決定采用深孔高壓注漿，這一方法能使砂層圍巖的自穩能力加強，在開挖過程中砂層不會滑落，保證現場正常施工，給下一道工序爭取了充足的時間。現場實踐證明，深孔高壓注漿方法能使砂層隧道正常施工，并且施工工藝簡單，易于操作，材料價格適宜。采用這一方法，取得了良好的經濟效益和社會效益。

2 施工工藝流程及方法

2.1 施工工藝流程(圖1)

圖1 施工工藝流程

2.2 注漿裝置(圖2)

注漿原理將中心注漿管插入套管內，再將套管和中心注漿管一起插入打入土體的注漿管;擰緊套管后端螺絲，使受壓后的橡膠棒膨脹做止漿塞，橡膠棒膨脹后與注漿管摩擦有足夠的壓力后開始注漿。注完一段后，松開套管后端螺絲，使套管和中心注漿管在注漿管內后退一定距離，再擰緊套管后端螺絲，繼續注漿。

圖2 注漿裝置

2.3 施工工藝(圖3)

圖3 注漿施工工藝

3 注漿漿液的選擇

3.1 注漿漿液

單液漿一般采用水泥漿液，水泥與水的質量比為1∶1。這種漿液在本隧道中主要用于初期支護施工完畢后在初期支護背后回填注漿，填滿背后的空洞，雙液漿注漿一般采用水泥水玻璃。在注水泥水玻璃時既要達到一定的擴散半徑，又不能使漿液的擴散半徑過大造成浪費，根據施工的注漿經驗一般采用35Be'的水玻璃。但實際施工中發現，此種注漿配比水泥的膠凝速度過快(十幾秒)，達不到一定的擴散半徑就凝固了，而且注漿泵稍一停就發生了堵管現象，說明這種配比不適合此工程地質情況，因此要對注漿參數進行試驗，選擇合適的水玻璃濃度配比。試驗結果見表1。

表1 水泥水玻璃配比試驗數據

根據試驗數據，得出水泥與水玻璃的漿液初凝速度相差不大，終凝速度相差很大的結論，所以起到關鍵作用的是漿液的終凝時間，在本隧道中，為了有效地加強圍巖的自穩能力，并且使漿液的擴散半徑保持在0.5～1 m范圍以內，現場采用波美度為10 Be'的水玻璃，水泥與水玻璃的體積比為1∶1的漿液。

3.2 注漿材料

對材料要求可灌性好，易于注入;穩定性好，不產生離析和沉淀，能在要求的時間內凝固或凝結，固結后有較高的強度等級和抗滲性;具有一定的強度，結石體抗滲性好;材料來源豐富，便于運輸與儲存;在常溫、常壓下較長時間存放不改變其基本性質，存放不受溫度、濕度變化的影響;價格適宜;無毒、無臭，不污染環境，對人體無害;漿液對注漿設備、管路、混凝土結構物及橡膠制品等無腐蝕性，并容易清洗。漿液配制方便，工藝及設備簡單、操作容易簡便。

4 注漿參數的控制

4.1 注漿裝置的制作要求

注漿管采用φ42 mm無縫鋼管制作。先把鋼管截成5 m長，在鋼管的一端做成30 cm長的圓錐狀。距注漿管后端100 cm不開孔，剩余部分每隔20 cm梅花型布設φ5 mm～φ10 mm的溢漿孔。中心注漿管采用φ20 mm的無縫鋼管，長度為5.2 m。前端制作螺絲扣(螺絲扣長度20 cm)用來固定橡膠棒和橡膠壓盤不脫落。后端制作螺絲扣(長度40 cm)用來轉動固定手柄和活動手柄產生壓力使橡膠棒壓縮膨脹。套管選用φ30 mm的無縫鋼管，其長度為500 cm。橡膠棒和壓盤的直徑與套管一樣大。

4.2 注漿管的安設

應采用引孔頂入法，其安設步驟為:

(1)用帶沖擊錘的風鉆將小導管頂入;

(2)用吹風管將管內砂石吹出或用掏勾將砂石掏出;

(3)注漿管周圍縫隙用錨固劑封堵，為防止注漿過程中工作面漏漿，必須對工作面進行噴混凝土封閉后再安設注漿管。噴射厚度50 mm。

4.3 注漿管布置

隧道每循環鋼支撐間距為60 cm，每開挖2個循環注漿1次，管長為5 m，環向間距100 cm，施作范圍拱部180°范圍，外插角盡量控制在14°～20°，以保證注漿管的有效長度。存在漏點時按50～100 cm進行加密布孔，并根據需要適當鉆排氣、排水、排泥漿的輔助孔。

4.4 注漿孔的設置

沿鋼拱架左下側連接板50 cm處開始向右布孔，孔直徑5 cm，孔間距100 cm，下一循環沿鋼拱架左下側連接板100 cm處開始向右布孔，孔直徑5 cm，孔間距100 cm，盡量避免相鄰2個循環注漿管在隧道徑向重疊。將注漿管打入設定的深度后，用高壓風或清水清除注漿管內的雜物。

4.5 注漿順序

沿隧道軸線由低到高、由下往上、隔孔進行注漿。

4.6 漿液擴散范圍

漿液擴散半徑50 cm。漿液擴散范圍與漿液粘度、凝膠時間、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。漿液注入量按下式計算

式中R——漿液擴散半徑，m，取0.5 m;

L——注漿管長，取4 m;

n——地層孔隙率;

α——地層填充系數，一般取0.8;

β——漿液消耗系數，一般取1.1～1.2。

4.7 壓漿結束標準

開始注漿壓力一般小于0.5 MPa，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 注漿設備

(1)注漿應配備與工藝相適應的成孔設備、注漿設備、攪拌設備和其他設備，不可臨時拼湊，以保證注漿質量。

(2)成孔設備可根據地質情況選用成孔深度4 m以上的風鉆、高壓(0.6 MPa)吹管。

(3)根據注漿工藝，應配有單液注漿泵，其注漿壓力應不小于5 MPa，排漿量應大于50 L/min，并可連續注漿。

(4)攪拌水泥漿的設備應選用低速機械式攪拌機，其攪拌有效容積不小于400 L。

(5)注漿時，應根據需要配有混合器、抗振壓力表、高壓膠管、高壓球閥、水箱及儲漿桶等輔助設備。

(6)注漿時，還應配備必要的檢驗測試設備，如:秒表、pH計、波美計等。

(7)所有計量儀器、儀表均應有產品合格證及檢定單位檢定合格證。

6 質量控制和預防措施

(1)注漿開始前，應根據單液漿注漿方式正確連接管路。

(2)注漿開始前，應進行壓水或壓稀漿試驗，檢驗管路的密封性和地層的吸漿情況，壓水試驗的壓力不小于設計終壓，時間不小于5 min。

(3)注漿時，要經常觀測注漿壓力和流量的變化，發現異常情況及時處理。注漿過程中，如壓力逐漸上升，流量逐漸減少屬于正常現象;如壓力長時間不上升(注漿5 min)流量不減，可能是跑漿或漏漿;如壓力急劇上升，流量急劇減少，在排除地層因素外，可能是管路阻塞。

(4)注漿過程中，要經常觀察工作面及管口情況，發現漏漿和串漿，要及時進行封堵。

(5)注漿過程中要做好注漿記錄，每隔5 min詳細記錄壓力，流量，凝膠時間等，并記錄注漿過程中的情況。

(6)為防止串漿情況發生，注漿時應采取隔孔注漿的順序進行。

7 注漿效果檢查

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。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。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。

8 隧道注漿加固效果

隧道砂性圍巖注漿加固以后，砂層不在有大面積的滑落，能夠滿足開挖的條件。只要有漿液滲入到的砂層，都能夠使砂層的流動性發生質的改變。開挖后有充足的時間完成下一步施工工序。如果漿液擴散不是很均勻，尤其隧道拱頂上部，由于拱部砂層壓力比較大，流沙問題還是存在，有局部地方仍然有砂層在流動，只局限于小部分的砂層，給施工不會帶來影響。鑒于拱頂的流沙，現場采用外插角20°～25°的大角度注漿，加強注漿管的密度來解決這個問題，也取得很好的效果。

9 結語

針對隧道洞身范圍內都有不同程度的砂層，采用深孔高壓注漿對砂層進行注漿，加強砂層的自穩能力，從而使砂層在開挖過程中不流動，給下一道施工工序提供了充足的施工時間，降低了開挖風險，確保了安全，提高了施工速度，在施工過程中都起到了積極的作用。

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