成都砂卵石地層注漿加固技術應用

王國義

(中鐵十三局集團第二工程有限公司，廣東深圳 518083)

0 引言

成都地鐵1號線已經開始運營，2號線一期正在試運營過程中，2號線二期(西延線)盾構施工已經完成。這2條線的盾構施工說明，在成都高富水、高卵石含量條件下進行盾構施工是可行的。現階段，對成都地區盾構穿越建(構)筑物和重要管線的沉降控制普遍采用袖閥管注水泥漿加固的方法，但實踐證明，在成都砂卵石地層條件下采用傳統工藝進行注漿加固存在以下問題:水泥漿由于漿體顆粒大無法注入密實砂卵石層中［1］;袖閥管注漿時，管的頂部封口不理想［2］，注漿加固時漿液向上冒，注漿效果不理想。盾構穿越時容易出現隧道上方管線、建(構)筑物等沉降，一旦沉降過大或塌陷，直接和間接經濟損失巨大。以往的注漿加固方法應用于成都富水砂卵石地層中無法保證注漿效果。為了解決成都砂卵石地層注漿加固難題，本文分析了以往常用的袖閥管注漿在成都砂卵石地層下的不足之處，提出制作封口管，通過注聚氨酯進行封口，注水泥－水玻璃漿填充大的空隙，注AB化學漿液填充小的空隙，并凝結形成一個整體，進而形成高富水、高卵石含量地層下的注漿加固技術。

1 工程概況

成都地鐵隧道主要穿越砂卵石地層，卵、礫石成分以灰巖、砂巖、石英巖等為主，呈圓形－亞圓形，粒徑大小不一，分選性差。卵石含量約80%，粒徑以20～100 mm為主，最大粒徑為500 mm，圓礫含量約10%，兼夾漂石，漂石最大粒徑為270 mm。卵石硬，最大強度可達200 MPa。卵、礫石以中等風化為主。充填物主要為中、細砂及少量黏性土。卵石土層頂板埋深為8.2～22.0 m。經過長期沉積，未降水區域砂卵石層致密性較好。

按地下水賦存條件，地下水可分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水2種類型。其中，第四系孔隙水，主要賦存于各個時期沉積的卵石土及砂層中，土體透水性強，滲透系數大(25 m/d)，地下水水量豐富，是段內地下水的主要存在形式。

2 盾構穿越建(構)筑物進行加固的必要性

成都地鐵盾構穿越建(構)筑物時，必須進行盾構穿越前的預注漿和穿越后的補注漿。其主要原因為:1)砂卵石地層顆粒間無膠結力，整體穩定性差，易剝層坍塌;2)穿越建(構)筑物風險大，建(構)筑物倒塌會造成大量的人員傷亡和經濟損失;3)成都盾構掘進難以建立真正的土壓平衡掘進模式，當人員操作不當時，容易造成實際出渣量大于預估的設計出渣量的現象;4)盾構穿越時對砂卵石地層擾動較大，若隧道上方地層松散，孔隙率較大，盾構穿越時的擾動會造成卵石重新排列，局部密實，從而造成排列后的卵石層上方局部出現空洞，進而影響到地表建(構)筑物的安全。

3 傳統袖閥管注漿施工

成都砂卵石地層不適用攪拌樁和旋噴樁［3］進行加固施工，一般常采用袖閥管注水泥漿的加固方法。

3.1 傳統袖閥管注漿法

傳統袖閥管注漿法是通過較大的壓力將漿液注(壓)入巖土層中，注漿芯管上下的阻塞器可實現分段分層注漿，可根據施工需要選擇連續或跳段注漿。此工法在全程注漿的施工中，通過分段注漿，使松散的地層和較密實的地層均得到很好的注漿加固效果［4］，避免了以往的注漿工藝在松散地層和較密實地層同時存在時，松散地層注漿量大而較密實地層注不進漿的現象的發生。

3.2 傳統袖閥管注漿施工工藝

工藝流程圖［5］如圖1所示。

1)測量放樣。根據已布設好的控制點坐標計算孔的坐標位置，使用全站儀定出孔位;用水準儀測量地面高程，確定鉆孔深度。

2)鉆孔。采用植物膠護壁機械回轉鉆進成孔，鉆進深度應到達需要進行注漿加固區域的范圍。

3)下管。根據孔深度連接袖閥管，袖閥管上口露出地面20 cm，將連接好的袖閥管下口用尖底封好;將袖閥管下入孔中，并使袖閥管下到孔底。

4)洗孔。用高壓水對孔壁進行清洗，減少孔內沉渣，將孔壁植物膠清洗干凈［6］。

5)下套殼料和封口。下套殼料，并在注漿范圍頂部灌一層厚的砂漿進行封口，以防止注漿過程中冒漿現象的發生。

圖1 傳統袖閥管工藝流程圖Fig.1 Procedure of traditional Soletanche grouting

6)注漿。采取分段式注漿。注漿過程中，每段注漿完成后，向上或向下移動1個步距的芯管長度［7］。注漿結束后，在注漿管上口蓋上悶蓋，以便于復注施工。袖閥管注漿示意如圖2所示。

圖2 傳統袖閥管注漿示意圖Fig.2 Sketch of traditional Soletanche grouting

3.3 砂卵石地層采用傳統袖閥管注漿加固不足之處

1)洗孔是為了將護孔壁的泥漿和植物膠清洗干凈，保證注漿效果。清洗過程中孔壁周圍的砂卵石向孔內塌陷，嚴重時砂卵石會將孔間隙全部充滿，導致套殼料不能按設計下到位，封口位置不準確，影響注漿效果;同時，成都砂卵石地層一般是上部松散下部相對致密，施工過程中往往是漿液基本注入表層的松散層，需要注漿加固位置的深層反而未注入漿液。

2)成都砂卵石層地下水豐富，注入的水泥漿液很容易稀釋并被水沖走，導致注漿效果不好。

3)對于致密性好的富水砂卵石層，因為水泥的粒徑為20～80 μm，無法注入到砂卵石縫隙中，不能加固成一個整體，導致注漿加固效果不好。

4 粗細顆粒相結合注漿施工

根據袖閥管的施工工藝和傳統袖閥管注漿加固在成都卵石地層的不足，經過深入研究，提出改進措施，經過多次改進與試驗，形成了高富水、高卵石含量地層條件下的固定封口、水泥－水玻璃與AB化學漿液相結合的注漿加固施工方法(即粗細顆粒相結合注漿施工方法)。

4.1 粗細顆粒相結合注漿施工工藝

工藝流程圖如圖3所示。

圖3 粗細顆粒相結合注漿工藝流程圖Fig.3 Procedure of fine-material-coarse-material-combined grouting

1)測量放樣。根據已布設好的控制點坐標計算孔的坐標位置，使用全站儀定出孔位;用水準儀測量地面高程，確定鉆孔深度。

2)鉆孔。采用植物膠護壁機械回轉鉆進成孔，鉆進深度應到達需要進行注漿加固區域的范圍。

3)下管。首先根據注漿范圍下帶單向閥的注漿管，然后連接封口管(見圖4)，最后連接不帶孔的注漿管(每根不帶孔注漿管外側固定1根與注漿管等長的小鋁管)，同時將小鋁管連接。

圖4 封口管示意圖Fig.4 Sealing pipe

4)洗孔。將注漿芯管下到注漿管底部，將高壓水打入注漿芯管內，經注漿管底部單向閥進入孔內，對孔壁的植物膠進行清洗，一直達到孔頂部返水出現清水為止(說明孔壁植物膠已經清洗干凈)，最后將注漿芯管抽出［8］。

5)封口。使用手壓泵將適量的聚氨酯經小鋁管注入到3道密封彈性橡膠管內，密封橡膠管充滿聚氨酯膨脹。當密封橡膠管壓力達到0.5 MPa時，連接3道密封彈性橡膠管之間小鋁管上的單向閥開啟，聚氨酯進入3道密封橡膠管之間的2個腔內，聚氨酯遇水迅速膨脹將2個腔填滿，一直達到手壓泵注不進去為止，封口完成。注漿區域頂部封口示意圖如圖5所示。

6)注水泥－水玻璃漿。采用雙液氣動注漿泵將攪拌好的水泥漿和水玻璃漿按1∶1體積配合比注入注漿管內(水泥－水玻璃初凝時間控制在10 min左右)，經注漿管單向閥向加固區域擴散，填充大的空隙并凝結［9］。當氣動注漿泵注入壓力達到3 MPa左右時停止。

7)清洗注漿管。水泥－水玻璃注漿結束后立即將注漿芯管再次插入到注漿管底，上部止漿圈密封拆除，注入清水對注漿管進行清洗，將注漿管底部的沉積水泥清洗掉，當注漿管頂部返出清水為止，然后抽出注漿芯管。

8)注AB化學漿液。采用氣動雙液注漿泵注入AB化學漿液。化學漿液經注漿管單向閥注入到水泥－水玻璃漿無法注入的需加固范圍內，擠走此范圍的水，并迅速反應與砂卵石粘結在一起，形成具有一定強度的整體。AB液的初凝時間控制在3 min左右，注入體積為計劃加固區域體積的6%(設計為加固區域含水體積的1.2倍)。當AB液按計劃量注入完成后清理現場，注漿加固結束。若計劃量未全部注入時，氣動注漿泵已經無法泵入，則需要調整AB液材料配比，需適當增加AB液的初凝時間。

圖5 注漿區域頂部封口示意圖Fig.5 Top sealing of grouting area

4.2 粗細顆粒相結合注漿施工的優缺點

4.2.1 優點

1)3道密封彈性橡膠管和2個腔內全部注入聚氨酯并成為凝固體，在注漿范圍頂部進行封口，能有效解決注漿封堵難題［10］，注入的漿液能夠全部注入到計劃加固區域內。

2)應用水泥－水玻璃雙液漿，凝固時間短，可以防止漿液的流失;同時，水泥－水玻璃漿能有效填充需加固范圍內大的空隙，并形成具有一定強度的整體。

3)化學材料全部溶解于水中，形態與水相似，容易注入到水泥－水玻璃漿無法注入的致密性好的砂卵石層，并迅速與砂卵石粘結，確保加固體的形成。

4.2.2 缺點

1)無論是水泥－水玻璃漿還是AB化學漿液，在注入過程中設備必須完好，不能中途停止。一旦由于某種原因停止，注漿管內漿液凝固，不能再次注漿，將無法達到計劃注漿效果。

2)材料成本相對較高。

4.3 工程實例注漿效果

成都地鐵2號線二期工程(西延線)土建2標盾構正下方穿越土橋社區民房數10間(一般為2層樓房)，基礎為下挖1 m的磚基礎，建筑時間為19世紀70年代。在建筑物的隧道正上方每隔3 m打設1個注漿孔(注漿孔深度到隧道頂部)，采用粗細顆粒相結合注漿工藝進行注漿加固。盾構穿越建(構)筑物期間出渣量少于未加固區域，最終加固區域建(構)筑物最大沉降量為4.8 mm。實踐證明，粗細顆粒相結合注漿方法優于傳統袖閥管注漿加固方法，適用于成都高富水、高卵石含量地層條件下的注漿加固。

5 結論與討論

成都砂卵石地層地質特殊，常規的注漿加固方法效果不理想。經過粗細顆粒相結合注漿加固法的實踐應用，無論是松散砂卵石地層還是致密砂卵石地層，水泥－水玻璃與AB化學漿液相結合的注漿材料都能較為有效地注入，并形成一個加固整體。注漿加固可靠性較高，是適用于富水砂卵石地層加固的有效方法，基本解決了盾構穿越建(構)筑物或管線造成的沉降風險。此種注漿加固方法明顯優于其他加固方法。

施工過程中由于注漿材料凝固時間短，設備出現故障時，漿液易在孔內過早固結，從而造成廢孔。如何改進此問題，減少廢孔產生，保證每一個鉆孔都能按計劃注漿和保證注漿效果，還需進一步探討。

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