雙液注漿技術在富水黃土隧道加固中的應用

陶 云 平

(中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原　030032)

0　引言

近年來，隨著國家高速公路網的不斷完善及“一帶一路”發展戰略的不斷實施，我國在黃土地區修建了大量的高速公路，使得黃土隧道施工及運營規模迅速增大。由于黃土是形成于第四紀的全新統或更新統堆積土，其主要成分為粉土、砂質粉土等，具有大孔隙發育、垂直節理裂隙發育、結構疏松等特性，且具有強烈的水敏性和顯著的結構性[1]。黃土地區一般溝壑縱橫、支離破碎，其水文地質條件復雜，導致黃土地層極易形成陷穴、空洞、地裂縫、軟弱破碎帶、落水洞等不良地質情況；加之黃土地區在極端降雨條件下，地表水沿垂直節理下滲，導致黃土隧道圍巖呈富水狀，極易導致黃土隧道在施工及運營過程中產生塌方、掉塊、冒頂、襯砌開裂、滲漏水、底板隆起等病害，嚴重威脅施工人員及機械安全，增大施工成本，降低黃土隧道運營服務功能[2]。

目前，黃土隧道注漿加固已成為隧道工程界一大研究熱點問題。韓士洲[3]結合陜北黃土隧道的注漿治理工程，深入分析了黃土隧道注漿效果；周燁[4]依托太峪隧道的工程實例，深入研究了黃土隧道注漿工藝及質量檢查技術；徐潤[5]利用室內試驗手段，深入分析了黏土—水泥漿液在黃土隧道注漿加固中的作用及效果。上述研究有力推動了黃土隧道注漿加固技術的發展，本文依托吉河高速喬原隧道富水段，利用水泥—水玻璃漿液進行注漿加固，深入分析其施工工藝，并通過現場觀察手段對注漿加固效果進行評價。研究成果為類似工程提供借鑒意義。

1　工程概況

吉河高速喬原隧道為分離式雙向四車道隧道，其總體走向為西北—東南方向，左右兩洞中軸線間距最大值為32 m，右洞起訖里程為K9+152～K10+778，全長1 626 m，左洞起訖里程為ZK9+163～ZK10+735，全長1 572 m，屬長隧道。該隧道位于黃土塬上，在地表水的長期沖蝕、侵蝕作用下，隧址區地表沖溝發育、溝壑縱橫，導致隧道地表處溝谷、陷穴分布較多，極易形成匯水區。

該隧道采用新奧法施工，其襯砌結構型式為復合式襯砌，初期支護采用25 cm厚的C25噴射混凝土、Ⅰ18型鋼拱架，其間距為80 cm，錨桿采用φ25自鉆式中空注漿錨桿，鋼筋網片采用Φ8鋼筋，間距為80 mm×100 mm，二次襯砌采用50 cm厚的C30鋼筋混凝土。隧道在施工過程中，由于地表水下滲引起隧道圍巖含水量增大，在初期支護施作完成10 d左右，滲水浸透整個初期支護結構，且表面產生較多的白色結晶體；同時，隨著施工進度的不斷開展，該隧道富水段產生不均勻沉降，導致仰拱處開裂，具體情況如圖1，圖2所示。

2　水泥—水玻璃漿液的基本性能

2.1　水泥—水玻璃漿液加固的基本原理

利用水泥—水玻璃進行黃土隧道加固時，其基本原理在于當水玻璃注入黃土體后，其與黃土中含有的金屬原子發生化學反應，生成SiO2凝膠物和堿性金屬硅酸鹽。由于黃土地層中節理裂隙發育、大孔隙分布較多，該凝膠物迅速充填其中，提高了黃土顆粒間的粘結力，減小了黃土富水地層的含水量，增強了黃土體的強度。

同時，水玻璃具有增強水泥水化反應的速度，當水玻璃與水泥中Ca(OH)2發生反應后，產生硅酸鈣凝膠物。該凝膠物極大的減小了水泥注漿體的初凝時間，提高了水泥注漿體的早期強度。

2.2　水泥—水玻璃漿液加固的特點

1)水泥—水玻璃漿液的凝固時間可控性較強。由于水泥—水玻璃漿液的凝固時間與水灰比、水玻璃濃度、溫度等因素均相關，在同一溫度條件下，水灰比、水玻璃濃度越低，其漿液凝結時間越短。因此，在一定條件下，通過調節水灰比及水玻璃濃度即可有效控制其凝固時間，其調整范圍可從幾分鐘到幾十分鐘不等。

2)水泥—水玻璃注漿體中的結石程度較高，可形成較為清晰的漿脈，極大縮短了黃土隧道圍巖開挖后的自穩調整時間，有效增強了黃土隧道圍巖的整體穩定性。

3)水泥—水玻璃注漿體的強度與水泥、水玻璃的配合比具有非常明確的函數關系，即注漿體的強度存在一個最大值，對應于配合比的最佳值。經現場試驗驗證，該最佳值為水泥—水玻璃體積比為1∶0.65。

3　黃土隧道注漿加固工藝

3.1　漿液配合比

根據喬原隧道的實際情況，為保證水泥漿液在富水黃土隧道段的可注入性及擴散性，該漿液采用的水玻璃模數為2.8，其濃度Be′為38～40，配合比為：水灰質量比0.75∶1，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥—水玻璃的體積比為1∶0.5。

3.2　注漿孔布設位置

在隧道施工過程中，為保證富水黃土隧道掌子面及周邊圍巖的穩定性，采用水平注漿及輻射注漿。首先，在水平注漿方面，其注漿孔布設于掌子面的開挖輪廓線內的全部范圍內，呈梅花形雙層布設，孔間距為0.5 m，孔深應結合實際情況確定，其長度不小于3 m。在輻射注漿方面，該注漿孔以水平注漿孔為基準，每個水平注漿孔周圍布設5個輻射注漿孔，其與水平方向的夾角分別為15°，25°，35°，45°，55°，具體情況如圖3，圖4所示。

3.3　注漿壓力

在黃土隧道圍巖注漿時，其注漿壓力主要受黃土體密度、初始應力、孔深、布設位置、注漿工藝等因素的影響。在注漿施工過程中，當注漿位置埋深較淺，漿液極易沿圍巖體的剪切滑動面流動，導致漿液無法注入目標處，甚至從其他裂隙冒出。根據注漿壓力的經驗公式，可對注漿壓力進行初步估算：

Pc-P0=c+kγh。

其中，Pc為注漿壓力；P0為黃土隧道圍巖水壓力；c為黃土體粘聚力；k為土壓力系數；γ為土體重度；h為注漿孔深度。

根據上述公式，結合本項目的實際情況，經計算后可知，注漿起始壓力為0.5 MPa，終壓為2.0 MPa。

3.4　注漿擴散半徑

在通常意義上講，注漿擴散半徑并非隧道注漿過程中漿液能達到的最遠位置，而是指達到注漿效果的有效半徑。在黃土隧道注漿方案設計過程中，應選取有效的注漿擴散半徑，以準確指導施工。然而，注漿擴散半徑受土體滲透系數、含水量等因素的影響，其理論計算結果與實際情況差別較大，無法準確指導施工。本項目根據現場試驗結果，確定了黃土隧道注漿在終壓小于3 MPa

的條件下通常為0.6 m。

4　注漿加固效果評價

本項目在注漿加固施工完成后，通過對后續掌子面的開挖情況觀察可知，水泥—水玻璃漿液在富水黃土圍巖中得到有效擴散，并形成了清晰的漿脈，其現場具體情況如圖5所示。同時，土體中地下水被擠出，含水量減小，黃土圍巖整體穩定性提高。通過室內試驗，對注漿后黃土隧道圍巖進行抗壓強度測試后可知，注漿后土體的平均抗壓強度達到4.0 MPa，較原黃土體的強度有大幅提升。

總之，采用水泥—水玻璃雙液注漿技術后，黃土隧道富水段圍巖工程性質得到明顯改善，整體穩定性得到大幅提升，取得了良好的注漿效果。

5　結語

本文依托吉河高速喬原隧道富水段，利用水泥—水玻璃漿液進行注漿加固，深入分析其施工工藝，并通過現場觀察、室內試驗手段對注漿加固效果進行評價，得出以下幾點結論：

1)水泥—水玻璃雙漿液在富水黃土隧道圍巖注漿中具有凝固時間可控性較強、結石程度較高、注漿體強度較大等特點。

2)采用水泥—水玻璃漿液對富水黃土隧道進行注漿加固時，應重點考慮漿液配合比、注漿孔布設位置、注漿壓力、注漿擴散半徑等參數情況。

3)采用水泥—水玻璃漿液加固后，在黃土隧道圍巖中形成漿脈，減小圍巖含水量，提高圍巖整體穩定性，取得了良好的效果。