濟南某淺埋市政公路隧道拱頂注漿方案及總結

趙加增 姜文富 李忠陽 孫即秀

（中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊 山東省濟南市 250100 中建材礦業投資江蘇有限公司山東分公司 山東省濟南市 250100）

1 工程概況

濟南市某市政快速公路隧道左右線最大凈距25m，最小凈距7m，隧道斷面形式采用受力較好的雙心圓曲墻拱，內輪廓凈寬14.5m，凈高9.8m，隧道外輪廓最大開挖寬度16.76m，高度12m。隧道斷面為單洞三車道，單側車行道凈寬11.75m。隧道開挖方法為暗挖式，雙側壁導坑法，左、右分為先導洞和后行洞，采取機械配合人工、多臺階預留核心土的開挖方式。隧道周邊施工條件復雜，拱頂覆蓋土層厚度約12～13m，因隧道大部分位于車流密集的市政主干道路正下方，道路寬約60m，暗挖施工安全受周邊環境的影響較為敏感。2019年7-10月施工期正值雨季，前期已出現隧道內滲水險情，拱頂防滲水和加固治理迫在眉睫。

2 工程條件及分析

2.1 工程地質條件

根據勘察報告，暗挖施工拱頂以上地層主要為：①普遍分布的第四系地層：填土、黃土、粉質黏土、黏土層；②局部分布的夾層：碎石土；③偶見分布的：膠結礫巖、黏土混碎石和土洞。場區地下水位埋藏較深，拱頂深度未見地下水位。

各巖土層特征分述如下：

（1）第四系全新統人工堆積層（Q42ml）

①雜填土：雜色，稍～中密，含大量磚塊、碎石、混凝土塊、灰渣等建筑垃圾，充填少量黏性土，頂部一般為路面結構層。該層分布連續，厚度有一定變化。

①1素填土：黃褐色，可塑，稍密，稍濕，以黏性土為主，含少量碎石、磚屑、灰渣等。該層分布不連續。

（2）第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）

②黃土：黃褐色～褐黃色，可～硬塑，土質均勻，含有鐵錳質氧化物，針狀孔隙發育，見少量白色鈣質條紋，偶見小姜石、礫石，粒徑1～3cm，分布不均。該層分布不連續，部分地段缺失。

②1碎石：雜色，稍密，碎石成分為石灰巖碎塊，多呈次棱角狀，一般粒徑為2～6cm，最大粒徑不小于10cm，碎石含量約50%～60%，充填褐黃色黏性土。該層局部分布。

（3）第四系晚更新統沖洪積層（Q3al+pl）

③粉質黏土：淺棕黃色～棕黃色，可～硬塑，含鐵錳質氧化物、少量姜石、碎石。該層分布較連續。

③1碎石：雜色，中密，碎石成分以石灰巖為主，多呈次棱角狀，一般粒徑為2～8cm，最大粒徑不小于20cm，碎石含量約55%～70%，含大粒徑塊石、充填黏性土，局部泥質、鈣質膠結。該層分布不連續。

③2黏土：棕黃色，硬塑，含鐵錳質氧化物及其結核、少量姜石、碎石。該層局部分布。

④黏土：棕黃色～棕紅色，硬塑，含鐵錳質氧化物及其結核、少量姜石、碎石。該層分布較連續。

④1碎石：雜色，中密，碎石成分以石灰巖為主，多呈次棱角狀，一般粒徑2～8cm，最大粒徑不小于30cm，含量約60%～70%，含大粒徑塊石，充填黏性土，局部泥質、鈣質膠結。該層分布不連續。

④2膠結礫巖：雜色，密實，泥質、鈣質膠結，巖芯多呈柱狀、少量碎塊狀，柱長5～15cm，塊徑4～10cm，巖芯采取率約50%～60%，鉆探進尺較慢。該層局部分布。

④3粉質黏土：棕黃色，可～硬塑，含鐵錳質氧化物、少量姜石、碎石。該層局部分布。

④4黏土混碎石：棕紅色，硬塑，稍濕，土質不均勻，碎石含量約25%～40%，碎石原巖主要為灰巖，一般粒徑2～6cm，最大粒徑不小于10cm，局部含風化碎屑。

④5土洞：鉆探過程中掉鉆，推測為空洞。

以上各土層的圍巖分級為Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ級。

2.2 特殊性土層的影響

根據上述巖土層情況，推測拱頂上部對暗挖施工有影響的特殊土層主要為：填土層、黃土層、碎石土夾層、膠結礫巖（偶見）、黏土混碎石（偶見）和土洞（偶見）。各特殊土層主要特征及不利影響分析如下：

（1）填土回填時間短，固結程度低，含有碎石、建筑垃圾等，局部孔隙較多，在無混凝土板或瀝青路面覆蓋的區域，當排水條件不暢時，可能快速滲透雨水或其他地面來水。

（2）黃土層為典型濕陷性土，主要分布在場區地表以下數米，針狀孔隙發育，遇水易發生濕陷，從而土體結構和強度迅速破壞，產生不均勻沉降。控制黃土濕陷應首先防止滲水浸泡[1]。

（3）碎石土夾層、膠結礫巖（偶見）、黏土混碎石（偶見）分布不均勻性，當充填不密實時，孔隙率較高，滲透性強，容易形成水流通道，可能使該層內局部匯水，并進一步使粉質黏土層、黏土層飽水、崩解，土體力學強度急劇降低，形成局部軟弱區，將對隧道拱頂的穩定性造成嚴重影響。

（4）土洞（偶見）如存在于拱頂地層中，不僅形成局部軟弱區、隱患塌陷區，如與已經滲水的碎石層臨近，更有可能匯水，對拱頂穩定和地面設施的地基穩定性影響較大。

2.3 隱蔽地下管線及影響

拱頂覆蓋土層局部淺埋的多處隱蔽管線，可能對隧道施工安全和周邊工程地質環境造成影響，概況如下：

（1）熱力管線：管徑450mm，埋深約2m，材質為鋼管。

（2）新建自來水管：自來水管道為800mm球墨鑄鐵管，埋深2.3m，其中K2+100-K2+550埋設于西側人行道外邊緣，K2+550-K2+700埋設于中央綠化帶下。

淺埋管溝一般為石屑和素填土回填，在地面如無混凝土板或瀝青路面覆蓋，當排水條件不暢時，管溝可能成為滲水通道；另外，熱力管線可能漏水，也將影響隧道施工安全。

3 注漿加固施工方案設計

3.1 注漿加固機理及加固處理目標

3.1.1 充填土體裂隙、封堵滲水通道

針對隧道拱頂土層中的可能成為滲水通道的填土層、黃土層、碎石土夾層、膠結礫巖（偶見）、黏土混碎石（偶見）和土洞（偶見），采用鉆孔內預置注漿花管的方法進行注漿加固，使漿液在一定的注漿壓力下，通過注漿花管高速注入上述不良土層的空隙、裂隙中，經漿液固化后，起到填充裂隙、封閉水流管道、增加土體強度等作用，使被注漿加固的區域形成止水帷幕或防滲區。注漿孔合理分布在拱頂土層的一定范圍，各孔注漿完畢后，可以達到有效避免地表水或淺埋的地下管道滲水破壞拱頂土體的目的，并使得拱頂目標范圍的土體穩定性顯著提高，為隧道暗挖施工提供安全保障。

由于在拱頂普遍分布的粉質黏土層、黏土層為相對隔水層，厚度較大，呈可塑—硬塑狀態，土體結構良好，原生孔隙少，具有較好的結構穩定性和隔水性。當粉質黏土層、黏土層為原狀未經水浸泡而土體結構未破壞的情況下，其隔水效果明顯（不吸漿或吸漿量極小），常規注漿是很難進入土體內部的，所以，粉質黏土層、黏土層并不是本次注漿加固的目的層。

3.1.2 注漿孔與土體黏結強度對土體的“加筋”輔助支護作用

在厚層粉質黏土層、黏土層中，雖然漿液滲透效果差，但通過注漿孔內柱狀加固體與土體之間的黏結強度，柱狀鉆孔加固體對拱頂土體起到了類似“加筋土釘”的輔助支護作用，可以增強拱頂土體整體穩定性[2]。

3.2 注漿加固施工工藝

（1）注漿孔布置。

注漿范圍：根據隧道位置，采用GPS對需要注漿的地面區域范圍進行定位，確定超前注漿的區域范圍為開挖掌子面前方5m以外。為確保注漿加固效果，隧道開挖兩側輪廓線外延一定距離。并對周圍地表存在潛在漏水點、積水區域的重點位置，有針對性地布孔注漿。

注漿孔間距：根據規范要求[3]，注漿孔間距宜取1.0～2.0m。結合施工經驗，本工程可采用1.4m排間距布孔。先以2.8m大間距（排距）布孔注漿，第一批注漿孔全部注漿完畢后，再加密施工第二批鉆孔，第二批鉆孔在第一批鉆孔的兩排之間，兩批鉆孔程梅花形布置，如圖1所示。

圖1 注漿平面布置（單位：m）

注漿孔深度：對拱頂線以上土體和拱頂線以下0.5～1m范圍內進行加固，鉆孔垂直于水平面，注漿斷面如圖2所示，隧道兩側外圍和中部核心土部位鉆孔深度22.5m，其他拱頂范圍鉆孔深度18m。

圖2 注漿斷面（單位：cm）

（2）注漿孔直徑90mm，采用潛孔鉆機、無水鉆進施工。

（3）注漿材料：采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，純水泥漿單液注漿，水灰比0.5～0.8。注漿用水宜采用飲用水，當采用其他水源時，其水質應符合現行標準《混凝土拌合用水標準》JGJ 63—2006的規定。如局部吸漿量較大，存在大裂隙或土洞，可根據施工情況添加水玻璃作為速凝劑[4]。

（4）注漿管材料：為保證注漿壓力和易于隧道掘進時切割清除，不采用鐵管，而采用優質50mm直徑PVC管，在孔底以上4m制作花管，花管孔眼直徑10mm、間距30cm，梅花形布置。鉆孔上部注漿管外壁與鉆孔壁之間采用編織物和水泥嚴格封孔，確保封孔質量，封孔段長度3m。

（5）注漿壓力[3]：0.3～0.5MPa。實際注漿時，可根據土體吸漿情況，通過現場注漿試驗調整、優化注漿壓力。

（6）鉆孔注漿施工順序：鉆孔定位、制作花管→成孔→清孔完畢放置注漿管→封孔→注漿→（初凝約1.0-1.5h后）二次注漿→結束、封孔→加密鉆孔→重復上述注漿施工步驟。

3.3 質量保證措施

（1）嚴格按照設計參數進行鉆孔，分兩批進行鉆孔注漿。鉆孔孔位及角度偏差符合相關規范規定，若孔位因為客觀條件限制不能滿足要求，應進行移位并計算確定參數，必要時應進行補孔。

（2）漿液攪拌應均勻，一般水泥漿攪拌時間為3-5min，但不得超過30min。未攪拌均勻或沉淀的漿液嚴禁使用。

（3）注漿時，時刻注意泵壓和流量的變化，若吸漿量很大或壓力突然下降，注漿壓力長時間不上升，應查明原因，如工作面漏漿，可采取封堵措施。如跑漿可通過調整漿液配比縮短漿液凝膠時間，進行大泵量、低壓力注漿，必要時采用間歇注漿，以達到控域注漿目的。若兩孔發生漿液“串孔”，可采用止漿塞封閉串漿孔繼續注漿，或同時對注漿孔和串漿孔進行注漿漿操作。

（4）注漿過程中壓力突然升高，應及時查找原因，進行處理。

（5）一臺泵發生故障時，應立即換上備用泵繼續注漿。

（6）保持注漿管路暢通，防止因管路堵塞而影響注漿結束標準的判斷。

（7）嚴格進行注漿效果檢查評定，符合要求時才能結束注漿作業。當未達到注漿結束標準時，應進行補孔注漿。

4 施工技術總結及結論

（1）單水泥漿液注漿常用于隧道開挖圍巖處理和建筑地基處理施工中采用，本方案根據地層條件確定針對注漿目標層的注漿施工方案。注漿施工過程中，經比照前期鉆孔地層記錄，發現上部地層吸漿量大，推測為上部填土、黃土等松散地層；下部地層吸漿量明顯減少，局部耗漿量大，推測為黏土、粉質黏土整體孔隙率小，僅局部碎石層吃漿量增大。

（2）注漿施工分兩批序進行，早期注漿孔吸漿量大，后期加密注漿孔吸漿量小。第一批注漿漿液充填松散地層的孔隙為主，漿液凝固降低了地層孔隙率、含水率，因此第二批注漿量減少。經兩次注漿，地層密實度有效提高，封閉了入滲隧道開挖面的來水通道，進而有效降低地表沉降量。

（3）施工中出現不多的漿液“串孔”現象，第二批較第一批多。

（4）拱頂加固注漿是隧道開挖的輔助手段，與隧道支護密切配合，時間和注漿區域應合理超前于先、后導洞掌子面的開挖進度，避免注漿導通掌子面形成土體人為破壞。隧道開挖支護遵守“短開挖、密監測、開封閉”原則，注漿期間要加密地表沉降觀測頻率，及時反饋監控數據，及時研究處理發現的問題。

（5）施工過程中嘗試加入水玻璃溶液的方式來提高注漿效果。水泥漿液水灰比為0.8：1，水泥漿、水玻璃溶液體積比為1：1，水玻璃模數M=2.8-3.1，水玻璃溶液濃度Be=40，水玻璃稀釋比例為1：0.33（水：水玻璃原液）。當不存在大裂隙或土洞等局部大吸漿量部位時，采用水玻璃將降低注漿效果，表現在注漿吸漿量降低，凝固過快，注漿量顯著減少，且漿液凝固后最終強度并未提高。

（6）本壓力注漿法非劈裂注漿，0.3～0.5MPa的壓力不足以實現真正意義的“劈裂”，在重點治理部位，如有必要，可采用“袖閥管”分層分段注漿法，已有部分工程驗證“袖閥管”注漿法[5]具有增大注漿量、提高注漿密實效果。但是，筆者認為黏性土經強制反復劈裂，雖然注漿量可以在層內實現注漿量的突破，但是在注漿后短期內，拱頂范圍黏性土結構因劈裂而破壞，且土層重度局部增大，漿液尚未終凝，導致拱頂圍巖壓力短時間內增大，極有可能出現拱頂土層沉降增大的風險。所以，對本隧道拱頂硬塑為主的土層，建議慎用劈裂注漿法，而以保護黏性土層原狀結構、加固上部松散土層和堵塞來水通道的本注漿方案為主要加固手段。