隧道洞口淺埋段袖閥管地表注漿試驗研究

季建慶 張慧健

(1.浙江省龍泉市城市建設投資開發(fā)有限公司，浙江 龍泉 323700； 2.天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

0 引言

礦山法隧道洞口段巖體一般風化強烈，裂隙較為發(fā)育，圍巖較為破碎，自穩(wěn)能力差，且常常處于淺埋段，洞頂圍巖成拱能力不足，進洞施工過程中對洞頂土體多次擾動，極易造成洞頂邊仰坡失穩(wěn)破壞，甚至發(fā)生洞內塌方現(xiàn)象，雨季施工，還會造成大氣降水沿地表裂隙滲入洞周土體，造成圍巖軟化、掌子面滲水，更有甚者，容易引發(fā)突水突泥災害，嚴重威脅隧道施工人員的安全，因此，采取措施保證隧道洞頂圍巖的穩(wěn)定和防止地表雨水下滲是隧道安全進洞的前提。《公路隧道設計規(guī)范》中規(guī)定，在地層松散、圍巖穩(wěn)定性較差、掌子面自穩(wěn)能力弱、開挖過程中可能引起塌方的淺埋段或洞口地段，可采用地表注漿加固地層的輔助施工措施。隧道工程中常用的地表注漿方式有鋼花管注漿和袖閥管注漿兩種，大量工程實踐表明，袖閥管注漿的總體優(yōu)勢更為明顯，加固效果更為理想[1-5]。本文以某大跨隧道洞口淺埋段洞頂注漿加固為例，詳細描述了袖閥管注漿施工流程，對注漿參數(shù)進行了分析，取得了較好的加固效果，如隧道工程遇到類似問題，可借鑒本文方案進行處理。

1 袖閥管的作用機理

袖閥管的主體結構由外管和注漿芯管兩部分組成。外管一般采用PVC材質，特殊情況下，外管采用鋼管，又叫剛性袖閥管，外管縱向每隔一定距離設置出漿孔，出漿孔被橡膠套遮蓋，保證漿液只能在壓力作用下?lián)伍_橡膠套流出，不能回流。注漿芯管為帶雙側止?jié){橡皮圈的中空開孔細鋼管，可在外管內上下移動，一方面可保證漿液由注漿芯管到達外管特定注漿段落，另一方面在注漿加壓時，橡皮圈膨脹與外管內壁緊密接觸，防止?jié){液沿注漿芯管兩端流失。袖閥管要完全發(fā)揮作用，還依賴于外管與鉆孔側壁之間的套殼料，套殼料是由水泥、粘性土和水經(jīng)一定比例混合后，通過注漿管注入袖閥管與鉆孔側壁之間，經(jīng)養(yǎng)護凝固后形成的具有一定的強度和脆性的材料，既保證了漿液能夠在較小的壓力下沖破套殼料進入目標土層，又避免了漿液在袖閥管與孔壁之間流動，有效防止了孔口冒漿，確保注漿壓力的穩(wěn)定。袖閥管最早起源于法國，由于袖閥管結構設計的科學性，近年來，在國內土木工程界注漿加固領域越來越受到工程人員的青睞。

2 袖閥管的優(yōu)缺點

與普通鋼花管一次常壓注漿相比，袖閥管注漿具有以下優(yōu)勢：

1)袖閥管本質上是分層注漿，通過套殼料和注漿芯管的橡皮圈，把漿液和注漿壓力限制在目標土層，在不同深度和不同空隙率的土層，均可保證足夠的注漿壓力和注漿量，保證了注漿深度范圍內土體注漿的均勻性。

2)由于注漿芯管可上下移動，可清洗后重復利用，對不同的注漿段落，工程人員可以采用不同的注漿壓力和漿液類別，保證了注漿的可控性，如某一土層或某一孔單次注漿量不足，注漿效果達不到設計要求，還可重復注漿。

3)袖閥管制作工藝成熟，利用標準節(jié)段可以很方便的接長，保證了工程人員能夠在任意深度進行注漿操作。

4)由于套殼料的止?jié){作用，地表冒漿的可能性大大降低，地表無須制作混凝土止?jié){盤，節(jié)省了圬工工程量。

袖閥管的主要缺點有：

1)施工流程較為繁瑣，施工人員需經(jīng)過培訓后方可施工。

2)套殼料的制備要求高，既要有一定的強度，保證漿液不會沿袖閥管與鉆孔側壁之間的空隙四處流動，又要保證出漿孔處漿液能夠很容易的壓碎套殼料進入土體，因此，套殼料的配合比必須經(jīng)過試驗確定。

3)由于袖閥管多為PVC管，需要通過地質鉆機鉆孔后方可下管，袖閥管的材料價格相比普通鋼花管要高，因此，袖閥管延米造價指標較高。

3 隧道工程概況

本文依托的隧道工程為雙向四車道城市隧道，兩側設非機動車道和人行道，最大開挖跨度達16.6 m，為超大斷面市政隧道。隧道出口端右線洞頂?shù)乇頌槎钙碌匦危O計為三級高邊坡，洞頂以上出露地層為灰黃色殘坡積粉質粘土和磚紅色全風化變質花崗巖，其中，全風化變質花崗巖為本隧道洞口段洞頂主要圍巖。隧道圍巖整體風化程度劇烈，表層圍巖已完全風化為砂性土，深層圍巖雖保留了巖石外觀，但實際上已完全風化，圍巖干燥狀態(tài)下結構致密，空隙被黏性土填充，孔隙率低，滲透性差，原狀圍巖具有一定的自穩(wěn)能力，經(jīng)擾動后呈松散的砂土狀，圍巖遇水即軟化崩解成泥狀，完全喪失承載能力。

隧道洞口段暗洞施工過程中，由于持續(xù)性降雨，雨水沿地表裂隙滲入洞周圍巖，土體砂性骨架不斷被雨水沖刷流失，導致洞頂仰坡土體軟化變形，最終發(fā)生了失穩(wěn)滑移，造成洞口大管棚上覆土層崩塌冒頂，管棚塌陷。項目部召開緊急會議，決定對滑坡變形體進行卸載減壓，為保證后續(xù)重新進洞的安全性，各責任主體共同商議后決定采取袖閥管地表注漿方式加固洞頂土體，但在大面積實施地表注漿前，需要進行現(xiàn)場注漿試驗確定注漿參數(shù)。

4 現(xiàn)場注漿試驗

1)試驗目的。

通過現(xiàn)場注漿試驗，熟悉袖閥管的施工流程，分析不同漿液類型和不同漿液配合比下的土層注漿效果，探索不同配合比下套殼料的強度和脆性是否滿足注漿要求，根據(jù)漿液擴散半徑，確定袖閥管的布置間距。

2)試驗參數(shù)。

漿液類型：分別采用普通硅酸鹽水泥單液漿、超細硅酸鹽水泥單液漿和普通硅酸鹽水泥—水玻璃(1∶1)雙液漿三種類型。

漿液配合比：水灰比分別采用0.8∶1,1∶1和1.2∶1三種配合比。

套殼料配合比：水泥、粘性土和水的比例分別采用0.5∶1∶2,0.8∶1∶2和1∶1∶2三種配合比。

根據(jù)正交試驗原理，對于三因子三水平的試驗，可以采用L9(34)正交試驗表，進行9次試驗即可代表27次全面試驗的結果，大大減少工作量。

3)試驗流程。

a.布孔：在隧道右線出口洞頂?shù)乇聿贾?個點位，點位之間的間隔按照不小于3 m間隔進行布置，防止試驗過程中發(fā)生串漿。

b.鉆孔：采用地質鉆機進行鉆孔，鉆孔孔徑為110 mm，垂直度偏差不大于1%，試驗孔深度取6 m，便于通過開挖進行注漿效果驗證，鉆孔時應采取措施防止塌孔，鉆孔完畢應進行清孔。

c.安裝袖閥管：袖閥管采用外徑50×4 mm的硬質PVC管，注漿部分每隔50 cm鉆出漿孔，非注漿部分不鉆孔，將袖閥管底部封閉，插入到孔底，應保證袖閥管在鉆孔中心位置，然后在袖閥管中注入清水，防止袖閥管上浮，袖閥管應高出原地面約30 cm。

d.下套殼料：將制備完成的不同配合比的套殼料注入鉆孔中，套殼料通過注漿管送至孔底，直到孔口溢出套殼料漿液為止，保證套殼料完全置換孔壁泥漿。

e.封孔養(yǎng)護：將袖閥管與孔壁之間的空隙進行填充，地面1 m處以下采用砂或碎石填充，地面1 m以上采用速凝水泥砂漿封堵，防止冒漿。套殼料養(yǎng)護至3 d～5 d且達到一定強度后進行注漿，露出地面的管口上部采用混凝土塊覆蓋，防止養(yǎng)護期間異物進入袖閥管。

f.注漿：將注漿芯管插入袖閥管外管至孔底進行后退式分段注漿，開啟注漿泵，初始注漿壓力為0.2 MPa～0.3 MPa，注意觀察壓力表讀數(shù)的變化，特別是突變值，當注漿壓力穩(wěn)定后，繼續(xù)注漿5 min以上，結束注漿，先向孔內泵送清水，防止注漿管堵塞，然后提升注漿芯管，進入下一注漿段落。注漿試驗過程中，應做好施工資料的記錄工作，其中重點包括套殼料開環(huán)壓力、穩(wěn)定注漿壓力、漿液流量以及地表環(huán)境的變化。

g.注漿效果檢查：通過挖掘機配合人工開挖對注漿區(qū)域漿液的擴散形態(tài)、擴散半徑、漿液填充度、飽滿度進行檢查，綜合判定注漿效果。現(xiàn)場注漿試驗的基本流程圖如圖1所示。

5 試驗結果及注意事項

現(xiàn)場注漿試驗得到的結論如下：

1)對全風化變質花崗巖來說，由于土體孔隙率較低，漿液在土層中通過滲透擴散的范圍較小，試驗中擴散半徑為10 cm左右，漿液主要通過填充土體裂隙和高壓劈裂方式進入土層，因此注漿材料的類型對注漿效果的影響很小，超細水泥價格較高，實際注漿中采用普通硅酸鹽水泥即可。

2)水灰比越大，漿液流動性越好，但凝結時間越久，結石體強度越低，在水泥漿液中加入適量的水玻璃可以改善凝結時間，但不影響結石體的最終強度，還可以達到止水的目的，試驗結果顯示水灰比為0.8∶1時，漿液效果最佳，大面積實施地表注漿時，外邊緣兩排注漿孔可采用水泥—水玻璃雙液漿，其余孔可采用單液漿。

3)水泥的摻量直接影響套殼料的流動性、體積收縮率、抗壓和抗剪強度等指標，當水泥和粘性土的比例在0.8∶1時，套殼料的開環(huán)壓力在0.3 MPa左右，各項性能均較為適宜，可以更好的實現(xiàn)高壓注漿。

4)通過開挖觀察，袖閥管注漿壓力穩(wěn)定在1.5 MPa左右時，高壓劈裂形成2條～3條漿脈，漿液擴散半徑在1 m左右，因此袖閥管按照1.5 m×1.5 m梅花形布置，可保證相鄰袖閥管控制的注漿區(qū)域漿液相互咬合，避免出現(xiàn)注漿盲區(qū)。

注漿試驗過程中，容易出現(xiàn)的問題和解決方法如下：

1)注漿時應采取間隔注漿方法，跳孔注漿，防止串漿。

2)注漿過程中如發(fā)現(xiàn)個別孔周邊地表隆起開裂，應停止注漿，采用止?jié){盤加固后繼續(xù)注漿，若漿液自注漿管與土體之間縫隙處流出，壓力無法達到注漿壓力，應采用快硬水泥砂漿或其他密封措施進行糊縫。

3)若注漿量遠遠不足理論注漿量，壓力突然升高，應停止注漿，檢查原因，改用低濃度漿液，若一次吃漿量遠遠超過理論注漿量，則應及時停止注漿，認為該孔已經(jīng)飽滿，防止?jié){液浪費。

6 結語

袖閥管地表注漿是一種比較可靠、高效的注漿方式，在隧道洞口段施工過程中，如洞頂覆蓋土層為淺埋破碎圍巖，進洞施工存在安全隱患，經(jīng)方案比選后，可嘗試采取該方法對洞頂土體進行注漿加固后安全進洞。