富水粉砂層安全注漿加固的實驗研究及在城市隧道中的應用

覃劍文，田月明＊，陳友勇

1.廣西地質環境監測站，廣西 南寧 530201

2.山東齊魯社會保障服務有限公司，山東 濟南 250100

城市隧道大部分都設計在交通路面下，沿城市地面道路延展，埋藏較淺。有的隧道洞體位于填礫層、松散的土層、富水砂層、不穩定的礫石層等復雜松軟地層內，開挖時往往出現圍巖變形失穩、坍塌、地表沉陷、涌水突泥等環境地質問題。超前預注漿加固是保證隧道開挖安全性的必要措施之一。在地面鉆孔并對隧道圍巖進行超前預注漿加固，不僅可以有效解決注漿與開挖兩道工序的矛盾，而且在材料運輸、漿液配制、注漿效果檢查、多面同時作業等方面，超前預注漿加固與洞內注漿加固相比具有明顯的優勢。

在注漿加固機理上，張連震[1]研究了地鐵隧道富水砂層內漿液的擴散機理，提出了滲透與劈裂─壓密兩種注漿模式。張紅軍[2]針對隧道開挖面失穩破壞機理及注漿加固控制對策，建立了地表變形控制與實時注漿參數動態響應機制；在注漿對控制隧道圍巖變形上，溫忠義[3]等利用隧道兩側垂直和斜向注漿孔灌注化學漿和雙液漿對溶（土）洞進行了加固。酈亮等[4]經試驗與數值模擬，提出了注漿孔在距隧道近的工況下注漿效果最好的結論。王康任等[5]在基巖內施工了截水注漿帷幕，消除了壓扭型破碎帶給隧道安全帶來的嚴重威脅。張鴻勇等[6]經數值模擬得出了注漿對隧道水平收斂恢復比例的影響呈非線性減小的結論。鞠鳳萍[7]針對隧道錯臺變形問題，提出了理論預測、設計模擬、效果評價的方法體系；在注漿加固工藝上，宋興弟[8]為實現對隧道溶洞及紅黏土的注漿加固，研究了水泥砂漿和水泥漿的配比、注漿壓力、注漿量等技術參數。于亞玫[9]通過理論分析及現場試驗，克服了地下水及地面沉降的影響，研究了注漿漿液的滲入能力、穩定性和析水性，使水泥─水玻璃漿液在帷幕注漿中得到良好的應用。

研究小組為達到形成隧道頂部拱形的注漿加固有效區域，且不破壞地下管線和路面結構的目的，借鑒上述研究成果后，結合濟南市某隧道治理段粉砂圍巖具有結構松散、富水且濕陷性的特點，在現場對注漿鉆孔的布置方式、注漿漿液類型及注漿參數等進行了實驗研究，取得了較好效果，并在全線進行推廣應用。

1 實驗研究背景及主要內容

1.1 工程概況

濟南市某隧道為雙線淺埋暗隧道，全長3.26 km，基底深10.5～17.5 m，全線暗埋段共長2.76 km。研究小組擬對K2+680─920 開挖高風險段進行地面超前預注漿加固，該段隧道上覆粉質粘土層、粉砂層，因雨水滲入，導致管道泄漏，局部地段富水。根據設計方案，隧道頂部要形成3 m 厚的注漿加固拱形區，而且注漿操作不能破壞地下管線及路面結構。研究小組選擇了YK1+680─710 里程段進行了注漿實驗，經探測，該段相對其他加固段富水性更強，且分布有較強的集中富水區，富水的粉砂巖自穩能力差，給隧道開挖帶來的安全風險更高，而且實驗區域地表變形隆起。因此，研究小組認為對其進行加固實驗更具有代表性和推廣價值。

1.2 水文地質與工程地質

隧道沿線地下水類型有第四系松散巖類孔隙水、輝長巖風化裂隙水、灰巖巖溶裂隙水。注漿治理段隧道地下水為第四系松散巖類孔隙水及輝長巖風化裂隙水的混合水，二者水力聯系密切，主要含水層為第四系下部粉砂、碎石土及輝長巖風化帶。研究小組在勘探期間測得地下水靜止水位埋深為6.1～9.2 m，相應標高為46.38～52.30 m，水位由南向北逐漸降低。注漿實驗段隧道地下水位埋藏較深，低于注漿加固地層。受注地層中的水主要來源有雨水入滲、污水管和雨水管道滲漏、自來水管爆裂滲漏和地下水。

隧道地層自上而下分別為：雜填土、濕陷性黃土、粉砂、粘土（碎石）和石灰巖。實驗段隧道頂部注漿治理層位主要以粉砂層為主，部分為濕陷性黃土和碎石。粉砂為深灰色，主要由粉砂及黏粒組成，角礫含量為2.8%，砂粒含量為65.3%，粉粒含量為26.7%，黏粒含量為5.2%，分選性好，顆粒均勻，滲透性好，結構松散富水，被動水攜帶能力強。研究小組在富水區進行鉆孔施工，泥水噴出、漏風、串風現象非常嚴重，這說明實驗段地層已被水侵蝕破壞，產生了一定的塌陷并處于富水狀態。

1.3 實驗主要內容

隧道如果在富水砂層內開挖將導致富水砂層嚴重失穩，引發涌水、涌沙和坍塌等，因此，必須對富水粉砂層進行注漿加固，提高該層的整體強度和穩定性，減少其滲透性，保證隧道安全。

（1）研究小組對地面注漿鉆孔的分布、終孔深度以及鉆孔內的注漿段距進行選擇。實驗必須在隧道頂部形成3m厚的拱形注漿加固區，并通過注漿效果檢驗和隧道開挖來驗證注漿漿脈的擴散形態、加固質量和拱形加固區的開挖穩定性。

（2）利用瞬變電磁法、直流電法等綜合物探手段，對預注漿加固前后地層內富水性的差異性、地下管線分布等情況進行探查與分析。

（3）受地下管線的影響，地面鉆孔難以按照均勻等距分布的常規思路進行布置，實驗必須要在完成內容（1）的同時，根據地下管線的分布和埋藏深度情況避讓施工。所有鉆孔必須均勻控制整個注漿區域，既要無盲區、無漏點，又要安全、準確地完成速凝漿液的輸送工作。

（4）實驗需調整適宜的安全注漿參數，既保證漿液在受注地層內的擴散范圍，又必須滿足不破壞地下管線、不造成地面開裂、不造成隆起事故等要求。

2 現場實驗

2.1 注漿實驗鉆孔的布置及鉆孔結構

研究小組調查探明了實驗段地下管線的分布規律及準確位置，地面注漿實驗鉆孔均須在管線間布置和施工。

實驗采用了避障注漿鉆孔和常規鉆孔相結合、垂直鉆孔和定向斜孔相結合的方式，保證注漿鉆孔按照漿液擴散半徑使各鉆孔終點能均勻分布在拱形注漿區域的底面上。以鉆孔終點為參照，調節鉆孔在地面的開孔點位，終孔點位數和開孔點位數必須相等且為鉆孔數量，做到開孔點位和終孔點位一一對應，開孔點位和終孔點位的連線即為鉆孔軌跡。調節地面開孔點位是為了使鉆孔軌跡避開地下管線，也稱為避障鉆孔。其他鉆孔為常規鉆孔，避障鉆孔可以為垂直孔，也可以為斜孔，如圖1、圖2 所示。

圖1 隧道上覆土層注漿加固范圍橫斷面和沿隧道縱向剖面示意圖

注漿過程中，研究小組根據同深度相鄰鉆孔的串漿方向及孔徑，求得注漿壓力下的漿液擴散距離，即為注漿鉆孔的有效布距。經實驗最終確定采用單孔漿液擴散半徑1.5 m，相鄰鉆孔間距2 m 的布孔方式。相鄰鉆孔終孔點位間距為2 m，如圖2 所示。

為達到在隧道頂部形成3 m 厚的拱形注漿加固區的目的，隧道開挖輪廓線內的實驗鉆孔終孔深度需為10～11.5 m，隧道開挖輪廓線兩側鉆孔深度需為12～13 m。研究小組擬使用鉆孔直徑為90 mm，下入42 mm 的注漿鋼管和直徑為95 mm，長度為1.5 m 的膨脹式止漿塞,膨脹式止漿塞可以保證漿液在拱形注漿加固區內擴散并留存。地面注漿加固鉆孔的布置及漿液擴散范圍原理如圖2 所示。

圖2 實驗注漿鉆孔布置及漿液擴散范圍交圈示意圖

2.2 注漿參數的實驗選擇

根據經驗，土層除因圍巖濕陷性及開挖擾動產生的裂隙或因沉陷出現的脫空空間內能注入較多量漿液外，其他區域難以注入較多量的漿液。砂層結構松散，單液漿難以在鉆孔周邊產生、留存較大的固結體，采用單液漿進行加固效果不明顯。實驗區需采用高壓擠密─劈裂方式結合速凝漿液能夠壓入漿液進行加固，但這種方法產生的相對高壓又有可能對地下管線和路面結構層產生破壞。

研究小組選擇較小流量,并能提供較高擠密劈裂壓力的注漿泵進行實驗。現場實驗選擇了2TGZ-60/210 高壓雙液注漿泵，選取16L/min、36L/min 兩個檔位分別注漿。為減少漿液的過渡擴散，做到對注漿的可控，實驗選用了水泥─水玻璃漿液，水泥漿密度控制在1.5 g/cm3左右，水玻璃漿液濃度為35Be，模數為2.6。研究小組分別使用水泥與水玻璃體積比為1 ∶1、1 ∶2 的漿液進行多組實驗，注漿過程中密切監測路面的變化及相鄰鉆孔之間的串漿情況。經統計，實驗中造成路面結構層隆起變形的最大注漿壓力1.0～1.2 MPa。

實驗結果表明，當水泥漿液密度為1.45～1.60 g/cm3，水泥、水玻璃體積比為1 ∶1，注漿泵量為16 L/min，且注漿終壓控制最高為0.8 MPa 時的注漿參數安全有效，注漿效果良好，漿脈分布均勻飽滿。

3 工程應用

為進一步推廣注漿實驗取得的結果，研究小組對隧道K2+680─920 里程段雙線進行了注漿加固，左右雙線共注漿加固長度800 m，實現了對隧道頂部拱形的注漿加固。

結合不同區段水文地質和工程地質的差異性，以及開挖暴露面穩定和漿脈分布情況，研究小組適當調整了注漿工藝及其參數。比如經對注漿區域的隧道開挖暴露面觀察，在看不到漿脈的區域時重新設計鉆孔并補充注漿的情況下，把注漿鉆孔延伸到開挖輪廓線內；再比如在黃土或粘土層內注漿時，加強路面變形監控兩側密度，在路面變形可控范圍內把注漿壓力提高到1.2～1.5 MPa。

在漿液使用上，部分區域采用了濃稠的單液水泥漿。在濕陷破壞區域，采用單液水泥漿和水泥─水玻璃漿液相結合的交替式注漿工藝，適當延長混合漿液的初凝時間，以提高漿液的擴散性。

4 結語

（1）實驗表明，在地下管線間隙布設避障地面鉆孔，利用垂向孔和定向斜孔相結合的方式，在注漿加固邊界線外止漿，可使鉆孔得到控制并形成良好、穩定的拱形注漿區域。

（2）注漿層位底部為基巖及風化裂隙，漿液擴散流失較少，因此應重點限制注漿區域的頂部漿液擴散，鉆孔結構必須有良好的止漿措施才能滿足注漿要求。

（3）在富水粉砂層內注漿時，應按照擠密─劈裂注漿機理，在注漿加固區域最終形成眾多互相交叉的樹根狀漿脈體，以保證被加固圍巖的抗滲性、整體強度和開挖穩定性。研究小組建議，在類似水文地質條件和埋深條件下對城市隧道進行加固時，對粉砂層的注漿工藝可選用水泥漿液密度平均為1.50 g/cm3，水泥與水玻璃體積比為1 ∶1，注漿速率為20 L/min左右，最高注漿終壓為產生變形時壓力的0.8倍等參數。