纵环向注浆联合支护技术在滑坡体黄土隧道中的应用

许淑珍,董 鹏

(中铁七局集团第一工程有限公司,河南洛阳 471001)

1 工程概况

青兰高速公路青皮塔隧道为左右四车道分离式隧道,采用削竹式洞门。左线长625 m,右线长630 m,位于陕西黄龙山原始森林黄土梁峁沟壑区,上部为新黄土,植被发育,降水量丰富,下部出露三叠系上统瓦窑堡组砂岩、泥岩。隧道进口处位于山体斜坡上,洞口段为Ⅴ级浅埋偏压段。左线进口段处于100 m宽的滑坡段。该段土体松散,含水率达30%,基底承载力小,在170～200 kPa。围岩稳定性极差,成洞困难。该隧道黄土入口及滑坡段施工采用纵向超前小导管预注浆与拱架支护方案,在LK75+145～LK75+181处出现了拱顶下沉变形现象、水平收敛速率超限,严重影响了施工安全和质量。

2 拱顶下沉原因分析

(1)拱顶覆盖土体上部为新黄土,植被发育,降水量丰富,下部为三叠系上统瓦窑堡组砂岩、泥岩,呈散体状结构,埋深浅,成洞困难。

(2)隧道进口段处于100 m宽的滑坡段,围岩稳定性差。

(3)受雨水下渗影响,围岩自重加大,岩体整体性差,承载力下降。

(4)采用原设计纵向超前小导管预注浆与拱架支护方案,不能达到预期质量效果。

3 拱顶下沉处理方案

(1)对拱顶局部下沉部位按Ⅴ级围岩小塌方先支后清原则进行处理。

(2)将地表裂缝填平夯实,在裂缝外侧设置混凝土截水沟,同时做好防水措施,将水引排至隧址区以外,防止地表水及雨水渗入。

(3)对变形下沉段进行换拱处理,拱脚加设注浆导管扩大拱脚,代替锁脚锚杆,采用双层钢筋网,拱顶布设纵向、径向钢花管注水泥-水玻璃双液浆,进行纵环向注浆加固。拱顶地面裂缝及下沉部位采用人工填土分层夯实。

(4)滑坡段围岩开挖前在纵向超前小导管预注浆基础上增加径环向注浆,设置加密型钢拱架,将纵、径向注浆管端与拱架焊为一体,挂网锚喷C25混凝土,抑制拱顶下沉、周边收敛,确保施工质量和安全。

(5)加强洞内外监控量测工作,及时反馈信息指导施工,为修正设计参数提供依据。

4 施工原理

通过安装纵向超前小导管和径向注浆导管压注水泥-水玻璃双液浆,使浆液通过小导管渗透、扩散到地层空隙或裂隙中,水玻璃与添加物发生化学反应,其生成物填充土壤孔隙并起胶粘作用,提高土体的密实程度,加固黄土类松散围岩,提高了土体自稳能力,限制了其松弛变形,有效控制了拱顶下沉、周边收敛等不稳定因素。由纵向、径向小导管，固结土体，型钢拱架结合形成联合支护体系。

5 联合支护施工工艺

联合支护施工工艺：开挖→初喷开挖面,喷2～3 cm厚混凝土→安装纵向超前小导管(长4.5 m,间距30 cm)→注双液浆→安装径向注浆管L=4.0 m,间距100 cm×100 cm(环向×纵向)→注双液浆→安装小导管代替锚杆、网片、拱架,将纵径向导管与拱架焊为一体→喷射C20早强混凝土→下一榀拱架安装。

6 确定工艺参数

6.1 注浆参数的确定

(1)长度与外插角：超前小导管纵向插入倾角为6°～15°；径向注浆管用φ50 mm无缝钢管,长4.5 m,前端成尖状,用风钻钻孔径向垂直插入围岩。

(2)导管搭接长度：纵向小导管搭接水平长度根据浆液扩散半径和围岩固结厚度确定,一般不小于1 m。

(3)注浆压力由土层密实度决定,一般为0.5～1.0 MPa,终压达到1.0 MPa时,持续压注5 min,压浆机采用BW-250型。

(4)水泥-水玻璃双液浆：水泥浆与水玻璃体积比1∶0.5；水泥浆水灰比1∶1；水玻璃浓度35 Be′,模数2.4；注浆压力初压0.5～1.0 MPa,终压1.0 MPa。浆液胶凝时间控制在30 min。

(5)单孔注浆量

Q=λπR2Lηβ

式中，λ为浆液损失系数,取1.1～1.2；R为浆液扩散半径,取0.8～1.2 m；L为注浆长度,即注浆管钻孔的有效长度,约4 m；η为岩层孔隙率,根据工程试验确定；β为浆液有效充填系数,取0.6～0.8；经计算，每根注浆管单孔最大注浆量为0.3～0.4 m3。

6.2 注浆工艺试验

(1)注水试验。为了检查止浆效果和测定钻孔的吸水量,在第一次注浆前或围岩变化后,核实岩层的透水性,进行注水试验,将清水压注入岩层,目的在于为确定注浆量、注浆压力和浆液配比提供参考数据。

(2)试注确定单孔注浆量。在初次注浆前或围岩地质水文条件变化时应进行注浆试验,以核实注浆参数,如注浆压力、进浆速度、单孔注浆量等。本工程施工中小导管单孔注浆量最大确定为0.3～0.4 m3。

(3)进浆速度试验。通过试验,确定小导管注浆最大速度不超过100 L/min。具体应根据试验或实际情况而定。注浆参数避免出现大进浆量。

7 联合支护体施工要点

7.1 超前导管布置

(1)超前导管布置沿开挖轮廓布置,一般采用单排管,处理塌方或岩体过于松散或岩体含水量大时采用双排管(图1、图2)

图1 钢拱架及小导管平面布置(单位：cm)

图2 超前小导管立面布置(单位：cm)

7.2 径向注浆管布置(图3)

其中上台阶拱架锁脚4根,下台阶锁脚4根,注浆管间隔1 m安装一环。

图3 径向注浆管布置(单位：cm)

7.3 钢拱架布设

钢拱架采用I20型钢,钢拱架纵向间距50 cm，上半断面钢拱架拱脚每侧加设4根3 m长φ50 mm锁脚注浆导管,下半断面钢拱架每侧加设2根3 m长φ50 mm锁脚注浆导管,用锁脚注浆导管取代原设计方案中的锁脚锚杆,扩大拱脚25 cm,及时封闭成环(每2 m)；用C25网喷混凝土封闭掌子面20 cm厚,钢筋网采用20 cm×20 cmφ8 mm双层钢筋网。根据监控量测情况确定是否加设临时仰拱。

7.4 注浆施工设备

(1)注浆设备。双液注浆的设备主要有注浆泵、搅拌机、贮浆桶等。将注浆所有设备安装在可移动的车辆上成为移动泵站,可紧靠作业面,具有输浆管路短、浆液损失小、联络方便,注浆结束移离方便等优点。

(2)钻孔设备。利用现有的风钻,去掉风钻的旋转叶片即可得到较为理想的冲击动力,将冲击锤杆一端的钎尾部分卡入改制过的风钻内,另一端先套上冲击锤，再穿入注浆导管末端,开动风钻钻孔打入。

(3)注浆导管制作。超前小导管和径向注浆导管采用提前选定的钢管制成,沿杆体每15 cm钻一φ8 mm孔,四周梅花形布置出浆孔,端封闭并制成尖状,钻孔采用凿岩机施作,当围岩松软时,用锤击直接打入。超前小导管大样如图4所示。

图4 超前小导管大样(单位：cm)

7.5 监控量测

(1)在滑坡带地段,沿隧道中线在地表每5 m设1个下沉观测桩,洞内拱顶也同样对应地表每5 m设1个下沉观测桩。以便监测在更换钢拱架及下台阶、仰拱开挖时纵向沉降变化规律。

(2)沿隧道宽度方向设置2组横向地表下沉观测桩,每组桩间距2 m,每侧布设宽度为8 m,以便监测在更换钢拱架及下台阶、仰拱开挖时横向沉降变化规律。

(3)地表沉降观测每天采用水准仪观测2次,根据变化数据分析是否增加量测频次。

(4)洞内水平收敛量测对应地表纵向下沉观测桩位置布设,每天采用收敛仪量测2次,根据变化数据分析是否增加量测频次。

(5)施工中,量测监控组按照规范要求对周边收敛和拱顶下沉量进行了量测,由表1、表2中量测结果可以看出，对黄土滑坡体隧道围岩采用该支护方案能够满足《公路隧道施工技术细则》要求。

7.6 施工注意事项

(1)应合理组织劳动力、搭配技术力量、机械等,保证有序施工。

注：各点的量测作业均为从持续到变形基本稳定,相对收敛为0 mm后,在以1次/7d的量测频率测3周后结束。

表2 拱顶下沉测量成果汇总

注：各点的量测作业均为从持续到变形基本稳定,相对沉降为0 mm后,在以1次/7 d的量测频率测3周后结束。

(2)坚持“先排水、短进尺、快支护、早封闭、勤量测”原则,根据量测数据科学有效指导施工。

(3)严格按试验参数进行注浆,随时检查注浆效果和地质情况,达不到要求应重新进行补注或调整,搞好常流地下水的引排。

(4)注浆前应试泵和泵管,以确保注浆系统正常和施作人员安全。

(5)注浆初期,孔的吸浆量大,要严格按合适比例进行双液注浆,控制扩散范围,以降低材料消耗和提高堵水效果。

(6)当泵压不变进浆量很大、发生跑浆时,可暂停,不能超过浆液凝胶时间,以防浆液在管中凝结堵管,或调整浆液浓度和配比,缩短凝胶时间,进行小泵量、低压力注浆。

(7)根据岩层裂隙发育情况变换浆液浓度。先压注稀浆,持续压入一定数量,将岩层中的细裂隙充填压好,后变换浓浆,压注充填中等或较大的裂隙。若浆液变浓后,进浆速度明显放慢,或泵压力显著升高,则说明浓度不当,应换原浆继续压注。

7.7 结束注浆的标准

注浆结束标准以单孔注入量或注浆终压持续时间为准。当注浆压力达到设计终压或单孔注入量达到最大注入量,均可结束该孔注浆。注完浆的钢管要立即堵塞孔口,防止浆液外流。

8 结语

在青兰高速第七合同段滑坡带黄土隧道施工中,采用纵、径向导管预注浆联合支护方法,能将松散黄土土体加固为为胶结体,改善了围岩土体的力学性能,提高了围岩类别,并使固结松散体和导管、钢拱支撑形成三维支护体系,有效地抑制了拱顶下沉、周边收敛,大大提高了开挖速度,顺利穿过了滑坡段,保证了施工安全和质量,取得了较好的技术、经济效果。

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