成都砂卵石地层注浆加固技术应用

王国义

(中铁十三局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083)

0 引言

成都地铁1号线已经开始运营，2号线一期正在试运营过程中，2号线二期(西延线)盾构施工已经完成。这2条线的盾构施工说明，在成都高富水、高卵石含量条件下进行盾构施工是可行的。现阶段，对成都地区盾构穿越建(构)筑物和重要管线的沉降控制普遍采用袖阀管注水泥浆加固的方法，但实践证明，在成都砂卵石地层条件下采用传统工艺进行注浆加固存在以下问题:水泥浆由于浆体颗粒大无法注入密实砂卵石层中［1］;袖阀管注浆时，管的顶部封口不理想［2］，注浆加固时浆液向上冒，注浆效果不理想。盾构穿越时容易出现隧道上方管线、建(构)筑物等沉降，一旦沉降过大或塌陷，直接和间接经济损失巨大。以往的注浆加固方法应用于成都富水砂卵石地层中无法保证注浆效果。为了解决成都砂卵石地层注浆加固难题，本文分析了以往常用的袖阀管注浆在成都砂卵石地层下的不足之处，提出制作封口管，通过注聚氨酯进行封口，注水泥－水玻璃浆填充大的空隙，注AB化学浆液填充小的空隙，并凝结形成一个整体，进而形成高富水、高卵石含量地层下的注浆加固技术。

1 工程概况

成都地铁隧道主要穿越砂卵石地层，卵、砾石成分以灰岩、砂岩、石英岩等为主，呈圆形－亚圆形，粒径大小不一，分选性差。卵石含量约80%，粒径以20～100 mm为主，最大粒径为500 mm，圆砾含量约10%，兼夹漂石，漂石最大粒径为270 mm。卵石硬，最大强度可达200 MPa。卵、砾石以中等风化为主。充填物主要为中、细砂及少量黏性土。卵石土层顶板埋深为8.2～22.0 m。经过长期沉积，未降水区域砂卵石层致密性较好。

按地下水赋存条件，地下水可分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水2种类型。其中，第四系孔隙水，主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强，渗透系数大(25 m/d)，地下水水量丰富，是段内地下水的主要存在形式。

2 盾构穿越建(构)筑物进行加固的必要性

成都地铁盾构穿越建(构)筑物时，必须进行盾构穿越前的预注浆和穿越后的补注浆。其主要原因为:1)砂卵石地层颗粒间无胶结力，整体稳定性差，易剥层坍塌;2)穿越建(构)筑物风险大，建(构)筑物倒塌会造成大量的人员伤亡和经济损失;3)成都盾构掘进难以建立真正的土压平衡掘进模式，当人员操作不当时，容易造成实际出渣量大于预估的设计出渣量的现象;4)盾构穿越时对砂卵石地层扰动较大，若隧道上方地层松散，孔隙率较大，盾构穿越时的扰动会造成卵石重新排列，局部密实，从而造成排列后的卵石层上方局部出现空洞，进而影响到地表建(构)筑物的安全。

3 传统袖阀管注浆施工

成都砂卵石地层不适用搅拌桩和旋喷桩［3］进行加固施工，一般常采用袖阀管注水泥浆的加固方法。

3.1 传统袖阀管注浆法

传统袖阀管注浆法是通过较大的压力将浆液注(压)入岩土层中，注浆芯管上下的阻塞器可实现分段分层注浆，可根据施工需要选择连续或跳段注浆。此工法在全程注浆的施工中，通过分段注浆，使松散的地层和较密实的地层均得到很好的注浆加固效果［4］，避免了以往的注浆工艺在松散地层和较密实地层同时存在时，松散地层注浆量大而较密实地层注不进浆的现象的发生。

3.2 传统袖阀管注浆施工工艺

工艺流程图［5］如图1所示。

1)测量放样。根据已布设好的控制点坐标计算孔的坐标位置，使用全站仪定出孔位;用水准仪测量地面高程，确定钻孔深度。

2)钻孔。采用植物胶护壁机械回转钻进成孔，钻进深度应到达需要进行注浆加固区域的范围。

3)下管。根据孔深度连接袖阀管，袖阀管上口露出地面20 cm，将连接好的袖阀管下口用尖底封好;将袖阀管下入孔中，并使袖阀管下到孔底。

4)洗孔。用高压水对孔壁进行清洗，减少孔内沉渣，将孔壁植物胶清洗干净［6］。

5)下套壳料和封口。下套壳料，并在注浆范围顶部灌一层厚的砂浆进行封口，以防止注浆过程中冒浆现象的发生。

图1 传统袖阀管工艺流程图Fig.1 Procedure of traditional Soletanche grouting

6)注浆。采取分段式注浆。注浆过程中，每段注浆完成后，向上或向下移动1个步距的芯管长度［7］。注浆结束后，在注浆管上口盖上闷盖，以便于复注施工。袖阀管注浆示意如图2所示。

图2 传统袖阀管注浆示意图Fig.2 Sketch of traditional Soletanche grouting

3.3 砂卵石地层采用传统袖阀管注浆加固不足之处

1)洗孔是为了将护孔壁的泥浆和植物胶清洗干净，保证注浆效果。清洗过程中孔壁周围的砂卵石向孔内塌陷，严重时砂卵石会将孔间隙全部充满，导致套壳料不能按设计下到位，封口位置不准确，影响注浆效果;同时，成都砂卵石地层一般是上部松散下部相对致密，施工过程中往往是浆液基本注入表层的松散层，需要注浆加固位置的深层反而未注入浆液。

2)成都砂卵石层地下水丰富，注入的水泥浆液很容易稀释并被水冲走，导致注浆效果不好。

3)对于致密性好的富水砂卵石层，因为水泥的粒径为20～80 μm，无法注入到砂卵石缝隙中，不能加固成一个整体，导致注浆加固效果不好。

4 粗细颗粒相结合注浆施工

根据袖阀管的施工工艺和传统袖阀管注浆加固在成都卵石地层的不足，经过深入研究，提出改进措施，经过多次改进与试验，形成了高富水、高卵石含量地层条件下的固定封口、水泥－水玻璃与AB化学浆液相结合的注浆加固施工方法(即粗细颗粒相结合注浆施工方法)。

4.1 粗细颗粒相结合注浆施工工艺

工艺流程图如图3所示。

图3 粗细颗粒相结合注浆工艺流程图Fig.3 Procedure of fine-material-coarse-material-combined grouting

1)测量放样。根据已布设好的控制点坐标计算孔的坐标位置，使用全站仪定出孔位;用水准仪测量地面高程，确定钻孔深度。

2)钻孔。采用植物胶护壁机械回转钻进成孔，钻进深度应到达需要进行注浆加固区域的范围。

3)下管。首先根据注浆范围下带单向阀的注浆管，然后连接封口管(见图4)，最后连接不带孔的注浆管(每根不带孔注浆管外侧固定1根与注浆管等长的小铝管)，同时将小铝管连接。

图4 封口管示意图Fig.4 Sealing pipe

4)洗孔。将注浆芯管下到注浆管底部，将高压水打入注浆芯管内，经注浆管底部单向阀进入孔内，对孔壁的植物胶进行清洗，一直达到孔顶部返水出现清水为止(说明孔壁植物胶已经清洗干净)，最后将注浆芯管抽出［8］。

5)封口。使用手压泵将适量的聚氨酯经小铝管注入到3道密封弹性橡胶管内，密封橡胶管充满聚氨酯膨胀。当密封橡胶管压力达到0.5 MPa时，连接3道密封弹性橡胶管之间小铝管上的单向阀开启，聚氨酯进入3道密封橡胶管之间的2个腔内，聚氨酯遇水迅速膨胀将2个腔填满，一直达到手压泵注不进去为止，封口完成。注浆区域顶部封口示意图如图5所示。

6)注水泥－水玻璃浆。采用双液气动注浆泵将搅拌好的水泥浆和水玻璃浆按1∶1体积配合比注入注浆管内(水泥－水玻璃初凝时间控制在10 min左右)，经注浆管单向阀向加固区域扩散，填充大的空隙并凝结［9］。当气动注浆泵注入压力达到3 MPa左右时停止。

7)清洗注浆管。水泥－水玻璃注浆结束后立即将注浆芯管再次插入到注浆管底，上部止浆圈密封拆除，注入清水对注浆管进行清洗，将注浆管底部的沉积水泥清洗掉，当注浆管顶部返出清水为止，然后抽出注浆芯管。

8)注AB化学浆液。采用气动双液注浆泵注入AB化学浆液。化学浆液经注浆管单向阀注入到水泥－水玻璃浆无法注入的需加固范围内，挤走此范围的水，并迅速反应与砂卵石粘结在一起，形成具有一定强度的整体。AB液的初凝时间控制在3 min左右，注入体积为计划加固区域体积的6%(设计为加固区域含水体积的1.2倍)。当AB液按计划量注入完成后清理现场，注浆加固结束。若计划量未全部注入时，气动注浆泵已经无法泵入，则需要调整AB液材料配比，需适当增加AB液的初凝时间。

图5 注浆区域顶部封口示意图Fig.5 Top sealing of grouting area

4.2 粗细颗粒相结合注浆施工的优缺点

4.2.1 优点

1)3道密封弹性橡胶管和2个腔内全部注入聚氨酯并成为凝固体，在注浆范围顶部进行封口，能有效解决注浆封堵难题［10］，注入的浆液能够全部注入到计划加固区域内。

2)应用水泥－水玻璃双液浆，凝固时间短，可以防止浆液的流失;同时，水泥－水玻璃浆能有效填充需加固范围内大的空隙，并形成具有一定强度的整体。

3)化学材料全部溶解于水中，形态与水相似，容易注入到水泥－水玻璃浆无法注入的致密性好的砂卵石层，并迅速与砂卵石粘结，确保加固体的形成。

4.2.2 缺点

1)无论是水泥－水玻璃浆还是AB化学浆液，在注入过程中设备必须完好，不能中途停止。一旦由于某种原因停止，注浆管内浆液凝固，不能再次注浆，将无法达到计划注浆效果。

2)材料成本相对较高。

4.3 工程实例注浆效果

成都地铁2号线二期工程(西延线)土建2标盾构正下方穿越土桥社区民房数10间(一般为2层楼房)，基础为下挖1 m的砖基础，建筑时间为19世纪70年代。在建筑物的隧道正上方每隔3 m打设1个注浆孔(注浆孔深度到隧道顶部)，采用粗细颗粒相结合注浆工艺进行注浆加固。盾构穿越建(构)筑物期间出渣量少于未加固区域，最终加固区域建(构)筑物最大沉降量为4.8 mm。实践证明，粗细颗粒相结合注浆方法优于传统袖阀管注浆加固方法，适用于成都高富水、高卵石含量地层条件下的注浆加固。

5 结论与讨论

成都砂卵石地层地质特殊，常规的注浆加固方法效果不理想。经过粗细颗粒相结合注浆加固法的实践应用，无论是松散砂卵石地层还是致密砂卵石地层，水泥－水玻璃与AB化学浆液相结合的注浆材料都能较为有效地注入，并形成一个加固整体。注浆加固可靠性较高，是适用于富水砂卵石地层加固的有效方法，基本解决了盾构穿越建(构)筑物或管线造成的沉降风险。此种注浆加固方法明显优于其他加固方法。

施工过程中由于注浆材料凝固时间短，设备出现故障时，浆液易在孔内过早固结，从而造成废孔。如何改进此问题，减少废孔产生，保证每一个钻孔都能按计划注浆和保证注浆效果，还需进一步探讨。

［1］ 宋修元.富水砂卵石地层洞内深孔定点填充注浆加固技术浅析［J］.现代隧道技术，2011，48(3):138－141.(SONG Xiuyuan.Analysis on deep hole grouting consolidation for tunnels in water-rich sandy gravel stratum［J］.Modern Tunneling Technology，2011，48(3):138 － 141.(in Chinese))

［2］ 周麟.袖阀管注浆在松江站地基加固中的应用［J］.上海铁道科技，2011(4):84 －85，66.

［3］ 霍小妹.袖阀管注浆封闭截水施工技术［J］.施工技术，2011(20):65 － 66，69.(HUO Xiaomei.Construction technology of water truncation with sleeve valve pipe［J］.Construction Technology，2011(20):65 －66，69.(in Chinese))

［4］ 杨海鸿.砂卵石富水地层注浆加固技术［J］.山西建筑，2007(7):339 －340.(YANG Haihong.The injecting reinforcement technique of sandy gravels watery strata［J］.Shanxi Architecture，2007(7):339 －340.(in Chinese))

［5］ 张文强.袖阀管注浆技术在高速公路路基工程中的应用［J］.隧道建设，2006，26(5):75 － 78.(ZHANG Wenqiang.Application of sleeve-valve pipe grouting technology in consolidation of highway subgrade works［J］.Tunnel Construction，2006，26(5):75 －78.(in Chinese))

［6］ 孔少波，王兴猛，张玉川.水平袖阀管深孔注浆在广州地铁的应用［J］.现代隧道技术，2003(4):49 －54.(KONG Shaobo，WANG Xingmeng，ZHANG Yuchuan.Application of deep-hole grouting with horizontal sheathed pipes in Guangzhou Metro［J］.Modern Tunnelling Technology，2003(4):49 －54.

［7］ 袁辉.袖阀管注浆加固深层土技术［J］.市政技术，2005(6):65 － 67.(YUAN Hui.Injection grouting technique of deep-level soil stabilization by sleeve valve［J］.Municipal Engineering Technology，2005(6):65 －67.(in Chinese))

［8］ 刘坤鹏，管泽英.注浆加固地层技术在淤泥地层中的应用［J］.隧道建设，2006，26(1):79 － 82.(LIU Kunpeng，GUAN Zeying.Application of grouting consolidation technology in mud ground［J］.Tunnel Construction，2006，26(1):79 －82.(in Chinese))

［9］ 王建新，邓稀肥，陈寿根.下穿立交桥地铁隧道袖阀管加固技术研究［J］.隧道建设，2009，29(3):267－271.(WANG Jianxin，DENG Xifei，CHEN Shougen.Study on soletanche grouting technology used in a Metro tunnel under crossing an overpass［J］.Tunnel Construction，2009，29(3):267 －271.(in Chinese))

［10］ 王昌威.基坑封底中的袖阀管注浆技术［J］.施工技术，2011(3):101 －103.(WANG Changwei.Grouting technology with sleeve valve pipe in foundation excavation bottom sealing［J］.Construction Technology，2011(3):101 －103.(in Chinese))