浅埋暗挖隧道的注浆加固施工技术探索

朱建勋

（昆明轨道交通有限公司 云南 昆明 650011）

淤泥质地层，具有高压缩性、高灵敏度、强度低等特点，易产生蠕动现象，开挖后自稳能力极差。软弱地层暗挖隧道施工，最核心问题是通过注浆改善土层性质，提高土层的承载力和自稳能力。在施工中，采用劈裂注浆，可以改善土层性质，加固土层，使工程取得良好的效果。

1.工程案例简介

某隧道施工的总长度为58.5米 ，宽6m，大约16.9米路线需要明开挖，理论设计结果选择框架结构。但由于该地区交通不便，明开挖方法不能实施。因此，选择了浅埋暗挖法进行替代。整个暗挖段工程长约42米，净空宽6米，净高2.5米。暗挖段选用圆弧拱衬砌以及挡墙式洞口，开挖路段路面选用混凝土平铺。

1.1 地质概况

实验检测结果显示，该场地土层从上而下可以分为4个层次：

1.1.1 层杂填土

该土层整体显示为灰黑和杂色，厚度在 3.6～5.0m之间，层底标高为 9.08±10.05m。该土层表面为混凝土、道路面板，往下则是以淤泥质土为主，并含有少量煤渣、碎石灰土等杂物的素回填土。

1.1.2 层淤泥质杂填土

该土层整体显示为黑灰色，厚度在3.2～6.5m之间，底层标高不均匀，在2.58m～6.58m之间。该土层土质松散，含水量较高，检测时的已经达到了饱和状态。该土层以腐殖质为主，同时并有少量的碎石腐木，因此，该土层散发出腥臭味。

1.1.3 亚砂土夹粉细砂

该土层在集中在施工场地南部，呈现灰白色，土层厚度在3.8m～3.2m之间，层底标高相对均匀，为2.65±3.30m。与层杂填土层类似，该土层含水量较高，处于饱和状态，土层中含有少量的氧化铁、粉细砂等化合物。

1.1.4 粉细砂与亚砂土互层

冶炼废渣处理是云南省矿产行业的常见问题，且省内多采取建立填埋场方式来处理固体废渣。但废渣一旦发生泄漏将会使地下水污染，将造成严重的环境污染，危害社会 [1]。对于填埋场污染问题研究，目前主流的方法是通过计算机软件建立地质模型，以此来模拟预测地下水污染状况[2]。GMS软件在地下水溶质运移模拟方面有成熟的应用，很适合处理本次研究问题[3,4]。

该土层分布较均匀，呈现为褐色和灰绿色，土层厚度在7.0m～8.7m之间，层底标高比较均匀，为-5.70～-4.42m。该土层以石英、长石和云母等矿物质为主，含有少量的灰绿、紫红硬状颗粒物体。

1.2 施工重难点

施工隧道土层的上方是杂填土，不同土层泥土成分和分布特点差异性加大：3～8m的土层的河流常年淤积而成，主要成分为饱和状淤黏土；8～16m的土层为河底部分，主要成分是饱和砂性土，最显著的特点是自稳性极差。隧道距离地面非常浅，最浅的部分只有3m，而且在隧道顶部还有大量的电力、电信、路灯等数种管道路线通过，而且几乎不存在迁移的可能。开挖工作主要集中在淤泥质粘土地层中，该土层的特点是高压缩性、高灵敏度、强度低，发生蠕动的可能性较大，开挖过程中自稳性能非常差，很容易造成塌方、地面沉降等施工事故，施工质量很难得到保障。因此，必须采取相应的措施进行加固。在此次施工过程中，选择注浆的方法来解决加固的问题。由于施工土层自稳性极差，普通的注浆方法很难起到保证性的加固效果，因此，本次采用压力注浆的方式，选择了拟采用劈裂注浆方法。下文主要对该注浆方法的一些具体实施方法进行了探讨和分析。

2 注浆加固施工管理过程

2.1 劈裂注浆加固原理

在进行劈裂注浆时，注浆管出口高压作用下喷出的的浆液会在对地层周围形成附加压应力，压迫土体出现裂缝，浆液就会顺着土体强度低的地方向强度高的地方劈裂，浆体冷固后就会对土体的网络或骨架形成强力的支撑，达到加固的效果。在浆液注入的过程中，浆液会挤开土体中的淤泥质土，使得其向两边分散或者直接挤出土层。另外，在注浆范围内，注浆过程会扰动淤泥质土，该土层的强度就会被大幅度削弱，当注浆过程完成后淤泥质土中的压力就会消失，浆液固结和土体化学固结就能加强土体的强度，防止土体发生变形。但该注浆方法的弊端是土层固结有可能导致土体的沉降和位移。

2.2 劈裂注浆过程

从劈裂注浆的原理我们可以看到，劈裂注浆总的是把土体进行压密后再劈裂，根据浆液对土体作用的差异，可以把这个过程分为三个步骤：

(1)鼓泡压密阶段。在注浆的初始阶段，浆液中所含有的能量较小，不能立即破开土体形成裂缝，当浆液逐渐聚集在注浆管孔周边时，就会以椭形泡体的形式逐渐挤压土体，土体所承受的压力会越来越大，压力和流量曲线如图1所示，在曲线的初始部分喷出的浆液较少，所承受的压力增长速度不断加快，说明此时土体还没有出现裂缝，直到曲线中的第1个峰值压力，此时土体被破开，该点（即a点）所对应的压力称为启裂压力，曲线中该点以前的部分都属于鼓泡压密阶段。

(2)劈裂流动阶段。当浆液对土体的压力超过启裂压力时，浆液就会在土体的裂缝中流动，劈裂面发生在阻力最小的小主应力面。在浆液的作用下，土体层会沿着已有的软弱破裂面逐渐破裂，浆液就会顺着新形成的裂缝流动。如果土体层面比较均匀，初始劈裂面就会显示为垂直的效果。

2.3 注浆材料的选择

注浆材料的种类较多，而且不同种类的注浆材料性能差异较大。在当前，以水泥系和无毒的硅酸盐系浆材比较流行。但施工隧道土层大多是淤泥质黏土，稳定性较差，一般的注浆材料很难起到理想的加固效果。此外，隧道底部注浆对浆液后期的强度要求比较高，在多方面比较后，选择了水泥水玻璃双液注浆作为注浆材料。如果采用水泥浆液、水泥黏土浆液进行注浆，注浆过程中土体受压后会很快固结，不能进行进一步的加固，而且在后面的固结过程中，浆液中多余的水分在黏土中不能拍排除，只有通过黏土中劈开的裂隙中慢慢溢出，溢出的过程很有可能发生跑浆的问题。采用水泥水玻璃材料就可以避免这些问题，水泥水玻璃反应后结石率达到100%,无水排出。水泥水玻璃浆液混和后黏度变稠,流动性差,用浓稠的浆脉挤压土体,使周围的土再固结。因此注浆材料选用水泥水玻璃浆液。水泥浆水灰比W/C=1∶1;水玻璃的加量为3%,水玻璃为非碱性水玻璃,浓度为 25°Be′～35°Be′,模数为 2.5～3.0。以上数据可以根据实际情况进行微调。

2.4 注浆压力的设定

由于隧道顶部距离地面很浅，在进行注浆时，浆液沿水平剪切方向流动会在地表出现冒浆现象,因此劈裂注浆的极限压力值须满足下式:

表1 加固土体和原状土的物理力学指标比较表

图1 注浆压力曲线图

式中,为注浆孔深度。实际注浆过程中,考虑注浆管道的压力损耗、注浆端头浆体堵塞等影响,现场调整后采用的注浆压力初压为 0.5～1.0MPa,终压为 2.0MPa,大于计算的劈裂注浆的极限压力。

2.5 注浆量的设定

式中,为单孔注浆量 (m3);L为注浆段长(m),取全孔长减去孔口段(1m左右);R为浆液扩散半径(m),取0.75; 为注浆段土层孔隙率,取54.3%;为浆液损失率,取1.25。该数据也可以根据实际情况进行微调。

2.6 注浆效果

在本次注浆过程完成后，对加固土体进行开挖，观察记录了注浆加固的范围。可以看到浆脉分布较为明，,注浆孔周围有明显的挤密土体。采取物理力学指标对加固后的土体进行检测后，加固效果非常明显，相关的物理力学指标检测结果如表1所示：

结语

从本次工程实践的结果可以看到，在对淤泥质黏土地层土质的隧道实施开挖的工程中，在正式开挖前，采用的超前预注浆来对淤泥质黏土进行加固具有很强的操作性，可以有效的完成软流塑地层的加固作业，避免了施工时洞内涌泥的问题，有效的降低了地面沉降和隧道周边变形等安全隐患。为了获得更好的加固效果，在注浆的过程中，施工人员要充分了解施工场地的土层条件、注浆孔布置、凝胶时间等现场施工条件。在进行施工设计时，要注重理论与实际的结合；在施工过程中，要做好相关的施工管理和现场监督工作，尤其要注意注浆过程中一些参数（如注浆压力、注浆速率和注浆量）的设定，在施工时，要根据实际的施工情况不断对这些参数进行调整。

[1]王梦恕.地下工程浅埋暗挖通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.

[2]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.

[3]张旭芝,符飞跃,王星华.软流塑淤泥质地层劈裂注浆加固试验研究 [J].地下空间,2003,23(4):405-408.

[4]邝健政,咎月稳,王杰.岩土注浆理论与工程实践[M].北京:科学出版社,2001.