地表超前预注浆技术在隧道浅埋破碎地层中的应用

张红荣

（阳泉市道路桥梁有限公司，山西 阳泉 045000）

隧道施工在我国已经进行多年，已经形成了一套比较严密的施工技术规范，但是在一些地质情况复杂的区域，施工方法还有待于进一步的研究，例如浅埋段破碎岩层，有的在洞内超前注浆加固，有的在洞内施做超前管棚或超前小导管，但这些方法不但对工期有较大影响，而且工程费用较高，故本文将介绍一个既不影响工期，又比较经济的施工方法。即采用地表注浆加固，这种方法可以在隧道未施工到该区域时提前施工，不影响工期，同时，地表注浆施工较为容易，注浆区域易于控制，能较好地节省施工费用。

1 浅埋段围岩注浆加固的意义及作用

浅埋段隧道的围岩一般较差，围岩呈碎块状，且较松散。隧道开挖后，围岩自稳时间短，初支支护未施工或者正在施工时，容易发生坍塌，会造成人员伤亡及机械损坏。因此，在隧道开挖前，必须对隧道前方的围岩进行有效的加固处治，使松散破碎的岩层形成一个整体，以保证隧道开挖到此时，能安全、快速地穿过。注浆加固对浅埋段的隧道施工有重要的意义。

2 围岩加固后岩土体强度增长的原理

岩土介质在被注浆后，不管是水泥浆液还是化学浆液，都要依靠浆液的渗透凝胶把土颗粒黏结在一起，以此来充填岩土的孔隙，使岩土体密实度增加；同时，浆液在化学反应过程中，某些化学剂与岩土中的元素进行离子交换形成了新的物质，这都增加了固结后岩土体的黏聚力。强度增长的原理可用公式（1）、公式（2）表示：

注浆前的无黏性土的抗剪强度（τf）为：τf=tanφ，（1）

注浆后的抗剪强度（τfl）为：τfl=σtanφ+c.（2）式中：σ为土体内剪切面上的法向有效应力；φ为土的内摩擦角；c为土的黏聚力。

应注意式中，注浆后的内摩擦角φ采用的是原土的内摩擦角φ，当注浆压力过大时，土体膨胀，需考虑内摩擦角降低的影响[1]。

3 实际应用情况

3.1 工程概况

XXX隧道穿越多条断层，且有多处浅埋地段，对施工造成了一定的安全隐患。为了确保隧道安全、快速地穿过浅埋段不良地质，须对此地段进行注浆处治。

本次注浆段为隧道右线K10+550—K10+630，长80 m，最大埋深为30 m，最小埋深为18 m，围岩呈碎块状镶嵌结构，且较松散。

3.2 XXX隧道注浆现场实施

3.2.1 注浆设备及注浆材料

注浆设备技术性能以及数量必须满足施工需要。

注浆材料采用325硅酸盐水泥及35～40 Be的中性水玻璃。浆液为水泥+水玻璃的双液浆，可加入适量速凝剂，当遇到注浆量较大时，可先用粗骨料填充。根据压水试验，适当选择浆液的浓度及水玻璃的用量。水灰比采用0.5∶1～1，水玻璃用量一般是水泥浆重量的10%～15%，这样就控制了凝胶时间。具体水玻璃的用量可在施工中根据实际情况进行调整。

在正式施工前，应按施工时使用的水泥、水玻璃在实验室做浆液配合比试验，试验内容应包括每立方米干料含量、浆液浓度、最终凝固时间、结实率、试块无侧限抗压强度等。

因此，根据现场试验配合比及设备所能达到的参数要求，决定双浆液采用水灰比为0.8∶1，水玻璃和水泥的质量比为15%。

3.2.2 注浆范围

注浆范围根据该隧道浅埋段的围岩破碎程度以及裂地发育情况综合考虑[2]。

本次地表注浆加固的范围为K10+550—K10+630段，共计80 m，竖向范围隧道拱顶以上15 m到隧底5 m，横向为隧道两侧4 m。

3.2.3 注浆半径及注浆孔的布设

3.2.3.1 注浆半径

对隧道进行注浆设计时，由于受地质情况的综合影响，导致我们很难经过公式准确地计算注浆的扩散半径，现实中，我们一般通过做注浆试验确定扩散半径，本次的扩散半径为1.3 m。

3.2.3.2 注浆孔的布置

注浆孔周边设计帷幕注浆孔，孔间距为2.5 m。中部孔位按梅花形布置。

3.2.4 注浆次序和注浆压力

XXX隧道注浆以封堵地下水和加固隧道为目的，总体注浆的顺序为：先进行周边帷幕注浆，再从低处往高处注浆，并且采用随钻随注分段大间距跳孔的注浆方式，这样能保证每一注浆孔都是充分的注满，还能防止同步注浆时发生的跑浆。当遇到衬砌背后空腔较大时，应先用粗骨料填充再用浆液加固。

考虑到围岩的破碎程度，注浆压力为1～3 MPa。

3.2.5 施工要点

a）注浆开始前必须对注浆材料及机械器具等进行检查，满足设计要求后方可开始施工。

b）在注浆过程中，必须详细记录注浆各项参数的变化，例如注浆压力、注浆量等。

c）当单孔的注浆量很大时，同时注浆压力在不断增大时，以单孔注浆量作为结束标准；当单孔注浆量较小时，以注浆压力来作为结束标准。

d）在进行钻孔时，在钻杆下降、升起时，一定控制好钻杆的方向。

e）在注浆过程中，工作人员请勿靠近注浆孔，防止注浆管破裂造成人员伤亡。

4 结论

a）通过地表超前预注浆，隧道开挖前方的地层得到了较好的加固，对隧道的安全掘进提供了较好的保障。

b）针对不同隧道浅埋的地质情况，可设计不同的注浆方式。

c）针对不同的地质情况，采用不同的注浆材料，如在含水量较大的地层，水玻璃的量可适当加大。

d）在注浆时，根据实际情况，可适当提高注浆的压力，以便注浆效果更好。

e）如果地表地形受到限制，不易进行注浆加固，或注浆效果有限。这时可在洞内采用超前预注浆，或者超前管棚或小导管进行预加固。

f）注浆完成后，清理施工产生的建筑垃圾，注意对周边环境的保护。