隧道强透水砂砾地层袖阀管地表注浆加固工艺研究

张 明

（中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

注浆加固地层就是把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具压入所需加固的地层中，经过凝胶硬化后充填和堵塞地层中的空隙，减小注浆区地层渗透系数及坑道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱和松散岩体使地层强度和自稳能力得到提高。

袖阀管注浆技术具有定深、定量、分度、分段、间歇、重复等注浆特点，并集中劈裂注浆、压（挤）密注浆和渗透注浆的优势，能适用于地质条件复杂、断层破碎地带、富水地层地段及场地狭窄情况下的地基加固。

目前，在特殊地层加固方面，圆砾、卵石等大颗粒、大孔隙比、强渗水等地层的袖阀管注浆应用较多，如：文献［1］针对成都砂卵地层，采用室内试验反复测试优化袖阀管注浆浆液配比、改造袖阀管构造，增强砂卵石地层定向注浆的可靠性和增大浆体注入量，确保注浆加固效果；文献［2］采用添加外掺料提高浆液抗分散能力的复合浆液，增加了注浆可靠性；文献［3-8］介绍了袖阀管注浆在控制地表建筑物沉降及倾斜、桥梁基础纠偏、隧道地基加固、既有管线加固保护等方面的成功应用案例；文献［9］采用袖阀管双液浆技术对天津地铁3号线某异性超宽深基坑（浅基坑中套挖深基坑至31.45 m）粉细承压砂层进行注浆加固，提出该粉砂层灌浆流量20～45 L/min的建议；文献［10］针对广州地铁3号线某32 m明挖基坑，采用袖阀管双液浆跳孔间隔、先外围后内部、自下而上注浆加固花岗岩全风化沉积层，控制因基坑和暗挖区间施工对临近房屋的沉降影响。

从现有工程实践来看，袖阀管在隧道地层注浆加固应用多集中在冒顶塌方、浅层地表处理及单一注浆模式等方面［11-12］。本文针对强透水砂砾地层，综合考虑水力梯度及方向，结合单、双浆液不同加固机制，检验约束-发散注浆模式在隧道洞身注浆加固效果，提出了对应的注浆控制标准。

1 工程概况

1.1 工程地质

马鞍梁隧道DK743+440～+620，下穿浅埋冲沟，隧道上覆土最浅处仅有11 m，上部沟谷富水，地表水及地下水发育，洞身通过地层主要为第四系全新统（Q4）冲洪积黏质黄土、砾砂、细圆砾土，渗水性极强。

1.2 水文地质

1）地表水。马鞍梁隧道穿越的五龙沟内常年流水，枯水期流量约4 675 m3/d。

2）地下水。马鞍梁隧道五龙沟浅埋段地下水类型主要为第四系孔隙潜水，接受大气降水补给，含水层为细、粗圆砾土，富水性较好，渗透系数K值达到10.0～13.74 m/d，渗透性较强，补给较充足。预测浅埋段正常涌水量约为16 167 m3/d，最大涌水量约为24 251 m3/d。

1.3 施工情况

2014年2月18日，马鞍梁进口掌子面施工至DK743+420时，地下水有渗出现象，提出对掌子面进行水平钻探探水。

2014年2月20日，对掌子面DK743+420处进行水平钻探，拱部（拱顶下约70 cm）钻孔6 m深出水，流水量约为4 m3/h。上台阶右侧拱脚处钻孔2.5 m深出水，流量约为40 m3/h。

为确保隧道浅埋段的施工安全，借鉴以往工程的施工经验，决定对该段采用地表袖阀管注浆加固。

2 袖阀管注浆方案设计

通过对地表垂直注浆，采用后退式袖阀管分段注浆工艺并基于约束-发散注浆模式对马鞍梁隧道洞身范围地层进行加固止水，待超前水平钻探孔（探水）及检查孔取芯试样强度达到要求后方可进行隧道正常开挖。

2.1 注浆加固范围

加固范围为纵向IDK743+430～+470，共40 m；横向隧道开挖轮廓线外5 m，即24.82 m；注浆深度为隧道拱顶开挖轮廓线以上5 m，隧底开挖轮廓线以下2 m；钻孔采用等边三角形布置，间距为1.5 m×1.5 m。本次设26排19列注浆孔，共507孔，其中周边孔84个，中间孔423个。垂直注浆孔布置见图1。

2.2 注浆参数

根据以往类似工程施工经验，注浆参数如表1所示。

图1 垂直注浆孔布置图Fig.1 Layout of vertical grouting holes

表1 注浆参数Table 1 Grouting parameters

2.3 注浆材料

注浆材料以硫铝酸盐水泥单液浆为主，普通硅酸盐水泥与水玻璃双液浆为辅，周边2排孔采用普通水泥-水玻璃双液浆，其他孔采用硫铝酸盐水泥单液浆。

材料配比：硫铝酸盐单液浆水灰比（W∶C）为0.8∶1～1∶1；水泥-水玻璃双液浆水灰比（W∶C）为0.8∶1～1∶1；水泥-水玻璃体积比（C∶S）为1∶1；水玻璃浓度为33～38 Be′。

2.4 注浆顺序

本次注浆顺序原则上采取由外到内约束-发散型方式，见图2。

图2 约束-发散型注浆模式Fig.2 Mode of constraining-diverging grouting

考虑地层以加固为主，总体上先注周边孔，然后注内圈孔，形成约束。即先通过外层间隔跳孔（按照注浆孔编号奇偶数跳孔）注浆形成类似网络结构，形成注浆骨架，再实施中间孔及内部孔注浆，从而实现地层注浆的逐步挤压密实作用。现场考虑地下水流方向，先对3个周边进行注浆，从而形成对中间部位水流方向的约束，留下一个边形成水流的排泄出口，注浆过程中逐步将水排出，从而提高整体注浆效果，有效控制浆液扩散区域，确保注浆后形成完整的注浆加固体。

2.5 注浆结束标准

2.5.1 分段注浆结束标准

单孔注浆采用双控标准。内部注浆孔为主：注浆压力逐步升高，达到设计终压，并稳压10 min以上。外部注浆孔为主：注浆终压虽未达到设计值，但注浆量已达设计注浆量的120%。

2.5.2 全孔注浆结束标准

各分段注浆均按规定达到了注浆结束标准。

2.5.3 全段结束标准

1）设计的所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象。

2）在注浆薄区域钻设检查孔，其数量不少于总注浆孔数的3% ～5%，检查孔满足出水量不超过0.2 L/（min·m）。

3 袖阀管注浆施工

3.1 袖阀管注浆施工工艺流程

袖阀管施工工序和注浆工艺分别见图3和图4。

3.1.1 钻孔

放线定孔位，按要求完成钻孔，安设好袖阀注浆管后，将套管拔出。

钻孔中应注意“套管定位”、“泥浆循环护壁成孔”、“清孔”3个环节控制。

3.1.2 安装袖阀管

在不注浆部位下A型袖阀注浆管，在注浆部位下B型袖阀注浆管，底部加下闷盖。B管为有孔管，并覆盖橡胶套。

图3 袖阀管施工工序Fig.3 Sequence of Soletanche grouting

图4 注浆工艺流程Fig.4 Flowchart of grouting

下管前应注意：必须在最下端一根B管上加下闷盖，然后利用丝扣连接下一根B管，直到连至注浆段长度。之后，开始连接A管，A管连接至钻孔深度，并要求露出地面10 cm。

下管过程中应注意：由于钻孔较深，下管时可将连接好的袖阀注浆管分段下入并保持竖直。待袖阀注浆管沿套管内壁下到钻孔底部后，在顶部加上闷盖，然后拔出套管进行封孔作业。

3.1.3 注套壳料

在袖阀管外花管与孔壁之间的环形间隙处下注浆管，在孔口上部2 m孔段压入套壳，直至孔口返止浓浆为止。注浆比例，水∶水泥=1∶1.5。止浆固管料采用速凝水泥浆，可用水玻璃或氯化钙做速凝剂。

3.1.4 注浆

注浆方式采取后退式分段注浆工艺。在注浆带内由孔底进行注浆，每次注浆段长0.5～1 m。注完第1注浆段后，将注浆芯管和止浆系统采用管箝上提至第2注浆段，进行第2注浆段的注浆，依此下去，直至完成注浆带。

注浆过程中应注意：浆液凝胶时间的测定，确保注浆施工效果。

3.2 注浆设备

1）钻机。地面注浆选用XY-100型钻机。针对砂砾较硬地层采用潜孔锤冲击钻进，见图5。

2）袖阀管。袖阀管系统主要由塑料阀管（外管）、注浆芯管（内管）、橡皮套、密封圈等组成。每个灌浆长度固定为30～50 cm，可根据地层情况调整灌浆长度，实现定量定尺控制灌浆。

图5 现场注浆加固Fig.5 Photo of grouting consolidation at site

4 注浆效果检查

4.1 注浆p-Q-t曲线

单孔分段注浆完成后，绘制p-Q-t曲线（见图6），根据曲线判断注浆效果。

图6（a）主要是外圈注浆孔注浆时所表现，其注浆压力较小，一般为0.5～1.0 MPa，注浆速度为50～60 L/min。随着注浆的进行，注浆压力稍有升高，注浆速度略有降低，但表现不明显。当达到设计注浆量时，注浆终压不能达到设计终压值，而此时注浆速度仍表现为较大。

图6（b）主要是中间注浆孔所表现，这和注浆设计意图所采取的约束型注浆措施一致，达到了挤压密实的目的。在注浆过程中，开始时注浆压力为1.0～2.5 MPa，注浆速度为40～60 L/min。随着注浆的进行，注浆压力呈曲线上升，注浆速度呈曲线明显下降，当达到设计注浆量时，注浆终压达到或超过设计终压值，注浆速度降至10～15 L/min。

图6 注浆p-Q-t曲线Fig.6 Curves of p-Q-t

4.2 注浆前后涌水量对比

注浆前在掌子面钻设3个超前探水孔，出水量为4～40 m3/h，最小为4 m3/h。注浆完成后，钻设3个检查孔。检查孔显示，出水已完全封堵，只有少量渗水。加固效果如图7所示。

图7 加固效果Fig.7 Consolidation effect

4.3 检查孔检查

4.3.1 洞内超前水平钻探孔

注浆结束后，在掌子面上台阶拱部、左拱脚、右拱脚分别打超前水平探孔。

由超前水平探孔来看，检查孔无水，成孔好。检查孔放置24 h后，仍无坍孔、无涌水、无出水现象，因此，可以判定注浆效果是良好的，能满足安全开挖要求。

4.3.2 检查孔取芯

注浆结束后，针对注浆薄弱环节进行检查孔取芯试验。现场进行了地表检查孔取芯检查，取芯表明，岩芯呈柱状，完整性好。钻芯取样如图8所示。检查孔技术统计如表2所示。

图8 钻芯取样Fig.8 Core samples

表2 检查孔技术统计Table 2 Statistics of inspection holes

由表2可知，检查孔岩芯平均优良率达到90%，有效地提高了地层整体性和完整性。由此判定，地层松散体被有效填充加固，满足开挖施工的要求。

5 结论与讨论

本次注浆采用约束-发散型注浆模式，以周边注浆形成约束体，中间注浆提高地层整体性和完整性的试验探索，针对袖阀管高渗地层加固得到以下结论和讨论。

5.1 结论

1）对于强渗透、弱胶结、高孔隙比的散粒体地层，根据水力联系及梯度，采用约束-发散型注浆模式能有效地限制浆液外扩，达到导水、挤水并挤压地层密实的效果。

2）对于渗透系数在10～15 m/d的透水砂砾地层，周边注浆采用双液浆时，其凝胶时间控制在10～40 s，有利于有效形成加固范围的外在约束体。

3）应依据P-Q-t曲线分析，动态检验和控制周边与内部注浆加固效果及相互关系，避免因约束体强度不足或布孔不适造成浆液流失。

5.2 讨论

5.2.1 合理的注浆方式设计

对于散粒体（砂砾、卵石）地层的加固方式较为集中在PVC管和袖阀管注浆方式上。受工艺方法限制，前者无法做到分段、反复、定量加固，导致浆液扩散不均、加固孔交圈范围不大、最终加固体形态不均（加固体在孔深方向呈葫芦状）等问题。而后者能边提边注、定量定时、分段处理加固，适当的注浆压力和速度控制配以科学的注浆模式，则可以将其应用于更深、渗透性更强、胶结性差的散粒体地层。

5.2.2 富水地层加固止水注浆工艺

对于受地下水活动影响巨大的工程活动，应根据水力条件、加固体强度设计要求、投资水平等因素，综合确定注浆模式及孔口布置设计。即当水流较大时，原则上由下游到上游注浆，先对下游进行注浆截水，形成挡墙，防止浆液流失；当地层仅仅以加固为主时，宜先注周边孔，然后注内圈孔，形成约束，逐层挤密；当地层以堵水为主时，地层存在一定的水流影响，可先对3个周边进行注浆，形成对中间水流方向的约束，留出1个排水口，注浆逐步降水排出，从而提高注浆效果。本隧道洞身加固段尚未开挖，主要为避免地表冲沟及松散孔隙潜水影响，以堵水为目的，因此采用了约束-发散型注浆模式，待加固后隧道正常掘进。可见，注浆加固方式应充分结合工程目的，不可盲目选择注浆形式及孔口布置。

5.2.3 应用前景

结合本工程加固实践，建议后退式袖阀管地表注浆宜在地表相对平坦开阔，待加固深度不易超过30 m的地形条件下开展。对于仅以加固为主开展的注浆工程，尤其是存在地下水径流或排泄时，可灵活设计约束或排泄方式，加强水平超前探孔及岩芯取样探测即可取得良好的推广效果。

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