富水软弱围岩超浅埋隧道快速注浆技术研究

赵静波

(中铁十八局集团有限公司 天津 300222)

1 引言

沿海地区通常地质条件复杂，近岛区域大多为滩涂，抛石层、回填层居多，与海水连通，涌水风险极高，为地下暗挖结构的修建提出挑战，例如海底隧道陆地连接线、地铁车站等结构与既有结构交叉影响大，施工作业安全风险源多，且具有工期紧张等方面的特点。 传统的注浆工艺有许多[1-8]，例如前进式注浆、后退式注浆，但是由于其工艺复杂、施工效率较低，影响工程进度，开展快速注浆施工技术研究是解决问题的良策。

对于不同的快速注浆技术而言，必须针对不同施工环境不同，即使相同的技术，面对不同的施工环境，施工方案也不尽相同。 为了使所研究的技术，能够有效地应用到实际工程当中，本文以某临海地下暗挖隧道为例，针对临海强富水软弱围岩地质条件，研究了快速注浆施工工艺。 从注浆工艺到注浆设备建立了系统的注浆生产线，保证堵水和加固效果，为隧道开挖降低施工安全风险。

2 工程概况

某沿海地区地下暗挖隧道下穿城市主干道，上面有重载车辆通过，路下管线密布，包括电力管、雨水管、燃气管、污水管等几十条市政管网。 隧道埋深较浅，主要为杂填土、淤泥、原状土、全强风化花岗岩，且与海水联系密切，自稳能力差。 注浆区段下穿地层主要为全强风化层，下半断面存在中风化岩层，拱顶埋深10.4 ～12.3 m，整个开挖轮廓线位于正常水位以下。 临海富水软弱围岩条件下穿城市主干道超浅埋隧道施工方法一般为先帷幕注浆进行堵水、加固地层，注浆效果判定合格后，再进行隧道开挖施工。

3 注浆施工工艺

传统注浆管材多为金属可重复利用，但是存在反复拼接、拆装复杂的问题，因此会大大降低施工效率。 管材形式对浆液可注性、注浆工艺会产生重要影响。 针对传统注浆工艺施工效率慢的特点，对注浆管、注浆材料、注浆工艺的环节进行改进，研发一次性快速注浆施工工艺。

3.1 新型注浆管

为了提高注浆效率，自行研制免拆装、易于破除的塑料注浆管，即将塑料注浆管一次性直接送入预钻孔中，注浆完毕后留在掌子面作为加筋结构，随着掌子面开挖一同破除。 免拆装特性有效避免了金属管材拆装复杂、浪费工时的特点，易于破除又不会给隧道开挖带来额外的负担。 一次性注浆管，如图1 所示。 详细参数如下：

图1 注浆管加工示意

(1)塑料注浆管采用PVC 材料，外径φ25 mm，壁厚2.8 mm。

(2)每节管长不小于4 m，节与节之间通过内径φ25 mm 的直接头进行连接，并用PVC 粘用胶粘接牢固。

(3)φ20 mm 导丝管缩尖成锥形尖丝扣，通过内丝直接头与PVC 管材前端相连，因此注浆管前端为封闭尖型结构，方便注浆管快速送入钻孔。

(4)整个注浆管全长开孔，间距1 m 开一对对孔，孔径8 mm，开孔用橡胶带＋塑料胶带包裹好，不仅能够低压冲开橡胶带使得浆液流出，还能有效避免送管时泥土堵塞注浆管。

(5)注浆管长度应根据双液浆凝结时间合理选择，通常情况下，双液浆凝结时间宜为40 ～60 s，按照流速计算，在初凝时间内可以流动至最前端，实现全孔一次性等压注浆，注浆管长度选择宜为20 m。

3.2 注浆方式

针对新型注浆管材的特点，为提高注浆效率，注浆采用上半断面全断面帷幕注浆的形式，全孔一次性快速注浆，从注浆工艺的角度免除了注浆管材的反复拆装。 为确保止浆墙在注浆过程中无漏浆、松动，施作时，先凿除止浆墙区段初支钢拱架表面的喷射混凝土，设三层钢筋网，并设φ22 以上的粗筋骨架与拱架焊接牢固，铺设一层钢筋网，喷一层C25 混凝土，共分三次，累计喷80 cm 厚C25 网喷混凝土，如图2 所示。

图2 止浆墙

为了探究新型注浆方案的注浆效果，掌子面上半断面布孔方案分两组：

方案一：布孔分为五序，第一、二序各为43 个孔，第三序21 个孔，第四序11 个孔，第五序3 个孔，共计121 个孔。 方案一钻孔布设，如图3 所示。

图3 方案一钻孔布设(单位:cm)

方案二：布孔分为五序，第一序27 个孔，第二序22 个孔，第三序14 个孔，第四序7 个孔，注浆孔共70 个。 方案二钻孔布设，如图4 所示。

图4 方案二钻孔布设(单位:cm)

临时仰拱注浆方案相同，垂直注浆，1.5 m×1.5 m梅花形布设，边墙拱脚1. 5 m 间距。 单个注浆孔6 m，共计75 个孔，钻孔总长度为450 m。 布孔示意图，如图5 所示。

图5 临时仰拱垂直注浆布孔平面图(单位:cm)

注浆过程中严格遵循注浆顺序，跳孔施工，避免产生集中隆起效应，增加各种辅助措施，严格控制水玻璃等浆材的温度，进而控制双液浆凝结时间，使浆液能够在凝结时间内扩散到远端，使得整个注浆体均匀地被浆液充填，地表隆起呈现均匀性。

3.3 浆液参数

注浆浆液包括普通双液浆和超细水泥浆。 普通双液浆为普通水泥浆-水玻璃，水灰比1∶1，水泥浆和水玻璃体积比1 ∶1，初凝40 ～50 s，终凝5 min；超细水泥浆，水灰比1∶1。 拱部以下区域采用普通双液浆注浆，注浆压力控制在2.5 MPa 以内；拱部范围内采用超细水泥浆注浆，注浆压力控制在1.2 MPa 以内。 钻孔布设分为四序注浆顺序，先底部、拱脚，再中部、上部的注浆顺序，同序间进行跳孔注浆施工。 单孔注浆按照注浆量、注浆压力双控结束标准实施。

3.4 施工工艺

由于地表管线密集，注浆过程中控制地表隆起、管线上扬尤为重要。 帷幕注浆前，先采用综合超前地质预报手段摸清掌子面前方地质情况，为帷幕注浆确定合理施工参数提供依据。 为提高注浆施工效率，采用一次打孔，全孔一次注浆方式。钻孔采用94 mm 钻头，钻孔完成后安装PVC 注浆管，并在孔口端部用锚固剂封堵。 注浆前后，均需打设检查孔，测出水量，对比注浆前后出水量变化及注浆效果的判定。 注浆完成后，在掌子面上钻取芯样，通过取芯率和芯样中浆液充填和胶结情况来判断加固圈的质量。 施工流程如图6所示。

图6 注浆施工流程

4 注浆效果分析

注浆效果检测方法有许多[9-12]，本试验段采用分析法、钻孔取芯、检测出水量、变性控制等方法相结合，对堵水加固效果进行检测。

(1)分析法

根据孔隙率预测所需注浆量，对注浆量、注浆压力进行统计，结合实际情况初步预测注浆效果。

(2)钻孔取芯

在掌子面通过钻芯取样检验注浆效果，每循环设5 个检查孔，检查孔的深度应比注浆加固段短1 ～2 m。加固强度以取芯率作为检测标准，土层取芯率100%，岩石风化残积土、强风化半岩半土取芯率80% ～90%，破碎岩及软质岩取芯率65%，岩石取芯率可达80%，判定注浆效果良好。

(3)出水量检测

在掌子面钻取检查孔，测定钻孔单位时间，单位长度的出水量：

式中，q为钻孔单位时间和单位长度的出水量(L/m·min)；Q为钻孔总出水量(L)；L为钻孔总长(m)；t为测试时间(min)。

检查孔的出水量＜0.2 L/m·min 时，可以认为注浆效果较好。

注浆效果，如图7、图8 所示。

图7 回填土、淤泥加固效果

图8 全强风化层加固效果

(4)变形监测

对两种布孔方案注浆后隧道中轴线地表隆起、相邻最近管线变形进行监测，结果如图9、图10 所示。采用方案一时，钻孔取芯表明在注浆管长度内注浆情况良好，检查孔出水量检测表明堵水效果良好。 但是，方案一布孔较为密集，最大地表隆起14 cm，管线位移7 cm，试验表明该注浆方案的变形控制较差。通过对布孔方案进行调整，实施布孔方案二后，注浆加固效果与堵水效果仍然能满足强度要求和施工要求，且地表隆起降低为4 cm，管线位移2.5 cm，变形得到较好的控制。

图9 地表隆起变形

图10 管线位移

综合取芯率和出水量对加固和堵水效果进行检测，当检测结果不满足要求时，可增加检测数量对检测结果进行复核，若仍然不满足要求，则通过补注浆的方式进一步完善。 变形监测是控制注浆过程的重要手段，必须在满足变形的前提下完成注浆才能满足安全需要，在动态施工过程中若不满足变形要求，需要及时调整注浆方案。 通过调整凝结时间，注浆管开孔方式，注浆量、注浆压力，注浆顺序等控制隆起值。 试验段注浆经验表明，注浆孔过于密集会产生交大的变形，在扩散范围满足要求的情况下减少注浆孔数量可以有效降低变形。 通过两种注浆布孔方案的比较，给出了布孔方案经验。

5 效益分析

试验段全长50 m，进行一次性快速注浆，开挖月均进尺12 m，开挖施工133 d，节约了98 d，较传统的帷幕注浆提高了施工效率，降低了施工成本，节约投入约580 万元。

6 结论

结合临海富水软弱围岩、超浅埋暗挖隧道下穿城市主干道或敏感建筑物的施工特点，对注浆工艺进行系统研究，结合施工案例获得以下结论：

(1)从超前地质预报、帷幕注浆工艺、注浆管的发明创新、注浆效果质量控制方面总结施工经验，提出一种一次性快速注浆的施工方案，降低了突涌水风险，提高了施工效率，降低施工成本。

(2)对注浆管的优化解决了传统注浆工艺效率低的问题，有效避免了传统注浆管反复拼接、拆装的问题，并且满足经济环保、易于破除的需求。

(3)通过示范技术及应用，总结了布孔方案、浆液参数等施工经验，为国内外类似工程施工提供宝贵的借鉴资料。