隧道洞口浅埋段袖阀管地表注浆试验研究

季建庆 张慧健

(1.浙江省龙泉市城市建设投资开发有限公司，浙江 龙泉 323700； 2.天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

0 引言

矿山法隧道洞口段岩体一般风化强烈，裂隙较为发育，围岩较为破碎，自稳能力差，且常常处于浅埋段，洞顶围岩成拱能力不足，进洞施工过程中对洞顶土体多次扰动，极易造成洞顶边仰坡失稳破坏，甚至发生洞内塌方现象，雨季施工，还会造成大气降水沿地表裂隙渗入洞周土体，造成围岩软化、掌子面渗水，更有甚者，容易引发突水突泥灾害，严重威胁隧道施工人员的安全，因此，采取措施保证隧道洞顶围岩的稳定和防止地表雨水下渗是隧道安全进洞的前提。《公路隧道设计规范》中规定，在地层松散、围岩稳定性较差、掌子面自稳能力弱、开挖过程中可能引起塌方的浅埋段或洞口地段，可采用地表注浆加固地层的辅助施工措施。隧道工程中常用的地表注浆方式有钢花管注浆和袖阀管注浆两种，大量工程实践表明，袖阀管注浆的总体优势更为明显，加固效果更为理想[1-5]。本文以某大跨隧道洞口浅埋段洞顶注浆加固为例，详细描述了袖阀管注浆施工流程，对注浆参数进行了分析，取得了较好的加固效果，如隧道工程遇到类似问题，可借鉴本文方案进行处理。

1 袖阀管的作用机理

袖阀管的主体结构由外管和注浆芯管两部分组成。外管一般采用PVC材质，特殊情况下，外管采用钢管，又叫刚性袖阀管，外管纵向每隔一定距离设置出浆孔，出浆孔被橡胶套遮盖，保证浆液只能在压力作用下撑开橡胶套流出，不能回流。注浆芯管为带双侧止浆橡皮圈的中空开孔细钢管，可在外管内上下移动，一方面可保证浆液由注浆芯管到达外管特定注浆段落，另一方面在注浆加压时，橡皮圈膨胀与外管内壁紧密接触，防止浆液沿注浆芯管两端流失。袖阀管要完全发挥作用，还依赖于外管与钻孔侧壁之间的套壳料，套壳料是由水泥、粘性土和水经一定比例混合后，通过注浆管注入袖阀管与钻孔侧壁之间，经养护凝固后形成的具有一定的强度和脆性的材料，既保证了浆液能够在较小的压力下冲破套壳料进入目标土层，又避免了浆液在袖阀管与孔壁之间流动，有效防止了孔口冒浆，确保注浆压力的稳定。袖阀管最早起源于法国，由于袖阀管结构设计的科学性，近年来，在国内土木工程界注浆加固领域越来越受到工程人员的青睐。

2 袖阀管的优缺点

与普通钢花管一次常压注浆相比，袖阀管注浆具有以下优势：

1)袖阀管本质上是分层注浆，通过套壳料和注浆芯管的橡皮圈，把浆液和注浆压力限制在目标土层，在不同深度和不同空隙率的土层，均可保证足够的注浆压力和注浆量，保证了注浆深度范围内土体注浆的均匀性。

2)由于注浆芯管可上下移动，可清洗后重复利用，对不同的注浆段落，工程人员可以采用不同的注浆压力和浆液类别，保证了注浆的可控性，如某一土层或某一孔单次注浆量不足，注浆效果达不到设计要求，还可重复注浆。

3)袖阀管制作工艺成熟，利用标准节段可以很方便的接长，保证了工程人员能够在任意深度进行注浆操作。

4)由于套壳料的止浆作用，地表冒浆的可能性大大降低，地表无须制作混凝土止浆盘，节省了圬工工程量。

袖阀管的主要缺点有：

1)施工流程较为繁琐，施工人员需经过培训后方可施工。

2)套壳料的制备要求高，既要有一定的强度，保证浆液不会沿袖阀管与钻孔侧壁之间的空隙四处流动，又要保证出浆孔处浆液能够很容易的压碎套壳料进入土体，因此，套壳料的配合比必须经过试验确定。

3)由于袖阀管多为PVC管，需要通过地质钻机钻孔后方可下管，袖阀管的材料价格相比普通钢花管要高，因此，袖阀管延米造价指标较高。

3 隧道工程概况

本文依托的隧道工程为双向四车道城市隧道，两侧设非机动车道和人行道，最大开挖跨度达16.6 m，为超大断面市政隧道。隧道出口端右线洞顶地表为陡坡地形，设计为三级高边坡，洞顶以上出露地层为灰黄色残坡积粉质粘土和砖红色全风化变质花岗岩，其中，全风化变质花岗岩为本隧道洞口段洞顶主要围岩。隧道围岩整体风化程度剧烈，表层围岩已完全风化为砂性土，深层围岩虽保留了岩石外观，但实际上已完全风化，围岩干燥状态下结构致密，空隙被黏性土填充，孔隙率低，渗透性差，原状围岩具有一定的自稳能力，经扰动后呈松散的砂土状，围岩遇水即软化崩解成泥状，完全丧失承载能力。

隧道洞口段暗洞施工过程中，由于持续性降雨，雨水沿地表裂隙渗入洞周围岩，土体砂性骨架不断被雨水冲刷流失，导致洞顶仰坡土体软化变形，最终发生了失稳滑移，造成洞口大管棚上覆土层崩塌冒顶，管棚塌陷。项目部召开紧急会议，决定对滑坡变形体进行卸载减压，为保证后续重新进洞的安全性，各责任主体共同商议后决定采取袖阀管地表注浆方式加固洞顶土体，但在大面积实施地表注浆前，需要进行现场注浆试验确定注浆参数。

4 现场注浆试验

1)试验目的。

通过现场注浆试验，熟悉袖阀管的施工流程，分析不同浆液类型和不同浆液配合比下的土层注浆效果，探索不同配合比下套壳料的强度和脆性是否满足注浆要求，根据浆液扩散半径，确定袖阀管的布置间距。

2)试验参数。

浆液类型：分别采用普通硅酸盐水泥单液浆、超细硅酸盐水泥单液浆和普通硅酸盐水泥—水玻璃(1∶1)双液浆三种类型。

浆液配合比：水灰比分别采用0.8∶1,1∶1和1.2∶1三种配合比。

套壳料配合比：水泥、粘性土和水的比例分别采用0.5∶1∶2,0.8∶1∶2和1∶1∶2三种配合比。

根据正交试验原理，对于三因子三水平的试验，可以采用L9(34)正交试验表，进行9次试验即可代表27次全面试验的结果，大大减少工作量。

3)试验流程。

a.布孔：在隧道右线出口洞顶地表布置9个点位，点位之间的间隔按照不小于3 m间隔进行布置，防止试验过程中发生串浆。

b.钻孔：采用地质钻机进行钻孔，钻孔孔径为110 mm，垂直度偏差不大于1%，试验孔深度取6 m，便于通过开挖进行注浆效果验证，钻孔时应采取措施防止塌孔，钻孔完毕应进行清孔。

c.安装袖阀管：袖阀管采用外径50×4 mm的硬质PVC管，注浆部分每隔50 cm钻出浆孔，非注浆部分不钻孔，将袖阀管底部封闭，插入到孔底，应保证袖阀管在钻孔中心位置，然后在袖阀管中注入清水，防止袖阀管上浮，袖阀管应高出原地面约30 cm。

d.下套壳料：将制备完成的不同配合比的套壳料注入钻孔中，套壳料通过注浆管送至孔底，直到孔口溢出套壳料浆液为止，保证套壳料完全置换孔壁泥浆。

e.封孔养护：将袖阀管与孔壁之间的空隙进行填充，地面1 m处以下采用砂或碎石填充，地面1 m以上采用速凝水泥砂浆封堵，防止冒浆。套壳料养护至3 d～5 d且达到一定强度后进行注浆，露出地面的管口上部采用混凝土块覆盖，防止养护期间异物进入袖阀管。

f.注浆：将注浆芯管插入袖阀管外管至孔底进行后退式分段注浆，开启注浆泵，初始注浆压力为0.2 MPa～0.3 MPa，注意观察压力表读数的变化，特别是突变值，当注浆压力稳定后，继续注浆5 min以上，结束注浆，先向孔内泵送清水，防止注浆管堵塞，然后提升注浆芯管，进入下一注浆段落。注浆试验过程中，应做好施工资料的记录工作，其中重点包括套壳料开环压力、稳定注浆压力、浆液流量以及地表环境的变化。

g.注浆效果检查：通过挖掘机配合人工开挖对注浆区域浆液的扩散形态、扩散半径、浆液填充度、饱满度进行检查，综合判定注浆效果。现场注浆试验的基本流程图如图1所示。

5 试验结果及注意事项

现场注浆试验得到的结论如下：

1)对全风化变质花岗岩来说，由于土体孔隙率较低，浆液在土层中通过渗透扩散的范围较小，试验中扩散半径为10 cm左右，浆液主要通过填充土体裂隙和高压劈裂方式进入土层，因此注浆材料的类型对注浆效果的影响很小，超细水泥价格较高，实际注浆中采用普通硅酸盐水泥即可。

2)水灰比越大，浆液流动性越好，但凝结时间越久，结石体强度越低，在水泥浆液中加入适量的水玻璃可以改善凝结时间，但不影响结石体的最终强度，还可以达到止水的目的，试验结果显示水灰比为0.8∶1时，浆液效果最佳，大面积实施地表注浆时，外边缘两排注浆孔可采用水泥—水玻璃双液浆，其余孔可采用单液浆。

3)水泥的掺量直接影响套壳料的流动性、体积收缩率、抗压和抗剪强度等指标，当水泥和粘性土的比例在0.8∶1时，套壳料的开环压力在0.3 MPa左右，各项性能均较为适宜，可以更好的实现高压注浆。

4)通过开挖观察，袖阀管注浆压力稳定在1.5 MPa左右时，高压劈裂形成2条～3条浆脉，浆液扩散半径在1 m左右，因此袖阀管按照1.5 m×1.5 m梅花形布置，可保证相邻袖阀管控制的注浆区域浆液相互咬合，避免出现注浆盲区。

注浆试验过程中，容易出现的问题和解决方法如下：

1)注浆时应采取间隔注浆方法，跳孔注浆，防止串浆。

2)注浆过程中如发现个别孔周边地表隆起开裂，应停止注浆，采用止浆盘加固后继续注浆，若浆液自注浆管与土体之间缝隙处流出，压力无法达到注浆压力，应采用快硬水泥砂浆或其他密封措施进行糊缝。

3)若注浆量远远不足理论注浆量，压力突然升高，应停止注浆，检查原因，改用低浓度浆液，若一次吃浆量远远超过理论注浆量，则应及时停止注浆，认为该孔已经饱满，防止浆液浪费。

6 结语

袖阀管地表注浆是一种比较可靠、高效的注浆方式，在隧道洞口段施工过程中，如洞顶覆盖土层为浅埋破碎围岩，进洞施工存在安全隐患，经方案比选后，可尝试采取该方法对洞顶土体进行注浆加固后安全进洞。