软弱地层超小净距隧道超前注浆施工技术

王伟

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东 泰安 271000）

1 工程概况

莲花隧道沿线以低丘地形为主，高程5.47～73.92m，最大高差为68.45m，地形起伏较大。机动车道与非机动车道净距约5.76～13.26m，为超小净距隧道，机动车隧道及非机动车隧道的进出口线路与地形等高线斜交，地质勘查结果显示现场的地形偏陡峭，同时有较为明显的洞口偏压现象，考虑到施工安全和结构稳定的基本要求，采用端墙式洞门。

2 超前预注浆施工技术的具体应用

2.1 灌浆参数的设计

从施工现场的围岩特性出发，结合《水工隧洞设计规范》（SL 279—2016）的相关要求，有针对性地开展设计工作。灌浆压力取内水压力的1～2倍，开挖跨度为7.3m，超前预注浆圈厚度按7.7m 控制；考虑的是20年一遇洪水标准，结合现场水文资料，水位高程为15.8m，隧道底板高程为-50m，水力梯度为8.5；注浆施工材料选用的是普通水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆，两类材料的具体配比情况如表1所示。

表1 浆液配比参数设计

超前预注浆施工中采用到短距离、长距离两种注浆方式，其中孤立断层区域的施工选用短距离超前预注浆工艺，单循环注浆长度为13.5m，随着隧道开挖进程的推进，开挖量达到10m 后预留下一循环止浆岩盘（3.5m），钻孔总量为22 个。江底断层带约50m 范围内则选用长距离超前预注浆工艺，单循环注浆长度增加至30m，经过一段时间的开挖后，开挖量达到24m 时预留下一循环止浆岩盘（6m），钻孔总量共88个。

2.2 注浆施工方案

本洞段的地下水发育较好，5 个钻孔的实际情况揭示其含有多个出水点，水量65L/min，实测稳定水压力0.51MPa。根据掌握的现场水文信息，经过分析后决定采用超前预注浆的工艺处理，拟布置一环超前预注浆孔，孔深17m，共24 个，孔底与开挖边线保持3m 的间隔。

2.3 超前预注浆施工技术的具体要点

2.3.1 孔口管的选材及布置

孔口管选用长度为3m、壁厚5mm 的φ120mm 无缝钢管，将其安装在止浆墙内，外露量30～40cm。以焊接的方法在管上安装注浆施工所需的配件，包含排水阀门、关闭阀门、法兰盘，并在法兰盘间垫入橡胶垫片，起到密封的作用。

2.3.2 钻孔、注浆

钻孔时由专员操作，保证钻头与孔口管对齐；加强检测，根据孔偏角的实际情况灵活调整钻机角度；开孔时遵循轻加压、匀速的基本原则，并逐一对孔进行编号，加强对岩石裂隙发育情况、涌水情况等方面的观察与记录[1]。钻孔时重点关注单孔出水量，若该值超过30L/min 时不具备继续钻进的条件，需要停止钻进，安排注浆。

注浆施工阶段，先将孔口管安装到位，然后钻孔，下放合适规格的栓塞，经过全面的清洗后消除孔内的杂物，组织压水试验，若实际试验结果达到要求方可灌浆。钻孔达到3m 时开始注浆，经过注浆施工后，若现场无异常状况则再次钻进，按照此方法有序推进施工进程，直至终孔为止。注浆后钻2～3个检查孔，根据实际情况判断注浆效果。合理把控注浆顺序，优先对临近隧道拱顶的部位做钻孔、注浆处理，再转向隧道两侧、底板。此外，注浆施工总体上需遵循先外圈后内圈、先上后下的基本顺序。

2.3.3 注浆工艺

对整个注浆工艺来说，注浆压力值的控制至关重要，将直接影响最终注浆质量，施工过程中实时监测压力能够有效避免压力值超出设计上限。控制注浆速率有助于控制最终的注入量，即当浆液将要溢出时能够及时终止注浆。考虑到不同项目所使用的注浆材料有所不同，因此在注浆之前可以使用注浆强度值法计算出对应的强度大小。此外，项目的最大注浆体积可通过如下方式计算得出，即将管路体积、浆液穿透半径之内的空洞体积以及因可压缩性而产生的体积等相加，即可得到最终数值。

注浆过程中同步开展统计分析有助于注浆工作的有序开展，同时还有助于保障最终的注浆质量。压力敏感注入能够实现瞬时压力分析，能够精准计算出浆阀关闭与注浆孔封闭时，压力与时间之间的关系。施工过程中需如实记录关闭后2～6min 内压力值的下降情况，将其作为乘积因子，以用作估算最适宜的注浆强度大小；待注浆进行至15min 后，可再次重复此关闭流程，以便观察浆液扩散的变化情况。基于此，项目单位可以分析出岩体饱和强度，进而得出最终的注浆质量。

整个注浆施工中，压力与注入量的波动通常呈三个阶段的变化：起初，压力数值偏低、注浆量变大，随着施工的推进，压力值与注入量的变化幅度将变小，总体呈平稳趋势；待注浆到达压密注满阶段，压力值将迅速提升，而注入量的增速则越来越慢，逐渐趋于平稳。

当注浆压力达到一定水平后，即便迅速增加注浆量，压力值大小也不发生变化，此时该数值便可作为临界压力。而这一参数往往会受到岩石本身的剪切强度以及变形情况的影响。而注浆量增加则是因为先前注入的浆液出现裂缝、变形。若项目注浆的目的仅仅是为了堵水，则无需到达临界压力数值；但若是项目处于地形复杂的环境中，此时注浆的目的则是为了加固围岩、缓解松动，此时则需要确保注浆超过临界压力。通常情况下，若无需达到临界压力，那么最终的注浆量只需超过设计值的75%即可；但若项目处于断层地带，那么注浆必须超过临界压力，此时注浆量应超过临界压力值的50%。综上所述，具体注浆方法应结合项目所处地质条件、涌水状况来决定。为了确保最终注浆效果满足设计标准，还需为其配备专业的注浆泵。若没有考虑到地质条件特征，选择了错误的注浆方法，那么极易引起注浆量不足等问题，即便注浆也无法起到阻水的效果，反倒会使积水残留在周边土层中，长期下来必将影响土层条件；但若灌注的浆液过多，则将导致裂隙阻塞浆液的渗透，因此为了提升注浆质量过多注浆也是没有必要的。此外，浆液的黏度、初凝强度等参数同样会影响注浆的临界压力。

项目注浆时需使用如下设备仪器：专门调制浆液的设施、注浆设施以及监测设施。施工之前必须使用专门的设备预制浆液，若项目所需施工范围较大，则需将制浆设备安设在中心区域，并借助软管将其与各个钻孔连接起来。通常情况下，软管的长度最长需控制在1km以内；如果浆液较为黏稠，则需设置多个中续站。

浆液预制完成后，必须将其妥善保存，确保其品质不受湿度、温度等外界因素的影响。通常，浆液中的液体成分可按体积称量，而固体成分则需按照质量称量。若施工人员借助自动化设备，即可直接借助设备控制板来自动称量浆液，依照设计标准，其误差最大不得超过5%。此外，还需定期检测设备功能、测量精度是否达标。配制过程中，若需要加水，则需借助水表、量水箱等设备确定具体的加水量；而若是使用罐装材料，则需要借助电子控制配料设备进行称量计算，该设备能够同时容纳不同成分，且计算精度高，误差较小。

2.4 注浆效果分析

2.4.1 分析法

分析法的基本思路在于全面收集注浆孔的参数信息，对其进行对比分析，从定性和定量的角度评价注浆效果。分析法的优势在于评价效率高，结果可反映真实情况。在应用分析法时需全面收集注浆孔参数信息，在此基础上绘制P-Q-t 曲线（注浆压力-注浆流量-注浆时间曲线），如图1所示。根据注浆过程的变化情况得知，注浆初期的压力为0.3～0.5MPa，注浆流量30～45L/min，在后续的注浆施工中注浆压力有增加的情况，注浆速度则减小。实际注浆量达到设计值时，对应的注浆压力为1MPa（终压），注浆流量10～15L/min。

图1 P-Q-t曲线

通过与注浆初期作业参数的对比分析发现，注浆过程中呈现出注浆时间增加、注浆压力缓慢升高、注浆流量缓慢减小的变化特点，达到设计注浆终压后，由于地层基本不再吸收浆液，注浆速度在短时间内大幅度下降，最终达到饱满的状态。

2.4.2 钻孔检查方法

注浆结束后，分别在拱顶、左右边墙及底部打设检查孔，共5 个（其中拱顶处2 个，其他部分均为1个），孔径110mm，长度27m，实测结果显示孔的出水量平均值为0.1～0.15L/min，压水检查结果显示吸水率为1.5L/min，压力在1MPa 以内，芯样抗压强度为3.2MPa，岩体的RQD 指标（Rock Quality Designation，岩石质量指标）为75～80。

从绘制的P-Q-t 曲线得知，注浆初期的压力为0.3MPa，注浆流量为17L/min；经过一段时间的注浆后，注浆压力均无明显的变化，此阶段注浆的基本作用在于补充注浆、劈裂强化注浆效果；约6min 后，注浆压力呈现出大幅增加，约23min 达到设计注浆终压，此时注浆流量大幅度下降；注浆压力变化至1.2MPa 时，注浆流量基本不再变化，地层几乎不吸浆，表明检查孔达到饱和密实的状态，围岩的加固效果良好。经过注浆施工后，制备适量的M10 水泥砂浆，利用此材料封堵预先设置的各处检查孔。

2.4.3 注浆施工中异常情况的处理

注浆时可能存在突发状况，此时需要及时做出响应，根据实际情况采取有效的应对措施。遇到突泥的情况时，需暂停钻进施工，以注浆的方法处理。若地层的吸浆量偏大，实际注浆压力难以上升，此时可灵活调整浆液的配合比，在不影响浆液性能的前提下缩短凝胶时间。注浆压力异常升高时暂停注浆，开启泄浆阀泄压，分析具体的原因，妥善处理。若注浆时有串浆现象，应关闭串浆孔，在原有基础上加大钻孔与注浆孔的间隔。若注浆时有跑浆、漏浆的情况，采用间歇注浆法处理。注浆全流程中管路均要保持畅通、严密，否则也会出现注浆异常状况。

3 注浆注意事项、问题及其对策

3.1 注浆注意事项

（1）以设计要求为准严格控制注浆孔的方向和深度。

（2）选择合适的孔口管安装到位，保证位置的准确性以及孔口管自身的稳定性[2]。

（3）值班工程师加强质量控制，详细汇总钻孔揭示的地质信息，将其反馈给设计方，以便设计人员及时掌握实际施工情况，根据现场情况灵活调整施工方案。

（4）现场施工人员需要与值班工程师保持密切的沟通，根据要求配制浆液，控制浆液的凝胶时间，以免对注浆施工效果造成影响。

（5）注浆施工中，若存在堵管现象需及时开启孔口泄浆阀、关闭进浆阀，深入现场分析情况，查明原因后妥善处理。

（6）注浆量超过设计注浆值，但此时实际注浆压力仍偏低时需要适当减小水灰比，采取此方法来保证终压的合理性。

（7）注浆结束后及时以注清水的方法清洗管路，避免浆液凝固在管路内。

3.2 问题及对策

（1）浆液注入难度较大，难以进入地层。地层较为密实时，若采用的是普通水泥，则只能达到劈裂填充和挤密土体的效果，但无法实现均匀扩散，即此时产生的固结体缺乏连续性与完整性。为此，可综合应用多种浆液，达到堵水、加固多重效果。除此之外，灵活调整注浆过程中的注浆压力和注浆速度，以便将浆液充分注入待加固的区域[3]。

（2）掌子面串浆、漏浆。注浆压力较大时，掌子面可能会出现串漏浆现象，严重时将引发地面和拱顶漏浆的问题。为此，可采用注入双液浆的方法解决。实际施工中，在孔口部位接入2根畅通、严密性较好的注浆管，作为注浆施工装置，首先向串浆部位注入水泥浆，待该处返出浆液后进一步注入水玻璃。经过多重注浆处理后有效解决堵管问题，同时浆液将全方位填充在裂隙内，因此可规避浆液堆积（局部由于堵塞而阻碍浆液的正常流动，从而堆积）。

4 结语

综上所述，在软弱地层超小净距隧道施工中，围岩的稳定性必须得到保证，其是隧道有序施工以及顺利贯通的重要保障，其中超前预注浆是重要的手段，依托于注浆的方法，用浆液填充围岩裂隙，阻止水的流动、加固围岩，创设安全的隧道施工环境。在应用超前预注浆施工技术时，工程人员应注重对方案的设计以及各项参数的控制，并在施工过程中加强对每道工序的检验，在各岗位员工共同努力下，保证超前预注浆施工效果。