帷幕注浆加固技术在地铁线路段工程施工中的运用

薛永斌

（中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100000）

帷幕注浆加固是将制备好的浆液材料，以一定压力注入到岩层的裂隙中。一段时间后浆液材料凝固，可同时发挥阻水效果和加固效果，显著提高了岩层强度，保证了上部工程稳定。在地铁隧道工程施工中，由于隧道开挖深度大、隧道线路长，不可避免会遇到软弱围岩、岩层破碎等特殊地质。这种情况下选用帷幕注浆加固技术，可以在较短时间内显著提升岩层强度，为隧道工程施工创造理想条件。当然，在帷幕注浆加固施工中，钻孔深度、注浆压力、注浆量等都是需要重点把控的技术要点。只有采取精细化的施工管理，才能切实发挥帷幕注浆加固技术的优势，进而保证地铁工程建设任务的高标准完成。

1 工程概况

X 市地铁的某区间隧道全长2 683.06 m，深度11.5～15.5 m。该区段内设有1 座竖井和1 处横通道，竖井采用喷锚支护方式，横通道采用喷锚构筑法施工。隧道整体为复合衬砌，隧道拱顶与地面最小距离为4.6 m。根据地质勘察结果，施工区域位于构造破碎带上，沿线有3 条宽度在15～20 m 不等的构造破碎带；地下水主要为松散土层孔隙水和基岩裂隙水。为保证隧道结构的稳定性，采用了帷幕注浆加固技术。

2 帷幕注浆加固技术的应用

2.1 注浆材料的选用

帷幕注浆加固技术中所用的浆液材料，主要有主剂、溶剂、外加剂三部分组成。主剂通常选择水泥、粉煤灰，与溶剂（水）和外加剂按照一定比例混合后，充分搅拌制得浆液[1]。注浆材料的选用直接决定帷幕注浆加固效果，是施工准备阶段的一项重要工作。在本次工程中，结合地质条件和隧道施工要求，在选择注浆材料时应满足以下几点要求：（1） 浆液粘度低，保证有良好的流动性，可以充分渗透至岩层的微小裂隙中，达到良好的充填、加固效果。（2） 浆液无腐蚀性，不会对注浆设备造成腐蚀，并且易于冲洗。（3） 浆液的稳定性强，可在常温环境下保存较长时间。（4） 浆液绿色、无毒，不会对地下水以及施工现场的生态环境造成破坏。现阶段市场上可以选择的注浆材料有多种，按照其组成形态的不同，大体可分为两类，即颗粒浆液、溶液浆液。前者又包括水泥浆、水泥粉煤灰浆等；后者包括水泥-水玻璃浆、环氧树脂类浆、聚氨酯类浆。在综合考虑成本、性能、适用范围等多种因素的基础上，本次隧道帷幕注浆加固工程最终选择了水泥-水玻璃浆液，黏度20～100×10-3pa·s，渗透系数10-2cm/s，扩散半径20·30 cm，其组成成分见表1。

表1 水泥-水玻璃浆液的基本参数

2.2 施工准备

2.2.1 布置注浆系统

在选定浆液材料后，还要设计帷幕注浆加固的注浆系统。现场施工时，首先进行预注浆，目的是检查并修正注浆施工的各项参数，将最终确定的参数应用到正式的注浆施工中。根据地质勘察结果，该隧道工程位于断裂破碎带上，因此无论是钻孔作业还是注浆作业，都必须按照“先外后内，先近后远”的顺序，可有效避免出现塌孔的情况。另外，现场作业空间狭小，在布置注浆系统时也应尽可能的节约空间，本次工程中逐渐系统的布置见图1。

图1 注浆系统布置示意

注浆系统安装完毕后，还要安排注浆施工所用的各类机具设备进场。本次工程中使用到的主要设备有钻孔机、注浆泵、止浆塞等。KY-200 型潜孔钻机入场后，按照标记好的孔位顺序，置于1#孔位处，施工人员调整钻机，使钻杆垂直，钻头与孔位点对齐。

2.2.2 浆液的配制

本次工程中所用注浆材料为水泥-水玻璃浆液。其中，水灰比为1:1，水玻璃原浆与水的比例为1:1.5。按照上述比例将各类基础材料倒入双层搅拌器中，设定搅拌时间为20 min[2]。等到充分搅拌结束后，使用网孔为1 mm×1 mm 的细目筛网进行浆液过滤。所得浆液可以暂存于施工现场的储浆桶中，浆液从制备完成到施工，中间间隔时间应控制在3 h 以内。浆液经检查确定符合施工要求后，确定注浆参数，包括注浆加固长度、注浆压力、注浆速度等，为下一步的注浆施工提供必要的参考。注浆参数见表2。

表2 注浆参数

2.3 帷幕注浆施工流程

上述准备工作结束后，开始进行帷幕注浆加固施工。首先按照施工图纸，在掌子面上弹线标记出各个注浆孔的位置，对标记点进行复核确定无误后，按照顺序标记序号。然后重新检查钻机是否校正，并设定钻进参数（包括进给压力、进给速度等），参数设定完成后启动钻孔机，开始进行钻孔。钻进作业中随时检查成孔效果，发现钻孔偏斜后及时采取纠偏措施。严格控制钻进深度，避免出现超挖或欠挖的情况。第一个钻孔钻完以后，退出钻头，检查成孔效果，确认无塌孔等质量问题后，进行钻孔清洗。此时将钻孔机移动至2#孔位，同时在1#孔位进行注浆施工。注浆时同样需要设定注浆泵的参数，对于短孔可适当减小注浆压力，对于长孔则增加注浆压力，保证浆液能够充分渗透到破碎岩层的孔隙中。现场注浆中，以注浆压力和注浆量作为结束依据。当实际注浆量达到设计注浆量的80%后，或者是注浆压力达到设计注浆压力并稳定10 min 后，即可停止注浆。等到施工区域内所有的钻孔全部注浆完毕后，统一检查注浆效果，避免出现漏注孔。

2.4 配套注浆工艺

在地铁隧道的帷幕注浆加固施工中，由于线路较长，地质条件较为复杂，因此在实际施工中还应根据不同区段的具体情况，采取一些配套的注浆工艺。例如在地表隆起程度过大的情况下，要使用诱导劈裂注浆工艺；在遇到富水软弱区域时，需要使用前进式分段注浆工艺等。

2.4.1 隔压渗透封固注浆

施工中遇到砂层结构时，由于这类地质组成松散、强度不高，钻孔施工或注浆施工容易对原有的地质结构造成破坏，进而出现漏浆、孔间串浆的现象。因此，在砂层地质进行注浆施工，需要采取隔压渗透封固注浆工艺[3]。该工艺的原理是：选择速凝材料加入到专用的隔压膨胀注浆器内，使材料膨胀后自动完成加压。然后将注浆器紧贴在钻孔的孔壁上，这样就能利用注浆器使浆液材料与砂层进行分隔。然后打开注浆器末端的高压阀门，在释放压力的过程中让浆液填充到周围的软弱围岩中。等到浆液凝固后，即可提高围岩的稳定性，从而达到理想的注浆加固效果。隔压渗透封固注浆的现场布置见图2。

图2 隔压渗透封固注浆示意

2.4.2 前进式分段注浆

在隧道加固施工中，如果遇到富水软弱区域，会因为地下水较为丰富导致浆液注入后被稀释，从而影响加固效果，这种情况下需要采用前进式分段注浆工艺。其原理是按照逐段、逐层推进的方式，让钻孔和注浆工序交替进行，既可以提高注浆加固的施工效率，同时还能解决浆液材料不均匀的问题，让加固效果得到明显提升。为了保证注浆质量，每段长度控制在4～5 m[4]。前进式分段注浆区段可分为3 部分，靠近孔口管的起始段，需要保持低压、慢速注浆，避免注浆太快或者一次性注浆量太大，导致地表隆起的情况；在进行末端注浆时，要适当增加注浆压力，保证浆液能够渗透到底部岩石的裂隙中。前进式分段注浆的现场布置见图3。

图3 前进式分段注浆示意

2.5 特殊情况的处理

在帷幕注浆加固施工中，有可能遇到一些特殊情况，如孔间串浆、注浆压力长时间不上升等。现场施工人员要根据具体问题采取相应的处理措施，确保现场施工顺利进行和提高施工质量。这里以注浆压力长时间不上升为例，其原因可能与浆液材料过于稀薄，或者注浆压力太小有关。因此，现场施工人员在观察到注浆压力超过10 min 没有明显变化后，必须检查浆液的浓度，如果过于稀薄需要调整浆液的比例，增加水玻璃的比例，以提高浆液浓度[5]。如果浆液浓度合适，则考虑是因为压力不足导致的，需要在注浆设备上调大压力，在观察到注浆压力开始稳定上升后即可解决问题。

3 帷幕注浆施工效果分析

为了验证帷幕注浆加固技术在地铁隧道施工中的应用效果，还需要选择恰当的方法进行评价。常用的评价方法有检查孔法、开挖取样法以及分析法。本研究选择分析法，通过收集注浆信息，根据注浆压力（P）、注浆流量（Q）和注浆时间（T）的相互关系，绘制P-Q-T 曲线，评价注浆加固效果，见图4。

图4 注浆P-T 与Q-T 曲线图

根据图4 可知，本次工程中起始注浆压力为0.7 MPa，随着注浆时间的增加，注浆压力也相应的提升。这是因为现场注浆采用的是由上到下、由近及远的顺序。注浆时间越长，注浆位置越深，为了保证浆液能够以钻孔为中心向四周顺利扩散，必须要持续增加逐渐压力。当单孔注浆时间达到40 min 后，注浆压力达到了1.1 MPa，之后随着注浆时间的继续增加，注浆压力稳定在1.1 MPa 不变，说明浆液已经完全充填到破碎岩层的裂隙中，并且没有漏浆情况。在开始注浆后的50 min，终止注浆。另外，在刚开始注浆时进浆量比较大，结合图4（右）可知大概在52 L/min，这是因为地表岩层裂隙较大，消耗的浆液量较多，并且注浆阻力较小，因此进浆量较大；而随着时间的推移，注浆深度增加，地层岩层的裂隙宽度变小，注浆阻力增加，因此进浆量逐渐降低，最终在注浆40 min 后，稳定在20 L/min。根据P-Q-T 曲线分析可知，本次工程中采用帷幕注浆加固技术，可以使浆液较好地充填到隧道破碎岩层的孔隙中，起到了理想的加固效果。

4 结论

在地铁线路工程施工中，经常会遇到各类复杂地质条件。其中，岩层破碎会导致工程基础的承载力下降，进而影响到地铁线路工程的运行稳定和行车安全。因此，在地铁隧道施工中必须要采取针对性措施加固基础。帷幕注浆加固是一种比较常用的破碎岩层和软弱围岩加固技术，将制作好的浆液以较大的压力灌注到岩石裂隙中，等到浆液凝固后可以同时发挥加固岩层和阻挡渗水的效果。在本次工程中，使用帷幕注浆加固技术对地铁隧道工程的破碎岩层进行了加固，分析表明注浆效果良好，为地铁线路工程的高质量建设完成奠定了扎实的基础。