隧道软弱围岩二次劈裂注浆加固施工技术

时间：2024-04-24

王胜利

（中铁十一局集团第二工程有限公司，湖北十堰 442013）

1 工程简介

某隧道起讫里程D2K303+167~D2K306+785，全长3618m，隧道拱顶以上最大埋深209.4m。D2K303+167~D2K306+650 范围内坡度16.4‰，坡长3483m；D2K306+650~D2K306+785 范围内坡度7‰，坡长135m。在隧道的硐室及桥梁的桩基施工过程中，由于降雨下渗和应力分布发生变化等原因，山体的稳定性发生了变化。

为了实现隧道洞结构的安全，经过相关技术人员的评定，需进行加固支护施工，在二衬衬砌施工结束之前通过钢花管对初支背后的洞周围岩注浆的方式来实现。钢花管采用（75×4） mm 无缝钢管制作，长16~20m；注浆孔在初支表面间隔为2.5m，呈梅花状布置，钢花管合计5082m。采用潜孔钻风动成孔，孔径要求130mm，材料为P·O42.5 级水泥制备的纯水泥浆，运用二次劈裂注浆工艺。

2 浆液原料的确定及其相关参数

2.1 注浆原料

1）水泥类原料。水泥类原料较容易获取，且成本较于与其他原料也具有经济性，同时凝固后浆层强度高、绿色环保、对土体影响小。所以该类型原料使用频率较高也是用料量最大的原料[1]。根据施工实际情况所需，注浆水泥参数如图1 所示。

2）化学原料。①水玻璃：水玻璃作为溶液类原料，其优点是经济性高、凝固时间可控、取材容易和注浆简易等，应用面较广，但是该原料耐久性不理想、固结性较差。水玻璃-水泥浆液也属于该类型原料，也较为常见；②有机高分子：该类型原料包括不饱和酯类浆材和聚氨酯浆材、丙烯酰胺类浆材、环氧树脂类浆材。

表1 注浆用水泥参数表

2.2 加固圈厚度确定

该注浆施工段的加固厚度将以围岩塑性圈理论、厚壁圆筒理论为基础进行计算后取值，然后依照工程和类别比法对最终厚度进行确定。公式（1）为厚壁圆筒理论计算：

式（1）中：B—加固圈厚度，m；R0—隧道开挖半径，m；σ—围岩固结体允许抗压强度，MPa；P-最大静水压力。

围岩塑性圈厚度通过修正的芬纳公式（2）完成计算：

式（2）中：RP-为塑性圈半径；P0—围岩初始地应力；Pi—作用于支护结构上的围岩压力；c—塑性圈内围岩粘聚力；φ—内摩擦角。通过式（1） ~（2）计算后，再与工程类比法相结合，确定该注浆施工段的加固厚度。

2.3 注浆确定

在工程施工过程中，由于山体的力学性质和地质情况较为复杂，为了提升注浆效果，在注浆之前需要设定科学的注浆参数，技术人员应在现场进行注浆试验来确定注浆量、最佳配合比、注浆时间和注浆压力。注浆孔布置见图1。

注浆的方法采用二次注浆，首先进行静压注浆，利用内径为20mm 的钢化管作为注浆管，浆液配比为注浆水泥：水~1∶0.5，静压注浆过程中要严格控制压力，出现浆液溢出的情况要立刻停止注入，然后封闭注浆孔60s，旨在为二次注浆提供条件。二次注浆通过劈裂注浆的方式进行。使用钢化管作为注浆管，浆液配比为水泥：水~10∶7，压力控制在1.75~0.25MPa，二次注浆与一次注浆的时间间隔为3h，在间隔时间过程中一次注浆的浆液已经出现凝固现象。二次注浆的原理是利用浆液压力将松散岩体和一次注浆的浆液劈裂，沿着岩体裂隙扩散，从而实现填塞的目的。注浆结束后土质的抗压能力有所提升。每延米注浆量按式（3）计算：

式（3）中：R—浆液扩散半径，取1.Om；L—注浆深度，取1.0m；为岩土体孔隙率，取0.17；α—浆液填充率，取0.85；β—注浆材料损耗系数，取1.150。计算可得每延米所使用的注浆材料q=0.522m3。故每延米水泥用量为509.27kg。

3 二次劈裂注浆工序

1）钻机准备。在隧道洞内仰拱位置上设置满足施工要求的脚手架，按照设计要求定位注浆孔，然后开始布置钻机且对机器的位置进行合理微调，确保钻孔结束后注浆孔能够符合工程设计要求。

2）清孔与钻孔。钻孔采用风动潜孔锤进行打孔，钻头直径为140mm。若无特殊情况避免孔位发生变更，钻孔还要与初支保持水平，倾斜度应≤12mm，钻孔的深度可比设计深度深20cm，同时使用高压风将杂物清除，杜绝带水钻孔。

3）注浆管的安装以及制作。第二次注浆所用的注浆管采用的是无缝钢管，注浆孔间隔为10cm。钢管上方1.5m 段打孔后焊封，钢化管外壁使用胶布封闭，捆绑钢管时要保证钢管的洁净，然后按照相应的设计要求进行套管焊接。将制作好的钢化管放入到注浆孔中，尽量保证其居中进入以降低密封难度，同时在钢化管一侧安装PVC 管作为第一次注浆管。

4）一次注浆。在静压注浆过程中利用钢化管作为注浆管，内径一般为20mm，浆液配比为注浆水泥：水~1∶0.5，静压注浆过程中要严格控制压力，出现浆液溢出立刻停止注入，然后封闭注浆孔60s，为二次注浆提供条件。

5）二次注浆。二次注浆的时间应在静压注浆后的3h 后开始进行，运用分段劈裂注浆，每一段长度为1.5m±0.5m。将注浆管插入到安装好的钢化管内按照要求剪切，两端四口设置在分段位置，通过密封盖固定在钢化管上，接下来关闭排气阀门进行分段劈裂注浆，当注浆达到设计压力时再提升注浆管，当全孔注浆结束后方可进行下个孔的注浆。

6）注浆善后工作。当二次注浆结束后使用锚固剂密封并切割钢化管，同时与隧道初支保持水平。整个注浆结束后拆除脚手架，现场人员需要进行清理以确保隧道内的卫生。

4 加固施工注意事项

4.1 加固效果分析

该进口段软弱围岩钢花管注浆加固已经结束，注浆使用的原料量为2550t，平均每延米水泥用量501.8kg，试验的相关参数与现场实际完全吻合。经过人员检测可知初支背后围岩密实，不存在空洞；同时经现场监控量测发现隧道初支沉降和收敛数据稳定，由此可见注浆效果良好。

4.2 注意事项

1）钢化管的运输、安装以及摆放过程中需要保证管壁胶带不出现磨损，如果出现损坏现象及时修补；2）严格控制浆液配比，水泥与水需要进行称量；3）将搅拌均匀的水泥浆进行过滤，目的是除去浆液中的颗粒和大块物体，为注浆效果提供保障；4）在注浆过程中需要不断搅动浆液，防止出现沉淀现象，并密切关注相关参数以及浆量的变化；5）严格控制好浆液配比和按设计要求封闭；6）控制好两次注浆的时间间隔，确保二次注浆的顺利进行和注浆效果；7）如果在注浆过程中出现异常情况，需要及时找出原因并采取有效措施解决。