浅埋隧道过砂层时注浆加固技术
2012-01-11 00:57
浅埋隧道过砂层时注浆加固技术
摘 要：以广州地铁 5 号线西村站 3 号通道浅埋暗挖工程为例，论述了洞内 TSS 短管注浆，地表袖阀管长管注浆的联合注浆加固的施工工艺，介绍了钻孔注浆质量标准及加固安全措施，避免了开挖过程中发生涌水和涌砂现象。 对在类似地层中的隧道开挖有一定借鉴意义。
关键词：隧道；注浆加固；TSS 短管；袖阀长管
1 工程概述
广州地铁5 号线西村站 3 号通道 ， 埋深平均为5.5 m，局部底层为沙层，且地下水丰富。 原设计采用明挖工法，围护结构采用φ1000、一般间距为 1150 的钻孔桩，桩间采用φ900 间隔三重管旋喷桩止水。 旋喷桩深入黏土地层不小于2 m，顶部做至地面。 因为明挖需要办理地面交通疏解，进行管线迁改，所以施工周期长。 后根据实际地质情况和暗挖隧道施工经验，采用洞内TSS 短管注浆，洞外地表袖阀管长管注浆的联合加固方法进行隧道开挖，避免了开挖过程中发生涌水和涌砂现象。 图 1 为 3 号通道暗挖立面图。
注浆管布置如图2 所示。
2 工法原理
1）注浆材料。 超细水泥稳定性好、流动性比普通水泥有显著改善，材料颗粒粒径小，对于中细砂层，注浆比值（N 值）大，可注性好，一般能注入渗透系数为10-2～10-4cm/s 的中细砂层。 超细水泥和水玻璃配制成双液浆，凝胶时间可调，可以减少水对浆液凝胶化性能的改变；浆液结石率高，有微膨胀性，耐久性能好；采用双液灌注，工艺实施容易；浆液原材料均为无毒材料，大量使用，不会造成环境污染；双液浆在中细砂层主脉下（一般为2 mm）均匀渗透扩散，不易发生大量的劈裂挤压状况，可以较好地均匀加固砂层，形成完整的防水帷幕。
2）钻进成孔工艺。 采用一次性钻头、水平套管跟进钻进。 限量排砂等技术是目前解决饱和动态含水砂层钻进成孔的一种有效方法。
3）长管后退式分段注浆。 采取长管后退式分段注浆工艺，其注浆分段长度短（一般取0.6 m），可以有效地解决海陆交互相冲积饱和动态含水砂层中、粗、细砂交互出现，地质多变等复杂条件下，注浆加固的均一性，可提高饱和动态含水砂层的整体加固效果。
4）短管注浆。 短管注浆采用常用的“小导管超前注浆施工工法”，但在注浆工艺方面有所改进。 短管注浆是对长管注浆效果的检查，以及对其薄弱环节的补充和完善，同时，加强了初期支护能力，是保证饱和动态含水砂层安全施工的一项重要技术措施。
3 注浆施工工艺
3. 1 地表袖阀管长管注浆施工
3. 1. 1 施工工艺流程
1）钻孔。 采用地质钻机，用优质泥浆固壁，不用套管护壁。
2）插入袖阀管。 为使套壳料的厚度均匀，应设法使袖阀管位于孔的中心。
3）浇注套壳料。 用套壳料置换孔内泥浆。 套壳料的作用是封闭袖阀管与钻孔壁之间的环状空间，防止灌浆时浆液流窜，套壳在规定的灌浆段范围内受到破碎而开环，逼使灌浆浆液在一个灌浆段范围内进入地层。
4）灌浆。 待套壳料有一定强度后，在袖阀管内放入带双塞的灌浆管进行灌浆。
3. 1. 2 袖阀管、注浆花管、注浆心管的选择
袖阀管采用φ50 的聚氯乙烯塑料管，注浆管每节长333 mm。 注浆管内壁光滑，接头有螺扣，端头有斜口，外壁有加强筋以提高其抗折强度。 注浆管分 A、B两种，A 种注浆管上未开设溢浆孔，B 种注浆管上开有φ8 mm 的溢浆孔 6 个。 在 B 种注浆管有孔部位外面紧紧地套着抗爆破压力为4 MPa 的橡胶套，橡胶套覆盖着溢浆孔，这样，注浆时，浆液可以通过溢浆孔进入地层，而地层中的水和颗粒难以进入注浆管中，从而达到注浆管的单向阀作用。
注浆花管采用φ22 mm 焊接钢管加工 ，一般长0.6～1 m，其四周均匀地布设 12～18 个 φ8 mm 的泄浆孔。 花管两端各加上 3～4 个止浆橡胶皮碗，以形成阻浆塞，起到止浆作用。
注浆心管采用φ22 mm 焊接钢管加工，每节长 2 m。主要起输送浆液作用，与注浆花管采取丝扣连接。
3. 1. 3 套壳料的配置
套壳料采用黏土和水泥配制，配合比为：m水泥∶m黏土∶m水＝1∶1.5∶1.88，浆液相对密度约为 1.5，漏斗黏度 24～26 s。
制作方法：量取 94 kg 水加入搅拌罐中，再加入75 kg 黏土 ；强力搅拌后再加入 1 袋水泥 （50 kg）搅拌均匀即可。 套壳料用量＝[1.3π（钻孔半径×2－袖阀管半径×2）×注浆段高度]m3。实际施工时应通过多组室内及现场试验，选取最佳配比。 根据工程中的要求，套壳料凝固时间和强度增长速率应控制在1～3 d 内可注浆，可适当添加速凝剂加速凝结速度。
3. 1. 4 安装袖阀管
钻孔至设计深度后，在注浆段范围内要浇注套壳料，用来防止袖阀注浆管在注浆过程中变形 、变位或损坏，并能保证水泥浆通过。 要求套壳料收缩性小，脆性较高，早期强度高。 套壳料的耗损、扩散系数取 1.3。将套壳料通过钻杆泵送至孔底，自下而上灌注套壳料至孔口溢出符合质量浓度要求的原浆液为止或直至注浆段高度以上0.2 m 处为止。
3. 1. 5 固管止浆
在袖阀管外花管与孔壁之间的环状间隙处，下入注浆管至套壳料顶面位置，在孔口上部 2 m 孔段压入止浆固管料，直至孔口返出浓浆为止，孔口浆面下沉后应多次回灌，保证固管止浆效果。 止浆固管料采用速凝水泥浆，m水∶m水泥＝1∶1.5。 可采用水玻璃或氯化钙作速凝剂。
要待孔口段止浆料凝固后才能注浆。 待凝时间控制在1～3 d 以内，可适当添加速凝剂加速凝结速度。
3. 1. 6 开环注浆
1）开环 ：注浆的前期阶段 ，使用稀浆 （或清水 ）加压开环。在加压过程中，一旦出现压力突降，进浆量剧增，表示已经“开环”。 开环后即按设计配比开始正式注浆。
2）注浆：采用双栓塞心管进行注浆。 根据各组注浆参数表要求，从孔底自下而上进行注浆，每排孔眼作为1 个注浆段，其段长为 100 cm。
3）注浆液采用 32.5R 普通硅酸盐水泥 ，水灰比 ：0.5～1，水玻璃密度为 1.38 g/cm3，模数 2.6；浆液中适当添加减水剂和速凝剂。
4）注浆次序：隔孔交替注浆且严禁同时多孔注浆。根据钻孔平面布置，自外向内“分序”注浆，以防止发生窜浆现象。 待套壳料具有一定强度后，将带双塞的注浆钢管从袖阀管中下到注浆段位置，自下而上分段注浆。对隧道全断面注浆，先隧道周边后中间，隔孔交替注浆。
5）间歇注浆：全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第2 次注浆，间歇时间控制在 10～30 min 之内[1]。
3. 2 洞内钢花管短管注浆施工
地表长管注浆结束后，会有未被固结的砂层或存在一定的薄弱局部，这可能会成为隧道开挖施工中的隐患。为了确保在饱和动态含水砂层中施工万无一失，必须采取短管补充注浆，固结围岩，同时，超前短管还起到支护作用。
1）短管制作 。 短管采用 φ42 mm×3.5 mm，长 4 m的焊接钢管加工制作。 注浆管前端加工成圆锥状并封死。 花管部分长 1.7 m，在花管段上每间隔 20 cm，按梅花型布设φ4～6 mm 的溢浆孔。 管尾采用两道 覫6 mm的圆形钢筋焊箍，其中一道用于连接注浆管路，另一道绕上棉纱后，用于止浆[2]。
2）注浆参数 。 注浆加固范围 ：2 mm； 扩散半径 ：0.4 m；注浆速度：30～40 L/min；注浆终压：0.5 MPa；单孔注浆量按公式（1）进行计算。
Q=πRhnα（1+β）γ （1）
式中：γ 二次注浆充填率，一般取 30 ％～50 ％。Q 为注浆量，m3；R为扩散半径，m；h 为注浆 管有效长度，m；n 为地层孔隙率；α 为注浆系数，取 0.7～0.9； β 为浆液损耗系数，取 1.1～1.4。
3）方案设计。 在开挖轮廓线周边和掌子面砂层部分均布设注浆短管。 注浆短管按三序孔布设，以防止串浆发生。 同时下序孔可作为上序孔的检查孔。 一序孔沿周边轮廓线l m 间距，外插角 25 度 ，垂直于掌子面布设短管。 二序孔加密补充排管，使注浆孔间距减为0.5 m。 三序孔补充加密轮廓线周边孔，使注浆孔间距减为0.25 m[3]。
4）注浆施工。 短管注浆浆材仍采用超细水泥一水玻璃双液浆。其注浆工艺同于“小导管超前注浆施工工法”，注浆采取全管1 次注浆。
4 质量标准及安全措施
4. 1 质量标准
1 ） 钻机的定位 误差 ： 极坐标 原点距拱顶 距离≤ ±1 cm，距工作面距离≤±1 cm；轴线同中线偏差≤±1cm。
2）注浆孔孔位标注误差≤±1 cm。
3）钻孔开孔误差≤±1 cm。
4）钻孔钻深和设计相比≤±10 cm。
5）注浆短管布设外插角≤±1 °。
6）长管注浆单孔注浆量不得少于设计注浆量的80 ％；短孔注浆结束标准宜首先按注浆压力达到注浆终压为止。
7）观察检查孔钻进过程中排出的岩粉中应有浆液的胶凝体，检查孔在钻孔结束后放置一段时间 ，观察检查孔中应没有涌水、涌砂现象。
4. 2 安全措施
虽然注浆施工方案十分严密，也难免会因地层的不均一性等特殊情况引起局部地层加固效果较差，施工开挖时会出现少量的涌水。 要区别情况制定相应的安全技术措施（见表 1）。
5 结论
该工程改明挖法为暗挖法，针对饱和动态含水砂层采取地表袖阀管长管与洞内TSS 短管联合注浆工法施工，避免了开挖过程中发生涌水和涌砂现象，提高了安全系数，加快了施工进度。
参考文献：
[1] 陈志良． 袖阀管注浆工艺在深圳地铁基础加固中的应用[J]. 铁道标准设计，2005（12）：34-35．
[2] 丁锐，张文强． TSS 注浆技术在天津地铁工程中的应用[J]． 铁道工程学报，2006（3）：62-65．
[3] 乔军． 越江隧道地质预报与注浆技术[J]． 大众科技， 2006（3）：59-60．
