浅谈高速公路隧道围岩注浆预加固与止水技术

内容摘要:针对不良地层、裂隙水及塌方问题,简单阐述了地层超前注浆预加固与止水是高速公路隧道施工的关键环节,主要通过几种常用的超前注浆工艺来分析比较破碎岩石中注浆加固的效果,通过性能、工艺、可操作性等方面的对比,选择适当的注浆方法,以保证在安全的前提下顺利进行工程施工。

关键词:隧道 注浆 预加固 止水

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

由于地形特点，贵州高速公路隧道较多，一般高速公路隧道采用暗挖施工技术，相比较于明挖法而言,具有占地少、对环境破坏较小、受地面征地改移因素制约小等优点。然而，贵州卡斯特地质结构使隧道在施工中经常遇到围岩破碎与裂隙水丰富等情况，对围岩进行预加固与止水成为隧道施工的关键环节，较常用的超前注浆预加固措施主要有锚杆、超前小导管、超前大管棚等。超前小导管注浆施工由于其操作工艺简单,施工方便,地层适用性强,而得到了广泛的应用。 注浆就是在隧道开挖之前,沿其拱部开挖轮廓线,用钻机成孔(或其他工具),然后利用注浆泵将浆液注入到地层中。浆液凝结硬化后,在隧道拱部形成一道连续的拱墙,从而达到加固围岩、截断残余水、减小作业面坍塌的效果,为施工创造良好的作业环境。

一、工程概况

1、 结构形式 贵州省六盘水至盘县高速公路扎营山隧道为标准双线双洞隧道,复合式衬砌,采用矿山法施工。初期支护采用C20喷射混凝土+格栅钢架（工字钢架）措施;二次衬砌采用C25。初支与二衬之间设一道柔性防水层，防水层采用防水板和300g/m2无纺布组成，进行全包防水设置。

2、 工程地质 隧道围岩主要有泥岩、泥质粉砂岩、泥灰岩及灰岩，围岩划分有V、IV、III级。进口段有废弃煤窑及煤系地层，地下水发育，存在溶洞裂隙水，地下水多呈线流进入隧道，局部有涌水。地形变化较大，最大埋深320m，在隧道K69+800范围的东南约400m处有一大型泉眼，大部分为该区域的生活水。扎营山隧道YK70+160～YK70+125 、ZK70+154～ZK70+119段围岩为灰岩夹少量泥灰岩，弱风化，块状与破碎状镶嵌结构。出现多股水流涌出，涌水量约15L/S。

另外，扎营山隧道所经地段存在有S3、S4、S5三个主要泉点，为附近鸡场坪乡、滑石乡村民及当地政府和厂矿的主要生产生活用水，供给范围广。三个泉点标高约为1885m，隧道洞底标高该段约为1773m，垂直高差为112米，泉点与隧道底板的水力坡度约为30%。由于该地段岩溶发育，岩溶通道相通，隧道的涌水，可能导致S3、S4泉点干涸，S5泉点的水量也可能大幅减少，对居民饮用水安全将产生影响。

二、注浆管施工方法

根据设计文件要求,注浆小导管采用Φ42 mm,t=3.5mm的热轧钢管,布置在拱部开挖轮廓120°范围内,管壁每隔100 mm~200 mm交错钻眼,眼孔直径6 mm~8 mm,管外端剩余1 m不钻孔,环向小导管长度为3.5 m/根,每榀工字钢架打设一排(工字钢架间距60 cm/榀),环向间距120 cm,外插角15°~20°左右，超前小导管长度为4.0m/根，环向间距40cm，每两榀工字钢架打设一排，注浆止浆墙厚采用C25砼厚80㎝，注浆止水管采用Φ76×4.5mm无缝钢管，长度每环20米，环向间距40㎝，布置范围为隧道拱部160°，末端搭接5米，注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆液。 原设计Φ25 mm中空锚杆长3.0 m/根,环向间距120cm，每榀一打。

三、超前注浆施工工艺

超前注浆主要适用于隧道拱部处于无粘结力、自稳能力差的砂层及砾砂、卵石层中，超前注浆止水适用于裂隙水发育，地下水丰富的岩层。针对注浆材料的不同,注浆液主要有水泥浆、水泥—水玻璃双液浆、改性水玻璃浆、固砂剂等。

1、 超前小导管注浆参数 1)注浆压力:0.4 MPa~0.6 MPa; 2)浆液扩散半径:15 cm~25 cm; 3)注浆速度:不大于30 L/min; 4)浆液注入量:按公式Q=π·R2·L·n·α·β计算。其中,R为浆液扩散半径,m;L为注浆管长,m;n为地层孔隙率;α为地层填充系数,一般取0.8;β为浆液消耗系数,一般取1.1~1.2。

2、 水泥浆 水泥浆主要适用于无水的中粗砂层及砾砂、卵石层中,水灰比为(1.2~0.8)∶1,并可掺加0.5%(占水泥比重)的食盐以及0.05%(占水泥比重)的三乙醇胺复合促凝剂,以加快凝结速度。水泥浆的主要特点是注浆工艺简单,可操作性强,成本低廉,但凝结速度较慢,具有一定的局限性。

3、 水泥—水玻璃双液浆 简称C-S浆液,其中水泥浆采用水灰比为(1~1.5)∶1的浆液(质量比),根据胶凝时间的不同可适当掺加1%~3%的缓凝剂。 水玻璃浆液由40 Be′稀释到35 Be′~38 Be′左右。根据双液泵的工作原理,将两种浆液的体积比尽量调整为1∶1左右。水泥—水玻璃双液浆的特点是凝结性能好,并能够根据现场需要合理调整凝结时间(几十秒至几十分钟),结石率高,结石体强度较高,具有凝结及填充空隙的双重作用;缺点是操作工艺较复杂,注浆设备(双液泵)较昂贵,两个注浆管的进浆量无法保证达到设计要求的比例,造成初凝时间的变化。而且水泥—水玻璃双液浆的凝结体具有时效性,其中的碱离子由于溶解而造成固结体疏松,从而导致注浆效果下降直至消失。

4、 改性水玻璃浆 改性水玻璃浆是在弱碱性的水玻璃中加入一定量的稀硫酸使之呈弱酸性,主要工作步骤是:将水玻璃溶液由40 Be′稀释到10 Be′~20 Be′;硫酸由98%以上浓度稀释为10%~20%稀硫酸。然后将一定量的水玻璃溶液倒入稀硫酸溶液中,边倒边搅拌,使之充分混合。 改性水玻璃浆液具有价格低,可注性好,凝结时间可调等优点,缺点是硫酸危险性较大,以及由于浆液已经提前混合,剩余浆液无法较长时间放置等。

5、 固砂剂浆液 自流平固砂剂为沈阳市某公司专门针对沈阳砂层地质注浆加固而研制的,是由无机胶凝材料为基材,以及多种辅助材料复合而成的新型注浆材料。该产品具有水中不离散、硬化速度快、早期强度高、操作时间可以调整等特点。 技术性能指标:1)自流平固砂剂净浆流动度可达到440 mm,具有良好的流动性和自密实性,可灌性能好。2)水灰比可控制在0.8∶1~ 4∶1之间,根据现场需要调整配合比。3)净浆的初凝时间为7 min~10 min,终凝时间为10 min~13 min,间隔不大于3 min。环境温度每下降5℃凝结时间延长1倍。4)注浆压力控制在0.6 MPa以内,使用10 m3以上空压机配合即可完成注浆。

四、结语

应用超前注浆法处理不良地质围岩、解决地下裂隙水及防止塌方问题,在国内外已有很多成功的经验，施工方便，工艺简单。土体超前注浆预加固和止水是暗挖隧道施工的关键环节,是保证安全开挖的重要步骤,此工序在富水地层中尤为重要。因此,隧道施工时每一环在开挖前都必须进行严格注浆,并保证足够的凝结时间,确保岩石有效固结，堵塞地下裂隙水水流通道。在实际施工过程中,应不断摸索改进经验,根据地质情况的变化,选择适当的注浆方法,随时根据不同地质情况调整浆液参数,协调解决注浆加固方法在不同地质中的经济适应性,充分考虑成本、质量、安全及进度之间的关系。

参考文献:

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