穿越301国道顶管段灌浆加固技术分析

王 蛟，王德成，赵宏伟

（1.桦川县新城灌区管理站，黑龙江桦川 154300;2.桦川县新河宫排灌站，黑龙江桦川 154300;3.桦川县水务局，黑龙江桦川 154300）

1 工程位置以及现场问题

红旗泡水库主要为大庆石化公司的生产和生活用水来源，红旗泡泵站异地新建项目位于红旗泡水库西水源管理站的北部，有7根供水管线钢管要穿越301国道，顶管的工作坑位置位于供水管线的上游侧，在穿越国道的管线中有直径D1620的套管1根，套管编号为2号，直径D1420的套管6根，套管编号为 1、3、4、5、6、7，7 根套管的长度均为66 m，采用的钢材钢号均为Q235-BZ的普通碳素钢材。

该工程开工以来，在穿越G015国道的7根管线中，目前有1～3号管线管线上部的路面出现8.5 cm的沉降，分析原因有3点：①降水效果不理想，操作坑下沉18 cm;②地下水位比较高，降水引起公路地基沉降;③公路过往车辆超重，对公路路基振动过大，引起局部沉降。根据以上问题以及公路部门的对路基安全的相关要求，应对公路路基进行注浆措施，防止出现路基下部更多地方的大规模沉降，由于顶进套管是每根是焊接成一个整体的，套管外部的每个地方沉降都可能对路基造成影响，所以进行对套管外部进行灌浆，加固路基。本着技术可靠、经济安全的情况，结合多年来设计公司对公路注浆加固的经验，经详细计算和应力分析，结合该套管周围地质是粉细砂土层，水泥灌浆的可灌性极差，而且需要灌浆压力很大，压强过大还会造成管壁外压失稳，研究决定采用从钢套管内部钻孔进行化学水玻璃注浆，每排6孔，排距1.5 m，成梅花型布置，加固因为施工顶进套管的对周围扰动的土体，在套管周围形成拱应力圈，加大公路在该地段的抗压强度，增加该路基的稳定，保证以后通车安全。

2 路基下部地质结构

根据该工程的地质勘察报告，在输水管线穿越G015国道段，管道的中心高程为142.759 m，在管线周围从上向下分布为黄色低液性黏土、级配不良细砂、灰黑色的低液性黏土、高液性粉土，公路两侧的地面高程在145.1～147.1 m，公路的路面净宽度24 m，在路基的下部，管线正好穿越的位置为级配不良细砂层。

3 注浆材料的选择与计算

管线正好穿越的位置为级配不良细砂层，最大承载力140 kPa，该砂层的高程处于140.40～145.10 m，厚度5 m左右，正好包含整个在G015国道管线，该粉细砂经过我公司岩土实验室进行颗粒级配试验数据显示，该细砂层的颗粒比较小，粒径大多数在0.075～0.25 mm。根据以往工程经验，采用水泥砂浆材料进行灌浆的可灌性很低，通常工程上对细砂层的灌浆采用化学灌浆，化学灌浆的主要优点：①化学溶液的黏度低，可灌性好，能灌入0.03～0.001 mm的微细裂隙中，还能渗入泥化夹层中，并改变其物理力学性能。②化学溶液从流体变成胶凝体或固体的聚合时间，可在几秒钟到数小时之间较准确地进行控制，有效地控制浆液扩散范围，还可在很短的时间内封堵有压集中渗流。③其聚合体几乎是不透水的，渗透系数一般为10-8cm/s，且在高水头下不易被挤出，化学浆材种类很多，常用化学浆材的逐步要材料就是硅酸钠（Na2SiO3）化合物溶液。

由于本工程采用硅酸钠化合物溶液作为浆液灌浆，它可解决水泥灌浆难以奏效的特殊工程地质问题，粉细砂层常用化学灌浆进行补强加固，经过计算研究决定采用水玻璃灌浆材料，水玻璃化学名称就是硅酸钠，分为液体、固体、水淬3种，该灌浆采用的是液体硅酸钠无色、略带色的透明黏稠状液体。分子式：Na2·nSiO2，石英砂和碱的配合比例即SiO2和Na2O的摩尔比决定着硅酸钠的模数n，模数即显示硅酸钠的组成。液体硅酸钠的技术指标见表1。

钠水玻璃为硅酸钠水溶液，分子式为Na2O·nSiO2，土木工程中主要使用钠水玻璃，优质纯净的水玻璃为无色透明的黏稠液体，溶于水。水玻璃分子式中的n称为水玻璃的模数，代表Na2O和SiO2的分子数比，是非常重要的参数。n值越大，水玻璃的黏性和强度越高，但水中的溶解能力下降，工程中常用模数n为2.6～2.8，既易溶于水又有较高的强度，工程中常用液态水玻璃的密度一般为1.36～1.50 g/cm3，相当于波美度38.4～48.3，为加速水玻璃的凝结固化速度和提高强度，水玻璃使用时一般要求加入固化剂氟硅酸钠，氟硅酸钠的掺量一般为12%～15%。

表1 液体硅酸钠的技术指标

4 注浆孔范围的确定

注浆采用的是管内固结注浆，在套管内管壁上每排钻孔6个，孔径50 mm左右，6个钻孔成对称布置，相邻钻孔的夹角为60°，D1620套管的每个钻孔深度经计算后确定为2.0 m，D1420套管的每个钻孔深度经计算后确定为1.5 m，D1620套管和D1420套管钻孔排距均为1.5 m，排与排之间的钻孔采用梅花形错开布置，采用间隔式对钻孔进行灌浆，灌浆量经过计算在压强≤0.28 MPa的作用下，根据渗透半径与渗透速度，最后灌浆量52 L/m，灌浆完毕后对钻孔采用与套管等厚度钢板封堵焊死。

5 注浆钻孔进尺量以及注浆量计算

5.1 D1620套管进尺计算

每排6孔，每孔进尺2 m，排距1.5 m，1根顶进的66 m套管共45排，所以D1620的钻孔进尺量L=540 m。

5.2 D1620套管注浆量计算

式中：Q为注浆液用量，m3;D为注浆直径，m;H为钻孔深度，m;B为损失系数。

5.3 D1420套管进尺计算

每排6孔，每孔进尺1.5 m，6根顶进的66 m套管共270排，所以D1420的钻孔进尺量L=2 430 m。

5.4 D1420套管注浆量计算

式中：Q为注浆液用量，m3;D为注浆直径，m;H为钻孔深度，m;B为损失系数。

综上，在对公路路基下部土体进行固结灌浆的同时，还要考虑灌浆的压力不可以太大，随着新管线需要大量兴建和过去的旧管线大量待重建或翻修，管线建设愈多，在穿过公路路基为粉细砂路段，采用化学灌浆的加固措施是可行的。

[1]华东水利设计院.水工设计手册（第八卷）[R].北京：中国水利电力出版社，1992.

[2]崔冠英.水利工程地质[M].北京：中国水利电力出版社，2003.

[3]袁光裕.水利工程施工[M].北京：中国水利电力出版社，2003.