全风化地层单管钻杆水平注浆技术研究与应用

肖红渠

0 引言

在我国闽南等沿海地区广泛分布风化花岗岩地层，具有以下特点［1，2］:1)外观特征可辨，结构松散无胶结，自稳性差。2)岩体渗透性微弱，渗透系数在10-4cm2/s左右。3)风化岩夹含孔隙水和残存裂隙水，处于饱和状态。在这种地层中修建隧道，通常采用注浆止水等措施。单管钻杆注浆法就是直接利用钻机的钻杆作为注浆管从钻杆前端注浆的方法［2］，钻孔达到设计孔深后，边注浆边后退钻杆，直至该段注浆结束。本文对单管钻杆水平后退式注浆技术进行了研究。

1 工法特点

1)钻孔一次成孔，成孔后不退钻杆即可注浆。

2)浆液可进入孔底，保证了孔底的注浆效果。

3)采用分段后退式注浆，节省了钻孔数量和时间。

4)采用孔口止浆塞及钻杆和孔壁之间的凝固体作为止浆系统。

2 工法实施步骤及关键技术

2.1 注浆工艺

注浆工艺如图1所示。

2.2 工艺实施步骤

1)施工准备及钻机就位。

2)安设孔口管。

3)钻孔。

4)安装排水装置和止浆塞。

5)注浆。

6)分段后退。

2.3 工法关键技术

2.3.1 止浆系统的可靠性

止浆系统的可靠性包括孔口止浆的可靠性和掌子面止浆墙的可靠性。

2.3.2 浆液的凝胶时间

现场取双液浆凝胶时间为3 min～5 min。

2.3.3 防止抱钻的措施

1)初始冲填钻杆和钻孔孔壁空隙的浆液应采用短凝胶时间和低强度的浆液。

2)正常注浆时采用的浆液应采用长凝胶时间和易扩散、高强度浆液。

3)钻杆在注浆过程中应保持不停转动。

3 工法适用范围及机械设备要求

3.1 工法适用范围

1)微弱富水全风化花岗岩地层及含水砂层。2)裂隙发育及断层破碎带地层。

3.2 机械设备要求

3.2.1 钻机

采用意大利旋转冲击式履带钻机C-6。

3.2.2 注浆泵

采用两台双液注浆泵，最大压力7 MPa。

4 工程应用

4.1 工程概况

厦门市成功大道浅埋暗挖段689.7 m。开挖跨度最大为33.66 m;该段隧道埋深9.9 m～10.4 m，地下水埋深2m～3 m，地层参数见表1。

表1 地层参数

4.2 注浆方案

4.2.1 注浆孔布置

洞口段采用全断面注浆加固和堵水，注浆孔布置如图2，图3所示。

4.2.2 注浆参数

注浆参数见表2。

表2 注浆参数

4.2.3 注浆材料

选用普通水泥浆和普通水泥—水玻璃双液浆及缓凝剂。

4.2.4 注浆压力的确定

根据现有围岩劈裂注浆理论研究［4］，钻孔劈裂时的起始压力为:

其中，p1为钻孔起始压力;α为钻孔应力集中系数，一般为2.5～4.0;σ3为轴向应力;σ1为切向应力;Rt为围岩抗拉强度。

裂隙扩展压力为:

其中，p2为裂隙扩展压力;a0为钻孔半径;G(L/a0)，F(L/a0)均为L/a0的函数;K1为裂隙扩展时的临界强度因子。

当L≥10a0，G(L/a0)=F(L/a0)=1，此时:

假设钻孔部位仅存在自重应力场，则:

钻孔劈裂的起始注浆压力应大于1.5 MPa。裂隙扩展注浆压力应大于0.9 MPa。

4.3 浆液在地层中的分布规律

开挖后可以看出，浆液在全风化花岗岩中以水平分布为主。

从钻孔内的浆液凝固体来看，钻孔周围的土体获得了较大的挤密。

4.4 浆液在地层中的运动规律

浆液在地层中的运动分为空隙充填、挤密扩孔、劈裂流动、再次劈裂四个阶段，如图4所示。

5 结语

1)单管钻杆水平后退式注浆是采用孔口止浆和孔内浆液止浆相结合进行止浆处理，因此孔口止浆系统和初始注入浆液相当重要。

2)通过现场试验，单管钻杆水平后退式注浆浆液可以到达孔底，提高了孔底的注浆效果。

3)虽然通过多种注浆手段能够对地层起到一定的加固和堵水作用，但施工中须及时支护和封闭，并结合其他辅助措施综合使用。

［1］ 关宝树.隧道施工要点集［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［2］ 赵 勇.歧岭隧道进口段软弱围岩注浆加固技术［J］.铁道建筑技术，1999(5):21-23.

［3］ ［日］草野一人.地基加固和防水药液注浆设计施工手册［M］.北京:中国隧道出版社，1989.

［4］ 葛家良，江 涛.巷道围岩劈裂注浆作用机理［J］.矿山压力与顶板管理，1997(Z1):161-163.