超前小导管注浆在上白隧道穿越砂层中的应用

王越云

1 概述

上白隧道位于山西省闻喜县境内，全长1 717m(里程DK 594+ 747～DK 596+464)，自进口至出口为1.45%的上坡，隧道最大埋深126.22m。隧道所属峨眉岭地区，黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大，大部分被黄土覆盖，地表多为耕地及林地。根据设计纵断面图显示，隧道整体围岩均较差(全隧设计围岩等级均为黄土Ⅴ级，最大开挖断面 168.23m3)，且全隧洞身范围内均含有不同程度的砂层。根据设计图纸显示，该段砂层长度为 708m(改DK 594+812～改DK 595+520)，由下至上逐渐覆盖隧道整个开挖断面，该砂的天然含水率在3%～5%之间，颗粒密度在1.8g/cm3～2.0 g/cm3之间，在人工开挖过程中，粉砂呈水流状流出。

上白隧道穿越砂层施工中，超前小导管注浆效果直接影响着施工的安全，包括人身安全、质量安全及上白隧道路面的安全和施工进度，针对这一点，需要我们根据上白隧道的砂层情况，选择好超前小导管注浆的施工控制参数。

超前小导管注浆加固地层技术，是通过沿主洞开挖轮廓线外纵向向前倾斜钻孔安设注浆管，并注入浆液，达到超前加固围岩和止水的目的，同时小导管还可起到超前管棚预支护作用。该技术是软弱、松散围岩施工中采取的辅助技术措施。

依据《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》和其他一些规范资料，我们对设计提出的注浆用的两种浆液(改性水玻璃、水泥—水玻璃双浆液)和小导管的长度进行了对比、分析，通过在掌子面的试验，结论为 4.0m长的小导管注入改性水玻璃浆液，固结效果明显，在开挖中没有坍塌失稳现象，并可以满足设计及安全施工的要求。

2 超前小导管注浆材料的选择

根据《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》，依据隧道所处地层条件合理选择注浆材料:

1)对于无水粗砂及砂砾(卵)石地层应选择单液水泥浆。2)对无水的中砂及粉细砂地层应选择改性水玻璃浆。3)在有水的粗砂及砾石地层，应选择水泥—水玻璃双液浆。4)对于前期及后期强度要求很高的地层，可选择硫铝酸盐水泥类(TGRM，HSC)浆。

对于本隧道地层地质结构(属于无水的中砂及粉细砂地层)选择超前小导管注浆材料为改性水玻璃。

3 超前小导管注浆配合比试验

3.1 试验室改性水玻璃配合比试验

由于各种规范资料中配合比都是在一定限制条件下，而且是一个范围，这就需要我们尽量缩小试验范围。

3.1.1 规范配合比试验

原液:水玻璃:模数2.8～3.3，浓度40 Be′以上;硫酸:浓度98%以上，亦可用废硫酸代替。

按《地铁暗挖隧道注浆施工技术规程》，水玻璃稀释表见表1，将40 Be′的水玻璃原液稀释成15 Be′的水玻璃;98%的浓硫酸稀释成15%的稀硫酸;然后将稀释后的15 Be′水玻璃缓缓倒入稀释后的 15%的稀硫酸中并充分的搅拌，并根据配制改性水玻璃的pH值控制两种浆液的配比。

当改性水玻璃浆液pH值控制在 4～6范围内时，浆液的固结效果为最佳。稀释硫酸∶稀释水玻璃=1∶2.8。

规范配合比折算成体积比为:

水玻璃稀释配比为:水玻璃∶水=1∶1.77;

浓硫酸稀释配比为:浓硫酸∶水=1∶5.5;

改性水玻璃配比为:稀释硫酸∶稀释水玻璃=1∶2.8。

表1 水玻璃稀释表

3.1.2 施工经验配合比试验

水玻璃稀释配比为:水玻璃∶水=1∶3;

浓硫酸稀释配比为:浓硫酸∶水=1∶6;

改性水玻璃配比为:稀释硫酸∶稀释水玻璃=1∶3。

3.2 改性水玻璃配制步骤

3.2.1 水玻璃的稀释

采用边加水边搅拌边用波美计测量的方法进行，亦可用计算方法，先算出加水量，然后加入水搅拌均匀。

其中，d原，d配分别为原水玻璃和预配水玻璃的比重，水玻璃比重与波美度的关系为d=145/(145-Be′);V水，V配，V原分别为加水、原水玻璃和预配水玻璃的体积。

3.2.2 硫酸的稀释

先算出所需浓硫酸量和加水量，然后将浓硫酸缓慢倒入水中，搅拌均匀，严禁将水倒入浓硫酸中。

3.2.3 改性水玻璃配制

在高速搅拌情况下，将水玻璃缓慢倒入稀硫酸中，并用pH计(或试纸)测其pH值。

4 超前小导管注浆参数

4.1 压浆孔布置

沿钢拱架左下侧连接板5 cm处开始向右布眼，眼直径5 cm，眼间距10 cm，下一循环沿钢拱架左下侧连接板10 cm处开始向右布眼，眼直径5 cm，眼间距10 cm，尽量避免相邻两个循环超前小导管在隧道径向重叠。

4.2 注浆顺序

沿隧道轴线由低到高、由下往上、隔孔进行注浆。

4.3 浆液扩散范围

浆液扩散范围与浆液粘度、胶凝时间、注浆的压力、速度、注浆量有关，设计中常用类比参考值选用，浆液注入量可根据扩散半径及岩层裂隙率计算确定。施工中根据注浆效果适当增减。

4.4 浆液胶凝时间

为防止浆液在混合器胶凝，又确保注完浆下一道工序能及时开展，浆液胶凝时间不宜小于30min，见表2。

表2 改性水玻璃胶凝时间表

4.5 压浆结束标准

单根注浆结束标准:注浆过程中，压力逐渐上升，流量逐渐减少，当压力达到注浆终压，注浆量达到设计注浆量的80%以上，可结束该孔注浆;注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，无漏浆现象，亦可结束该孔注浆;本循环注浆结束标准:所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏注现象，即可结束本循环注浆。

5 注浆效果检查

1)注浆结束前，必须对注浆效果进行检查，确认已达到注浆结束标准，方可结束注浆。否则必须进行补孔注浆。效果检查的主要方法为分析法和直观检查法。2)分析法:对注浆记录进行统计分析，检查每孔压力流量是否达到注浆结束标准，有无漏浆、串浆情况，从而反算浆液扩散范围;检查本循环所有注浆孔是否都按规定进行了注浆，有无漏注或无法注浆的情况，判定注浆效果。3)直观检查法:在开挖过程中观察浆液扩散情况，地层是否达到了有效的固结，有无漏水和流砂现象，完善和修改下次循环注浆参数。

6 试验结论

1)经试注，改性水玻璃浆液在砂层渗透性良好，扩散均匀，固结效果明显。但改性水玻璃配制的影响因素很多，其中包括:试验环境的温度、湿度、注浆土体的含碱量、土体的潮湿程度、水玻璃、硫酸的浓度及质量、稀释用水等。所以改性水玻璃的配制，配合比会因为配制地点、配制环境、配制方法的改变而发生变化，改性水玻璃的固结效果也会有明显的变化。

2)在注浆效果检查中发现，在注浆压力0.3 MPa～0.5 MPa时，浆液扩散半径80mm～100mm，浆液配制完成到固结的时间为60min～80min。且两种浆液浓度相对较低时，在试验过程中反应相对缓慢，试验成功率较高，固结效果明显，无漏水和流砂现象。

经过试验确定改性水玻璃配合比为:

水玻璃稀释配比为:水玻璃∶水=1∶3;

浓硫酸稀释配比为:浓硫酸∶水=1∶6;

改性水玻璃配比为:稀释硫酸∶稀释水玻璃 =1∶3.2。

因为影响改性水玻璃的配合比及效果的因素很多，所以在实际操作中要经常调整改性水玻璃的配合比，不能循规蹈矩的只遵循一个死数，这样才能保证注浆效果，保证施工人员的安全。

[1] DBJ 01-96-2004，地铁暗挖隧道注浆施工技术规程[S].

[2] GB 50299-1999，地下铁道工程施工及验收规范[S].

[3] SL 62-94，水下建筑物水泥灌浆施工技术规范[S].