深孔高压注浆法在大西客运专线上白隧道穿越砂层中的应用

蒲正林

(中铁十二局集团有限公司大西铁路客运专线工程指挥部，山西临汾 041000)

1 概述

大西客运专线上白隧道位于山西省闻喜县境内，全长1 717 m(里程DK594+747～DK596+464)，自进口至出口为1.45%的上坡，隧道最大埋深126.22 m。隧道为黄土台塬地貌，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161.23 m3)，开挖过程中有大面积的砂层滑落，导致隧道初期支护无法正常施工。经研究决定采用深孔高压注浆，这一方法能使砂层围岩的自稳能力加强，在开挖过程中砂层不会滑落，保证现场正常施工，给下一道工序争取了充足的时间。现场实践证明，深孔高压注浆方法能使砂层隧道正常施工，并且施工工艺简单，易于操作，材料价格适宜。采用这一方法，取得了良好的经济效益和社会效益。

2 施工工艺流程及方法

2.1 施工工艺流程(图1)

图1 施工工艺流程

2.2 注浆装置(图2)

注浆原理将中心注浆管插入套管内，再将套管和中心注浆管一起插入打入土体的注浆管;拧紧套管后端螺丝，使受压后的橡胶棒膨胀做止浆塞，橡胶棒膨胀后与注浆管摩擦有足够的压力后开始注浆。注完一段后，松开套管后端螺丝，使套管和中心注浆管在注浆管内后退一定距离，再拧紧套管后端螺丝，继续注浆。

图2 注浆装置

2.3 施工工艺(图3)

图3 注浆施工工艺

3 注浆浆液的选择

3.1 注浆浆液

单液浆一般采用水泥浆液，水泥与水的质量比为1∶1。这种浆液在本隧道中主要用于初期支护施工完毕后在初期支护背后回填注浆，填满背后的空洞，双液浆注浆一般采用水泥水玻璃。在注水泥水玻璃时既要达到一定的扩散半径，又不能使浆液的扩散半径过大造成浪费，根据施工的注浆经验一般采用35Be'的水玻璃。但实际施工中发现，此种注浆配比水泥的胶凝速度过快(十几秒)，达不到一定的扩散半径就凝固了，而且注浆泵稍一停就发生了堵管现象，说明这种配比不适合此工程地质情况，因此要对注浆参数进行试验，选择合适的水玻璃浓度配比。试验结果见表1。

表1 水泥水玻璃配比试验数据

根据试验数据，得出水泥与水玻璃的浆液初凝速度相差不大，终凝速度相差很大的结论，所以起到关键作用的是浆液的终凝时间，在本隧道中，为了有效地加强围岩的自稳能力，并且使浆液的扩散半径保持在0.5～1 m范围以内，现场采用波美度为10 Be'的水玻璃，水泥与水玻璃的体积比为1∶1的浆液。

3.2 注浆材料

对材料要求可灌性好，易于注入;稳定性好，不产生离析和沉淀，能在要求的时间内凝固或凝结，固结后有较高的强度等级和抗渗性;具有一定的强度，结石体抗渗性好;材料来源丰富，便于运输与储存;在常温、常压下较长时间存放不改变其基本性质，存放不受温度、湿度变化的影响;价格适宜;无毒、无臭，不污染环境，对人体无害;浆液对注浆设备、管路、混凝土结构物及橡胶制品等无腐蚀性，并容易清洗。浆液配制方便，工艺及设备简单、操作容易简便。

4 注浆参数的控制

4.1 注浆装置的制作要求

注浆管采用φ42 mm无缝钢管制作。先把钢管截成5 m长，在钢管的一端做成30 cm长的圆锥状。距注浆管后端100 cm不开孔，剩余部分每隔20 cm梅花型布设φ5 mm～φ10 mm的溢浆孔。中心注浆管采用φ20 mm的无缝钢管，长度为5.2 m。前端制作螺丝扣(螺丝扣长度20 cm)用来固定橡胶棒和橡胶压盘不脱落。后端制作螺丝扣(长度40 cm)用来转动固定手柄和活动手柄产生压力使橡胶棒压缩膨胀。套管选用φ30 mm的无缝钢管，其长度为500 cm。橡胶棒和压盘的直径与套管一样大。

4.2 注浆管的安设

应采用引孔顶入法，其安设步骤为:

(1)用带冲击锤的风钻将小导管顶入;

(2)用吹风管将管内砂石吹出或用掏勾将砂石掏出;

(3)注浆管周围缝隙用锚固剂封堵，为防止注浆过程中工作面漏浆，必须对工作面进行喷混凝土封闭后再安设注浆管。喷射厚度50 mm。

4.3 注浆管布置

隧道每循环钢支撑间距为60 cm，每开挖2个循环注浆1次，管长为5 m，环向间距100 cm，施作范围拱部180°范围，外插角尽量控制在14°～20°，以保证注浆管的有效长度。存在漏点时按50～100 cm进行加密布孔，并根据需要适当钻排气、排水、排泥浆的辅助孔。

4.4 注浆孔的设置

沿钢拱架左下侧连接板50 cm处开始向右布孔，孔直径5 cm，孔间距100 cm，下一循环沿钢拱架左下侧连接板100 cm处开始向右布孔，孔直径5 cm，孔间距100 cm，尽量避免相邻2个循环注浆管在隧道径向重叠。将注浆管打入设定的深度后，用高压风或清水清除注浆管内的杂物。

4.5 注浆顺序

沿隧道轴线由低到高、由下往上、隔孔进行注浆。

4.6 浆液扩散范围

浆液扩散半径50 cm。浆液扩散范围与浆液粘度、凝胶时间、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。浆液注入量按下式计算

式中R——浆液扩散半径，m，取0.5 m;

L——注浆管长，取4 m;

n——地层孔隙率;

α——地层填充系数，一般取0.8;

β——浆液消耗系数，一般取1.1～1.2。

4.7 压浆结束标准

开始注浆压力一般小于0.5 MPa，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 注浆设备

(1)注浆应配备与工艺相适应的成孔设备、注浆设备、搅拌设备和其他设备，不可临时拼凑，以保证注浆质量。

(2)成孔设备可根据地质情况选用成孔深度4 m以上的风钻、高压(0.6 MPa)吹管。

(3)根据注浆工艺，应配有单液注浆泵，其注浆压力应不小于5 MPa，排浆量应大于50 L/min，并可连续注浆。

(4)搅拌水泥浆的设备应选用低速机械式搅拌机，其搅拌有效容积不小于400 L。

(5)注浆时，应根据需要配有混合器、抗振压力表、高压胶管、高压球阀、水箱及储浆桶等辅助设备。

(6)注浆时，还应配备必要的检验测试设备，如:秒表、pH计、波美计等。

(7)所有计量仪器、仪表均应有产品合格证及检定单位检定合格证。

6 质量控制和预防措施

(1)注浆开始前，应根据单液浆注浆方式正确连接管路。

(2)注浆开始前，应进行压水或压稀浆试验，检验管路的密封性和地层的吸浆情况，压水试验的压力不小于设计终压，时间不小于5 min。

(3)注浆时，要经常观测注浆压力和流量的变化，发现异常情况及时处理。注浆过程中，如压力逐渐上升，流量逐渐减少属于正常现象;如压力长时间不上升(注浆5 min)流量不减，可能是跑浆或漏浆;如压力急剧上升，流量急剧减少，在排除地层因素外，可能是管路阻塞。

(4)注浆过程中，要经常观察工作面及管口情况，发现漏浆和串浆，要及时进行封堵。

(5)注浆过程中要做好注浆记录，每隔5 min详细记录压力，流量，凝胶时间等，并记录注浆过程中的情况。

(6)为防止串浆情况发生，注浆时应采取隔孔注浆的顺序进行。

7 注浆效果检查

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。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。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。

8 隧道注浆加固效果

隧道砂性围岩注浆加固以后，砂层不在有大面积的滑落，能够满足开挖的条件。只要有浆液渗入到的砂层，都能够使砂层的流动性发生质的改变。开挖后有充足的时间完成下一步施工工序。如果浆液扩散不是很均匀，尤其隧道拱顶上部，由于拱部砂层压力比较大，流沙问题还是存在，有局部地方仍然有砂层在流动，只局限于小部分的砂层，给施工不会带来影响。鉴于拱顶的流沙，现场采用外插角20°～25°的大角度注浆，加强注浆管的密度来解决这个问题，也取得很好的效果。

9 结语

针对隧道洞身范围内都有不同程度的砂层，采用深孔高压注浆对砂层进行注浆，加强砂层的自稳能力，从而使砂层在开挖过程中不流动，给下一道施工工序提供了充足的施工时间，降低了开挖风险，确保了安全，提高了施工速度，在施工过程中都起到了积极的作用。

[1]叶书麟.地基处理工程实例应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[2]《现代灌浆技术译文集》编译组编.现代灌浆技术译文集[M].北京:水利电力出版社，1991.

[3]铁道第二勘察设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[M].修订版.北京:中国铁道出版社，1999.

[4]叶林标，张玉玲，蒙炳权，等.建筑工程防水施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1990.

[5]王 杰.岩土注浆理论与工程实例[M].北京:科学出版社，2001.

[6]王 杰，杜嘉鸿，陈守庸.注浆技术的发展与展望[J].沈阳建筑工程学院学报，1997(1).

[7]龚晓南.地基处理技术发展与展望[M].北京:中国水利水电出版社，2004.

[8]程 骁，张凤祥.土建注浆施工与效果检测[M].上海:同济大学出版社，1998.

[9]龚晓南.高等土力学[M].杭州:浙江大学出版社，2003.

[10]叶书麟 韩杰 叶观宝.地基处理与托换技术[M].北京:中国建筑工业出版社.2000.

[11]彭振斌.注浆工程设计计算与施工[M].武汉:中国地质大学出版社，1997.