二重管无收缩双液注浆加固技术在隧道工程中的应用

柏颖桢

【摘要】本文结合某隧道工程病害情况，采用二重管无收缩双液注浆加固技术对富水黄土地层进行注浆加固，并对注浆工艺进行了介绍。结果表明：采用的注浆方式适当，围岩注浆体的渗透系数控制合理，隧道施工影响范围内的渗水量控制在补给量以下，达到既能保护生态平衡，又能减少工程造价、缩短工期的目的。

【关键词】隧道；注浆加固；效果评价

1工程背景

1.1工程概况

某左右分离式隧道，左右洞长度分别为1261，1325m，洞体最大埋深115.05m，两洞中轴线最大间距32m，设计速度80km/h。隧道建筑限界净宽10.25m，行车道为2×3.75m，限高5m，采用“新奥法”原理进行施工。隧址区内地层自上而下依次为：第四系上更新统风积物（Q3eol）、第四系中更新统冲洪积物（Q2al+pl）。其中，第四系上更新统风积物（Q3eol）在隧址区地表均有分布，其厚度为6.0～12.7m，土质均匀，结构疏松，大孔隙及虫穴发育，垂直节理较发育，具Ⅲ级自重-Ⅳ级自重湿陷性，为隧道两端洞口的主要围岩；第四系中更新统冲洪积物（Q2al+p1）下伏于第四系上更新统风积物（Q3eol），其厚度为26.3～113.8m，土质均匀，结构较紧密，小孔系发育，垂直节理发育，含有少量钙质结核，呈硬塑状态，为洞身段主要围岩。

1.2隧道病害情况

2013年8月，隧道右洞掌子面施工至K9+847，二衬施工至K9+783。在未施作二衬的初支表面渗水情况严重，具体表现形式为隧道开挖掌子面时，没有明显的滴水状，但在超前支护和立架施工中，掌子面有泌水现象。在初支施作完成3～10d过程中，初支表面上逐渐有明显的渗水。在初支施作完成10d后，渗水覆盖整个初支表面层，局部呈连续线状滴水，并伴有白色结晶体出现。在已施作仰拱的隧道段存在多处裂缝，大部分裂缝位于仰拱中部，走向为沿隧道轴线方向，裂缝最大宽度达1.25cm。二衬边墙部位出现多处裂缝，主要为纵向裂缝，宽度为0.2～3.0mm。

2注浆实施方案

由于此隧道穿越富水黄土地层，部分隧道段不仅在开挖过程中极易发生掉块、塌方，而且在初期支护施工完成后，由于渗漏水量较大，初支背后土体出现“泥化”现象，土体承载力降低，从而引起初支开裂、基底不均匀沉降、仰拱开裂等病害。为确保施工及后期运营安全，决定采用二重管无收缩双液注浆技术进行注浆加固，以提高土体强度，降低土体渗透系数，力争使地下水达到平衡状态。

2.1注浆材料

对于富水黄土地层，注浆材料应具有不易溶解、凝结时间可控、渗透距离可控、注浆体渗透系数可达指定标准等特性。其中重点控制指标为注浆体渗透系数，根据本项目的具体情况，选取典型隧道段100m作为重点研究对象，安全系数k取值2.5，并结合其水文地质条件确定其余各参数，计算得出注浆体渗透系数K=7.55×10-6cm/s。

通过一系列的对比试验，最终采用的A、B注浆材料配比如下：

A液：42.5R水泥（kg）∶水（L）∶缓凝剂（L）=1∶1∶0.2；

B液：水玻璃（L）∶水（L）=1∶1.5。

在注浆过程中，A，B两种浆液按体积比1∶1注入，其中42.5R水泥为超细颗粒，其比表面积可达480m2/kg，在注浆施工过程中可有效提高浆液的渗透效果。浆液的凝结时间应控制在40～50s之间，可有效提高施工进度。

2.2注浆孔布设

为避免施工过程中掌子面出现渗水、掉块、塌方等病害，采用水平注浆法对掌子面前方10m范围内土体进行加固，全部钻孔采用46mm二重管钻孔。在开挖轮廓线内侧0.5m范围内注浆孔呈梅花形双层布设，孔距0.4m，孔深10m，扩散半径0.5～2.0m；在掌子面其他部位，注浆孔呈梅花形布设，孔距1.5m，孔深12m，扩散半径1.0～3.0m，具体情况如图1。

图1水平注浆孔布设

为在隧道开挖轮廓线外形成注浆止水圈，采用辐射注浆孔法进行注浆。辐射注浆孔以开挖轮廓线内侧水平注浆孔为基准，每个水平注浆孔内布设5个辐射注浆孔（n1，n2，…，n5），其基本参数如表1，位置布设情况如图2。

表1輻射注浆孔基本参数

图 2 辐射注浆孔布设

2.3注浆工艺要求

为使注浆体渗透系数能够满足地下水平衡的要求，在注浆施工过程中，应严格控制注浆压力及注浆量。当注浆压力突然变化或浆液从钻孔、地表溢出时应立即停止施工，查明原因，及时调整注浆参数。二重管无收缩双液注浆的具体精度要求如表2。

表2二重管无收缩双液注浆精度要求

3注浆效果评价

3.1水平注浆效果

对于利用水平注浆孔加固后的土体，在下一循环的掌子面开挖过程中即可揭露出来，通过现场观察便可初步判断其注浆效果，具体现场观察照片如图3。

图3水平注浆现场观察

从图3中可以看出，通过水平注浆后，隧道开挖范围内的掌子面土体含有大量浆脉，其分布层理清晰。在施工过程中，掌子面土体未出现泌水现象，土体稳定性较好，未发生掉块、塌方等病害，且土体强度较注浆前有大幅提升。由此可初步判断，采用二重管无收缩双液注浆法在水平注浆方面取得了良好的效果。

3.2辐射注浆效果

对于利用辐射孔进行注浆的效果评价，主要在于测定其注浆止水圈的渗透系数，判断其是否满足地下水平衡理念的要求。首先利用环刀（内径61.8mm，高40.0mm）对注浆体进行取样，其次利用变水头渗透试验对试样的渗透系数进行测定。每个试样应进行多次测定，在所测结果中取3～4个允许差值（F≤2×10-n）符合规定的测值，再求平均值，作为该试样的最终渗透系数。笔者选取两个典型断面进行渗透系数测定，对每个断面的拱顶、左侧墙、右侧墙、基底位置分别取样，断面1的取样点编号依次为1-1，1-2，1-3，1-4，断面2的取样点编号依次为2-1，2-2，2-3，2-4。各取样点注浆前后的渗透系数的具体情况如图4。

图4试样渗透系数对比曲线

由图4可以看出，注浆后土体的渗透系数较注浆前土体渗透系数有较大幅度的下降，其中断面1的土体渗透系数由0.91×10-2～1.53×10-2cm/s降为3.54×10-6～1.56×10-5cm/s；断面2的土体渗透系数由0.87×10-2～2.30×10-2cm/s降为5.57×10-6～1.14×10-5cm/s。可见，利用二重管无收缩双液注浆加固技术进行辐射注浆极大的降低了富水黄土隧道土体的渗透性，注浆处理后的土体形成了止水圈。

结合实际情况，选取安全系数为2.5，同时结合水文地质条件确定其余参数，计算出地下水平衡条件要求的注浆体渗透系数为7.55×10-6cm/s；而根据变水头渗透试验结果可知，断面1、断面2的土体经过注浆后其渗透系数为3.54×10-6～1.56×10-5，5.57×10-6～1.14×10-5cm/s。由此可见，本项目利用二重管无收缩双液注浆技术进行加固处理后，其土体实际渗透系数与理论计算要求的渗透系数基本吻合，满足地下水平衡的要求。

3.3对比分析

目前，国内普遍采用超前帷幕注浆进行富水隧道的堵水、加固处理。超前帷幕注浆法多采用在修建止浆墙的情况下，利用钻机进行钻孔，用普通水泥浆进行分段式注浆。超前帷幕注浆法在防止突泥、涌水方面效果较好，然而，由于超前帷幕注浆法具有作业半径较小、钻孔灵活性差、功效低、耗时长等缺点，一直是隧道施工技术发展的瓶颈；而且超前帷幕注浆法一般适用于含水砂层、破碎带等不良富水复杂地质带，其在富水黄土隧道中应用效果并不理想。因此，采用二重管无收缩双液注浆技术（WSS工法）进行加固处理。WSS工法是近年来隧道施工中较为先进的一种注浆方法，其采用二重管、双浆液进行后退式注浆，可实现瞬结性一次喷射和浸透性二次喷射，并通过调节两次喷射的复合比率可有效控制注浆体渗透系数，同时采用特殊的端点监控器，使得注浆操作控制性较好。尤其在富水黄土隧道中，WSS工法可有效改良原土体的物理性质，降低其渗透系数，实现地下水平衡，且其系统设备简单、可操作性强，具有较好的可靠性、经济性。

4结论

1）采用二重管无收缩雙液注浆加固技术进行水平注浆后，掌子面土体含有大量浆脉，其分布层理清晰。在施工过程中，掌子面土体未出现泌水现象，土体稳定性较好，未发生掉块、塌方等病害，且土体强度较注浆前有大幅提升。由此可初步判断，采用二重管无收缩双液注浆法在水平注浆方面取得了良好的效果。

2）采用二重管无收缩双液注浆加固技术进行辐射注浆后，富水黄土隧道土体的渗透性有较大幅度降低，注浆处理后的土体形成了止水圈，其渗透系数满足地下水平衡的要求。

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