页岩隧道高压注浆施工技术

冯振乾

（中铁十八局集团有限公司 天津 300222）

随着我国高铁技术的不断发展，隧道施工工艺标准要求越来越高，隧道施工安全显得尤为重要[1]。在修建长大隧道过程中会遇到不同程度的软弱破碎围岩，注浆工艺作为一种较常用的处理隧道软弱围岩加固的一种方法，得到大量应用[2]。针对隧道围岩为软弱、破碎、含水碳质页岩特性，为避免施工过程中出现掉块、坍塌等失稳现象[3]，需提前对掌子面软弱围岩地段进行小导管高压注浆进行预加固，保证隧道施工安全[4]。

1 围岩情况

隧道开挖后揭示的围岩呈黑色、灰黑色，中间夹杂石英；从现场检查和试验情况来看，锤击声哑，锤击无回弹，有凹痕，易击碎，浸水后手可掰开，单轴饱和抗压强度为6.2Mpa，属于软岩；节理裂隙发育，结构面大于3 组，多以风化型裂隙为主，裂隙宽度已张开型为主，局部有填充物，围岩完整程度为破碎，稳定性较差；开挖后围岩经常渗水，渗水量达到50～150L/(min·10m)，局部易发生小范围滑塌现象[5]，经现场踏勘围岩级别由原设计Ⅳ级围岩调整为Ⅴ级围岩，加强支护[6]。

2 注浆施工技术

2.1 注浆方法

针对隧道围岩属于软弱围岩的特性，为确保施工作业安全，现场采取超前高压注浆加固岩体的措施，保证隧道施工平稳推进，依据不同的围岩特性，选定四种加固方案[8]，如下所示：

⑴软弱围岩自稳能力差且无水地段，采取拱部双层超前小导管高压注浆预加固；

⑵围岩破碎且有水地段，采用深孔引排水+拱部双层小导管高压注浆；

⑶围岩破碎且掌子面自稳能力差的地段，采取拱部和掌子面同时高压注浆；

⑷初期支护完成后，根椐渗水情况进行局部或者全断面径向注浆堵水[9]。

同时，针对软弱围岩地段，除采用高压注浆加固围岩外，还对初支钢架增加锁脚锚管数量、增大钢架连接板面积等措施来保证初支稳定，确保有效降低初期支护变形速率及后续净空满足要求，保证施工安全。

2.2 注浆设备选型及参数

为确保超前预加固浆液扩散范围，确保破碎带、松散、含水地段岩层加固效果，现场选用3SNS-A柱塞式高压注浆泵。该泵最大特点是注浆压力能达到10Mpa，属于往复式单作用三柱塞泵，而且流量和压力可以根椐现场需要进行调节，能满足现场超前预加固注浆需要，如图4 所示。

2.3 注浆材料选取

结合前期注浆施工的经验，根据不同的地质条件，每次注浆前都要进行工艺性试验，注浆材料选用水泥净浆，注浆参数如下：

⑴水灰比0.8～1.0；

⑵注浆压力2.5～3.5MPa，瞬时压力最大4.0MPa，持压时间8～10min。

2.4 注浆工艺及参数控制

2.4.1 工艺流程

超前小导管工艺流程如下图所示。

图1 超前小导管高压注浆工艺流程图

2.4.2 注浆准备

⑴小导管加工

超前小导管在钢构厂统一加工，注浆管用Φ42 的小导管，长度4.0m，周边钻注浆孔，孔径6～8mm梅花型布置，间距30cm，孔口处留0.8～1.0m 不开孔，作为注浆孔口段。

⑵导向拱架加工

小导管环向间距是通过在拱架中心位置开孔来控制的，间距30cm，直径φ60mm。

⑶止浆阀及快速接头加工

止浆阀采用普通球阀，注浆接头采用无缝钢管车丝加工，一端与导管焊接，一端与注浆管快速接头匹配。

图2 止浆阀及快速接头

图3 L 型高压风管

图4 小导管安装（与钢拱架焊接）

⑷ 3SNS-A 柱塞式高压注浆泵介绍

采用3SNS-A 往复式单作用三柱塞泵，功率18.5kw，注浆压力最大10MPa，流量和压力可调，操作方便，外观设计紧凑，体积小，重量轻，满足洞内施工频繁的移动。

2.4.3 钻孔

紧贴掌子面安装1 榀腹板上开孔的导向拱架，人工手持凿岩机穿过拱架导向孔，根据需要加固的范围以5～10°的外插角钻孔，第二排小导管在两榀拱架之间以外插角度45°进行钻孔，环向间距2m；直径均为φ45mm，钻孔深度大于导管长度20cm。

含水、软弱、松散或易溜坍地段除了拱部注浆外，还在掌子面进行注浆加固和径向注浆。掌子面局部按1.0×1.0m 梅花型布孔，径向局部注浆按1.5×1.5m 梅花型布孔。采用手持风动凿岩机或者锚杆专用钻机钻孔，孔径φ48mm，孔深大于小导管长度20cm。

2.4.4 清孔

管钻孔完成后，采用L 形高压风管清孔。

2.4.5 小导管安装

清孔后立即安装导管，避免塌孔。采用凿岩机顶进方式推送小导管，推送到位后安装止浆阀，小导管与孔壁间用锚固剂封堵，同时将小导管沿拱架开孔周围焊接一起。

2.4.6 止浆阀安装

导管推送完成将止浆阀一端与小导管焊接，最后用6号铁丝将止浆阀与钢拱架捆绑在一起，防止注浆过程中导管冲出伤人。

2.4.7 止浆墙施工

掌子面喷不小于20cm 厚的混凝土，同时对小导管周围，拱架与掌子面之间进行重点喷混凝土封堵（露出止浆阀即可），喷混凝土之前采用土工布将止浆阀和快速接头包裹。

2.4.8 注浆单元设置

注浆单元配置强制式水泥浆搅拌机，3SNS-A 柱塞式高压注浆泵、止浆阀、储料桶、流量计（配套带打印功能的记录仪）、回浆桶、混凝土运输车、高压注浆管（耐压20MPa），注浆管路连接见下图。

2.4.9 注浆施工

⑴注浆管路连接后进行压水试验，检查管路是否畅通，其次对路进行湿润[10]；

⑵刚开始注浆时低压送浆，逐步提高注浆压力；

⑶隔孔注浆，由下往上交错进行；

⑷注浆开始后，首先关闭回浆阀门，将注浆泵调至低速挡，待压力上升至2.0MPa 左右时，调节压力缓慢升至3.5MPa 左右继续注浆，单孔注浆压力稳定在8min 以上，可结束该孔注浆；

⑸在关闭小导管的止浆球阀的同时，松开注浆机离合器，使注浆机空载运行；

⑹转移至下一注浆管，重复上述步骤，直至注浆全部完成。

图5 注浆单元设置

2.5 注浆结束标准

⑴单孔注浆结束标准

单孔注浆以定压为主。根据地层围岩情况压力注浆终压定为2.5～3.5Mpa 时稳压8min 以上可结束该孔。

⑵全段结束标准

①所有注浆孔均达到注浆结束标准，无漏孔；

②依据注浆量分布，取薄弱环节布置检查孔，钻孔检查注浆效果。

2.6 注浆量统计分析

按施工图单孔每米注浆量在0.034m3，采取高压注浆措施后，通过隧道横洞工区和作业面对75 个循环的180 米注浆总用量分析，单孔每米的注浆量平均在0.144m3。

2.7 注浆标准及判断方式

⑴拱部和掌子面采用超前小导管注浆加固的地段，加固深度距掌子面不小于2m，采用探孔或短进尺开挖验证[11]。

⑵拱部采用双层小导管超前高压注浆预加固地段，加固半径不小于0.5m，加固深度不小于2m。

探孔、短进尺开挖或取芯验证。

⑶探孔：拱架下方30～50cm 范围内探孔判断，探孔环向间距布2.0m，孔深3.5m，根据钻进速度和是否存在塌孔现象，初步判断注浆效果[12]。

⑷短进尺开挖，直观揭示注浆效果。

⑸拱架下方30～50cm 范围内取芯。

2.8 注浆功效对比分析

通过对含水、软弱、破碎地段以及初支完成后渗水地段局部范围采取高压注浆措施，保证了施工安全的同时，增加了围岩整体性和稳定性，从而减小了超挖、减少开挖时间、减少喷混凝土用量和喷混凝土作业节约时间，加快整体施工进度，截止目前现场Ⅴ级围岩开挖进度由注浆前45m/月提高到50～60m/月，且渗水量明显减少，为后续不断提升功效创造了条件。

表1 注浆前后功效对比

高压注浆后围岩收敛沉降也处于可控状态且变形数值变小。

如下图，1 月21 日进行了高压浆浆，距注浆面最近的一组拱顶沉降回归分析显示，通过注浆围岩沉降明显趋于稳定。

图6 临近掌子面拱顶沉降回归分析图

由于隧道设计基本为Ⅳ、Ⅴ级衬砌类型，通过不断提升软弱破碎围岩地段施工功效，可有力保障总工期目标的实现。

3 结语

通过高压注浆，隧道横洞实现安全挑顶，横洞洞身及正洞两侧软弱围岩实现安全掘进；隧道含水段碳质页岩地段得以顺利施工。经现场试验证明，在长大铁路隧道软弱、破碎含水地段进行高压注浆，对围岩加固效果良好，可以充分固结围岩，消除安全隐患，且加快了施工进度。在接下来的软弱围岩施工过程中，根据现场揭示地层特性，对注浆孔的布置情况、注浆压力、浆液配比等参数进行调整，针对不同地质条件下的高压注浆工艺，总结出一套的高压注浆参数、设备配备、人员配置和科学合理的现场施工组织，并形成工法，为长大隧道软弱围岩施工提供安全保障。