大跨浅埋隧道洞口钢花管注浆加固技术研究

付 尧

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北 涿州 072750）

0 引言

对于隧道洞口的施工技术，尤其是大跨、浅埋、弱围岩、小净距、局部偏压的隧道洞口加固技术已成为近年来的研究热点，对于施工技术方面的研究已见成效。黄新社［1-2］等开展了隧道特点为软岩大跨小间距的双洞隧道洞口施工技术研究，主要针对浅埋段开挖技术进行研究；高怀鹏，谢飞［3-4］等研究了浅埋偏压大跨隧道洞口施工时，长管棚预注浆超前支护技术的应用，并对超前支护技术在通过弱围岩时的作用进行了总结；王建博［5］、田洪松［6］探讨了在浅埋偏压大跨隧道洞口施工时，采用长管棚预注浆超前支护技术的工程应用；李继光［7］开展了弱围岩大断面隧道自进式管棚支护技术，具有显著的支护效果；符银昌［8］等分析了土公岭软岩隧道洞口段变形的特点，对其变形破坏机理进行研究，并提出针对大变形隧道段的防治措施；张维［9］对浅埋偏压软岩隧道洞口段的失稳变形因素开展了研究，并针对此种变形提出了施工对策；李俊昌［10］对公路隧道洞口施工的难点进行了分析，并探讨了施工的准备工作和施工中采用的技术要点；王丹微［11］等对高速公路隧道进行了监测，并对监测数据进行了分析；马昆泉［12］等针对基坑开挖对既有隧道的影响，开展了数值模拟，研究结果显示，影响均在可接受范围内。综上所述，目前对钢花管注浆技术的研究较少。本文研究大跨浅埋隧道洞口钢花管注浆加固技术，提出一种胶囊式止浆塞的新型止浆方法，为具有浅埋、小净距、大跨径、弱围岩、局部偏压等特点的隧道洞口施工提供技术参考。

1 工程概况

本文以深汕西高速改扩建TJ7标项目为依托工程开展研究。深汕隧道为双洞八车道隧道，隧道采用暗挖山岭隧道+明挖下沉式隧道。单洞四车道隧道建筑限界净宽19.25m；隧道建筑限界净高5.0m。深汕隧道进口ZK56+400左右洞中夹岩厚度39.44m，设计属于小净距隧道；出口YK56+950左右洞中夹岩厚度12.9m，设计属于较小净距隧道。左、右洞暗挖段小净距隧道分布如表1所示。深汕隧道剖面图如图1所示。深汕隧道的主要特点有浅埋、小净距、大跨径、围岩破碎。

图1 深汕隧道剖面图

表1 左、右洞暗挖段小净距隧道分布

2 地质构造

隧道穿过丘陵山区及山区平原地貌区，地面标高4.7m～102.9m，相对高差约97.6m，山体植被发育，地形陡峻。

F5断层与线路近似垂直相交于K56+450～K56+650深汕隧道汕尾端入口，隧道出口K56+950距离此断层300m。断层位置如图2所示。

F6断层与线路近似垂直相交于ZK57+150～ZK57+200低丘沟谷中，断裂带延伸范围约300～400m，隧道出口K56+950距离此断层250m。断层位置如图2所示。

图2 断层位置

根据钻探成果显示，暗挖段隧道进出口及浅埋段，主要由全～强风花砂岩组成，岩石节理裂隙发育，岩体极易破碎，强度低，遇水易软化，围岩级别低，应及时加强支护，预防坍塌冒顶问题。深汕隧道所处地形为丘陵和平原区，所处位置具有较强发育的地表水，主要是由于降雨汇集而成，呈季节性出现。

3 钢花管注浆加固技术

3.1 土方回填

首先进行清表工作，然后进行土方回填，回填到设计高程面，顶面碾压平整后，施工5cm厚M20砂浆防水层，排水引入截水沟，地表注浆完成后再填筑50cm黏土隔水层、50cm种植土层。填土施工工序如图3所示。

图3 填土施工工序

根据设计图纸，填方边坡坡比为1：1.5，填方要求分层压实，压实度不小于90%。土的最优含水量和最大干密度如表2所示。填方每层铺土厚度和压实遍数如表3所示。回填土方顶面处理如表4所示。

表2 最优含水量和最大干密度

表3 填方每层铺土厚度和压实遍数

表4 回填土方顶面处理

3.2 钻孔

采用A100mm潜孔钻机按要求进行钻孔，孔间距离为2m，呈梅花形布置。

3.3 钢花管设计

钢花管采用A89×5mm钢管制作，长度根据每个孔地表至隧底下2m确定加工，管节之间采用内套管焊接，除钢花管尾部0.5m不钻注浆眼外，将钢花管（除管尾）沿钢管轴线等间距15cm，沿钢管径向等角度旋转120°钻注浆眼（8mm），沿钢管四周螺旋状布置注浆眼。用弹力良好的橡胶带包裹钢花管，起到单向注浆的作用。制作前要对钢管进行除锈，钢花管前端加工成锥形，缝隙焊牢。钢花管呈梅花型布置，横纵向间距均为2.0m，注浆孔长度由地表至隧底下2m。钢花管注浆施工工艺如图4所示。钢花管设计如图5所示。

图4 注浆施工工序

图5 钢花管设计图

3.4 钢花管注浆

3.4.1 胶囊式止浆塞使用方法

（1）首先连接管路，安装丝扣并接通水压泵，检查有无泄漏情况；（2）灌浆，水压泵注水压力超过灌浆压力的2/3即可灌浆；（3）灌浆过程中，注意压力表压力值，保证压力稳定；（4）需长时间灌浆时，如有窜浆、绕塞、返浆现象，应及时放掉压力，并上下松动充气塞，保证其顺利取出；（5）灌浆完成时，保证安全工序，应遵循先放灌浆压力，再放充气压力的原则；（6）灌浆结束后，将灌浆塞置入一端密闭的钢管内并使气压达到0.5MPa，然后进行循环冲洗；（7）灌浆塞取出后，将水管分别与进浆管、回浆管连接冲洗；（8）多孔同时灌浆时，严格按照管路平行排开原则；（9）灌浆塞长时间使用后，应清洗其下端并上黄油；（10）钻孔发现有较长裂隙或较破碎时，可用高压气冲排，以预防卡塞。

3.4.2 注浆技术要求

（1）范围：YK56+950～YK56+940段，YK56+912～YK56+902段左右洞范围均采用地表注浆加固，横向加固范围为左右洞隧道开挖轮廓线外8m范围以内，左右洞中夹岩部分亦进行注浆加固；YK56+940～YK56+912段，YK56+902～YK56+896段右洞范围进行地表注浆，左洞范围不注浆，右洞注浆范围为开挖轮廓线外左侧7.35m，右侧8.0m范围以内（小桩号至大桩号方向）。

（2）钢花管：钢花管采用A89×5mm的钢管制作，呈梅花型布置，横纵向间距均为2.0m，注浆孔长度由地表至隧底下2m。

（3）注浆：注浆的初始压力在0.5MPa至1.0MPa之间，并且按照从小到大逐渐增加；成孔时，应根据先外后内的原则，进行跳跃隔孔分段注浆，从上至下每0.5m为一段，分段注浆；注浆压力应达到2MPa的终压，并且持续时长为10min。

3.4.3 第一次常规注浆

钢花管入孔安装后，为保证浆液充满钻孔与钢花管之间的空隙，胶囊式止浆塞放入钢花管距孔底50cm处加压止浆后，开始第一次注浆，浆液通过压力胀开钢花管外包裹的橡胶带从孔底自下而上反向压浆，直到孔口有净水泥浆溢出，在注浆过程中应观察孔口泥浆的颜色，在浆液达到正常水泥浆液颜色时，停止注浆并取出胶囊式止浆塞。

第一次常规注浆的注浆压力应在0.3MPa至0.5MPa之间，配制纯水泥浆所用的材料为P.O42.5水泥，水灰比为0.45，可掺入2%的早强高效减水剂（FDNB-7）以提高水泥浆液性能。

3.4.4 第二次劈裂注浆

第二次劈裂注浆与第一次注浆间隔12小时（水泥浆液达到封闭管壁缝隙强度，防止二次注浆液上窜）。制备水泥浆所用材料为P.O42.5的硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1:1，水泥用量的2%计为缓凝剂掺量。

第二次劈裂注浆的初始压力在0.5MPa至1.0MPa之间，并且按照从小到大逐渐增加；成孔时，应根据先外后内的原则，进行跳跃隔孔分段注浆，从上至下每1.0m为一段，分段注浆；注浆压力应达到2MPa的终压，并且持续时长为10min。

自下而上分段注浆，止浆塞使用严格按照《胶囊式止浆塞使用方法》操作，确保注浆质量和安全。

3.4.5 注浆效果检查

注浆分片分区进行，并记录注浆压力和注浆数量，来初步判定每个区域的注浆效果。

采用钻孔法核实注浆效果不理想的区域，注浆效果的判定指标主要为渣样和钻孔速度，判定不达标的区域，应对其增设注浆孔注浆。

对一次常规注浆和劈裂注浆过程中的初始压力和终止压力进行记录，见图6。由图6可以看出，一次注浆和劈裂注浆的初压值和终压值均满足规范要求。

图6 注浆压力值

4 注浆质量控制

钢花管成孔采用潜孔钻风动成孔，孔径要求为A130mm，浆液有效扩散半径不小于1.2m，注浆量原则上按200kg/m控制。在空洞和裂缝处应注满为止，超注浆量应现场计量。注浆质量控制标准见表5。

表5 注浆质量检查及控制标准

（1）注浆时的压力由小到大逐渐增加，达到设计压力时，即终压，需持续10min以上的注浆；（2）注浆量与设计注浆量应大致接近，注浆结束时，注浆量一般控制在20～30L/min以下。

5 效果评价

为保证施工安全，对钢花管注浆加固技术进行全面评价，对其成孔进行验收检查，成孔验收：（1）孔位允许偏差≤5cm；（2）倾角±0.5°～1.0°；（3）孔深≥锚管长度44+0.5m；（4）孔径不小于设计孔径。均满足工程规范要求。

6 结语

综上所述，钢花管注浆加固技术在依托工程深汕隧道的进洞施工中呈现出显著的加固效果，提升了隧道进洞的施工速度，工期明显缩短，取得了显著的社会效益和经济效益。因此，钢花管注浆加固技术可应用于同类型大跨弱围岩浅埋净距小的隧道洞口施工。