注浆技术在浅埋暗挖法穿堤处理地面塌陷中的应用

李志红

(北京清河水利建设集团有限公司，北京 100192)

1 工程概况

南水北调中线向永定河生态补水工程，通过新建大宁水库中堤穿堤管涵，使大宁水库与永定河相连，建成连通管路，实现了从大宁调压池退水涵取水，对永定河进行生态补水的功能。

穿堤管涵长160m，采用浅埋暗挖内衬钢管方案。一衬开挖洞直径为4.3m，在洞顶180°范围内采用超前小导管注浆对土体进行预加固，小导管长度为1.7m。短台阶开挖，钢格栅支护，每榀钢格栅间距为0.5m。采用喷射0.3m厚C25混凝土完成初期支护，成洞后洞径为3.7m。一衬施工完成后内衬DN3000钢管，管道与一衬之间填充自密实混凝土。

2 堤顶沉陷情况

在穿堤管涵施工进尺62.4m时，开挖拱顶部位遇混凝土连锁板，厚约0.15m，外包无纺布(见图1)。

图1 洞内连锁版

当采用手持风镐破除连锁板时，上部有流砂涌出(见图2)。施工人员立即以洞内注浆的方式在连锁板后方注水泥浆对地层进行加固，防止流砂进一步发展。灌浆固结后继续暗挖施工，一天后，发现堤顶沉陷(见图3)，立即停工，封闭掌子面。经现场测量，堤顶沉陷坑洞深约5.5m，直径约2.5m，该处洞顶覆土厚度约为13.6m(见图4)。

图2 洞内流砂

图4 地面塌陷坑洞位置

3 堤顶沉陷原因分析

经查阅大宁水库中堤资料，该段大宁水库中堤经过多次加高培厚。筑堤材料为当地砂料。根据地勘资料，中堤堤防砂砾料填土厚度10m左右，其中上部5～6m为碎石填土，下部为细砂填土。暗挖施工时发现的混凝土连锁板，初步判断为上世纪90年代永定河中堤永定河侧护砌。

结合暗挖施工过程资料，判断洞顶掌子面流砂发生的主要原因有两个：一是土体自稳条件差，洞顶主要为细砂及回填砂砾料，土体沉积时间短，黏聚力低，遇有扰动易形成流砂；二是土体中夹杂的混凝土连锁板影响一衬超前注浆小导管注浆效果，使土体超前加固难以达到理想状态。在拆除拱顶上部连锁板时细砂流出，并引起地面沉陷。

4 修复设计

残留在堤身内的连锁板护砌原坡比为1∶3，在其为护坡时结构优势是能够进行相互锁扣，提高护坡整体性。在其作为暗挖障碍物时，最不利点就是与其交汇的暗挖涵洞顶部，也就是本次出现地面沉陷断面(见图4)。作为护坡时的优点已变为致命的弱点，一旦承托面局部破坏，其上结构会整体失稳。为保障暗挖隧洞施工及堤防安全，堤顶沉陷区采用砂砾料回填及地面注浆方案，对连锁板背后洞顶细砂层进行加固。当跨过洞顶后，其他与洞身相交的连锁板仅作为一般障碍物用风镐拆除。

地面注浆材料选用水泥水玻璃双液浆。注浆料钻孔直径为50mm，钻孔距1.0m，按梅花形排列，注浆压力通过现场试验结果确认。注浆范围横向为洞身两侧各2m宽，总宽8.3m。纵向长度沿洞轴线方向以掌子面为界向已开挖面方向2m，向未开挖面方向5m，并根据洞内实际开挖情况调整加固长度。为避免破除注浆材料对开挖的二次扰动，注浆底高程至开挖洞身拱顶部，注浆高度定为5m(见图5)。

图5 地面注浆示意图(单位：m)

洞内人员根据连锁板的上方土体情况，在掌子面处采用加长注浆管注浆的方式，加固其背后土体。在确保连锁板上方土体固结后方可进行下一步暗挖施工。

5 实施方案

5.1 地面塌方回填

为保证回填质量，将地面塌陷坑洞扩挖为2.5m圆洞，查明坑洞内部情况。坑洞采用砂砾料回填，挖掘机距离坑边5m，采用甩料方式回填，回填高度超出地面20cm，以便让砂砾料自然沉降。回填完成后在塌陷坑洞周围均布四个监测点，每天进行监测并填写监测记录。

5.2 地面注浆

设计技术参数(见表1)，确定工艺流程(见图6)。

表1 地面注浆技术参数

图6 注浆施工工艺流程

5.2.1 钻孔

现场选择ZLJ-350后退型分段式注浆钻机，并根据设计位置确定出钻孔部位，在设定的点位处，利用钻机能量扭矩驱动钻头完成开挖。钻机位置一定要正确，开掘时的钻孔位置和布孔点的距离不能超过3cm，钻杆角度偏差不得超过1°。

钻杆最前端采用金刚石钻头。钻杆依靠钻机液压系统垂直带动，挤压土体成孔，钻进时由注浆泵向钻杆内加注少量清水，以达到冷却钻头和防止泥渣阻塞钻杆的作用，钻进时钻杆与地基保持垂直，并正确地钻进到规定的深度。

严格掌握钻杆深度，慢速运转，以便更好地了解地层对钻机的作用情况，并选择最佳的钻孔参数。如果遇到未知阻力，必须立刻停止钻进，并仔细查明情况，以免破坏地下管线。钻孔先进行中间孔钻孔注浆，再依次进行两侧孔施工。

5.2.2 后退式注浆

钻孔到达规定深度时，提拔钻具，便可进行后退式注浆。在此过程中，应使用搅浆机根据水泥和水玻璃的比例配制浆液，并在注浆泵的压力和泵送流量的影响下，使用高压管将浆液输送到钻头上。同时随时记下注浆时间、浆液数量、冒浆状况、孔深和压力等关键信息。

依照电力隧道浅埋暗挖法施工技术规程注浆量计算公式，理论注浆量为

Q=KVn

式中Q——设计注浆量；

V——注浆加固地层的体积；

n——地层孔隙率；

K——地层注入率经验系数，一般取0.5～1.0，当出现流砂时，注入系数应适当提高。

K的参考取值如下：

软土、黏性土、细砂：K=0.3～0.5；中砂、粗砂：K=0.5～0.7；砾砂：K=0.7～1.0。经计算：Q=0.5×3.14×0.8×0.8×5×0.55=2.76m3。

其中K取值0.5(细砂地质，取大值)；0.8m为注浆扩散半径；5m为注浆高度；0.55为地层孔隙率。

由于现场地质松散，单孔注浆量按现场计算值确定。

注浆时，注浆管每次拔出50cm，进行注浆一次。每次注浆的结束要求：按照注浆量和注浆压力进行双控注浆，每根导管注入规定浆液(理论重量)，当压力达到0.3MPa时，即可结束注浆。如果压力长时间不增加，流量不减少，就可能出现跑浆现象，需要采用间歇注浆。

当钻具被提升到地面，单孔注浆已经到达了预期的效果，这意味着该孔的注浆工作已经完成。接下来，需要拆卸钻具并进行清洗，防止浆液在高压管道和钻杆内凝结堵塞，影响下一步工序的进行。

5.2.3 封堵孔口

每次拔杆注浆前先注入一定量的水泥水玻璃，注入的水泥水玻璃先顺杆填充钻孔起到封孔作用，待双液浆顺钻杆从钻孔内溢出时停止。每段注浆时重复上述操作，见图7。

图7 封孔注浆示意图

5.3 异常情况处理措施

5.3.1 冒浆

注浆过程中，要认真观测周围地表和相邻管线的变化状况，如果由于大量浆液的流入而造成了地层变动，在封闭程度比较低的区域内，就可能会冒出大量浆液，这时就必须对冒浆点进行封堵，在必要时采用间歇注浆方式，以确保浆液有效地进入地层。

5.3.2 注浆压力变化

在注浆过程中，压力应保持在控制范围之内，以确保质量。如果压力过低，应检查是否存在漏浆现象，或者浆液能否从地下的某个通道流出；如果压力过高，则应检查是否存在管路或混合器堵塞的情况。在施工过程中，应该控制注浆最终压力不得超出规定的注浆压力值。

5.3.3 注浆量调整

地层的注浆量是否适当是对地层加固作用的直接反映，选择隔孔注浆方法，既可防止注浆孔互相影响，又使后注孔具有补偿前注孔的功能，使土体内浆液扩散更加均匀。若出现注浆压力一直无法达到规定要求的情况，则现场可通过改变水泥浆比例，将原来水灰比为1∶1改成0.8∶1，增加浆液稠度。

5.3.4 注浆泵异常

由于凝胶时间较短，在注浆过程中，管路会出现凝固或阻塞等情况，这将导致注浆泵的压力急剧增加，从而引发机器异常的声音，同时压力表也会显示出压力的增加，如果不及时处理，可能会出现高压伤人等危险情况。在此时，必须停止泵的运行，拆除注浆高压软管，进行管路冲洗和清理，或者对混合器进行清洗，以确定故障部位并采取相应的处理措施，完成清洗后才能继续运行。

5.4 洞内加长小导管超前注浆

当注浆结束后，开始进行正常掘进。为保证施工安全，暗挖隧道开挖前拱顶连锁板拆除一块立即打设2.5m长超前小导管，注浆完成后再拆除下一块连锁板，以此循环。此处的小导管比标准断面设计的长1.7m小导管进行了加长0.8m设计，以扩大预加固范围，保证施工安全。

采用φ25无缝钢管制作小导管，在拱顶180°范围内打设安装。导管壁厚3.5mm，长度2500mm，外露200mm，除端部500mm和顶部100mm范围内钻φ8花孔外，前端加工成锥形，交叉排列，梅花形布置，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管连接。小导管环间距为300mm，倾斜量根据现场实际情况适当调整。超前小导管顶入钻孔，外露20cm与格栅焊接，增加共同支护能力。

超前小导管注浆的材质采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比1∶1，而水泥浆液与水玻璃的体积比1∶1，水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃为35°Bé，注浆压力0.3MPa。

6 施工控制要点

出现地面沉降后，迅速封闭掌子面，对下沉段地面实施围挡，禁止人员机动车从下沉路段通行，并设立醒目的警告标志牌；采取结合支护和补偿注浆的方式，在洞内和洞外地表上进行有效的沉降控制。按设计要求进行浆液配制，保证注浆质量；掌子面重新打开后，在连锁板范围内洞身一衬格栅密排布置，间距350mm。待连锁板至洞身中心线位置后，恢复为原设计500mm间距。严格按设计要求进行超前小导管注浆，并加强洞内超前探测，及时掌握地层变化信息；严格按照“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针进行隧洞开挖施工，实施过程中应加强对洞区观测和现场地表沉降控制，保障暗挖隧洞和中堤安全。

7 注浆效果检验

用分析法和直接观察法对注浆效果加以检验。注浆过程中，根据对注浆工艺数据的统计分析，检查每孔压力流量能否满足注浆的结束条件，如无漏浆、串浆等，从而反算浆液的扩散范围。检验每个注浆孔是否都依规进行了注浆施工，确保无漏注或无法注浆施工的情况发生。在施工过程中观察浆液的扩散情况，地层均获得了有效固结，没有流砂现象。

8 施工监测

a.地表沉降监测。在回填并注浆后的地表塌陷周边加密布置测点，观察注浆后暗挖施工对周围土体的影响程度和影响范围，沉降均控制在30mm以内。

b.洞内安全监测。由于是处理地表塌陷地段的暗挖，拱顶沉降观测点和暗挖隧洞两侧的水平收敛观测点均加密，测量频率每天两次，净空收敛控制不超过0.003B(B为结构跨度)，拱顶下沉不超过50mm。

c.监测结果。经过实际测量，所有现场监测数据均符合要求，施工完成后最大沉降值为25mm，最大净空收敛值为1mm，均符合规定的控制值标准。

9 结 语

通过采用地面注浆并结合洞内加长小导管超前注浆的方法，有效加固了不良土体，顺利拆除了开挖障碍物，控制了地面沉降，保证了堤坊及建筑物施工安全，该法施工操作简易，适合推广应用。