摘要：洞顶土体的承载力直接影响到超浅埋隧道开挖施工时的安全，对洞顶土体注浆加固有助于改良土质，增强土体承载力，并使之成为一个壳型整体。通过将上行式渗透注浆改良为注浆段全孔劈裂注浆，即注浆高度度以上用水泥浆和钢管封死孔壁，钢管孔内下液压封孔器止浆，增大注浆压力的方式提高注浆效果。注浆后的钢管和扩散的浆液在土体中形成梅花型地锚结构，能一定程度加强土体的自稳能力。
关键词：粉砂土；成孔；封孔；注浆；压力；改良
1引言
隧道土体加固按照加固的区域分为洞内与洞外加固，洞外可采用降低地下水位、冻结及注浆固结地层和地表锚杆等措施。银川滨河新区长河大街延伸项目隧道工程进口端（K1+165~K1+240）无地下水，vi级围岩且为粉砂层，设计采用地表上行式渗透注浆加固，现场通过注浆试验，设计给定的注浆加固方式方法达不到预期的加固效果。
本文结合现场实际的施工方法和试验结果，详细分析了设计给定的注浆方案的弊端并针对相应的弊端进行改良，以及在后续施工中应注意的事项，为同类工程提供相应的借鉴以及参考。
2 工程概况
2.1地质情况
长河大街北起S203省道，向南跨过水洞沟水库、穿过明长城、跨过青银高速公路，终点为横山工业园区西区十二号路，道路全长15.7公里。银川滨河新区长河大街延伸项目隧道工程穿越明长城隧道工程位于银川市滨河新区横城村，为四幅分离式隧道，隧道全长310m。隧道横穿明长城及烽火台，生态脆弱，植被稀疏，多为耐旱灌木。隧道附近海拔1145.51-1176.69m，地貌属陶、灵、盐台地缓坡丘陵区，为构造剥蚀、侵蚀堆积地貌单元。场区地层上部系第四系风积的粉细砂。
K1+165～K1+240段土体自稳能力极差，为粉砂、砂岩、泥质粉砂岩及泥岩，岩层分层明显，主洞顶上为粉砂、主洞顶下多为泥岩和砂岩，围岩级别VI级，岩体自稳能力极差。已经开挖的辅洞顶出露的土体多为砂土，局部地方有砂卵石夹层。
2.2设计注浆方式
为了确保隧道开挖顺利实施，增加洞顶土体的承载能力及整体性，设计对洞顶范围进行地表注浆加固。总体地表注浆加固面积75*50㎡，沿线路中心对称布置，分A区和B区，A区为注水泥水玻璃双浆液，B区注水泥浆。注浆管打至主洞隧道拱顶下2m处上行式注浆，注浆高度6m，采用φ95x4mm钢管，每次提升2m，注浆孔间距1.2*1.2m，梅花形布置。
图1 设计注浆深度次序图
2.3原设计注浆方案难点
1 地表注浆范围靠近明长城重点文物保护范围，施工时应做到文明施工，不得破坏文物。
2注浆需经过注浆试验确定合理的注浆方法和注浆参数，才能达到预期的注浆加固效果，应随时根据现场检查孔校正注浆参数，导致现场注浆难度加大。
3止浆塞的止浆性将直接影响到注浆压力，进而影响注浆效果。本工程注浆孔底为洞顶下2m处，注浆高度为6m，采用上行式注浆，止浆塞的安设较为困难。
3 设计注浆方案弊端
3.1施工顺序
钻孔→下管→安设止浆塞（或灌砂）封口→注浆→提升（2m）......注浆→封孔→完成。
3.2钻孔
根据地质勘察横断面图，选取具有代表性的土层段作为试验孔布置位置，钻孔采用150型工程地质钻机钻孔，正循环水成孔，通过水的浮力带走泥沙。通过现场试验，水成孔方式成孔速度较快，但无法完全带走孔内泥沙，导致终孔后泥浆沉淀较深，局部沉渣达到3m，无法满足注浆要求，若采用清水清孔势必形成大量的废水污染环境。并且水浸湿孔壁后极易容易导致孔壁坍塌，孔壁增大，对后期注浆封孔造成困难。若采用泥浆护壁，泥浆形成的泥皮裹附在孔壁上堵塞了孔隙，大大减弱了渗透注浆效果。
3.3下管与提升
注浆孔深平均约12m，采用φ95x4mm钢管下探注浆，钢管实际长度大于孔深1m已保证钢管外漏长度。钢管需完全下至孔底，12m的钢管无法人工下管，地质钻机三脚架高约7m也无法安设注浆管。钢管与孔壁间的摩擦阻力极大，考虑采用12t汽车吊进行下管与提管，但汽车吊对于地坪的要求较高，现场需保护原始地貌，无法平整地坪，汽车吊下管与提升不能满足施工需求，所以下管与提升钢管较难。
3.4止浆塞
设计注浆方式为上行式注浆，隧道拱顶下2m处向上6m为注浆注浆高度，每次注浆高度2m，需提升钢管两次，所以需对孔壁与钢管壁之间的间隙进行封堵，保证注浆压力。
1 地层为粉细砂，终孔后的孔壁凹凸不平整且不规律，一般的机械止浆塞都为规则的结构，止浆塞安放后无法与堵死孔壁孔隙，所以无法满足止浆需求。
2 上行式注浆方式在提升钢管时，止浆塞与孔壁之间进行刮擦，即使原本封堵完善的孔在刮蹭后也会出现漏浆现象。同时在孔壁的摩擦下导致止浆塞和钢管脱落，钢管能提升起来但是止浆塞还在原处致使达不到上行式注浆的目的，造成止浆塞丢失。
3 孔壁与钢管壁间缝隙封堵完成后，在注浆压力（0.1-0.5）的作用下，孔壁土体在压力和水的作用下，土体湿陷，孔壁承载力减小，极易产生冲剪破坏，导致止浆封堵效果不佳。
3.5注浆
采用渗透注浆，注浆压力为0.1-0.5mpa，注浆液为水泥浆和水泥-水玻璃双浆液。本工程土体为粉细砂为主，部分区域夹杂砂卵石、泥质砂岩，土体非常密实，孔隙率约为3%，土体颗粒直径约2μm~100μm，土体渗透系数约为6× mm/s。水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥颗粒大小为1-10μm，孔隙直径约为1μm~5μm，所有水泥颗粒的大小大于土体孔隙孔径，导致水泥沿着土体基本上不渗透扩散。若增大注浆压力，将导致止浆塞和土体被注浆压力压坏致使注浆失败。试验孔注浆量柱状图表，如图1所示。
图2 各试验孔注浆量柱状图
从上图可以看出，16个试验孔，前8个为水泥浆液孔，后8个为水泥-水玻璃浆液孔，只有3个孔的注浆量超过1m3，证明水泥浆液、水泥-水玻璃浆液在砂性地层中的渗透能力有限，甚至在部分钻孔中注入困难。其次，水泥-水玻璃浆液注浆量少于水泥孔注浆量。
图3 水泥浆液试验孔曲线图
从图3、4中可以看出，注浆量和注浆压力正相关，即压力增大，注浆量会增加。但是由于浆液在砂土中扩散性不好，压力增大到一定程度(0.7MPa)以上，浆液进入方式由渗透变为劈裂，容易冒浆或窜浆。
4注浆工艺改良
根据上述设计注浆方案的弊端和现场实际的地质和施工情况，做如下注浆工艺改进：
1 将上行式分段注浆改为注浆高度范围内全孔一次注浆。
2 将水成孔方式改为潜孔钻风成孔。
3 将原下管长度调整为由注浆顶标高到地面标高之间的距离。
4 将原机械封孔止浆方式调整为钢管和孔壁的间隙用水泥浆封堵，钢管孔内下液压封孔器止浆。
5 将原渗透注浆调整为劈裂注浆，注浆压力为0.3~0.7mpa。
6 注浆后的钢管不拔出，作为地锚起到一定的加固效果。
图4 水泥-水玻璃浆液试验孔曲线图
具体操作步骤：钻孔以120mm开孔钻进至注浆段顶部0.2m～0.3处，下放Φ95×4mm钢管，钢管和孔间的间隙用水泥浆封堵，待初凝后以Φ75钻头钻进至设计孔深；注浆时钢管内用液压封孔器封闭，孔内循环注浆，孔内下入射浆管至孔底不大于0.5m。
图6改良后注浆布置图
图7改良后注浆流程图
注意事项：
① 下放钢管和注浆时必须清除孔内沉渣。
② 钢管长L为地表标高和拱顶下2m处标高差。
③ 注浆高度6m，一次注浆完成，注浆压力0.3~0.7mpa。
④ 采用风钻成孔，先施做一次成孔段，待下放钢管且封孔后施做二次成孔段，钻孔完成后需及时注浆避免塌孔。
⑤ 水泥浆对钢管外孔隙封孔时，应保证钢管位于孔中心，且钢管下入后需向下压入土层一定深度，保证封孔水泥浆不进入钢管内。
5效果检查
重新选择试验段实施改良方案，地表冒浆、止浆失败的现象基本消除，注浆量整体提高。后续通过检查孔取出的芯样，发现注浆高度范围以上土体未见浆液凝固痕迹，注浆范围内有浆液劈裂土体形成的不规则脉状浆块。由于浆液在劈入土层过程中并不是与土颗粒均匀混合，而是呈两相各自存在，劈裂后形成的土体骨架和钢管形成的地锚与原设计无法渗透相比，明显提高了加固的效果。
6结语
粉砂土的注浆加固的实现一直是比较困难的，通过改良原设计采用的上行式注浆加固的单一方案，变为注浆段全孔劈裂注浆，即注浆高度度以上用水泥浆和钢管封死孔壁，钢管孔内下液压封孔器止浆，增大注浆压力的方式提高注浆效果。注浆后的钢管形成梅花型地锚结构，劈裂扩散的浆液在土体中形成网状骨架，能一定程度增强土体的自稳能力。改良后的施做工艺不仅用于地表注浆加固，对于其他类型的注浆加固也具有参考价值，特别是随着科学技术的进一步发展，新型的注浆材料（如化学浆液）、注浆设备和改良后的工艺结合，能进一步增强加固土体的效果。
参考文献：
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[3]天津市政设计研究院. 银川滨河新区长河大街延伸工程隧道工程施工图--地表注浆设计图[Z].天津，2016(7) :S-T-41B
论文作者:朱平
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/1
标签：注浆论文; 钢管论文; 浆液论文; 隧道论文; 水泥论文; 压力论文; 水玻璃论文; 《建筑学研究前沿》2017年第29期论文;