摘要：城市公路隧道在施工过程中，由于其隧道埋深浅、临近市政道路、且周边建（构）筑物及管线众多等特点，在开挖过程中突遇软弱围岩的情况下，地表沉降难以控制，对人民生命和财产造成较大威胁，存在较大安全风险。随着近年来我国隧道围岩加固技术的高速发展，注浆加固已经成为了目前运用较为广泛和成熟的技术，然而注浆加固同样分为洞内的超前帷幕注浆和地表注浆两种方式，在超前帷幕注浆无法达到预期效果的情况下，为保证后期隧道开挖和地表安全，地表注浆就显得尤为重要。因此，本文就对城市公路隧道软弱围岩地表注浆关键技术进行了探讨。
关键词：城市公路隧道；地表注浆；软弱围岩；临近市政道路；施工技术
1引言
地表注浆是一种围岩预注浆加固的手段，对于埋深较浅的城市隧道软弱围岩处理应用较为广泛。主要适用于高水压、富水、软弱围岩、断层破碎带或岩溶地段的堵水和地层加固（水压一般大于0.5Mpa，单点最大涌水量一般大于20m3/h）。一般情况下，如隧道覆盖层厚度小于50m，环境条件允许，可考虑采用地表注浆的方式。
根据不同的水文地质情况，其施工工艺和浆液选择也存在差异，施工工艺大致可以分为：前进式注浆、退后式注浆（袖阀管注浆、钻注一体化）、一次成孔注浆。普片应用的注浆浆液为：单液浆（水泥浆）、双液浆（水泥-水玻璃）、硫铝酸盐水泥单液浆等。合理的施工组织、施工工艺、注浆浆液选择以及注浆参数确定是地表注浆成败的关键。
2研究背景
重庆市曾家岩大桥隧道工程南侧主线隧道在周公馆与城市阳台之间入洞，下穿中山四路挡墙后沿中山四路、中山三路、中山支路南行，下穿轨道1号线及邹容公园，最后在穿越南区路及其挡墙后出洞与长滨路立交相接。
3工程概况
拟建隧道上方为中山四路，地表道路为缓下坡，坡度小于5°。地形整体较平缓，呈两侧高中间低沟谷状。两侧部分为原始地貌，部分经过人工改造，线路右侧为市委市政府办公区，左侧为居民区及商业区。其中YK4+072~+110段拱顶上部以人工填土为主，隧道埋深12.5-13.5m，掌子面揭露围岩主要为泥岩（中部和下部），围岩强度较低；节理裂隙弱发育，岩体较破碎；地下水较发育，存在渗流水。拱顶部位存在明显破碎岩体和回填层，回填以泥质、建筑垃圾等；隧道右侧拱顶为回填土夹杂河砂，自稳能力极差，遇水崩解。
4地表注浆施工重难点分析
4.1塌孔频繁，成孔不易
由于地表注浆区域围岩为回填土层且含砂量较大，围岩自稳能力极差。潜孔钻机在钻进过程中，在风压带动下会对岩壁形成扰动，形成塌孔现象，难以成孔。塌孔后注浆管无法正常顶进至预期深度，达不到注浆效果；采用自进式施工工艺情况下，由于自进式管棚与岩壁的缝隙过小，松散粒状回填土无法从岩壁排出，钻进困难。
4.2占道施工周期短，工程量大
地表注浆施工受中山四路占道影响，施工周期仅批复1个半月，每天允许占道施工时间为22：00-次日6:00，每天6:00前必须清理路面并恢复交通，除去施工准备时间、各项机械设备进出场时间及完工后清洗路面时间，实际有效工作时间仅为5小时。该段设计需完成地表注浆598孔，平均每天需完成13孔。
4.3作业区域有限，钻孔注浆易发生“串浆”现象
由于作业区域均位于车行道和人行道上，受作业区域影响，机械设备无法大量投入，因此无法形成多个作业面同时施工。加之施工任务重，过程中必然会形成密集钻孔注浆的局面，然而回填土围岩空隙率较大，且岩层内存在大量空洞，注浆孔间距较近的情况下，受注浆压力影响，会造成“串孔”现象，无法达到浆液扩散的效果。
4.4地表管线密集，对施工不利
既有道路左侧（线路左侧）为市委市政府办公区，右侧为居民区及商业区。根据现场调查，两侧人行道上管网密集，其中分布有市政雨水、污水、10KV电力、路灯、给水、通信管道，在右线隧道拱顶区域存在中国电信线缆，在右线隧道边线左侧车行道上存在DN219燃气管线，管线埋深均位于地表以下1m-2.5m。钻孔过程中需保证管线不被破坏、注浆过程中需保证浆液扩散效果的同时，还需确保浆液不堵塞、不损坏管线，施工难度极大。
5施工前期准备
由于地表注浆施工周期短，施工任务重，干扰大等特点，如何提高施工效率成为地表注浆成败的关键。鉴此，拟定施工前期准备工作如下：
（1）测量放线确定地表加固范围，并根据施工方案及交通管理部门审批手续进行围挡封闭，并做好导行标识；（2）围挡封闭后，在围挡内人工开挖横向探沟，进一步确定地下管线的埋深及走向，在行人通过区域铺设钢板，满足通行需求；（3）由于每日施工周期短（22:00~次日06:00），为保证当天施工任务完成后迅速清理和撤离现场，施工过程中配置4台9m平板运输车，除潜孔钻机以外，其余施工机具、材料均不下车，以节约装卸时间，方便撤离。1号运输车装运搅拌机、注浆机、水泥、中沙、水玻璃；2号运输车装运隔音集装箱、箱内安放空压机；3号运输车装运潜孔钻机、其他小型机具；4号运输车装运临时围挡、水马、锥桶、交通指示标志等。
6地表注浆施工技术
6.1地表注浆加固范围
加固区纵向长度应覆盖整个软弱围岩段，横向宽度为隧道开挖轮廓线外2.0m范围内，保证整个隧道软弱围岩段形成全覆盖。结合地表管线情况，仅对地表以下5.0m范围土层进行注浆加固，隧道拱部范围内注浆孔底距隧道开挖轮廓线按0.5m控制，边墙部位注浆孔应嵌入基岩深度不小于1.0m。管线影响范围应采斜向钻孔的方式避开管线，需精确计算斜向钻孔角度，确保各孔之间孔底间距不大于1.2m。
6.2注浆孔布置及注浆顺序
（1）注浆孔按照1.2m×1.2m梅花形布置，注浆管横向、纵向孔底中心间距不大于1.2m，浆液扩散半径不小于0.8m；确保相邻注浆孔加固范围内相相交，扩散范围充分覆盖，达到预加固目的；（2）鉴于隧道洞身位于市政道路下方，地表管网较密集，为确保市政管道、管线等安全，临近管网区域，注浆孔距离管线区域水平距离≥1.5m，根据管网路线可适当调整注浆孔布置，对于管网密集的车行道区域无法采用垂直钻孔，根据两侧地表情况采用斜向打孔；（3）根据地质构造、地形以及监测结果，右线隧道右侧地质情况较差，回填土中存在砂、饱和软介质等，且回填土中存在较多空洞。左侧地质情况稍好，多为素填土或强风化泥岩。且隧道右侧地表沉降较大。鉴于实际情况，使中心土体能起到更好有挤密加固作用，保证掘进时土体稳定，地表加固先由四周形成封闭的“幕墙”，再由外围向内部逐一进行施工。注浆孔钻进及注浆应跳孔跳排间隔施工，避免出现“串浆”等情况。
地表注浆孔位断面布置图
6.3钻杆及注浆管选择
（1）鉴于回填土介质松软，且含砂量较大，地下水较发育，存在渗流水等情况，隧道开挖过程中易对周边回填土形成扰动，从而造成地表沉降，因此建议注浆管选用“钢花管”，对后期整个地表起到“排桩加固”的作用。钢管采用Φ108，壁厚6mm的无缝钢管，钢管前端做成尖形；钢管上钻注浆孔，孔径15mm，孔间距0.15~0.2m（地表以下5.0m范围内止浆段不设注浆孔），呈梅花型布置。在距离地表5.0m处，钢管外壁缠绕1.5cm厚沥青麻丝和Φ8止浆环钢筋对上部形成止浆段，防止注浆过程中浆液反窜至地表对管线造成影响，在孔口止浆段范围内须对管孔缝隙进行糊缝处理，糊缝材料为CS胶泥和速凝砂浆；（2）考虑到常规潜孔钻机钻进过程中，在风动作用下会对孔壁造成扰动，由于回填土自稳能力较差，扰动后的孔壁必然形成塌孔现象。因此，这里须对钻机钻杆进行改造，在钻杆上加装“螺旋扇翼”，钻机过程中利用螺旋钻杆的转动将泥沙带出（而不是依靠风力将泥沙吹出），减少对孔壁的影响，从而避免塌孔现象的发生。
6.4注浆材料选择
6.4.1水泥浆单液浆
这种浆液的主要材料是水泥，通过与水混合稀释后形成注浆材料，通常称为水泥净浆，根据不同的地质条件和强度要求，其水灰比通常按照0.6:1~1:1进行配比。对于断层破碎段、弱富水地层常使用水泥单液浆。这种材料来源广，成本低，耐久性好，对环境污染小，但是其凝胶时间难于调节、容易析水，结实率低，容易被水携带和稀释，因此在砂层地段、富水地层不适用。
6.4.2水泥-水玻璃双液浆
这种浆液是以水泥和水玻璃为主剂，二者按照一定比例，利用专用的双液注浆机混合注入，必要时加入速凝剂和混凝剂所形成的注浆材料。这种浆液克服了水泥单液浆的凝结时间长且难以控制、动水条件下结实率低等缺点。根据配合比例的不同，其凝胶时间可以精确控制在几秒至几十分钟范围内，浆液凝结后的结石率高，其强度通常随着水泥浆水灰比的降低而降小。该浆液对于富水地层的堵水有很大的作用，同时也适宜于0.2mm以上裂隙及1.0mm以上粒径的砂层加固使用。值得注意的是，使用这种浆液对操作人员的要求特别高，如果施工过程中配合比不够准确，对浆液的凝胶时间和强度影响很大，从而造成注浆实效。同时还需要注意注浆的连续性，由于其凝胶时间短的特点，容易造成堵管情况发生，对施工效率造成影响。
6.4.3硫铝酸盐水泥浆
硫铝酸盐水泥主要是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的新型水泥。其具有早强、高强的特点，采用硫铝酸盐水泥配置的单液浆，具有凝结可控、高强可靠、操作简单、扩散控域、工艺匹配、经济适用、绿色环保、堵水高效等特点，从而使浆液既具有普通硅酸盐水泥浆（单液浆）的优点，同时又具有水泥-水玻璃（双液浆）的优点，尤其适用于注浆堵水前进式分段注浆工艺。这种新型水泥浆液具有抗冻性能好的特点，广泛应用于冬季低温施工的工程；其抗渗、耐海水腐蚀性能大大优于硅酸盐水泥，使其也适用于海洋建筑工程；由于其微膨胀的特点，可以增强水泥浆胶结体的抗剪切强度。
结合本工程特点，选用水泥-水玻璃双液浆作为注浆材料。
6.5确定地表注浆实验区
（1）在非注浆加固区设试验区，按布孔间距1.2m×1.2m测出与注浆区对应的注浆孔位按六边形、三角形选测试验孔（如下图）；（2）先分别施工1号孔，确定钻孔护壁方法，检查注浆扩散半径。（3）经2-3孔试验确定布孔间距是否得当（若2-3孔取样已在1号孔注浆扩散半径内，则间距可适当扩大），选择注浆配合比、分段注浆压力、吸浆量、注浆时间等，得出注浆全过程各工序的相关参数。（4）4号孔检验注浆效果进行岩心取样、分析地质情况、观察注浆填充情况、检查孔内涌水量进行注水试验，求出加固后土体渗透系数等。
6.6地表注浆参数
根据回填土段地质结构，隧道顶部依次为主要为素填土且含沙量较大、局部存在粉质黏土、富水等的特点。注浆材料采用水泥-水玻璃双液浆间距按照（3.6m×3.6m）跳孔施作形成注浆“帷幕”，之后再按照（1.2m×1.2m）间距在孔间进行补充注浆。其参数如下：
（1）注浆前应先进行水泥-水玻璃双液浆现场试验，注浆参数应通过现场试验按实际情况确定，胶凝时间应控制在1min-1min30s以内，以利施工。（2）选用42.5R 普通硅酸盐水泥；水灰比：W:C=0.6:1～0.8:1（暂定），根据现场试验确定合适水灰比，过程中根据注浆效果适时调整；（3）注浆压力：注浆压力拟采用：初步拟定初始压力为0.5~1.0Mpa，终压1.0~2.0Mpa，施工中应进行现场试验，并根据试验情况作相应的调整。（4）注浆量计算：单孔注浆量按Q=πR2×L1×n×a计算，其值可以根据具体情况进行调整。其中：R（m）为浆液扩散半径，取0.8m；L1（m）为钢花管有效长度，取（L-5）m；n(%)为土层空隙率，暂取15%（根据现场试验确定）；a为浆液填充系数，取0.8。
6.7注浆结束标准
注浆结束，应根据注浆压力和注浆量来控制：
（1）注浆压力逐渐升高，流量逐渐减少，当压力达到或超过试验确定的合理终压，当达到设计终压并稳定10min；（2）注浆量大于设计注浆量，可以结束该段注浆；（3）进浆速度小于开始进浆速度的1/4；（4）注浆压力未能达到试验确定的合理终压，应考虑提高浆液浓度。必要时间歇注浆。注浆量已经达到预定注浆量的2倍，可结束该段注浆。
6.8注浆效果检查方法
（1）钻孔观察法：每5m注浆段设一个检查孔，检查孔应布置于相邻两注浆孔扩散半径交界处并取岩芯，观察注浆充填情况。注浆效果检查评价不合格者应进行补钻孔注浆。（2）声波测速判断：根据注浆前后地层声波速度大小对比来判断浆液的填充密实程度；（3）超前地质雷达探测法：对比注浆前后成果图像差异，判断注浆效果。
6.9注浆效果检验标准
（1）施工总注浆量反算出浆液填充系数达到80%以上；（2）抽样钻探检查注浆质量，检查孔应根据现场情况随机取样，但必须重新成孔，不可利用既有注浆孔，检查孔抽查取芯率达到80%以上，浆液填充系数必须达到80%以上，对检查孔进行注浆，压力应很快上升，且注浆量很少。
7结语
地表注浆施工结束后，对注浆范围内进行了取芯验证，从取芯的情况反应的情况来看，地表以下5m-12.5m左右岩芯内部开始出现的大量浆液，分析是注浆后岩芯孔隙已经被注浆浆液填满，孔隙率较小；并经现场测定，在取芯钻孔过程中，回填土及粘土的取芯率可以达到85%以上，且取出的回填土及粘土岩芯具有较高的塑性，12.5m-14.5m进入强风化泥岩；整个地表注浆过程是有效的对地表存在的空腔进行了填充，隧道开挖轮廓线2m以外范围岩体被挤压密实。
通过有效的技 术运用、合理的施工组织、严格的过程管控，地表注浆施工能够对回填土软弱围岩进行了加固补强，为城市公路浅埋隧道的安全开挖提供有利保障。
参考文献
[1]建筑工程水泥-水玻璃双液注浆技术规程，JGJ211-2010.
[2]李治国，隧道注浆技术探讨，中铁隧道集团有限公司勘察设计研究院.
[3]高广义，复杂地质隧道超前注浆技术，中铁隧道集团有限公司勘察设计研究院.
论文作者:郭洋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：注浆论文; 地表论文; 浆液论文; 隧道论文; 围岩论文; 管线论文; 水玻璃论文; 《基层建设》2019年第3期论文;