摘要：文章对公路隧道软岩进行了简要介绍，对公路隧道软岩施工中的注浆加固技术进行了探讨，从加固原理、注浆效果检测、施工工艺等方面做了阐述，为今后类似工程的加固施工提供了参考。
关键词：公路隧道软岩；注浆加固；施工工艺
前言
在公路隧道及地下工程施工中，遇到软岩地层时，往往要进行地层预加固。在较小断面洞室开挖（一般跨度在6米以下的洞室）和局部小范围塌方的处理中，超前小导管以其施工工艺简单、施工作业空间要求较小、施工方案可以随时调整和显著的经济效益等特点在地层预加固时成为首选的方案之一。
小导管注浆可以改变围岩的力学性能，提高围岩的力学参数，主要通过小导管本身和浆液两方面来实现。注浆效果通过围岩的抗渗性和强度体现出来的。施工工艺包括施工准备、钻孔、打小导管、浆液的制作和注浆几部分。
一、注浆加固技术
注浆是人工用机械的方法将浆液压入地层中，以驱逐地下水，并在空隙中流动、扩散、凝胶、最后形成固体堵水帷幕的过程。
1、注浆加固技术机理
注浆机理由渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆4个基本机理组成。
1.1渗透注浆。在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土的孔隙、裂隙，使岩土孔隙、裂隙中存在的气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。对于粒状浆材（如水泥、膨润土等），最多只能注入粒径不小于0.1mm的细砂及以上的土层或比细砂直径更大的裂隙；对于化学浆材，最多只能注入粉土（渗透系数kω=10-4cm/s,粒径为0.01mm）层中。
1.2压密注浆。通过钻孔向土层中压入浓浆（坍落度20～50），随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡挤压的土体，使土体被压密，承载力得到提高，并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。压密注浆的最大优点是它对于最软弱土层区域能起到最大的压密作用。压密注浆一般用于比中、细砂细的粉细砂中，也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土和用来调整不均匀沉降，进行纠偏托换，以及在大开挖或隧道开挖时邻近土进行加固等。但在加固深度小于1～2m时，加固质量很难保证。
1.3劈裂注浆。在注浆压力作用下利用液体传压的特性，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张，或变成新的裂隙或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液的扩散距离增大。这种注浆所用的注浆压力相对较高。由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固邻近土体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔相差不大。因此，劈裂注浆适合与大体积土体的加固，在断层带的软弱岩层中或软、硬岩层的界面处，效果最为明显。
1.4电化学注浆。当在岩土内产生电场后，就在岩土中引起电渗、电脉和离子交换等作用，并通过钻孔―电极往岩土内注入浆液――电解液时，在孔隙性岩土内产生注浆压力作用、电动力学、电化学和构造形成过程，结果在岩土空隙内积聚了化合物，从而达到隔水作用。该方法适用与具有低渗透的岩土、流砂性质的不稳定粘土、不稳定及流砂性岩石、空隙性岩石，并对于治理井筒涌水和处理空隙性岩石段的残余涌水也是很重要的。
二、工程加固技术案例分析
我国某公路是东部沿海区域的一条城市快速路。其中含有隧道部分，设计为分离式独立双洞，隧道基本线间距37m，单洞三车道，全长3.98km，净空面积142m2，隧道进口表土层为第四系残坡积土，厚约0.5m～0.8m，下伏基岩受构造影响严重，节理发育，岩体成块石，碎石状松散镶嵌压碎结构，雨季地下水活动对Ⅳ级围岩稳定性影响较大，稳定性较差。洞口Ⅳ级围岩原设计为长管棚（35米）钢插管超前支护，后改为小导管加长加密段管注浆加固钢拱架挂网喷射混凝土及钢筋模注混凝土复合支护结构。
2.1小导管注浆预加固。“小导管注浆预加固围岩”是对表土下风化破碎岩石及构造裂隙较发育难以支护的破碎顶板，在开挖揭露来压前，预先向其裂隙通道内注入固化材料（水泥浆、水玻璃或聚氨酯等）充填裂隙，封堵涌水，胶结岩石，改善围岩力学性能，提高岩体自身整体强度，改善围岩支护状态。
2.2预加固围岩支护方案。隧道进口段，Ⅳ级围岩埋深较浅，靠近F2压扭性断层左侧，断层泥多，泥岩遇水软化，易变形脱落。右侧岩层节理发育，岩体成块石，碎石状破碎结构，雨季地下水活动对其稳定性影响较大，稳定性较差。采用锚网钢拱架喷射混凝土支护，在顶板来压时，易产生钢拱架扭曲变形，喷体开裂脱落，顶板下沉，洞门变形。采用传统地U型钢棚或槽钢棚加强支护投入大，采用小导管超前钻注，进行预加固围岩，即在小导管挂网钢拱架喷射混凝土联合支护的基础上，通过小导管孔向松散岩体内压入水泥浆以充填围岩裂隙，使与破碎岩石胶结成一体，从而提高围岩的整体性及坚实性。
2.3小导管注浆预加固参数。注浆预加固支护材料主要包括注浆长、短管，金属网、钢拱架、快硬水泥药圈、水泥、水玻璃及喷射混凝土等，主要支护参数如下：
（1）注浆长、短管分别采用φ42mm，L=5500mm及φ42mm，L=3500mm的焊接管制作，管体上依次钻有φ8mm的出浆孔，梅花形布孔，孔间距为400mm，孔口间距为250mm，环间距为1.2m，用快硬水泥药圈封孔止浆；
（2）钢筋网采用φ6mm的钢筋焊接而成，规格为60mm×1000mm；
（3）钢拱架采用φ22mm钢筋焊制；
（4）喷射混凝土强度等级为C20，初喷采用50mm，复喷为200mm；
（5）帮底及底角使用φ22mm，L＝2500mm的砂浆锚杆全锚；
（6）注浆浆液采用单液水泥浆，水泥标号为425＃，普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.2，浆液中添加水泥重量3％～5％的水玻璃，注浆压力为0.1～1.0Mpa。
4米长钢花管
2.4注浆施工。注浆顺序：先由中间向两边对称压浆，然后再由两边向中间对称复注，多次复注，最后结束整环注浆。针对岩层裂隙细，吸浆量小，可注性差等特点，小导管注浆均采用先始压清水及水玻璃冲洗，润滑裂隙，再高压始注稀浆，冲开裂隙，增大其开度，最后高压复注浓浆，充填裂隙通道，胶结松散岩体，浆液浓度按1：1、0.75：1、0.5：1逐级递增，注浆压力增大到4.0 Mpa，吸浆量小到5L/min，且稳定5分钟不变时，结束单孔注浆。此隧道进口Ⅱ类型围岩共34M，小导管钻注28环，共注浆入水泥15t，平均有每延米注入0.44t水泥，单孔复注时，浆液浓度大，吸浆量小。隧道轴线左侧，围岩裂隙发育程度大，注浆量多，压力上升慢，浆液扩散半径大，平均为5m左右；隧道轴线左侧，断层泥多，岩层致密，可注性差，注浆压力上升快，吸浆量小，浆液扩散半径小，平均为1m左右。
2.5注浆效果。将修改设计后的等长导管改为加长加密加宽（原管长3.5m改为5.5m、3.5m间布，原环距1.5m改为1.2m，原管口间距0.3m改为0.25m，原顶部120°改为150°布管）长短管注浆，长管覆盖短管注浆范围，浆液扩散半径增大，复注效果好。实际揭露时，由于严格按照“管照前、早封闭、严注浆、短开挖、强支护、勤勘测”的原则，一个月以后除了发展进口段左侧腮尖及下部突出和移近外，没有发现顶板明显下沉、喷体开裂、低鼓等现象；同时，将左侧钢拱架原设计的钢筋腿改为工字钢棚腿后，更加有效地阻止了左侧部位的位移，从而保证了开挖作业的安全。注浆预加固技术，提高围岩的自身稳定性，减小钢拱架的承压及变形，能进一步提高整体支护效果。
2.6确定注浆时间
2.6.1初期支护完成后及时布置测点进行监控量测，采用断面仪、全站仪、收敛仪相结合的方式进行，及时进行数据分析处理，通过监控量测数据可以看出，松动圈快速扩张主要集中在初期，大约2周时间，在此时间段内，地下水对围岩峰后扩容的影响较为剧烈。因此，在隧道开挖初期，围岩破坏强烈，松动圈扩展速度快。随着时间的推移，围岩松动圈向内迁移，围岩破坏减弱，松动圈扩展速度迅速降低。
由监控量测数据及理论计算相结合得出：围岩变形达到10cm～11cm时围岩松动范围在3m左右，通过应力重分部后围岩裂隙增加、空隙率增大，在此阶段进行注浆，围岩、浆液、小导管固结形成整体，监控量测数据显示最初变形量每天4cm～5cm，一阶段注浆时与掌子面距离6～8m，注浆与掌子面施工平行作业。当一阶段注浆完成变形后围岩变形速率降低，采用位移计监测围岩松动圈在4m左右，监控量测显示该阶段变形量达18cm～20cm，在此阶段注浆完成后围岩变形基本趋于稳定，当一阶段注浆完成后变形趋于稳定将不再进行二次注浆施工工作。
2.6.2小导管加工
采用Ф42×4mm无缝钢管，加工端头呈锥形，长度为4m和5m的半成品，端部1m以下梅花形打孔，孔间距15cm。端部焊接对丝，长度以安装止浆阀为宜。
2.7 打孔送管
2.7.1一阶段打孔送管
通过监控量测数据分析，进行小导管打孔施工，一阶段纵向间距为0.5m环向间距1.0m，打孔前由现场技术人员进行布点，严格控制孔深及角度，钻孔深度大于导管深度10cm～15cm，清孔完成后及时送管，防止出现塌孔缩孔等。
2.7.2 二阶段打孔送管
当一阶段注浆完成后监控量测显示，变形量急剧减少变形量减少为最初变形量的30%，当变形趋于稳定后不再进行二次注浆，但当变形量持续数天后变形量增大，通过地质雷达及多点位移计监测，围岩松动圈有扩大趋势，围岩变形量达到18cm～20cm，在此时进行二阶段打孔，孔间距纵向0.5m，环向0.5m。小导管长度5m，孔深大于导管深度10cm～15cm。
2.8封口安装止浆阀
送管完成后进行封口作业，封口时采用锚固剂填塞捣鼓密实，确保注浆时由于浆液压力过大，浆液从封口处喷出，影响注浆质量，封口完成后导管尾部焊对丝连接接止浆阀，止浆阀注浆前应关闭，防止浆液串流从管口流出，注浆完成后止浆阀取下进行残留浆液清理，以备二次使用减少浪费。
2.9分阶段隔跳法注浆
一阶段打孔送管完成后进行注浆作业，注浆前检查注浆机工作情况、注浆管路连接情况。注浆采用水泥浆液，水灰比1：1，注浆压力：0.5Mpa～2.0MPa，可注性差时取大值。注浆时采用隔跳注浆，环向先进行单号孔注浆，再进行双号注浆，纵向孔位跳跃式注浆。同时为确保注浆质量每孔进行多次注浆，每孔反复注浆次数不小4～5次，每间隔3min～4min进行一次注浆。当一阶段注浆施工完成后，通过监控量测数据适时进行二阶段注浆施工。
2.10注浆注意事项
2.10.1制备水泥浆时严禁水泥块进入浆液，放浆进入储浆桶时要用滤网过滤，以防止堵塞注浆泵。配置好的浆液放置在低速搅拌桶内，防止浆液由于存放时间较长产生沉淀、离析现象。
2.10.2注浆过程中随时检查孔口、邻孔部位有无串浆现象，如发生串浆应立即停止注浆，并采取措施（如快硬性水泥或锚固剂封堵）或采用间歇式注浆封堵串孔，直至不再串浆再继续注浆。
结束语
在上世纪50年代初期，我国开始了注浆技术的应用，在公路、水电、铁路等行业中，利用注浆法治理水害。随着社会的发展，注浆加固技术逐渐的被广泛应用，在公路隧道软岩施工工程中的应用被推广开来，本文的研究为类似工程的施工打下了理论基础。
参考文献
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[2]高大钊．岩土工程标准规范实施手册．北京：中国建筑工业出版社，2014．
[3]项伟．软弱夹层微结构研究及其力学意义．武汉地质学院学报，2016．
论文作者:王晓义
论文发表刊物:《基层建设》2018年第31期
论文发表时间:2018/12/18
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