隧道工程软弱围岩注浆加固方案

摘要：基于注浆理论和监控量测结果，针对辽西隧道3#斜井出现围岩软弱易塌陷的情况，对3#斜井进行了注浆加固的试验研究，研究结论如下：（1）对比了不同注浆材料的抗折强度和抗压强度，获取注浆材料不同龄期下的基本力学特征，为后续注浆工作提供技术保证；（2）根据设计要求和现场围岩情况设计注浆方案，包括注浆工艺、注浆顺序、注浆参数和循环方式，并设立了检查孔布置方案，以便于验证注浆效果。

关键词：隧道施工；软弱围岩；注浆加固；注浆材料

软弱围岩对隧道沉降变形影响巨大，为了保障隧道的施工质量、安全性能以及经济效益，应当加强对软弱围岩的处理，总结在施工过程中可能遇到的各种危害，并明确相应施工技术的国家和行业标准，对整个施工过程进行控制，从而保证施工质量严格符合标准。隧道施工过程中应尽可能地降低软弱围岩带来的危害，注浆加固措施是提高隧道围岩稳定性的有效方法，可以降低隧道沉降变形，保证隧道施工安全。鉴于此，基于注浆理论，针对辽西隧道3#斜井出现围岩软化变形的不良状况，开展注浆加固方案设计，并对注浆材料的选择进行分析和试验，通过注浆的方式改善围岩条件，使其达到施工条件。本文就注浆加固措施在该工程应用的技术、物资、试验及施工方案的设计进行介绍。

1注浆加固理论

在隧道施工过程中，最常见的两个问题是富水区域的堵漏治水和软弱围岩的加固支护问题，针对这两个问题的施工方法也在不断完善。其中注浆加固逐渐成为隧道施工过程中治理软弱围岩的首选措施，注浆法并辅助其他综合处治技术在大量的工程实践中得到了成功应用。注浆法是指利用液压或气压等方法，通过注浆孔将浆液填充在岩土体中，从而改善岩土体物理力学性质的方法，浆液与周围岩土体凝结固化后形成新的结构体，起到加固、堵塞的作用。浆液的固结及加固作用使得岩土体具有较高的强度，降低其渗透性能，达到提高岩土体强度、隔绝地下水、治理地质灾害的目的[1]。按照浆液在地层中不同的填充及扩散形式，一般可将注浆分为渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆[2]。渗透注浆是指注浆材料以渗透的方式在填充体中运动扩散，排挤出土体中的孔隙或裂隙中的水，原则上不改变土的结构。劈裂注浆指的是在软弱土层中，在一定注浆压力作用下，浆液劈裂土体，形成浆脉，固结旁边的土体，从而增强土体强度及稳定性。压密注浆是指用黏稠的浆液挤向土体，在注浆处形成浆泡，使得土的密度明显增加。根据注浆要求选择合适的注浆方法，在同一时刻的注浆过程中，这三种注浆形式可以同时存在，共同工作。渗透注浆理论研究了浆液黏度的时变性、空间分布不均及流变性能的差异性对浆液扩散距离的影响，并应用到实际工程中。一般认为，满足渗透注浆的必要条件是满足可注条件。粒状介质的可注条件可用可注比来表示。

2工程概况

辽西隧道3#斜井负责正洞北京方向施工任务1056m，里程为DK310+380~DK309+324；负责正洞沈阳方向施工任务630m，里程为DK310+380~DK311+010。合同工期2017年4月20日贯通，2017年6月20日附属工程完成。施工过程中监控量测结果显示，在不同位置出现不同幅度的沉降，最大沉降处发生在DK310+325里程处，累计沉降达650mm；其余位置也出现了不同幅度的沉降，在70~300mm不等。对于工程设计要求而言，部分施工位置的沉降幅度已经大于安全值。而且岩体因断层活动影响，受挤压严重，节理裂隙面挤压擦痕明显，岩石呈糜棱状、鳞片状，掌子面有串珠状滴水、小股状渗流水，围岩开挖后易软化、崩解，自稳能力极差，并出现蠕滑现象。对于已经出现的围岩不良状况，急需通过注浆、锚固等加固手段进行支护，从而提升围岩稳定性，保证工程的安全性。

3注浆材料

3.1注浆管材料选择

玻璃纤维注浆管是一种由玻璃纤维、增强剂等聚合物构成的特殊材料，由于玻璃纤维在加工过程中体现出的优越性，可以满足不同工程要求，其工作性能主要取决于玻璃纤维和聚合物类型及锚杆横断面形状等参数[3]。玻璃纤维注浆管具有以下特点：（1）可挖除当需要拆除时，通过开挖机械可直接开挖破除加固区，可避免爆破拆除的不稳定性；（2）玻璃纤维锚杆内部包含注浆管，既可以作为锚杆提供锚固力，又可以作为注浆管注入浆体材料；（3）强度高、重量轻。高性能玻璃纤维锚杆的抗拉强度是相同直径钢质锚杆的1.5倍，重量却仅为同种钢锚杆的1/5；（4）安全性好。具有抗腐蚀、耐酸碱、耐低温等优点；满足地下工程、矿山工程和隧道工程安全生产的要求。玻璃纤维锚管主要由两个部分组成[4]：第一部分是玻璃纤维材料的锚固构件，第二部分是注浆管路构件，注浆管内可套入止浆塞进行定向定域注浆，如图1所示。

3.2注浆浆液选择

目前隧道加固注浆浆液类型一般有两种，即普通水泥单液浆和水泥-水玻璃双液浆。考虑到不同水泥生产商、不同批次生产的材料属性有所差异，在注浆施工之前分别对两种浆液进行系统试验。试验设计普通水泥单液浆水灰比为0.8∶1～1∶1，设计水泥-水玻璃双液浆水灰比为0.8∶1、配合比为1∶1，以优化确定合适的注浆材料。水泥各项属性指标如表1所示。水泥浆的强度一般以抗压强度和抗折强度作为主要的评定指标[5]。本次试验中，抗压试验参考《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70—2009）进行，试样尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm，抗折试验参考《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》（GB/T17671—1999）进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。试验结果如图2、图3所示。从图2中可以看出，水泥浆的抗压强度随养护天数的增长而增长，在28d时最大抗压强度为27.1MPa，水泥浆的抗压强度具有比较明显的时间效应，但其在7d后强度增长速度放缓，在7~28d这段时间内只增长了4MPa。而水泥-水玻璃浆液由于其早强性，在第一天的养护过程中就基本完成所有的强度增长，在后面的养护过程中抗压强度基本没有增长，其最大抗压强度只有16.3MPa。图3为两种试样的抗折强度试验结果，从图中可以看出，水泥浆的抗折强度随养护天数的增长而变化，在3d时强度为2.7MPa，14d时为4.9MPa，28d时最大抗折强度为5.3MPa，水泥浆的抗折强度与抗压强度一样具有比较明显的时间效应，在7d后强度增长速度放缓，在7~28d这段时间内只增长了1.2MPa。水泥-水玻璃浆液依然体现出早强性，第一天抗折强度就达2.1MPa，之后强度变化不再明显，其最大抗折强度只有2.8MPa。综合分析试验结果，可以发现水灰比1∶1的水泥浆液在抗压强度和抗折强度的表现上明显优于水泥-水玻璃砂浆。其中水泥浆最终抗压强度能达到27.1MPa，而水泥-水玻璃浆液的抗压强度只能达到16.3MPa。水泥-水玻璃浆液只是在早期凝结效率上占有一定优势，在其他方面的优势并不明显。所以如果施工项目在施工进度上要求不高，水泥浆液是最佳选择。项目设计单位提出注浆浆液强度等级不应低于M20，而且未对时效性进行明确指示。在合理设计施工组织的前提下，采用水灰比为1:1的水泥浆作为注浆材料，可以保证良好的注浆浆液强度。

4注浆锚固施工方案

（1）注浆工艺采用前进式分段注浆和后退式注浆相结合的超前预注浆工艺。当地层施钻不能成孔时，采用钻注一体的后退式注浆，在地层稳固后采用前进式分段注浆工艺。前进式注浆的分段长度原则为：钻机成孔较好时分段长度为10m，钻机成孔缓慢时（6~10m/h）分段长度为5m，卡钻或较大涌水量时立即停止钻进，实施注浆。（2）隧道开挖后及时施作系统锚杆，进行径向注浆，系统锚杆长4.5m，直径42mm，尾部外露部分不超过0.2m。施工过程中对水量大、卡钻的孔进行重点检查，补孔加强注浆。（3）注浆参数：采用普通水泥单液浆，水灰比为1∶1，孔口封闭密实，注浆压力为2MPa。注浆循环长度25m（含止浆墙28m），开挖20m，搭接5m；注浆加固范围沿开挖轮廓线布设2~3圈孔，外圈终孔在开挖轮廓线外5m。后退式注浆结束压力不小于4MPa，前进式注浆结束压力不小于6MPa。扩散半径不小于2.0m，终孔间距不大于3.0m，共设2个终孔断面，合计注浆孔33个，管棚孔31个。（4）注浆顺序：先进行稳定孔注浆施工，同时结合发散-约束型注浆原则进行，由外向内、由上到下、间隔跳孔进行注浆施工作业，具体步骤如为：第一步：进行A序5个拱顶稳定孔注浆，分别为A2、A4、A6、A8、A10；第二步：进行作B序内圈4个一序注浆孔注浆，分别为B2、B4、B6、B8；第三步：进行A序6个二序注浆孔注浆，分别为：A1、A3、A5、A7、A9、A11；第四步：进行B序4个二序注浆孔注浆，分别为：B1、B3、B5、B7；第五步：施作2-2断面的短孔（E序号），跳孔注浆；第六步：依次进行补孔、检查孔、管棚孔注浆。（5）效果评价：每循环选择注浆孔孔数的10%作为检查孔（4个，长20m），检查孔需布置在注浆过程中发现的地层薄弱部位。效果检查需要同时满足相应的检验指标，在不满足要求的检查孔附近重新按环绕梅花型布置补充注浆孔，直至检查孔检查效果满足设计要求为止。在注浆施工时，用锚固支护予以辅助支护，采用钢筋网、钢架、锚杆等工具进行加固防护，在完成支护工具安装后对围岩喷混凝土。

5结束语

基于注浆理论和监控量测结果，针对辽西隧道3#斜井出现围岩软弱易塌陷的情况，对3#斜井进行了注浆加固的试验研究，研究结论如下如下：（1）对比了不同注浆材料的抗折强度和抗压强度，获取注浆材料不同龄期下的基本力学特征，为后续注浆工作提供技术保证；（2）根据设计要求和现场围岩情况设计注浆方案，包括注浆工艺、注浆顺序、注浆参数和循环方式，并设立了检查孔布置方案，以便于验证注浆效果；（3）不同隧道地质情况不同，包括埋深、围岩、地下水等情况，遇到需要进行注浆加固的隧道，要选择合适的注浆方式并进行试验，选择适合的浆液配合比，以达到理想的注浆效果。

参考文献

[1]阙云,刘强华,李丹,等.渗透注浆扩散理论探讨[J].重庆交通学院学报,2006,25(5):105-108.

[2]杨米加,陈明雄,贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):839-841.

[3]赵林.基于分形理论的裂隙岩体注浆扩散规律研究[D].成都:西南交通大学,2008.

[4]《岩土注浆理论与工程实例》协作组编著.岩土注浆理论与工程实例[M].北京:科学出版社,2001.

[5]杨米加,陈明雄,贺永年.裂隙岩体注浆模拟实验研究[J].实验力学.2001,3(16-1)：105-112.

作者：孙铁轶 单位：中铁十二局集团第二工程有限公司