黄土隧道富水地层帷幕注浆施工技术

黄土隧道富水地层帷幕注浆施工技术

赵晓旭

中铁十四局集团第三工程有限公司山东济南250000

摘要：帷幕注浆施工技术是目前解决西北地区黄土隧道穿越富水地层时的一个有效方法。该方法能有效的加固隧道洞身周边围岩，形成“隔水层”，利于洞身稳固，施工安全、高效。本文通过宝兰客专上庄隧道通过富水黄土地层段采用帷幕注浆加固技术的效果分析，论证了高含水率段落采用帷幕注浆加固确保开挖安全的必要性和可行性。

关键词：富水黄土隧道；帷幕注浆；施工技术

1引言

西北地区黄土地质分布较广泛，在个别沟谷、坡脚平台等浅埋段，洞身地层土体含水率高，土体软弱变形量大，甚至发生涌砂突泥，隧道施工难度极大，安全风险等级高。帷幕注浆施工技术在西北地区黄土隧道穿越富水地层时广泛使用。

2工程概况

宝兰客专上庄隧道位于甘肃省兰州市榆中县甘草店镇，全长4064m，单洞双线。洞身通过主要地层为第四系上更新统冲积砂质黄土（Q3al3）、中更新统风积黏质黄土（Q2eol3）和第三系上新统泥岩（N2MS）。隧道拱顶最大埋深203m，最小埋深19m，洞身两次浅埋下穿黄土冲沟，拱顶埋深均为34m。隧道采用进出口双口掘进，设三处斜井辅助施工。

隧道内地下水主要为黄土孔隙裂隙水，赋存于第四系砂质黄土的孔隙裂隙中。沟谷内汇水条件较好，雨水多以面流形式沿地面顺斜坡汇聚于冲沟内形成地表径流，地表水沿砂质黄土孔隙裂缝下渗补给深部地下水。

3上庄隧道主要不良地质情况

掌子面开挖至DK983+054，掌子面围岩为Q2黏质黄土，开挖揭示拱顶位于Q3砂质黄土、Q2黏质黄土接触带，埋深35～40m，含水率25～28.5%，掌子面土体开挖10～25min后，表面即出现渗水，自稳性差，掌子面土体向外溜坍，实测土体含水率为26.9%，拱顶开挖黏质黄土取样实测含水率高达31.1%。由于开挖土溜坍，隧道初支施做难度极大，安全风险等级高，且已施做初支段落表面有明显渗水。

4隧道帷幕注浆加固方案

通过隧道勘探和补勘显示洞身穿越Q3砂质黄土与Q2黏质黄土分界处、洞身穿越土石界面地段，黄土含水率大，承载力低，易导致初支沉降变形大、渗水，甚至掌子面涌泥、失稳滑塌。

当土体含水率>25%时，土体呈饱和状态，流塑状，掌子面无法自稳，采用全断面或半断面帷幕注浆（双液浆）超前预加固，有效控制了较大持续沉降变形。注浆后围岩挤密、固结效果明显。

4.1注浆参数确定

（1）止浆墙厚度

通过注浆试验效果分析及测算，确定止浆墙厚度为3m，可保证较高注浆压力，防止浆液反渗，确保注浆效果。

（2）钻孔、注浆机械

采用KR909-1多功能大型钻机进行钻进成孔，钻孔方法为跟管钻进法，因围岩为黏质黄土，易塌孔，钻进时采用先钻孔套管跟进的方法进行钻孔，确保有效成孔，套管孔径为φ127mm；采用KBY-80型双液注浆泵配合钻机进行注浆。

（3）注浆材料

采用水泥与水玻璃双液浆，该注浆材料能有效改善土体的渗水性，对洞身周边围岩固结效果良好，还考虑水玻璃浓度、水泥浆水灰比、C-S液的体积比、胶凝时间。水泥一般选择P.O42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃选择工业水玻璃，水玻璃模数为2.6～2.8，波美度35～40°Be'，水为无污染的地下水。

由于注浆区地下裂隙发育，吸浆量大，浆液凝结时间要求较短，但胶凝时间过短易导致堵管，故胶凝时间必须适中。配制如下两种配比的浆液：

（4）终孔间距

根据浆液扩散、固结围岩情况确定采用多排孔形式进行注浆加固，满足终孔间距为1.0~1.55m，注浆孔呈梅花形布设，可保证浆液扩散半径内围岩固结质量，防止出现注浆漏洞。

4.2注浆孔布置方法

为加固洞身土体，防止施工过程中出现掌子面掉块、溜坍等现象，防止地下水向已施工的初支背部汇聚，导致初支渗水、地基失稳等现象发生。在止浆墙施工完毕后，采用辐射注浆孔布设方法，对隧道全断面进行注浆加固，注浆孔均匀设置在止浆墙上，位置和钻进角度根据终孔位置进行确定，每排设置16个孔，最深孔深25m，见图1。

图1注浆孔布设位置图

4.3注浆施工

（1）注浆方式

由于该隧道土体含水率高，土质软弱易塌孔，成孔孔壁不规则，无法安装止浆塞，若采用常规后退式注浆法，塌孔处理非常麻烦，因此采用从前到后分段前进式注浆法。先钻注5～8m，然后再钻注下个8m，如此循环至设计深度。

（2）注浆顺序

注浆应按照由外向内、由下到上的原则进行，先对边排孔进行注浆，再注中排孔。为确保浆液渗透均匀，应采取间隔跳孔形式进行注浆作业。

（3）注浆压力

注浆允许压力公式:p=p0+m1m2D（p0为容许注浆压力初值,m1为注浆方法系数,m2为注浆次序系数,D为注浆段埋深）。深孔注浆的压力一般在4～8MPa之间，通过分析注浆试验段围岩固结情况，确定布孔方式、止浆墙厚度和终孔间距后，对注浆压力进行对比、测算，确定压力在4.0～6.0MPa之间。

（4）注浆结束标准

压力控制标准：当注浆压力逐渐升高，达到设定终压，同时注浆流量逐渐下降至小于5L／min时，该孔注浆已饱和，可以结束注浆。

注浆量控制标准：当单孔注浆量达到设计注浆量的1.5倍时注浆压力并未上升，可结束该孔注浆。

若注浆过程出现异常，例如注浆压力骤然下降后不再上升或者压力始终不上升、注浆量增大反常等情况，需根据具体情况采用调整浆液配比、更换浆液类型等措施处理。

图2注浆加固后浆脉效果图

5注浆加固效果检查及现场分析

5.1钻孔检查

注浆结束后，在取芯钻机进度较慢的情况下采用高压风钻钻孔取砟样检查。主要检查砟样中水泥浆充填情况、砟样含水率变化等。通过分析钻孔成孔状态，芯样各项指标以及钻进速度等，对注浆效果进行初步判定。

5.2掌子面土体观测

在下一循环的开挖施工中，即可观察注浆后的掌子面土体，通过现场查看，可初步判断注浆效果。现选取DK983+065和DK983+085两处作为加固后浆脉典型断面进行现场效果分析，见图2。

通过图2可以看出，隧道掌子面的土体有大量层理清晰的浆脉分布，土体稳定、固结情况良好，没有出现掉块和坍塌的现象。对土体进行进一步检测发现其强度有显著上升，含水率明显下降。由此可以说明，采用帷幕注浆法（双液浆）对黄土隧道穿越富水地层进行洞身加固有显著效果。

6结束语

采用KR909-1多功能大型钻机具有液压自震功能，注浆采用前进式分段注浆利用钻杆作注浆导管，注浆完成后震动钻杆继续作钻孔使用，避免重复钻孔，节省成本和工期。

帷幕注浆在高含水率黄土地层加固效果很好；在黄土夹富水砂层段由于砂层晶体孔隙小，注浆充填效果差，加固效果不理想，通过水玻璃改性、超细水泥等能够改善注浆效果。

参考文献：

[1]黄德发.王宗敏.杨彬.地层注浆堵水与加固施工技术.徐州：中国矿业大学出版社，2003。

[2]关宝树.隧道工程施工要点集（第二版）.北京：人民出版社，2011。

[3]张倬元.王士天.王兰生.工程地质分析原理.北京：地质出版社，2002。

[4]兰新铁路甘青有限公司.标准化建设管理手册.北京：中国铁道出版社，2013。