浅析暗挖法隧道掌子面注浆技术

浅析暗挖法隧道掌子面注浆技术

潘涛 陈婧

云南通衢工程检测有限公司 650041

【摘要】随着我国公路、铁路建设的飞速发展，长大隧道修建数量不断增加，隧道突涌水地质灾害频繁发生，特别是在岩溶地区修建的隧道更为突出，突涌水地质灾害已成为影响隧道施工及安全的主要因素。因此在长大隧道的修建过程中如何有效的预防涌水、突泥、坍方、变形等地质灾害一直是施工的难点和风险，成为制约工程顺利推进和工程风险控制的关键因素。而针对暗挖法隧道掌子面注浆技术在近年来得到广泛应用，效果显著。

关键词：暗挖法；注浆；技术

前言

近些年来，轨道交通飞速发展，极大的便利了人民的生活条件，施工技术也在不断提高，但是面临的施工环境也越来越复杂，地形地质条件极为恶劣，水下隧道的施工难度也越来越高，特别是采用矿山法施工的水下浅埋软岩隧道，在修建中面临着许多复杂的工程技术问题，其中最突出的便是开挖过程中的掌子面稳定性问题。而注浆技术就是面临该类问题逐渐发展和应用起来的一项核心技术。

一、注浆技术介绍

1．注浆技术应用

注浆工程应用范围广泛，主要包括软岩加固，注浆堵水，回填防沉，竖井下沉控制，房屋沉降控制，滑坡防治，变形控制，塌方处理，基坑截水帷幕，渗漏水治理等。

2．注浆扩散机理

注浆施工中，浆液在地层中的作用方式主要表现为4种：渗透扩散、劈裂扩散、裂隙填充及挤压填充。

（1）渗透扩散：浆液在压力条件下，在不改变土体结构和颗粒排列的原则下，挤走颗粒间的游离水和空气，达到填充土体孔隙的目的，浆液凝结后，起到加固土体和堵水的作用。

对于粒状材料，如果想取得渗透扩散，应对材料粒径进行计算选择。计算采用J. C. King判式确定：

式中：N注浆比；D₁₅、D₁₀为土的粒径累计曲线的15%、10%的直径（μm）；G₈₅、G₉₀为注浆材料的粒径累计曲线的85%、95%的直径（μm）。

（2）劈裂扩散：在对于弱透水性地层中，当注浆压力超过劈裂压力时土体产生水力劈裂，使得土体内突然出现裂缝，地层吸浆量突然增加，浆液呈脉状进行渗透。

（3）裂隙填充：在残积层、断层破碎带、富水溶槽溶隙中进行注浆施工时，一般当注浆材料粒径能满足小于裂隙宽度的1/3~1/5时，均能产生裂隙填充。根据工程经验，在这种地层中一般采用普通水泥浆、普通水泥-水玻璃双液浆基本能满足裂隙填充的要求。

（4）挤压填充：浆液在地层中难以扩散或劈裂进入地层的空隙中，只是在注浆压力条件下，地层被浆液挤密。挤压注浆只是在基础处理时，为提高地基承载力而采取的一种注浆方式，注浆效果差，原则上不宜采用。

3．常用注浆材料

（1）普通水泥浆（简称C浆）

普通水泥浆采用普通硅酸盐水泥（粒径D₉₅多小于80μm）作为主要原料，具有强度高、耐久性好、无毒、无味、材料来源广，价格低廉的优势。

（2）水玻璃类浆液

水玻璃又称泡花碱，是一种透明的玻璃状熔合物的工业产品，主要成分是Na₂O·nSiO₂。

适用于无水或潮湿的粉细砂地层中。

（3）普通水泥-水玻璃双液浆（简称C-S浆）

普通水泥-水玻璃双液浆是将普通水泥和水玻璃溶液作为两种主要成分，按照一定比例，采用双液浆灌注工艺进行注浆。由于普通水泥-水玻璃双液浆凝胶时间短（从几秒钟至几十分钟可调），注浆结实率高（达到95%以上），并且具有一定的强度，因此，对于堵水，特别是水压较高、水流速较快，以及当填充宽度较大的岩溶裂隙时经常采用。

适用于渗透系数大于10-2cm/s中粗砂、粗砂、砂砾石、砂卵石，以及断层破碎带注浆堵水工程中。

（4）超细水泥浆（简称MC浆）

作为注浆材料，它具有强度高、耐久性好、无毒、无味，材料来源广、价格低廉等优点，一般注浆施工优先选用普通水泥，但由于普通水泥颗粒粒径较大，粗颗粒较多，这就是他难以注入渗透系数低于10^-2cm/s的砂质地层和宽度小于0.2mm的裂隙中，因此对于渗透系数较低的砂质地层和细小裂隙，应采用超细水泥。

在渗透系数为10-2~10-4 cm/s的中系砂层中有较好的渗透性能。在粉细砂层和粉质粘土层中，采取袖阀管式分段注浆工艺，能取得较好的劈裂注浆效果。

二、注浆设计与参数选取

1．浆液凝胶时间

对于单液浆，浆液的凝胶时间原则上不宜超过8h，否则难以控制浆液的扩散范围；对于双液浆，浆液的凝胶时间宜控制在30sec~3min，当地层涌水量较大时、现场操作人员对工艺熟练时取小值，否则取高值。

2．扩散半径

注浆扩散半径并不是指浆液在地层中扩散的最远距离，而是指浆液能符合设计要求的扩散距离，因此，在扩散半径选取时，要选择多数条件下可达到的数值，而不是平均值。扩散半径用符号R表示。

（1）粒状注浆材料的扩散半径采用下式计算：

式中：为水的密度（g/cm³）；g为重力加速度（cm/s²）；h为注浆压力（水头压力的高度，cm）；

为空隙的等效半径（cm）；S为注浆材料的凝胶强度（dyn/cm2，1dyn=10^-5N），r为注浆孔直径（cm）。

（2）化学注浆材料的扩散半径采用Maag公式进行计算：

式中：为地层的渗透系数（cm/s）；g为重力加速度（cm/s²）；h为注浆压力（水头压力的高度，cm）；r为注浆孔直径（cm）；t为注浆时间（s）；为浆液粘度与水的黏度的比值；n为地层孔隙率。

（3）扩散半径的选取：对于浆液扩散半径，现场施工市场采取经验取值，一般在中细砂、粉质粘土中取0.5~0.8m，中粗砂、砂卵石层中取0.8~1.2m；断层破碎带取1.5~2.0m。

3．终孔间距

采用单排（圈）孔注浆设计时，注浆孔间距按a=1.5R确定；对于多排孔注浆设计时，注浆孔间距应满足。

4．注浆分段长度

在注浆施工中，当地层越复杂，注浆分段长度应越短，否则将影响注浆效果。根据工程实践，对于砂层、粉质粘土层，采取后退式分段注浆时，分段长度宜取0.4~0.6m。

5．单孔单段注浆量

按地层空隙率、地层空隙填充率、浆液损失率可进行注浆量计算：

式中，Q为单孔单段注浆量（m3）；R为浆液扩散半径（m）；H为注浆分段长度（m）；n为地层孔隙率（裂隙度），裂隙带取2%~5%，断层破碎带取10%~20%，砂层及填充型溶洞和岩溶发育带取30%~40%；为地层空隙或裂隙填充率，取70%~80%；为浆液损失率，裂隙带或断层破碎带去5%~20%、砂层及填充型溶洞和岩溶发育带取10%~20%。

6．注浆终压

以堵水为主要目的的注浆，注浆终压按照下式计算：

式中：为注浆终压（MPa）；为现场实测静水压力（MPa）。

以加固为主要目的的注浆，注浆终压为2~4MPa。

7．注浆速度

根据工程实践经验，对于粉质粘土中注浆，注浆速度宜取20~40L/min；对于砂砾土层等空隙较大的地层中注浆，注浆速度宜取40~60L/min；对于断层破碎带注浆，注浆速度宜取60~120L/min。

8．单孔单段注浆结束标准

对于单孔单段注浆结束标准可按下述标准制定：（1）当采取定量注浆量时，达到设计注浆量，或者注浆终压达到设计注浆终压时注浆速度小于5~10L/min；（2）对于采取定量-定压相结合注浆时，前序孔应达到设计的单孔单段注浆量的1.2~1.5倍，后序孔应达到设计终压，注浆速度小于5~10L/min。

结语

对隧道掌子面的土体进行加固，防止开挖过程中出现土体垮塌现象，并按照科学的工艺流程进行施工：①根据注浆孔标高搭设支架，就位注浆设备；②准备材料并配置浆液；③定位钻孔中心，利用钻机钻孔；④钻孔至预定长度（16m），进行封孔；⑤采用注浆机进行后退式注浆。对于注浆效果判别可采用取芯法、标贯法，室内试验法或物探法等。

参考文献

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