李苗苗

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300350）

0 引言

頁巖是一種特殊的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其強度、承載力、硬度等指標都比較差。 頁巖隧道由于圍巖結(jié)構(gòu)強度低，一旦受到震動、搓揉等外力的影響，就容易產(chǎn)生滑塌和掉塊等自然災(zāi)害。 在頁巖隧道施工中，存在很多難點，其中最大的施工難點是：在地下水豐富的區(qū)域，會出現(xiàn)突水和涌水問題， 致使很多工序無法順利開展，而且不利于保證施工的安全性。傳統(tǒng)管棚支護和超前支護施工技術(shù)難以滿足頁巖隧道的施工要求。

超前預(yù)注漿是一種改善圍巖結(jié)構(gòu)、 提高圍巖整體性和自承能力、降低支護成本、提高支護效果的有效方法。它利用漿液把圍巖周圍的各種弱面充實，使之重新膠結(jié)起來，從而改善圍巖的物理力學性能，提高圍巖的整體穩(wěn)定性和抗?jié)B性， 為保障掘進工作面安全、快速推進創(chuàng)造了條件。采用超前周邊注漿施工技術(shù)，可提前在頁巖隧道工程中施加一個圍巖支護。這樣既能提升圍巖的穩(wěn)定性， 還能有效控制涌水和突水造成的質(zhì)量問題和安全隱患。 筆者試以鄭萬高鐵湖北段－6 標黃家溝隧道為例，探討超前周邊注漿施工技術(shù)的應(yīng)用，以期供類似工程參考。

1 工程概述

鄭萬高鐵湖北段－6 標黃家溝隧道穿越地層為志留系沙質(zhì)頁巖夾碳質(zhì)頁巖， 右側(cè)為發(fā)育區(qū)域性斷裂層——田家溝大斷層。 隧道線路平行于該斷層前行，間距為100～300 m。 受該斷層影響，隧道范圍內(nèi)巖層產(chǎn)狀紊亂，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體擠壓破碎嚴重，局部地段巖體遇水嚴重軟化，呈泥狀，開挖后局部易發(fā)生小范圍滑塌現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性差。 黃家溝隧道大里程方向開挖后揭示，該區(qū)地層巖性為青灰色薄層狀沙質(zhì)頁巖，強度低、質(zhì)軟，受田家溝斷層及巖層順層偏壓影響，次生褶皺及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層擠壓嚴重，巖體呈碎屑～碎塊狀，開挖后嚴重風化，揉搓易碎，有局部掉塊、滑塌現(xiàn)象，圍巖自穩(wěn)能力較差，圍巖開挖后，掌子面巖層濕潤，在溝谷、褶皺核部存在裂隙水。

2 施工部署

2.1 施工流程

超前周邊注漿施工技術(shù)的施工流程為： 墊渣回填注漿平臺→施作注漿平臺段套拱和臨時仰拱→施作止?jié){墻→周邊注漿施工→施作檢查孔→注漿效果評定→施作大管棚。

2.2 注漿施工機械設(shè)備配置

超前周邊注漿施工任務(wù)量比較大， 為保證各道工序都能有序開展，需提前準備好機械設(shè)備。黃家溝隧道工程所需的主要機械設(shè)備如表1 所示。

表1 超前周邊注漿主要機械配置表Tab.1 Main mechanical configuration of advance peripheral grouting

KR805－2 多功能液壓鉆機配置了129 kW 道依茨發(fā)動機， 動力非常強勁， 最大扭矩可達到27 000 Nm，推進和起拔力可達到100 kN，運行過程也比較穩(wěn)定。該鉆機采用了比較先進的雙驅(qū)動動力系統(tǒng)，具有同時旋轉(zhuǎn)和沖擊的功能。如果配備上合適的鉆具，它可適用于各種地質(zhì)條件鉆孔。 將該鉆機應(yīng)用在頁巖隧道施工中，可實現(xiàn)鉆孔注漿一體化。

2.3 注漿孔、超前中管棚孔位的布設(shè)

在進行頁巖隧道施工時， 需要在開挖輪廓線之外構(gòu)成具有一定強度和承載力的穩(wěn)定固結(jié)體， 并用超前管棚進行柔性支護， 以最大限度地提升膠結(jié)體的承載力。這需嚴格按照“注漿擠密、管棚支護”的原則布設(shè)注漿孔和超前中管棚孔。

黃家溝隧道工程周邊注漿孔布設(shè)要點為： 隧道開挖輪廓線以外5 m 區(qū)域為注漿加固范圍， 共布設(shè)了90 個注漿孔，其中A 序孔24 個，B 序孔18 個，C序孔24 個，D 序孔24 個。 A 序孔、B 序孔深度控制在30 m 左右，各孔之間交錯布置，間距約108 cm，且孔到初支護面的距離要嚴格控制在90 cm 左右。C 序孔深度控制在18 m 左右；D 序孔深度控制在12 m左右，也是交叉布設(shè)，間距控制在105 cm 左右，但到初期支護面的距離要適當縮小， 最小不能超過40 cm。 A、B 孔和C、D 孔之間的排距應(yīng)為50 cm 左右。

該工程超前中管棚孔位布置要點為： 在隧道拱部120°范圍中布設(shè)37 個管棚孔，間距控制在40 cm左右，到初期支護面的距離在20 cm 左右。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 操作平臺搭設(shè)

超前周邊注漿施工需對隧道四周進行全面布孔，為便于施工，需提前搭設(shè)操作平臺。一般情況下，平臺長為10 m，平臺底面到初期支護的距離約為5 m，操作平臺搭設(shè)作業(yè)圖如圖1 所示。

圖1 操作平臺搭設(shè)作業(yè)圖Fig.1 Erection of operation platform

為滿足施工需求， 確保既有支護結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性，案例工程在D1K472+308～+318 段作業(yè)平臺施作I20b 套拱和臨時橫支撐，套拱與臨時仰拱的間距約為80 cm，拱墻套拱、拱架、初期支護面之間的空隙用木楔密貼［1］，臨時橫向支撐采用強度等級為C20 的混凝土密封， 并使混凝土面超出拱架面至少10 cm，且混凝土封閉面到初期支護面的高度為4.7 m。此外，在初期支護以下約65 cm 的位置，環(huán)向打設(shè)1環(huán)直徑為22 mm 的鋼筋錨桿， 其長度控制在1.5 m左右，打入圍巖的深度不能小于1.0 m，并利用錨固劑填充桿體和圍巖之間的空隙， 作為止?jié){墻和掌子面之間的聯(lián)系筋，環(huán)向間距要控制在1.0 m 左右。

3.2 打設(shè)注漿孔

根據(jù)提前確定好的孔位， 將注漿孔標記在止?jié){墻上，具體如圖2 所示。

圖2 止?jié){墻斷面示意圖Fig.2 Section of wall for stop grouting

標記好孔位之后，鉆機進場，調(diào)整鉆桿的角度，用Φ130 mm 鉆頭對準標記點，低速鉆進至1.5 m，安裝上孔口管。 工程孔口管選取Φ108 mm、δ＝5 mm 無縫鋼管加工制作而成，長度為1.5 m。然后，在孔口管的外壁纏繞上長50～80 cm 的麻絲，再用鉆機沖擊到設(shè)計深度，并用水泥基錨固劑機進行錨固，以免孔口管發(fā)生滲漏漿液的問題［2］。

3.3 注漿施工

3.3.1 施工原則及順序

在超前周邊注漿施工中， 注漿是非常重要的工序，注漿效果直接關(guān)系到工程施工的成敗。 因此，為保證施工質(zhì)量，在進行注漿施工時，應(yīng)嚴格遵循“先長后短，先內(nèi)圈、后外圈”的施工原則，以便實現(xiàn)對注漿區(qū)域的嚴格控制，提升擠密加固效果。黃家溝隧道工程注漿施工順序為：

（1） 依次施作A1、A3、A5、A7、A9、A23、A21、A19、A17、A15、A13、A11號注漿孔；

（2）依次施作A2、A4、A6、A8、A10、A24、A22、A20、A18、A16、A14、A12號注漿孔；

（3）依次施作B1、B3、B5、B7、B9、B17、B15、B13、B11號注漿孔；

（4） 依次施作B2、B4、B6、B8、B10、B18、B16、B14、B12、B10號注漿孔；

（5） 依次施作C1、C3、C5、C7、C9、C23、C21、C19、C17、C15、C13、C11號注漿孔；

（6） 依次施作C2、C4、C6、C8、C10、C24、C22、C20、C18、C16、C14、C12號注漿孔；

（7） 依次施作D1、D3、D5、D7、D9、D23、D21、D19、D17、D15、D13、D11號注漿孔；

（8）依次施作D2、D4、D6、D8、D10、D24、D22、D20、D18、D16、D14、D12號注漿孔。

3.3.2 注漿工藝及流程

總體采取分段前進式注漿工藝， 無塌孔分段長度控制在5～10 m 之間。 若遇到特殊地質(zhì)條件，注漿難度大， 采用前進式注漿和后退式注漿相結(jié)合的注漿工藝。 注漿結(jié)束時的壓力一般控制在4～6 MPa 之間，具體可按照現(xiàn)場情況適當調(diào)整。

分段前進式注漿的具體步驟為：（1） 分段鉆孔（一般在5～10 m）結(jié)束后，退出鉆桿，安裝法蘭盤堵頭板。法蘭盤堵頭板與孔口管用螺栓連接牢固，為防止漏漿，中間加入高壓鋼墊片。 （2）將直徑20 mm 注漿芯管焊在法蘭盤上，再安裝在孔口管法蘭盤上，進行注漿。（3）注漿完成后，利用鉆桿掃孔，然后鉆進至下一段，再次注漿，如此往復，直到設(shè)計深度。 （4）最后一段施工完成后，將直徑為42 mm 的鋼花管嵌入鉆孔，使之全部深入孔底，并在尾端連接止?jié){球閥，同時對孔內(nèi)壓注雙液漿進行固結(jié)，作為封堵層，然后進行最后一段的注漿作業(yè)， 注漿完成后將小導管作為超前錨桿，用以加固掌子面前方圍巖。

3.3.3 漿液配置

在配制單液漿時， 漿液水灰比應(yīng)控制在1∶1～1∶0.8之間。配制漿液時，需提前準備好相應(yīng)的臺秤等計量設(shè)備。拌和漿液時，先加入水，再加入水泥，連續(xù)攪拌3 min 后，方可投入使用。

在配制雙液漿時， 需要先在攪拌筒中加入適量濃度的水玻璃，再加入適量的清水，邊加水邊攪拌。選擇波美度計進行實時測試， 將其配制成350Be 的標準濃度水玻璃液。 使兩種漿液充分混合之后進入地層［3］。

3.3.4 注漿

配制好漿液后，要及時完成注漿。 注漿時，先注入單液漿，再注入雙液漿；漿液濃度要先稀后濃；注漿量要由大到?。蛔{壓力要先低后高。當注漿量及注漿壓力持續(xù)穩(wěn)定上升時，用1∶1～0.8∶1 的雙液漿進行封孔操作，以降低下一階段掃孔間隔的沙漿。黃家溝隧道工程孔口管注漿狀況如圖3 所示。

圖3 孔口管注漿示意圖Fig.3 Diagram of orifice pipe grouting

開始注漿后，若出現(xiàn)注漿壓力上升速度非?？欤⒖焖龠_到6 MPa 以上的現(xiàn)象，可能是因為巖體裂隙比較小，導致進漿速度比較慢。 此時，需要改用低流注漿泵， 連續(xù)注入單漿液水泥漿直到完成封孔操作。 如果出現(xiàn)注漿壓力比較低，注漿量卻比較大，長時間注漿壓力不上升的現(xiàn)象， 可能是遇到了溶洞或者其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)。這時，需要及時采取間歇式注漿方法，待注漿壓力提升到5 MPa 以上時，立即封孔，并保證停止注漿的時間不超過漿液凝膠的時間。

啟動注漿泵之前，需要調(diào)節(jié)油壓到設(shè)定刻度上，隨著注漿阻力的加大，泵壓會隨之升高，達到設(shè)定值之后，自動停機。 對無法達到預(yù)定壓力值的注漿，需要在壓力達到預(yù)定值后，立即打開泄?jié){閥進行減壓。可通過調(diào)節(jié)注漿機的溢流閥來控制注漿泵流量大小，科學合理地控制注漿機的運行速度［4］。 除此之外，凝膠時間也需要嚴格控制，主要是通過調(diào)換水泥漿、水玻璃的濃度以及水泥漿液與水玻璃的比例，以達到調(diào)整雙液漿凝膠時間的目的。 為保證凝膠時間滿足超前周邊注漿施工要求， 濃度或配合比每變換一次，都需實配取樣，以確定凝膠時間，并在泄?jié){接口混合后實際測定注入雙液漿的凝膠時間， 以免發(fā)生異常情況，影響注漿效果。

3.4 注漿效果評定

在超前周邊注漿施工中， 注漿效果評定是決定開挖方案的主要依據(jù)。 在案例工程的注漿效果評定中，主要依據(jù)鉆孔所得地質(zhì)資料來進行評定，具體做法是，當注漿結(jié)束之后，采取分析法來評價注漿后底層漿液填充率，以判斷注漿效果；對潛在的薄弱環(huán)節(jié)鉆孔檢查，保證檢查孔不塌孔，且孔內(nèi)成像探測成孔性良好，即可判定達到了設(shè)計的注漿效果［5］。檢測孔位布置不少于5 個，布設(shè)在兩排注漿孔位之間，距離初始支護面的距離控制在65 cm 左右，其中拱頂中心1 個，拱頂以下2 m 范圍之內(nèi)的邊墻、拱腳兩側(cè)各1 個，具體的檢測孔布置圖如圖4 所示。

圖4 檢測孔布置圖Fig.4 Layout of inspection holes

3.5 管棚支護

在案例工程施工中，為滿足設(shè)計要求，沿著隧道拱部120°的范圍環(huán)向布置了37 根超前管棚。 管棚開孔位置到初期支護面的距離約為20 cm， 間距控制在40 cm 左右，布設(shè)深度為30 m。 管棚采用直徑為89 mm、壁厚為5 mm 的熱軋無縫鋼管（每節(jié)長4～6 m）加工而成，沿管壁方向呈梅花形對稱布設(shè)4排直徑為6 mm、間距為50 cm 的溢漿孔，每根鋼管全部設(shè)置溢漿孔［6］。 每段管片之間通過內(nèi)接頭連接，內(nèi)接頭采用直徑為76 mm、 壁厚為5 mm 的熱軋無縫鋼管，長度為60 cm，插入管棚管內(nèi)30 cm 后，焊接牢固。 管棚長度為30 m。

4 結(jié)語

超前周邊注漿施工技術(shù)具有很強的適應(yīng)性，可滿足不同地質(zhì)條件下的注漿施工，而且施工質(zhì)量和效率都比較高。 在整個注漿過程中，要始終保證注漿管道通暢，以提升注漿的連續(xù)性。如果注漿段比較長，要進行分段注漿，嚴禁任意延長分段長度，必要時可重復注漿，以保證注漿質(zhì)量和效果。一旦遇到漿液跑、冒比較嚴重的現(xiàn)象，要及時采用間歇式注漿方法，或者調(diào)整漿液配置，縮短凝膠時間，提升封堵效果。