CN104453946A - 一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法 - Google Patents

Abstract

一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，具体步骤如下，步骤一，在隧道拱顶处测量放线，定位桩位；步骤二，利用水平旋喷工艺，在隧道拱顶进行水平旋喷桩施工；步骤三，在掌子面，通过双液注浆施工进行加固止水封堵；其中双液注浆中的浆液是由磷酸溶液和水玻璃溶液组成。本发明先在隧道拱顶进行水平旋喷加固，形成高强度的加固体；然后在掌子面上进行双液注浆施工加固，形成大范围、低强度的加固体，并对拱部的水平旋喷加固的缺陷进行补强，磷酸水玻璃注浆与水平旋喷注浆两种工法结合使用可以趋利避害，其工艺简单、施工效率高、缩短了工期，而且经济安全、便于工程实施。本发明可广泛应用于软弱围岩隧道修建的超前加固施工。

Description

一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法

技术领域

本发明涉及一种隧道施工领域，特别是一种隧道超前加固施工方法。

背景技术

在饱和粉细砂层或渗透性较低的类似地层的隧道施工中，采用普通的注浆方法效果很差。如在太中银铁路兴旺峁隧道、大西铁路上白隧道、兰渝铁路桃树坪隧道、厦深铁路梁山隧道、莞惠城际的多个标段，都存在普通的单液注浆或水泥水玻璃双液注浆可注性差的问题。这类地层致密无胶结，无自稳能力，开挖时易坍塌。在这种地层中，普通浆液不能有效均匀地扩散，即使有时采用高压，注入量很大时还是不能达到有效加固地层及防水堵砂作用。采用水平旋喷方法能在隧道开挖线外形成连续的拱壳以防止拱部的漏水漏砂，实际的运用也取得了较好的效果。在上述隧道中除莞惠线外都是运用水平旋喷方法最终解决了问题。但针对莞惠城际的5标和7标的富水全风化花岗片麻岩，采用水平旋喷方法都出了涌水涌砂事故。分析事故的原因，发现隧道拱部的水平旋喷的效果还是明显的，但隧道掌子面不够稳定。由于这一区域的地下水位高且水量丰富，虽隧道拱部加固效果良好，但掌子面核心土加固不到位，水从掌子面前方沿变形裂隙突入到隧道掌子面，从而形成突水涌砂。因此在此类工况下的隧道开挖不仅要用水平旋喷形成拱形保护，而且还要解决超前核心土的加固问题，使地下水不能从前方突入隧道。

水平旋喷工艺在隧道拱部或周边形成封闭的帷幕，起到防渗透的拱壳保护作用，为隧道开挖起到拱形保护，提高地层的强度，稳定掌子面，减少隧道变形。在隧道拱部或周边可形成封闭拱壳保护的还有隧道预衬砌法和管幕支护，但这两种方法相对于水平旋喷注浆造价较高。但是，水平旋喷注浆法在隧道开挖线外形成连续的拱壳只能防止拱部的漏水漏砂，而对于某些软弱地层如富水、饱粉细砂地层经常会发生掌子面前方或拱脚及仰拱部位土体突水涌砂涌泥及掌子面核心土坍塌等现象，因此为了解决此问题，需要进一步稳定掌子面及仰拱部位土体。由于水平旋喷桩体有很高的强度，如果在整个掌子面采用水平旋喷注浆法也能解决稳定掌子面的问题，但也正是由于其强度较高，会给开挖造成一定困难，而且由于水平旋喷其有效扩散范围有限，一般情况下水平旋喷桩的直径为600mm，在隧道拱部施工时，为了使桩相互咬合孔间距应为350～400mm，那么，一般双线隧道要打60个左右的孔才能在隧道拱顶形成180°封闭圈，因此如果要采用水平旋喷使整个掌子面超前核心土都达到隔水效果其工程量及施工周期均变得不可忍受，所以，传统的水平旋喷注浆工艺不适于对整个掌子面土体稳定。

采用注浆方法在一定程度上可以对掌子面土体进行改良加固，达到稳定掌子面土体的效果。目前注浆液有多种，多采用的双液注浆为水泥-水玻璃双液浆，由于水泥-水玻璃渗透性较差，对于富水、饱粉细砂层或其它软弱地层采用，水泥水玻璃浆液因颗粒太大无法注入，也不能有效改善突水涌砂涌泥及掌子面核心土坍塌的情况。

虽然有关文献对磷酸水玻璃双液注浆的应用进行了报道，但其是与注浆小导管结合使用，而且该隧道采用CRD法施工，机械化程度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，要解决软弱围岩隧道超前加固施工中突水涌砂，掌子面土体不稳定、容易坍塌等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，具体步骤如下：

步骤一，在隧道拱顶处测量放线，定位桩位。

步骤二，利用水平旋喷工艺，在隧道拱顶进行水平旋喷桩施工。

步骤三，在掌子面，通过双液注浆施工进行加固止水封堵。

所述双液注浆中的浆液是由磷酸溶液和水玻璃溶液组成。

步骤三中，在掌子面通过双液注浆施工进行加固止水封堵之前，在掌子面2上沿着隧道轴向均匀布置水平旋喷加固桩，然后再进行双液注浆施工，即在掌子面2上、隧道拱顶1和锚固桩的间隙中通过双液注浆施工进行加固止水封堵。

所述磷酸溶液和水玻璃溶液的体积比为0.5:1～1:1。

所述磷酸溶液中的磷酸与水的体积比是1:10～1:30，其中，磷酸的密度为1.7g/cm³。

所述水玻璃溶液中的水玻璃与水的体积比是1:1，其中，水玻璃波美度为40～53，模数为2.8～3.4。

所述步骤三为双液注浆施工或双液注浆与水平旋喷注浆施工。

所述双液注浆中的浆液由硫酸溶液和水玻璃溶液代替磷酸溶液和水玻璃溶液。

所述硫酸溶液和水玻璃溶液的体积比为0.5:1～1:1。

所述硫酸溶液中的硫酸与水的体积比是1:10～1:30，其中，硫酸的密度为1.3～1.6g/cm³。

所述水玻璃溶液中的水玻璃与水的体积比是1:1，其中，水玻璃波美度为40～53，模数为2.8～3.4。

与现有技术相比，具有以下特点和有益效果：

本发明克服了传统软弱围岩隧道超前加固施工不能有效解决突水涌泥现象、无法保证掌子面土体稳定的缺点，对掌子面进行土体改良加固，解决了软弱围岩尤其是富水，饱粉细砂地层隧道修建过程突水涌泥，掌子面不稳定等技术问题。

本发明通过对传统方法的比较和深刻研究，结合富水、饱粉细砂地层等软弱围岩的结构特点，将水平旋喷及双液注浆有效结合，其中双液浆采用磷酸-水玻璃浆液，溶液具体体积比可以根据现场地质层情况及施工情况确定；由于对水玻璃用酸改性使得双液浆的渗透性及扩散性能提高、优于水泥-水玻璃双液浆，此外，磷酸-水玻璃浆液也可以用硫酸-水玻璃双浆液替代，但硫酸有较大的腐蚀性，要注意其对人员及设备的损害，提供可靠地防护。

经过研究和实验，磷酸-水玻璃注浆孔间距及水平旋喷锚固桩的间距在1000～1200mm左右，远大于水平旋喷桩间距，加上磷酸水玻璃注浆强度较低，并不适合在隧道拱部采用双液注浆施工，会影响隧道开挖的安全，因此，本发明在掌子面进行磷酸-水玻璃双液浆注浆，双浆液在掌子面地层中按一定的扩散半径扩散凝胶，从而把松散的砂粒固结成一个强度较低的加固体，形成一个防坍塌、防涌水的固结圈，从而达到加固和防水的目的。另外，充分利用磷酸水玻璃渗透扩散性能好的特点，其可以对水平旋喷注浆施工过程中的漏洞进行补强，此外，磷酸-水玻璃溶液液体分子远远小于土体颗粒缝隙，一定压力条件下，能达到较大的渗透范围，通过专用的双通道钻具输送，磷酸-水玻璃双液浆可根据施工需要调节凝固时间，例如可以在几秒至十几分钟达到凝固。

本发明先在隧道拱顶进行水平旋喷加固，形成高强度的加固体；然后在掌子面上进行双液注浆施工加固，形成大范围、低强度的加固体，并对拱部的水平旋喷加固的缺陷进行补强，磷酸水玻璃注浆与水平旋喷注浆两种工法结合使用可以趋利避害，在我国软弱围岩隧道建设中尚未使用，该方法不仅可以避免软弱地层隧道施工的变形、突水涌砂涌泥等安全问题，还可以解决水平旋喷的工效问题和普通改性水玻璃注浆的强度不够问题，其工艺简单、施工效率高、缩短了工期，而且经济安全、便于工程实施。

本发明可广泛应用于软弱围岩隧道修建的超前加固施工。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的掌子面施工结构示意图。

图2是水平旋喷施工的工艺流程图。

附图标记：1-隧道拱顶、2-掌子面、3-水平旋喷桩。

具体实施方式

实施例参见图1所示，一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其应用地层为严重富水地层，为了防止施工过程中出现突水涌砂现象，在掌子面采取了磷酸水玻璃双液注浆与水平旋喷注浆工艺结合的方法，水平旋喷注浆后形成加固桩，在掌子面其它部分进行磷酸水玻璃注浆，具体步骤如下：

步骤一，在隧道拱顶1处测量放线确定桩位：在隧道两侧测量放线定出两个同一里程点、隧道轴线，并在掌子面测量标出隧道开挖轮廓线，测量确定桩位，并编好每个桩号，用钢筋作好桩位标志。

步骤二，利用水平旋喷工艺，在隧道拱顶1进行水平旋喷桩3施工：在隧道拱顶1上180°范围内布置一环水平旋喷桩超前拱部帷幕支护，富水砂层可布置两排，设计43根，桩径600mm，桩距350mm，现场无工作室条件下，施工桩长18米，开挖15米,水灰质量比为1:1，施工浆液压力不小于35MPa，旋喷桩体强度大于2MPa。

步骤三，在掌子面2上通过双液注浆施工进行加固止水封堵：设计双液注浆注浆孔39个，即图上S-1～S-13，间距1.0米，注浆半径500mm，孔深18米，注浆量为40～60L/min；溶液体积比为1:1,注浆压力0.5～1MPa,注浆体强度在0.3～0.5MPa。

参见图2所示，为水平旋喷施工的工艺流程，可以根据施工现场具体情况确定钻机旋转速度，回拨速度，注浆压力，浆液水灰比等施工参数，其具体步骤如下：

步骤一，做施工前准备：包括设备进场、钻机安装、对孔位、制定浆液以及安装钻头。

设备进场：检查钻机运行是否正常，回油管的快速接头是否完好，机台各种油管有无损伤，启动柜是否完好、包括启动柜内的各种开关、继电器、变压器、机柜等，三联泵有无损伤，检查液压油液面高度是否在油箱2/3的高度以上，电机是否受潮；钻具、工具是否齐全；高压注浆泵运行是否正常，高压注浆管路是否畅通，压力表是否正常。

钻机安装：1、平整工作平台，铺设轨道，安装立柱：场地要求平整，并挖设排水沟；要求如下：1)钢垫板规格：长×宽＝250mm×250mm；高强螺栓直径：Φ16mm；钢垫板与基础固定要牢，强度要高；2)H型钢轨找平误差<3mm；3)底盘对角线找方误差±3mm；4)斜拉筋需绷紧，交叉拉力基本相等；5)四柱对角误差±5mm；6)升降系统：卡瓦等上紧，加强整体性；7)所有螺母必须拧紧，发现溢扣者必须换掉；2、油泵、高压泵安装：要求场地平整，场地硬化，高压泵安装平稳，管路安装摆放整齐。

对孔位：设备安装好后，按技术交底调整钻机角度、方位，对准孔位，孔位误差控制在±50mm以内。

制定浆液：根据施工方案和技术交底要求的配比配制水泥浆，浆液搅拌必须均匀。在制浆过程中应随时测量浆液比重，每孔高喷灌浆结束后要统计该孔的材料用量。浆液用高速搅拌机搅制，拌制浆液必须连续均匀，搅拌时间不小于3分钟，一次搅拌使用时间亦控制在4h以内。并要求对浆液进行试块试验。

安装钻头，并检查探棒及喷嘴是否能正常工作。

步骤二，开孔并安装孔口管：开孔器开孔，采用直径130mm钻头钻进，钻进深度为1.0m；

退出钻具，准备安装孔口管；将一根直径为直径127mm、长1.0m的孔口管埋入开孔内，作为孔口管，孔口管外露尺寸为0.30m；在掌子面植入4根直径12mm的钢筋，钢筋用锚固剂固结，将钢筋与孔口管焊接牢固，加固孔口管；安装法兰盘和球阀。

步骤三，开始钻进：检查确定孔口管安装牢固后，调整钻机，对好孔位；将导向钻头及第一根钻杆送入孔口管内；安装密封装置；打开循环液排出口；开始钻进，每钻进3m要测量一次，并做好测量记录，一旦发现偏斜要及时进行纠偏，直到钻至设计深度；控制钻机压力不得超过1.0MPa。

水平定向钻进方法原理：水平定向钻进方法是非开挖管线施工的一种方法。该方法要求在钻进过程中能准确测定钻头在地下的位置和方向。根据钻头在钻进过程中的位置和方向同设计轨迹的差异，利用能进行调节方向的钻头，一般为楔型钻头，改变钻头的钻进方向，从而按设计要求完成各种管线的铺设。

钻头内装有特制的传感器，传感器直接由15V直流供电。显示屏显示钻头的倾角即水平角度、面向角即导向板的方向，导向板朝上即为12点，如同钟面，打设角度如果偏下，可以把钻头调到12点位置，即导向板朝上，直接顶进，此时由于导向板底板斜面面积大，受到一个向上的力，钻头轨迹就会朝上运动；同理在6点纠偏可以使钻头轨迹朝下，而9点、3点分别是为左、右方向纠偏。如果角度合适，钻机会匀速旋转钻进，此时钻杆轨迹一般是平直的，所以导向钻头是上下纠偏的关键，至于左右偏差根据传感器尾端的发光装置来定，通过仪器测量参数来纠偏。

步骤四，进行高压喷浆：进行高压喷浆前应检查高压注浆泵，查看泵压读数是否达到设计要求即在35～40MPa范围内，只有泵压达到设计要求时才能开始喷浆；在孔底高压喷浆时应停留一定时间，然后再缓慢外拔钻杆，钻杆每外拔出0.6m，应回退0.30m钻杆，同时高压喷浆；在高压喷浆时，应安排专人观察泵压变化，一旦发现泵压过低时应及时通知机台停止喷浆，查明原因后再恢复高压喷浆；喷浆参数：浆液要求水：水泥的质量比为1：1，注浆压力为35—40Mpa。

旋喷注浆时应注意事项：接、卸钻杆要快速，不要停留，防止塌孔和堵住喷嘴；旋喷过程中循环液排出口要保持畅通，如因故堵死，应松开密封装置疏通返浆通道，保持正常返浆，返浆量应控制在规范规定的20％左右；如果孔内不能疏通，为避免出现抱钻等情况发生，则应将钻杆退出，直至钻孔内返浆正常后再重新下旋喷钻杆进行高压旋喷；喷射时因故障中断，应酌情尽快处理，例如，因机械故障，要尽力缩短中断时间，及早恢复灌浆；如中断时间超过2小时，要采取补救措施；恢复喷射时，钻杆要多伸入0.3m，保证凝结体的连续性；喷浆过程中出现冒浆时，应及时从孔口进行封堵，如果出浆量较大时，则应考虑在浆液中加入速凝剂，并控制喷浆量和喷浆速度。

步骤五，当喷浆至距离孔口掌子面1.0m时，停止注浆，关闭浆液通道，再缓慢拔出钻杆，进行封孔作业：喷浆至孔口掌子面1.0m时，应停止喷浆；缷下孔口管最外端的密封装置，关闭循环液排出口；快速拔出钻杆和钻头，关闭大球阀；高压旋喷注浆完成后应用250泵补注浆，注浆压力控制在0.8～1.0MPa；补注浆完成48小时后方能缷下大球阀。

步骤六，清洗管道及设备：每根高压旋喷钻杆拔出后应立即用清水高压冲洗干净，避免残留浆液凝固，避免下次旋喷时残留颗粒物堵喷嘴；每根桩施工完毕后都应用清水高压冲洗管道及设备，确保管道内不留在残渣，清洗完毕后移至下一桩位。

所述步骤三可以是双液注浆施工或者是双液注浆与水平旋喷注浆结合施工：当磷酸-水玻璃双浆液在隧道掌子面加固强度不够时可根据具体情况适当增加掌子面其他加固措施，比如在掌子面施作水平旋喷加固桩，在掌子面通过双液注浆施工进行加固止水封堵之前，在掌子面2上沿着隧道轴向均匀布置水平旋喷加固桩，然后再进行双液注浆施工，即在掌子面2上、隧道拱顶1和锚固桩的间隙中通过双液注浆施工进行加固止水封堵，参见图1所示，在掌子面2上沿着隧道轴向均匀布置水平旋喷加固桩：水平旋喷锚固桩有13根，即图上M-1～M-13，设计桩径600mm，桩间距1.2米，桩长18米；双液注浆施工的相关事项包括注浆方式、浆液配制、注浆量的计算、注浆压力、注浆过程的控制以及处理注浆中所发生的异常问题，具体如下：

注浆方式：注浆采用渗透式注浆方式。

浆液配制：根据本工程特点，浆液配制以磷酸、水玻璃为主要制浆原料，水玻璃密度为40波美度，模数为2.8～3.4，ρ＝1.38g/cm³，磷酸的溶质质量分数为85％，弱酸，ρ＝1.7g/cm³；注浆前先将水玻璃与水按体积1：1稀释成水玻璃溶液，磷酸与水按体积1：30稀释成磷酸溶液，然后两种溶液以体积比1：1的比例进行土体加固注浆。

所述双液注浆中的浆液由硫酸溶液和水玻璃溶液代替磷酸溶液和水玻璃溶液。

所述硫酸溶液和水玻璃溶液的体积比为0.5:1～1:1；所述硫酸溶液中的硫酸与水的体积比是1:10～1:30，其中，硫酸的密度为1.3～1.6g/cm³；所述水玻璃溶液中的水玻璃与水的体积比是1:1，其中，水玻璃波美度为40～53，模数为2.8～3.4。

注浆量的计算原则：由于浆液的扩散半径与砂层孔隙很难精密确定，根据本线有关隧道工程地质、水文条件和注浆方式及所选择的注浆材料，进行注浆量的估算。

注浆量的估算公式按下式进行：

Q＝Anα(1+β)

式中：Q—总注浆量，m³；

A—注浆范围体积，m³；

n—孔隙率，％；

α—浆液填充系数(0.7-0.9)；

β—注浆材料损耗系数。

注浆压力的选定：注浆压力是注浆施工中的重要参数，它关系到注浆施工的质量以及是否经济。因此，正确确定注浆压力和合理运用注浆压力有着重要的意义。注浆压力与砂层孔隙发育程度、涌水压力、浆液材料的黏度和凝胶时间长短等有关，目前均按经验确定。通常情况下按如下经验式计算：

按已知的地下水静水压力计算，设计的注浆压力即终压值为静水压力的2～3倍，最大可达到3～5倍，即：

(2～3)P’＜P＜(3～5)P’

式中：P—设计注浆压力即终压值(Mpa)；

P’—注浆处静水压力(Mpa)。

根据注浆处地层深度计算：

P＝KH

式中：P—设计注浆压力即终压值(Mpa)；

H—注浆处深度(m)；

K—由注浆深度确定的压力系数。

注浆过程的控制：磷酸，水玻璃应严格按照要求稀释至配比浓度。配好的两种浆液要取适量的两种溶液测定凝结时间；为保证注浆泵正常运转，注浆前必须先进行试验。试验方法是先将三通阀门调到回浆位置，开泵后，待泵吸水正常时，将三通阀回浆口慢慢调小，注浆泵的压力徐徐上升，当达到预定的注浆压力，并持续3min不出故障，即认为泵的性能正常；采用“分级升压法”进行注浆压力控制，开始注浆时，不宜将压力值升到规定的最大数值，而应由低到高逐渐提高；注浆时，采用间歇式、定距注浆方式，间歇时间视浆液的胶凝时间而定，稍短于浆液胶凝时间，定距注浆距离为50cm，注浆时间不得低于10min；根据实际注浆效果调整注浆压力，采取注浆量与注浆压力作为双控标准，当注浆压力达到注浆终压，注浆量达到设定值的85％以上时，可结束该孔注浆,或注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量，并无漏浆现象，亦可结束该孔注浆。

处理注浆中所发生的异常问题：注浆压力突然升高，应停止注入磷酸水玻璃溶液，改注入清水，待泵压恢复正常时，再进行双液注浆；当进浆量很大，压力长时间不升高，发生跑浆时，应用棉丝封堵，并调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量、低压力注浆，以使浆液在砂层较快凝胶；也可间歇性注浆，但停注时间不能超过浆液的凝胶时间，当须停较长时间，则需使用清水冲洗管路，防止堵塞管路。

磷酸-水玻璃双液注浆作用机理：磷酸-水玻璃双液浆对粉细砂层有较好固结止水效果，且浆液渗透能力强，固结速度快，整体稳定性较好，通过注浆加固形成一道有效的帷幕之水固结带。双液注浆对土体的补强加固效应可视为由渗透、扩散、填充和挤密四部分组成。在注浆开始时，浆液总是先充填较大的空隙，然后在一定的压力下深入土体。渗入性为主的注浆，主要影响因素是土体粒径，当粒径比值N＝D15/G85≥15时，才能获得良好的渗透效果。

本发明采用了水平旋喷与双液注浆相结合的方式，即水平旋喷桩在开挖轮廓线外形成密实、相互咬合的水泥砂浆帷幕，桩身抗压强度可达到5～8Mpa，整体起到骨架作用；双液注浆浆液渗透能力强，利用其对土体渗透、扩散、填充和挤密的作用特性，在掌子面可起到紧密固结隧道核心土以提高其整体稳定性的作用，在开挖轮廓线外可填充水平旋喷桩之间空隙，当地层富水时，可沿着裂隙将水挤压到开挖线以外，防止开挖时漏水。

Claims (5)

1.一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一，在隧道拱顶(1)处测量放线，定位桩位；

步骤二，利用水平旋喷工艺，在隧道拱顶(1)进行水平旋喷桩(3)施工；

步骤三，在掌子面，通过双液注浆施工进行加固止水封堵；

所述双液注浆中的浆液是由磷酸溶液和水玻璃溶液组成。

2.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其特征在于：步骤三中，在掌子面通过双液注浆施工进行加固止水封堵之前，在掌子面(2)上沿着隧道轴向均匀布置水平旋喷加固桩，然后再进行双液注浆施工，即在掌子面(2)上、隧道拱顶(1)和锚固桩的间隙中通过双液注浆施工进行加固止水封堵。

3.根据权利要求1或2所述的软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其特征在于：所述磷酸溶液和水玻璃溶液的体积比为0.5:1～1:1；

所述磷酸溶液中的磷酸与水的体积比是1:10～1:30，其中，磷酸的密度为1.7g/cm³；

所述水玻璃溶液中的水玻璃与水的体积比是1:1，其中，水玻璃波美度为40～53，模数为2.8～3.4。

4.根据权利要求1或2所述的软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其特征在于：所述双液注浆中的浆液由硫酸溶液和水玻璃溶液代替磷酸溶液和水玻璃溶液。

5.根据权利要求4所述的软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法，其特征在于：所述硫酸溶液和水玻璃溶液的体积比为0.5:1～1:1；

所述硫酸溶液中的硫酸与水的体积比是1:10～1:30，其中，硫酸的密度为1.3～1.6g/cm³；

所述水玻璃溶液中的水玻璃与水的体积比是1:1，其中，水玻璃波美度为40～53，模数为2.8～3.4。