雙液注漿技術(shù)在富水黃土隧道加固中的應(yīng)用

陶 云 平

(中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原　030032)

0　引言

近年來，隨著國家高速公路網(wǎng)的不斷完善及“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的不斷實(shí)施，我國在黃土地區(qū)修建了大量的高速公路，使得黃土隧道施工及運(yùn)營規(guī)模迅速增大。由于黃土是形成于第四紀(jì)的全新統(tǒng)或更新統(tǒng)堆積土，其主要成分為粉土、砂質(zhì)粉土等，具有大孔隙發(fā)育、垂直節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松等特性，且具有強(qiáng)烈的水敏性和顯著的結(jié)構(gòu)性[1]。黃土地區(qū)一般溝壑縱橫、支離破碎，其水文地質(zhì)條件復(fù)雜，導(dǎo)致黃土地層極易形成陷穴、空洞、地裂縫、軟弱破碎帶、落水洞等不良地質(zhì)情況；加之黃土地區(qū)在極端降雨條件下，地表水沿垂直節(jié)理下滲，導(dǎo)致黃土隧道圍巖呈富水狀，極易導(dǎo)致黃土隧道在施工及運(yùn)營過程中產(chǎn)生塌方、掉塊、冒頂、襯砌開裂、滲漏水、底板隆起等病害，嚴(yán)重威脅施工人員及機(jī)械安全，增大施工成本，降低黃土隧道運(yùn)營服務(wù)功能[2]。

目前，黃土隧道注漿加固已成為隧道工程界一大研究熱點(diǎn)問題。韓士洲[3]結(jié)合陜北黃土隧道的注漿治理工程，深入分析了黃土隧道注漿效果；周燁[4]依托太峪隧道的工程實(shí)例，深入研究了黃土隧道注漿工藝及質(zhì)量檢查技術(shù)；徐潤(rùn)[5]利用室內(nèi)試驗(yàn)手段，深入分析了黏土—水泥漿液在黃土隧道注漿加固中的作用及效果。上述研究有力推動(dòng)了黃土隧道注漿加固技術(shù)的發(fā)展，本文依托吉河高速喬原隧道富水段，利用水泥—水玻璃漿液進(jìn)行注漿加固，深入分析其施工工藝，并通過現(xiàn)場(chǎng)觀察手段對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究成果為類似工程提供借鑒意義。

1　工程概況

吉河高速喬原隧道為分離式雙向四車道隧道，其總體走向?yàn)槲鞅薄獤|南方向，左右兩洞中軸線間距最大值為32 m，右洞起訖里程為K9+152～K10+778，全長(zhǎng)1 626 m，左洞起訖里程為ZK9+163～ZK10+735，全長(zhǎng)1 572 m，屬長(zhǎng)隧道。該隧道位于黃土塬上，在地表水的長(zhǎng)期沖蝕、侵蝕作用下，隧址區(qū)地表沖溝發(fā)育、溝壑縱橫，導(dǎo)致隧道地表處溝谷、陷穴分布較多，極易形成匯水區(qū)。

該隧道采用新奧法施工，其襯砌結(jié)構(gòu)型式為復(fù)合式襯砌，初期支護(hù)采用25 cm厚的C25噴射混凝土、Ⅰ18型鋼拱架，其間距為80 cm，錨桿采用φ25自鉆式中空注漿錨桿，鋼筋網(wǎng)片采用Φ8鋼筋，間距為80 mm×100 mm，二次襯砌采用50 cm厚的C30鋼筋混凝土。隧道在施工過程中，由于地表水下滲引起隧道圍巖含水量增大，在初期支護(hù)施作完成10 d左右，滲水浸透整個(gè)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，且表面產(chǎn)生較多的白色結(jié)晶體；同時(shí)，隨著施工進(jìn)度的不斷開展，該隧道富水段產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致仰拱處開裂，具體情況如圖1，圖2所示。

2　水泥—水玻璃漿液的基本性能

2.1　水泥—水玻璃漿液加固的基本原理

利用水泥—水玻璃進(jìn)行黃土隧道加固時(shí)，其基本原理在于當(dāng)水玻璃注入黃土體后，其與黃土中含有的金屬原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成SiO2凝膠物和堿性金屬硅酸鹽。由于黃土地層中節(jié)理裂隙發(fā)育、大孔隙分布較多，該凝膠物迅速充填其中，提高了黃土顆粒間的粘結(jié)力，減小了黃土富水地層的含水量，增強(qiáng)了黃土體的強(qiáng)度。

同時(shí)，水玻璃具有增強(qiáng)水泥水化反應(yīng)的速度，當(dāng)水玻璃與水泥中Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生硅酸鈣凝膠物。該凝膠物極大的減小了水泥注漿體的初凝時(shí)間，提高了水泥注漿體的早期強(qiáng)度。

2.2　水泥—水玻璃漿液加固的特點(diǎn)

1)水泥—水玻璃漿液的凝固時(shí)間可控性較強(qiáng)。由于水泥—水玻璃漿液的凝固時(shí)間與水灰比、水玻璃濃度、溫度等因素均相關(guān)，在同一溫度條件下，水灰比、水玻璃濃度越低，其漿液凝結(jié)時(shí)間越短。因此，在一定條件下，通過調(diào)節(jié)水灰比及水玻璃濃度即可有效控制其凝固時(shí)間，其調(diào)整范圍可從幾分鐘到幾十分鐘不等。

2)水泥—水玻璃注漿體中的結(jié)石程度較高，可形成較為清晰的漿脈，極大縮短了黃土隧道圍巖開挖后的自穩(wěn)調(diào)整時(shí)間，有效增強(qiáng)了黃土隧道圍巖的整體穩(wěn)定性。

3)水泥—水玻璃注漿體的強(qiáng)度與水泥、水玻璃的配合比具有非常明確的函數(shù)關(guān)系，即注漿體的強(qiáng)度存在一個(gè)最大值，對(duì)應(yīng)于配合比的最佳值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該最佳值為水泥—水玻璃體積比為1∶0.65。

3　黃土隧道注漿加固工藝

3.1　漿液配合比

根據(jù)喬原隧道的實(shí)際情況，為保證水泥漿液在富水黃土隧道段的可注入性及擴(kuò)散性，該漿液采用的水玻璃模數(shù)為2.8，其濃度Be′為38～40，配合比為：水灰質(zhì)量比0.75∶1，水泥采用普通硅酸鹽水泥，水泥—水玻璃的體積比為1∶0.5。

3.2　注漿孔布設(shè)位置

在隧道施工過程中，為保證富水黃土隧道掌子面及周邊圍巖的穩(wěn)定性，采用水平注漿及輻射注漿。首先，在水平注漿方面，其注漿孔布設(shè)于掌子面的開挖輪廓線內(nèi)的全部范圍內(nèi)，呈梅花形雙層布設(shè)，孔間距為0.5 m，孔深應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況確定，其長(zhǎng)度不小于3 m。在輻射注漿方面，該注漿孔以水平注漿孔為基準(zhǔn)，每個(gè)水平注漿孔周圍布設(shè)5個(gè)輻射注漿孔，其與水平方向的夾角分別為15°，25°，35°，45°，55°，具體情況如圖3，圖4所示。

3.3　注漿壓力

在黃土隧道圍巖注漿時(shí)，其注漿壓力主要受黃土體密度、初始應(yīng)力、孔深、布設(shè)位置、注漿工藝等因素的影響。在注漿施工過程中，當(dāng)注漿位置埋深較淺，漿液極易沿圍巖體的剪切滑動(dòng)面流動(dòng)，導(dǎo)致漿液無法注入目標(biāo)處，甚至從其他裂隙冒出。根據(jù)注漿壓力的經(jīng)驗(yàn)公式，可對(duì)注漿壓力進(jìn)行初步估算：

Pc-P0=c+kγh。

其中，Pc為注漿壓力；P0為黃土隧道圍巖水壓力；c為黃土體粘聚力；k為土壓力系數(shù)；γ為土體重度；h為注漿孔深度。

根據(jù)上述公式，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，經(jīng)計(jì)算后可知，注漿起始?jí)毫?.5 MPa，終壓為2.0 MPa。

3.4　注漿擴(kuò)散半徑

在通常意義上講，注漿擴(kuò)散半徑并非隧道注漿過程中漿液能達(dá)到的最遠(yuǎn)位置，而是指達(dá)到注漿效果的有效半徑。在黃土隧道注漿方案設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)選取有效的注漿擴(kuò)散半徑，以準(zhǔn)確指導(dǎo)施工。然而，注漿擴(kuò)散半徑受土體滲透系數(shù)、含水量等因素的影響，其理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大，無法準(zhǔn)確指導(dǎo)施工。本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，確定了黃土隧道注漿在終壓小于3 MPa

的條件下通常為0.6 m。

4　注漿加固效果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目在注漿加固施工完成后，通過對(duì)后續(xù)掌子面的開挖情況觀察可知，水泥—水玻璃漿液在富水黃土圍巖中得到有效擴(kuò)散，并形成了清晰的漿脈，其現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖5所示。同時(shí)，土體中地下水被擠出，含水量減小，黃土圍巖整體穩(wěn)定性提高。通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)注漿后黃土隧道圍巖進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試后可知，注漿后土體的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.0 MPa，較原黃土體的強(qiáng)度有大幅提升。

總之，采用水泥—水玻璃雙液注漿技術(shù)后，黃土隧道富水段圍巖工程性質(zhì)得到明顯改善，整體穩(wěn)定性得到大幅提升，取得了良好的注漿效果。

5　結(jié)語

本文依托吉河高速喬原隧道富水段，利用水泥—水玻璃漿液進(jìn)行注漿加固，深入分析其施工工藝，并通過現(xiàn)場(chǎng)觀察、室內(nèi)試驗(yàn)手段對(duì)注漿加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)水泥—水玻璃雙漿液在富水黃土隧道圍巖注漿中具有凝固時(shí)間可控性較強(qiáng)、結(jié)石程度較高、注漿體強(qiáng)度較大等特點(diǎn)。

2)采用水泥—水玻璃漿液對(duì)富水黃土隧道進(jìn)行注漿加固時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮漿液配合比、注漿孔布設(shè)位置、注漿壓力、注漿擴(kuò)散半徑等參數(shù)情況。

3)采用水泥—水玻璃漿液加固后，在黃土隧道圍巖中形成漿脈，減小圍巖含水量，提高圍巖整體穩(wěn)定性，取得了良好的效果。