超前小导管在砂层隧道超前加固中的应用

超前小导管在砂层隧道超前加固中的应用

[摘要]：隧道在穿越砂层地质情况下，利用小导管注浆加固，采用风压注浆方法，进行小导管施工，可获得较好的注浆效果及工程进度，有力的保证了普通注浆工艺下作业循环时间长，工期延误的缺陷。通过河河区间砂层实践，注浆固结强度完全满足开挖循环时段内的自稳要求。

[关键词]：隧道；超前小导管施工；风压注浆

1.工程概况及地质条件

青岛地铁三号线一期工程，河西站～河东站区间隧道穿过地层主要为饱水砂层，施工风险较大，本区间暗挖段，在场地允许的条件下采用辅助降水，以降低掌子面水位，减少施工风险，同时采用帷幕注浆，前端设置止浆墙等措施，封闭水系。另外辅助超前小导管的施工措施。在区间下穿越建筑物，构筑物等不具备地面降水的区段，采用全断面注浆为主，洞内降水为辅，另外辅助超前小导管的施工措施，在区间穿越重要建筑物的区段打设大管棚。区间多处穿越砂层，属Ⅵ级围岩，稳定性低，开挖中易发生坍塌，无法形成自然应力拱。为保证施工安全、工程质量和施工工期要求，经理论论证和施工中试验调整，总结出采用水泥-水玻璃风压注浆超前加固地层的便于操作的一套工艺。

2.注浆浆液施工配合比选定

2.1配合比设计理论依据

水泥与水玻璃的主要化学反应为:

Ca(OH) 2 + NaO·nSiO2 + mH2O →Ca ·nSiO2 ·mH2O + NaOH(1)

水泥本身的凝结和硬化主要是水泥水化析出凝胶性的胶体物质所引起的,在硅酸三钙的水化过程中产生氢氧化钙:

3CaO·SiO2 + nH2O = 2CaO·SiO2·( n - 1) H2O +Ca(OH) 2(2)

在混合液中水泥与水玻璃的反应快,水泥本身的水解化学反应要慢得多。根据这一原理做了水泥水玻璃不同配比下的凝胶实验。实验结果见表1 。实验中根据现场工程实际情况,采用了固定水灰比,只改变水玻璃浆液浓度及水泥浆液与水玻璃浆比例的方法。

表1 不同配比水泥与水玻璃凝胶时间

实验温度20～23 ℃,湿度11～17 ,水玻璃为40Be′,水泥标号PO42.5 ,实验中采用固定水灰比为1∶1. 浆液在压力作用下并依靠自身扩散性渗透到超前小导管周围的地层中，水分挥发后形成CaO·SiO2·nH2O胶体和Ca(OH) 2晶体，将注浆扩散范围内松散的砂土颗粒胶结在一起。对隧道拱部打设的小导管注浆后，在隧道拱顶开挖轮廓外形成具有一定强度的胶结层，与小导管共同受力形成棚护效果，保证了隧道开挖的安全，较好地控制了开挖轮廓。

2.2原材料选择

水泥：P.O42.5硅酸盐水泥

水玻璃：40波美度工业水玻璃

水：饮用水

施工配合比：W/C=1：1，C/S=1：1(体积比)

2.3浆液配置

（1）水泥浆：按照设计水灰比，配置质量比为1:1水泥浆；

（2）水玻璃稀释：将水玻璃按配合比稀释至设计浓度（20波美度）；

（3）混合配置浆液：将稀释好的水玻璃缓缓加入到水泥浆中，边加边搅拌，防止因局部水玻璃浓度不均匀结块。

3.施工工艺

3.1小导管打设及注浆极具的设计与应用

根据现场施工条件情况及注浆工艺的可实现与可操作性，由于此工艺在细砂层地质条件下使用，则小导管的打设采用高压风吹孔成孔，机具用高压风管路接吹孔钢管，如下图所示，设计加工了注浆工具——牛角泵（如下图示），经试压检验后投入使用。其他辅助工具还有：500L塑料容器（3个），搅拌棒，高压风管等。

3.2工艺流程

（1）小导管打设工艺

在隧道开挖掌子面拱顶120°范围内，按照设计要求孔位及数量，利用制作的成孔机具（钢管）按照打设位置及角度，用高压风吹孔，将孔内砂土吹出孔内，待孔深达到设计要求，关闭阀门，拔出钢管，将加工好的小导管送入孔内，用自制胶泥（水泥水玻璃拌合物）堵塞孔口周围空隙，完成后按照此方法一次完成其余小导管就位。

（2）小导管注浆加固工艺流程为：

注浆工艺中的几个重要环节：

①水玻璃溶液配制过程中，注意佩带防护用具，尤其防止水玻璃溶液溅入眼睛。

②将水玻璃溶液加入水泥浆中后要迅速进行风压注浆，防止因停止时间过长造成管路堵塞。

③加入注浆液前应先送风，检验机具气密性，同时将超前小导管中的砂土清除。

④打开风压阀门实施注浆时，最好采用二次送风（间隔3—5min），可以将浆液压入导管中排出管中气体，并让浆液有一定的扩散时间。

（3）采用CS双液浆进行风压注浆对隧道拱部掌子面进行加固，能收到以下较好效果（与普通水泥—水玻璃双液浆注浆工艺相比较）：

①工艺简单，可操作性强：采用普通水泥水玻璃双液浆作为注浆材料，是选用持续压力注浆，注浆过程需要持续稳定压力才能保证浆液扩散效果，达到预期加固目的，因此需要用喷射混凝土对掌子面进行封闭处理，并且下一循环施工时需对喷射混凝土层进行破除，浪费了工时，降低了作业效率。而风压注浆将浆液注入到超前小导管后，依靠浆液自身的渗透性扩散到超前小导管周围的砂层中，从而达到地层加固的效果，施工不需要长时间持续压力，也不需要大面积封闭掌子面，操作简单。

②浆液扩散范围大，加固效果好。由于利用高压风吹孔安装的小导管，小导管管体周围约5~10cm范围内砂层受到高压风的冲刷，处于松散状态，利用高压风将双液浆快速的送入小导管中，浆液会迅速的沿溢浆孔向周围砂层扩散，浆液沿扰动松散砂层向小导管周边渗入，起到加固效果。实践现场证明，水泥水玻璃

双液浆与细砂混合后，可是原有松散砂层得到较好的加固。与普通的双液浆注浆工艺相比，此方法施工速度快，浆液渗透及加固周围松散砂层效果理想，加固影响范围在中粗砂层中的扩散半径可达20厘米，较好地控制了拱顶砂层的滑落、坍塌。

③省时节料，经济效果明显：采用风压注浆工艺从打设超前小导管到注浆结束的正常耗时30—40min，而水泥—水玻璃注浆工序则需要90—110min，每个工作循环可节省工时1个小时。同时，经简单计算，在该工程300米区间隧道小导管施工中采用风压注浆工艺，仅从提高注浆效果控制超挖超喷和节省封闭掌子面两方面就可以节约C25喷射混凝土用量达20%左右，另外从浆液用量角度分析，有效的较少了浆液因掌子面封闭不严造成的浪费，为工程成本节约提供了有效的措施。

4.注浆加固效果影响因素分析

应用风压注浆工艺进行的小导管注浆在青岛地铁3号线河河区间砂层隧道工程中的应用取得了较好的效果，基本达到了工艺简单、省时省力、节约降造的效果。同时，采用风压注浆加固工艺有一些不完善之处，一是注浆胶结体的强度较注浆机注浆加固围岩体的强度低，该工艺原理是依靠高压风瞬时作用效果，将浆液快速的注入松散砂层中， 反应产生的CaO·SiO2·nH2O胶体和Ca(OH) 2晶体，填充在砂层空隙中，由于隧道掌子面没有有效的喷射混凝土封闭，使得形成胶结体没有在持续压力作用下凝结，其强度低于普通注浆工艺加固围岩的强度，因此该浆液的胶结体在外力作用下易被破坏。二是适用范围较小，采用此工艺加固地层只适合细度模数不大于3.2的干燥砂层。为保证注浆加固效果，砂粒越粗空隙率越大，对注浆材料的填充和胶结能力要求也越高，但对此工艺施工利用高压风瞬时作用产生的压力而言，胶结体中的空隙和缺陷会因砂层孔隙率增加而变大，导致强度降低，以至不能形成足够强度的胶结体，满足不了施工要求。同时砂层中含水过高时，浆液在没有持续压力作用下，凝胶体会随地下水稀释作用达不到加固目的。这些缺点在今后的施工中将通过试验逐步解决，使该工艺更成熟，更能为工程施工发挥作用。