張劍峰

【摘 要】 隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資也越來越高，公路、鐵路、水利工程項目建設(shè)占有很大的比重，同時，在這些項目建設(shè)的過程中伴隨著大量的隧道工程項目建設(shè)。但由于地質(zhì)條件較差、地質(zhì)勘測不準確或施工方法不當?shù)仍蛲ǔＴ斐伤淼捞降膯栴}。目前，處理坍方地段相對成熟的施工技術(shù)是采用超前管棚注漿加固松散坍方體，進行分步開挖，短進尺，強支護。同時，由于水泥—水玻璃雙液漿凝結(jié)極其迅速，達到準確控制只需幾秒鐘到幾十分鐘，并且漿液凝固后的結(jié)石率高，結(jié)石體早期強度增長快。使得在處理不良地質(zhì)地段隧道或隧道坍方的施工中通常應(yīng)用雙液注漿技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 水泥-水玻璃雙液注漿；隧道坍方；施工工藝；處理；應(yīng)用

高等級公路建設(shè)在經(jīng)過黃土地區(qū)時，通常采用隧道方案解決黃土山梁阻擋施工路線的問題。黃土山梁的組成通常是第三紀泥巖和上覆的第四紀黃土，隧道施工時進出口段大多是位于“泥巖夾心”地層，即中間為第三紀泥巖地層的黃土地層。但黃土與泥巖分界帶附近土體呈軟塑-流塑狀，強度較低，形成原因是由于黃土具有很強的垂直滲透性，而第三紀泥巖基本上不透水，于是導致地下水滲流受阻。同時，隧道在開挖過程中導致地下水的滲流方向改變，使隧道成為地下水的排泄通道，于是隧道圍巖周圍富集大量水分，進一步惡化了圍巖的工程性質(zhì)。因此，在這種復雜地質(zhì)的條件下，黃土與泥巖交界處的隧道圍巖自身承重能力極差，極易發(fā)生坍方現(xiàn)象。所以，隧道施工極難成洞。即使成功成洞，但由于隧道洞身的承載力以及穩(wěn)定性嚴重不足，無法控制沉降，不僅導致施工后期病害多，而且其病害多難以處理，是黃土隧道建設(shè)中亟待解決的技術(shù)難題。因此，黃土隧道施工建設(shè)必須根據(jù)室內(nèi)和現(xiàn)場試驗及工程實際，并合理控制水泥—水玻璃雙液注漿的主要技術(shù)參數(shù)及施工工藝，從而制定合理的施工及問題解決方案。

一、水泥-水玻璃漿液性能

1、水泥—水玻璃漿液固化機理

水玻璃是一種水解后呈堿性的粘稠液體。當其被壓入黃土中，即與黃土中的堿土金屬相互作用，生成二氧化硅凝膠和一種水合硅酸鹽的堿金屬，于是二氧化硅凝膠和水合硅酸鹽將黃土中的孔隙充填，使得黃土粒間膠結(jié)力增加，硬化土體，增加強度。同時，水玻璃加快了水泥的水化作用。在宏觀上，縮短了水泥漿液的初凝時間，使得結(jié)石體早期強度增長明顯加快。

2、水泥-水玻璃漿液特點

膠凝時間短，可準確控制時長。水泥-水玻璃漿液的膠凝時間通常受水泥漿水灰比、水玻璃溶液濃度、水玻璃溶液與水泥漿的體積比以及漿液溫度影響，但在同一條件下，主要表現(xiàn)為：增加水泥中硅酸三鈣含量，降低水泥漿的水灰比以及水玻璃溶液濃度，縮小水玻璃溶液與水泥漿比例以及提高溫度，可明顯縮短漿液的膠凝時間。

3、固結(jié)后的結(jié)石率高，且結(jié)石體的早期強度增長速度快，迅速提高隧道圍巖的抗壓強度。

4、水泥漿與水玻璃溶液有一個合適的配合比。

在合適的配合比下，水玻璃對強度的影響達到峰值，結(jié)石體強度最高。

二、注漿目的

利用水泥—水玻璃漿液膠凝時間短且可準確控制膠凝時間，固結(jié)后的結(jié)石率高以及結(jié)石體早期強度大等特性，按照劈裂灌漿原理，采用水泥-水玻璃雙液注漿方法，即通過相對較高的灌漿壓力使水泥和水玻璃兩種漿液克服地層的初始應(yīng)力和抗拉強度，從而導致土體結(jié)構(gòu)擾動及破壞，擴張黃土層中原有的孔隙或裂隙，甚至形成新的孔隙或裂隙，進而增大飽和黃土層的可濯性和漿液擴散距離，使?jié){液混合并迅速凝結(jié)。同時，網(wǎng)狀漿脈在土體中的形成，水分不僅能夠通過漿液被強制擠出，還可通過水化熱吸收，使得土體含水量降低的目的得以實現(xiàn)。另外，土體形成的網(wǎng)狀加筋復合體還可使得飽和黃土的強度得到提高。

三、漿液擴散半徑

漿液擴散半徑，即滿足工程要求的漿液擴散距離，而并不是漿液擴散的最遠距離。由于黃土在水平向和豎直向的滲透系數(shù)不一樣，導致理論擴散半徑與實際擴散半徑差異很大。因此，確定擴散半徑宜以現(xiàn)場試驗依據(jù)。同時，在擴散半徑設(shè)計時，所取數(shù)值要求多數(shù)條件下可以達到，而不是簡單地選取平均值。

四、試驗注漿存在的問題及改進措施

1、注漿孔間距設(shè)計

造成注漿效果不理想的主要原因通常是注漿孔間距較大，同時未合理控制注漿孔密度。理論上，通常根據(jù)漿液的類型和膠凝時間，注漿目的，注漿的具體技術(shù)指標，圍巖或土的裂隙和滲透性情況以及注漿孔的大小等進行注漿孔間距的初定。當然，注漿孔間距最終確定必須以現(xiàn)場試驗為依據(jù)。在巖石工程中，雙液固結(jié)注漿孔間距一般取值范圍為2～4m。為保證松脫的圍巖在固結(jié)后能與一次襯砌共同維護隧道穩(wěn)定，同時保障其在換拱時自穩(wěn)能力足夠。因此，務(wù)必保證固結(jié)效果達到施工要求。同時，固結(jié)軟弱的圍巖，即使由于松脫、坍方等因素存在較大的孔洞和裂隙，仍不宜選取較大的孔距。另外，在雙液注漿情況下，選取合理注漿孔徑，增大接觸巖層裂隙的機會，以期獲得均勻理想的灌注效果。

2、注漿順序控制

漿液浪費，注漿效果不好通常是由于注漿順序設(shè)計不合理，導致施工混亂，造成加固區(qū)域以外也有部分漿液流至，增大注漿量。另外，由于一次鉆孔個數(shù)太多，導致鉆孔嚴重串漿而報廢，同時，事后也沒有補孔也是重要原因之一。因此，通常采取分段圍封-逐漸加密原則保證注漿質(zhì)量，避免漿液流失和串漿。分段圍封即將病害隧道分成若干獨立的注漿段，然后先注每一注漿段的兩端和邊墻，封閉注漿段外圍以免漿液外流。逐漸加密即對于已圍封的注漿段，任一序排的注漿孔都在上一序排的注漿孔間距之間，這樣能夠逐漸提高注漿壓力，保證注漿效果，同時，避免注漿孔之間的串漿。另外，隨著注漿的進行，注漿孔數(shù)量也可根據(jù)實際情況適當?shù)脑黾印?/p>

3、注漿方式選取

最初，在不漏漿的情況下通常會采用連續(xù)性注漿方式。但觀察表明，此種方式的漿液滲透極不均勻，漿液擴散較遠，經(jīng)常出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，導致注漿量增大。同時，由于注漿壓力不足，漿液在注入過程中大幅度延長膠凝時間以及地層滲透能力的不均導致小裂隙沒有得到很好的灌注。

根據(jù)水玻璃漿液在砂土中的滲流試驗研究結(jié)果以及相關(guān)文獻表明，將原來的連續(xù)性注漿改為間歇性注漿，可使獲得的固結(jié)效果更加理想均質(zhì)。具體原因是間歇性注漿可使?jié){液在大裂隙中及時膠凝，保證滲透距離；同時逐漸升高注漿壓力，迫使?jié){液向較小裂隙中滲透，從而形成均質(zhì)的固結(jié)體。間歇時間視漿液的凝膠時間而定，稍短于漿液的凝膠時間。另外，間歇頻率視具體情況而定。

4、施工質(zhì)量管理

在注漿施工過程中，不按照施工要求的注漿將會嚴重影響注漿質(zhì)量。因此，相關(guān)部門需及時監(jiān)督檢查，保證注漿施工正常，有質(zhì)量完成。

通過采取以上措施，逐步提高注漿效果，并最終達到較為滿意的注漿效果，使得換拱工作能夠安全順利地進行。

五、工程實例

1、工程概況

韓北隧道位于山西省長治市武鄉(xiāng)縣韓北鄉(xiāng)，為二級公路隧道，隧道下穿韓北鄉(xiāng)生活供水蓄水池，K16+407～K16+526段土體為飽和黃土層，含水量高達30.4%～31.7%，當開挖至K16+475～K16+476段時，洞頂出現(xiàn)坍方，初支鋼架出現(xiàn)變形、侵限，致使施工被迫中斷。

2、處治措施設(shè)計

注漿參數(shù)：采用隧道開挖掌子面超前分段注漿方式，每段長度4m，加固范圍沿隧道周邊呈半環(huán)形，厚度4～6m，漿液擴散半徑0.8m，注漿速度30～40L/min，注漿壓強0.6～2.5MPa，單孔注漿量為1.2～1.8m3，水泥漿的水灰比為0.75：1～1.0：1（重量比），水玻璃濃度35～40，模數(shù)2.8～3.1，水泥漿與水玻璃溶液體積比1：1。

注漿孔布置：開挖掌子面橫斷面注漿孔的設(shè)計間距1.1m，排距2.0m，并交錯布置，縱斷面呈扇形布設(shè)，注漿孔角度±45°。

施工工藝：采用封閉體系定量注漿工藝，先注外圈，形成一個封閉的環(huán)，后加固封閉圈內(nèi)的土體。隧道施工順序按雙液注漿加固→超前支護→斷面開挖交替方式進行，直至通過飽和黃土段。

六、結(jié)語

在隧道施工過程中，在隧道施工過程中，切忌盲目追求施工速度，務(wù)必貫徹“先排水、短進尺、快支護、早封閉、勤量測”的原則。實踐表明，在注漿孔中插入鋼筋，能有效地加強圍巖物理力學性能，提高圍巖抵抗破壞能力，在鋼筋與漿液的共同作用下加固巷道。另外，針對注漿施工條件惡劣情況，甚至采間歇注漿也沒有效果，需停止注漿，并清洗注漿孔，一定時間后進行補注；若因隧道拱頂破壞嚴重，甚至發(fā)局部生坍方現(xiàn)象，為保證安全施工采取相應(yīng)的措施而導致注漿施工受到影響，需加強施工監(jiān)督和管理，及時解決施工中出現(xiàn)的問題，保證施工質(zhì)量。因此，在處理隧道坍方施工過程中，水泥-水玻璃雙液注漿是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實際注漿施工時，必須擇合理的注漿參數(shù)及工藝，并進行動態(tài)控制。

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