深孔注浆技术在软弱围岩隧道施工中的应用
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摘要:在隧道施工中，围岩自稳能力差和水对围岩的破坏是经常遇到的施工难题，合理运用深孔注浆技术可有效控制地下水对围岩破坏，提高围岩自承能力。本文结合具体的工程实例，对深孔注浆技术在软弱围岩隧道施工中的应用进行探讨。
关键词: 深孔注浆技术；软弱围岩；隧道施工
软弱围岩具有良好的亲水性，具有开挖揭示后在空气内易风化潮解，与水相遇后易软化、膨胀、流动等特点。隧道内围岩应力大，尤其是处于地层断裂带，与硬质岩混杂时，受断裂带裂隙水的影响，围岩中就会常出现流泥和流砂，围岩自稳能力和锚固性极差。为了避免或降低地下水对围岩的破坏，必须要采取主动的措施来对地下水进行处理。深孔注浆技术适用于软弱破碎围岩、地下水特别发育的隧道，通过注浆加固，可以有效解决围岩自稳能力差和水对围岩的破坏这两大难题。
1深孔注浆技术的优点:
(1)使围岩稳定性得以提高。较软弱的岩层通过超前预注浆，固结成具有一定自稳能力的岩体。
(2)堵塞地下水通道，为喷混凝土提供较为干燥的围岩表面。
(3)探测地质情况。通过超前钻孔，可以事先对当地地质和水文情况进行了解，这为后部的开挖提供了有力依据。
(4)孔口注浆时会出现浆液回串，这对于后部加固成拱圈起着非常重要的作用，可以更加安全地进行下部边墙的开挖。
(5)能对坍体进行有效处理。隧道施工过程中出现坍方后，通过深孔注浆，可以加固塌体并填充空洞，避免进一步的坍方，同时提供较稳定的围岩条件以处理坍方。
2工程概况
某隧道位于云南省玉溪境内，里程DK22+114-DK23+763，长1650m，整条隧道位于曲线上，埋深在130m左右，泥质板岩、薄层带状粉砂状板岩以及少量灰黑色泥钙质板岩是该隧道岩层的主要板岩。洞项以上50-70m处是隧道所处山体最高含水位，基岩裂隙水处于非常发育状态，开挖隧道时，出现连续的承压水现象，尽管没有连续大涌水的出现，但对于水量集中的局部地带存在大量水囊。在施工过程中瞬间高压水曾多次爆发，危及到整个隧道施工的安全。
3深孔注浆技术
3.1深孔注浆机理
注浆施工就是对地质体采用劈裂与压密注浆，浆液渗入土体然后逐渐以脉状连续形成网状，最终形成骨架效应，使得土体的抗剪强度大大增大。其中，浆液扩散挤密效果是确保土体质量的关键。在水灰比固定、注浆材料恒定的条件下，浆液的扩散、劈裂或挤密会受到岩层中一系列因素的制约，例如，有孔隙和裂隙的连通性、土体的密实性以及注浆压力等。
3.2注浆参数的选择
3.2.1注浆压力
注浆施工是否成功，其个关键要看注浆压力能否达到设计要求，注浆压力既要满足对土体的充填挤密或劈裂的要求，又要通过控制压力来防止上部土体引起拱抬，或是出现土体大范围扰动坍塌，此外，还要考虑到水泥砂浆液的移动扩散的范围和方向。
注浆孔深度要与隧道仰拱同高，考虑到注浆泵站本身标高在1011 m左右，除注浆泵本身压力外，还要考虑注浆管中水泥砂浆本身的压力。
3.2.3注浆次序
由于处于注浆区的地层含水丰富，为了避免地下水稀释浆液，注浆次序要先从中轴线孔开始依次向外进行。为了避免注浆孔与施土孔发生串浆，采取“东打西注”的办法，即两钻孔要相隔9m的距离。先期注浆孔其作用主要是为了对大的、连通性好的裂隙和较大的空洞加以封堵，这样后期注浆孔即便距离较近，也不会有串浆现象的发生；后期注浆孔其作用蛀牙是为了对松散体加以充填、对复合注浆进行挤密和劈裂。
3.3注浆方法
(1)设置封堵墙:用1m厚的200#混凝土封闭进行掌子面的开挖，这层混凝土就为封堵墙，并根据需要将若干个钢管预埋在混凝土中沿拱部弧线，其中的钢管的直径为100 mm、长1.15 m左右。
(2)第一次注浆:待封堵墙混凝土具有一定的承压强度后进行第一次的注浆，此次注浆压力不宜过大，将墙背空隙填满为宜。
(3)第二次注浆:通过深孔钻机的使用，重新钻开第一次注浆后已被堵住的预埋管道，此次钻眼深度保持在5m左右，然后再进行第二次注浆，注浆压力要与设计要求相符合，也即要以压力情况为依据来对浆液填充和扩散程度加以把握。
(4)第三次注浆:使用钻机在原孔上进行钻眼，此次钻眼深度为保持在10m左右，然后再进行注浆，方法同上。
(5)第四次注浆:此次钻眼深度要达到20m后再注浆。通过四次注浆后，一个循环的深孔注浆才算完成，然后将封堵墙炸开，进行导坑掘进。
3.4注浆材料
水泥-水玻璃浆液是注浆材料的主要成分，是一种水泥化学浆液，它容纳了粒子浆液与溶液的特点，在国内外建筑工程中应用较为广泛。
(1)水泥: 水泥中的硅酸钙是浆液发生化学反应主要因素，在普通硅酸盐水泥中，其硅酸三钙和硅酸二钙比重占水泥总量的75%左右，为此，通常采用普通硅酸盐水泥进行注浆。
(2)水玻璃:注浆材料中的水玻璃又叫硅酸钠，俗称泡花碱，其是一种溶合物的工业产品，呈绿色或黄色透明的玻璃状，其化学组成可用下式表示:Na2O•mSiO2。模数可以使得水玻璃的化学组成可在大范围内产生变化，模数在3以上的为中性水玻璃。注浆材料通常采用模数在1-3之间的碱性水玻璃。
3.5注浆参数动态控制
在整个注浆工艺设计中，要动态控制注浆参数，由于在实际注浆施工时通常是采取脉动加以充填，对部分孔段作进一步的挤密，以实现劈裂注浆。为此，这就要求工程技术人员必须要以现场注浆施工的实际情况为依据，及时作出合理准确的判断，对注浆压力、水灰比、水玻璃的掺入比例、注浆速度、注浆量等注浆参数作动态调整。如果注浆压力较低，或压力增加较为缓慢，或注浆量远超过标准注浆量时，此时就要立即做出决定，看是否要对浆液中的水灰比进行调整，是否要加大水玻璃的掺入量等。如果注浆量小，且压力在迅速增加时，此时则要考虑是否是注浆管被堵塞，还是注浆速度过快等原因所造成。尤其需要注意的是，为确保在一定范围内水泥砂浆浆液在土体中得到有效地扩散与充填，只有出现有明显的地表周围冒浆、串浆、或隧道内止浆墙泄浆时，才能加大水玻璃的掺入量，或是暂时停止注浆，直至浆液在土体中已初凝，泄、冒、串浆通道被封堵后再重新开始注浆。
3.6实际操作流程
3.6.1注浆设计
(1) 采用水泥和水玻璃双液浆作为注浆的主要材料，其中的水泥为普通硅酸盐525#水泥，同时加入适当的缓凝剂磷酸氢二钠。
(2)浆液配合比的选择
①浆液水灰比:W/C=0.6-1.2；②水玻璃波美度:Z=30-40Be′；③双液体积比:C/S=1∶0.58-1∶1；④凝胶时间:T=1-20min；⑤水泥品种: 普通硅酸盐525#水泥；⑥水玻璃型号:Ⅲ型模数M=2.9；⑦外加剂容量:缓凝剂磷酸氢Ⅱ钠在水泥重量的3%以下。
(3)注浆范围
根据该隧道的地质情况和施工需要，在设计注浆时，将其扩散半径定为1-1.5m，加固范围为开挖外轮廓线2m，20 m注浆段分为三次钻孔注浆，分别为5m、10m和20m。
(4)注浆量的确定
按如下公式计算单孔注浆量:Q=πR2LNB
式中:Q代表注浆液体积；R代表单孔扩散半径；N代表岩层孔隙率；L代表单孔有效注浆长度；B代表浆液注射有效保险系数，即1.1-1.3。
当岩层孔隙率为8%，扩散半径定为1.5 m时，长为1m的单孔有效注浆量则为:
Q=3.14×1.52×1×0.08×1.3=0.75(m3)
3.6.2注浆程序
(1)首先设置封堵墙，并将孔口管预埋好。
(2)双液注浆加固孔口管周围及填充墙背的先后顺序，由具体施工条件来决定，压力在0.6-0.8Mpa之间。
(3) 按照设计分段长度进行注浆钻孔：注浆-钻孔5m―注浆―钻孔10m―注浆―钻孔20 m―注浆，这样循环进行，先用单液水泥压入进行注浆时，当压力达到2-3 MPa时，转用双液浆进行注入，压力达到4-5 MPa时，则要停止注浆。通常是采取自下而上、先两遍后中间的顺序进行孔位注浆。
(4)为确保安全开挖，开挖长度不能超过注浆长度，即在20m以下，注浆段开挖15-17 m。
(5)完成开挖段施工后，按照当时地质与水文情况，看是否有必要进行第二次的深孔注浆，如果有需要，则再按照原顺序进行重复操作。
3.6.3深孔注浆场施工注意事项
(1)注浆前，对各部机械就位及材料供给情况进行全面检查。
(2)为防止压力过大时发生意外，需要采用管箍用于各种管路连接处。
(3)为防止串浆的发生，开机人员与孔口管操作人员要同时开关。
(4)水灰比要严格加以控制:必须要使用水表进行加水，不能估计。
(5)所有的操作人员都要认真听从指挥，要统一行动、步调一致。
(6)注浆过程中，停机必须在2min以内，不然有废孔的产生。
(7)完成注浆后，立即机器和管路进行清洗。
4利用深孔注浆处理坍方
在隧道施工中，坍方处理是一大难题。该隧道在隧道坍方后，采用深孔注浆技术，将封堵墙设置在已成型的齐头拱圈内，隔断松碴，并将水泥-水玻璃浆液注入其中，挤开地下水，坍体松碴因浆液得到重新固结，部分空洞得到填充，使坍体形成具有较强自稳力的胶凝体，然后在固结体内进行导坑掘进，安全顺利地通过了坍方体。
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