高速铁路隧道隧底深厚土层注浆加固施工关键技术

高速铁路隧道隧底深厚土层注浆加固施工关键技术

吴晓平

中铁二局集团有限公司 四川成都 610031

摘 要：德庆隧道穿越岩溶发育，深厚土层等地质。采用桩筏板结构加固、设计最长桩长68.5m,使用冲击钻、旋挖钻和旋挖+冲击组合施工，试验施工单桩时间长，且受洞内场地限制无法大面积开展施工，深度40m以上桩基施工未得到有效解决。通过对岩溶、深厚土层等详细调查，采用刚性管袖阀复合桩注浆加固措施，有效解决了40m以上桩基施工难题，为今后类似隧道地质条件施工积累了实践经验。

关键词： 高速铁路 隧道 注浆加固 施工技术

1.工程概况

德庆隧道位于贵南高铁河池至永安区间，起讫里程DK298+420～DK305+030，全长6610m，为全线控制工期工程之一、I级风险隧道、设计时速350km/h的单洞双线隧道。隧道内线路纵坡呈“人”字型，进口至出口依次为3580m/3.0‰、3030m/-4.1‰。全隧共设置3座斜井以辅助正洞施工。隧址区属中低山剥蚀溶蚀峰丛洼地、丘陵地貌，洞身位于地下水季节变动带内，岩溶水丰富。洞身通过灰岩夹硅质岩(P₁m)、灰岩(P₁q)为主的可溶岩地层，可溶岩段落长约5423m，岩溶中等至强烈发育，经设计期间和施工期间多次勘察，目前揭示约1.8km隧道段落穿越深厚土层，围岩条件极差。

2.工程主要问题

目前德庆隧道开挖已揭示洞段初步确定的桩筏段共1796m，共898根桩基，已开挖段揭示的深厚黏土（砂砾土）地段较原设计新增落836m。现场冲击钻、旋挖钻和旋挖+冲击组合施工三种施工试验表明，单一钻孔洞内施工受其工艺特点限制，无法消除冲击振动、孔内泥浆软化恶化初支下方土体力学性能等风险因素，施工安全难以保证。现场定制的旋挖钻机，8节钻杆最大可施工深度40m，超过40m的桩长，受洞内空间高度限制，目前定制的旋挖钻无法施工。旋挖+冲击组合施工试验，成孔受岩溶发育影响，发生多次漏浆。试验结果表明，该方案进度不可控因素较大，且受洞内场地限制无法大面积展开施工。因此，深度40m以上桩基施工的问题尚未得到有效解决，严重制约工期兑现。针对超深桩施工困难和工期紧张的问题，通过选取DK304+648～+684段深厚土层，现场采用钢袖阀复合桩注浆加固试验施工，为德庆隧道隧底深厚土层深度40m以上地段处理提供依据。

3.总体施工方案

D K304+648～+684试验段隧底以下15m范围、土石界面以上3m至以下5m范围以及之间的两侧土体采用刚性袖阀管复合桩注浆加固，两侧外扩不小于15度。如钻孔揭示溶洞时，应继续钻孔至溶洞底板以下不小于2m。刚性袖阀管复合桩横向布孔间距2m，终孔间距3～5m，排距5m，交错布置。两侧各设一排加密袖阀管复合围护桩，桩间距2m，终孔间距2m，外插角15°。共布置注浆孔90个，其中取约20%的孔作为先导孔（20个）。钻孔布置示意图如图3-1所示：

图3-1 钻孔布置示意图

图3-2 钻孔布置示意图

3.1.施工准备

施工前做好试验段场地平整工作，清除场地杂物并做好施工场地划分。

3.2机具设备的配备

主要机具配备：进口履带钻机SG-320G型3台、SG-220型2台，注浆机KBY-90/16型6台，搅拌桶LJ-1000型4个，空压机4台，储浆池（长4 m×宽4 m×高1.5m）2个，切割机1台，电焊机2台，水泵4台，泥浆泵4台。

3.3工艺流程

图3-3 隧底袖阀管注浆加固工艺流程图

3.4测量定位、布孔

根

图2-1 钻孔布置示意图

据孔位布置图进行孔位测量放样并标识。钻机就位在稳固的地基之上，就位时应使钻机底部平整，支撑牢固，以确保钻孔时不产生下沉、摆动及偏移等现象。钻孔时可采用多台钻机同时施工，就位时应避免钻机互相影响。就位时应使钻机准确对位于已测量的点位之上，防止偏斜。

3.5钻孔、清孔

采用多功能履带式地质钻机钻孔，钻孔孔径130mm。开钻时低速低压，待钻进一定深度时，根据地质情况调整钻速，钻进时钻孔速度保持均匀。为防止塌孔，全程采用φ146mm套管跟管钻孔。在钻孔过程中，分别采用水钻和风钻进行钻孔施工。水钻适用于土质地层，施工时如遇溶洞、溶蚀破碎带或裂隙强烈发育等地层，水钻钻孔不返水，施工效率较低；风钻适用于岩质地层，如遇深厚黏土层，其钻进速度降低，且出渣不利还容易堵钻头。

试验段分左右两幅先后施工，按“先导孔→围护孔→中间孔”的顺序施工，所有钻孔均跳孔施工。钻孔过程中同时检查钻杆角度，并及时进行纠偏。过程中及时记录钻进节段消耗时间、钻渣、是否串孔、富水情况，以指导下步注浆、调整钻孔顺序。

成 孔后采用高压风从孔底向孔口清理钻渣，并对孔深、孔径、孔位进行检查。

图3-4-1跟管及钻杆 图3-4-2跟管钻施工

3.6袖阀管加工及安装

袖阀管在跟管取出前安装，袖阀管采用φ89mm壁厚6mm的无缝钢管现场加工制作，每节长度4～6m，管长根据现场施工情况进行调整，现场采用标准节6m，尾节长度于现场调整。袖阀管壁布设单向溢浆孔，布孔断面间距100cm,每个断面布置4个φ10mm溢浆孔（外裹橡胶筏套），溢浆孔上下5cm部位各安装φ8mm钢筋套环，管底加工成锥形封闭。

图3-5 刚性袖阀管加工示意图

分节下放φ89刚性袖阀管至孔底，管节间连接采用直径Φ108mm壁厚6mm无缝钢管插管满焊连接，连接管接头长度50cm。袖阀管一端提前焊好外套管接头，一端现场下料时插入焊接。

图3-6-1袖阀管连接 3-6-2 袖阀管安装

3.7套壳料填隙

袖阀钢管安装完成后，用套壳料将袖阀管与孔壁间隙充填密实，防止注浆过程浆液上窜，套壳料采用高压软管后退式注浆封闭袖阀管与钻孔之间的空隙，待套壳料凝固后进行下步注浆作业，套壳料配比为膨润土：水泥：水=1.5：2：2。

3.8注浆顺序、浆液配制及注浆

3.8.1注浆顺序

袖阀管注浆顺序按发散-约束型注浆原则进行,注浆顺序同钻孔施工顺序。先导孔优先，然后再施作两侧加密围护桩注浆，最后施工中间部位刚性袖阀管复合桩，分序间隔跳孔注浆施工作业。

3.8.2浆液配制、注浆

制浆：①单液浆配制：按选定试验水泥浆配比（水灰比为0.8：1～1:1），浆液由拌合站集中拌合供应。现场设搅拌桶，早强型HPC外加剂通过现场搅拌桶进行添加拌合。②双液浆配制：水泥浆液配制同单液浆配制，并按试验注浆配比抽取水玻璃至待注浆储存容器。

表-1 普通硅酸盐水泥单液浆配合比试验结果

序号	水灰比W:C	水 （kg/m3)	水泥（kg/m3)	HPC参量（10%）（kg/m3)	初凝时间（h）	终凝时间（h）	1d强度	7d强度	28d强度
										1	0.8：1	713	891	/	6:30	7:40	4.2	16.6	21.8
2	1：1	756	756	/	8:25	9:50	3.1	13.6	18.4
1	0.8：1	713	891	90	0:30	1:40	6.1	20.9	30.5
2	1：1	756	756	76	0:35	1:50	4.8	17.3	27.1

表-2 水泥-水玻璃双液浆配合比试验结果

序号	配合比W:C:S	水 （kg/m3)	水泥（kg/m3)	水玻璃 （kg/m3)	初凝时间（min）	终凝时间（min）	1d强度	7d强度
									1	0.8:1:1	713	891	891	0:49	1:23	3.7	7.1
2	1：1：1	756	756	756	1:22	3:07	0.4	5.6

注浆：采用分段后退式间歇注浆工艺，用双囊式止浆塞进行注浆，止浆塞通过手压泵加压至膨胀后开始注浆，注浆段内由孔底向上进行注浆。其中两侧加密围护桩为全孔注浆，中间部位袖阀管复合桩，分别对土石界面处8m深度范围进行一次不分段注浆，注浆压力约0.2～0.5Mpa,隧底15m范围内进行分段注浆，分段长度不大于1.0m，注浆压力约3～4Mpa。注完第一注浆段后，后退注浆芯管及止浆塞，进行第二注浆段的注浆，依次下去，直至完成注浆段注浆。注浆完毕后需对管内浆液进行清洗，清洗完毕后在注浆管口盖上封盖，以便于复注施工。若注浆效果不好需要重新补注浆时，可在适当位置重新下入注浆塞，进行重注。

注浆结束标准：当刚性袖阀管复合桩注浆满足下列条件之一时，可结束单孔注浆：

（1）注浆孔达到设计孔深，注浆过程中压力逐渐上升，流量逐渐减少，当压力达到注浆终压，稳定不少于3min可结束单孔注浆。

（2）注浆孔达到设计孔深，注浆压力未能达到设计终压，注浆量已达到设计注浆量的1.5倍，且无漏浆现象，可结束单孔注浆。

4、效果检验及评价

4.1、现场注浆完成情况

现场注浆采用后退式分段注浆，先施作两侧围护孔再施作中间孔、由下向上的注浆分段注浆，分段长度为1m，分三序跳孔施工。注浆过程中：I序孔注浆，单孔注浆量大却不上压，单孔最大注浆量达到222.79m³，针对此类情况现场采用“分段+暂歇式”注浆工艺施工。II序孔注浆时现场已有注浆压力，最大压力可达3Mpa，稳压2Mpa。III序孔注浆压力较II序孔相比提升较快，最大压力可达3.5Mpa，稳压3Mpa。为了达到控域注浆目的，对注浆孔采取2~3遍、多次注浆的措施。第一遍注浆完成后，待浆液凝固达到不少于12小时，再进行第二遍、第三遍注浆，保证最终注浆压力满足设计压力要求，有效提高地层的密实度。

现场注浆共90孔（两侧围护孔38个、中间孔52个），总注浆量4280.14m³，平均单孔注浆量47.56m³。其中：两侧加密围护孔注浆量2588.28m³，平均单孔注浆量68.11m³，最大单孔注浆量222.79m³,浆液填充率约19.8%；中间孔注浆量1691.86m³，平均单孔注浆量约32.54m³，最大单孔注浆量81.72m³，浆液填充率约20%。土石分界面范围注浆量1140.09m3，平均单孔注浆量12.67 m3，最大单孔注浆量36.1 m3，浆液填充率约22.4%；隧底15m范围注浆量1660.59 m3，平均单孔注浆量18.45 m3，最大单孔注浆量84.32 m3，浆液填充率约17.4%。

表-3注浆分析统计表

序号	注浆量/m³		孔数/个	孔深/m	平均单孔注浆量/m³	最大单孔注浆量/m³	浆液填充率（扩散半径1.5m计算）	备注
1	总注浆量	4280.14	90	4301.4	47.56	222.79	19.9%
2	两侧围护孔	2588.28	38	1849	68.11	222.79	19.8%
3	中间孔	1691.86	52	2452.4	32.54	81.72	20.0%
4	土石分界面范围（以下5m至以上3m）	1140.09	90	720	12.67	36.1	22.4%
5	隧底15m范围	1660.59	90	1350	18.45	84.32	17.4%

4.2、注浆效果验证

4.2.1取芯验证

（1）注浆前取芯

现场试验共布置注浆孔90个，选取其中20%（18个）的孔作为探灌结合的先导孔。由于设计前期已对隧道基底情况做了详细的勘探，注浆地层探测较清晰，结合现场布孔情况，先导孔利用前期已完成的15个地质补勘孔，另外施做取芯孔3个，取芯孔布置图及芯样如下所示：

图4-1注浆前先导孔布置示意图

0-10m

34-42.6m

22-34m

10-22m

图4-2 679-1号孔现场芯样

（2）注浆后取芯

现 场试验注浆孔共计90孔，根据试验完成取芯验证8孔，占注浆孔数的8.9%，满足5%的取芯数量要求，取芯孔布置图及芯样如下所示：

图4-3 注浆后取芯孔布置示意图

48-53m

44-48m

39-44m

10-18m

5-10m

0-5m

图4-4 3#取芯孔现场照片

效果评价：对比注浆前后芯样情况显示，注浆加固后，地质芯样完整率整体得到很大提高，且在芯样中能看到较明显水泥浆液凝结块，注浆效果较好。

4.2.2隧底承载力检测

采用动力触探方法，分别对注浆段三处隧底承载力进行了检验，隧底地基承载力检验结果分别为300kPa、276kPa、268kPa，满足隧底容许地基承载力不小于250kPa的要求。

4.2.3压水试验

根据要求，在注浆前后分别在注浆段不同区域对隧底土石分界面进行了压水试验，对注浆前后土石交界面透水情况进行测试比较。

（1）注浆前： 注浆前对664-4孔进行了灌水试验，采用注浆泵进行孔内灌水，灌水流量90L/min，灌水15分钟，孔内不见水位上升及返水，孔内注水无压力，隧底地层较为松散、裂隙发育。后经Ⅰ序孔注浆完成后重新进行了压水试验，调至最大压水量时孔口出现返水，随后降低压水量开始渗水系数试验，试验结如下表所示：

表-4 I序注浆完成后透水率试验表

试验里程	孔号	Q稳定流量（m³/d）	L试验段长(m）	S水位差（m）	R钻孔半径（m）	渗透系数（cm/s）	透水率（lu）
DK304+664隧底15m	664-4	23.4	8	4.2	0.073	6.9*10-4	48.36
DK304+664土石界面	664-4	100.8	8	5.1	0.073	2.4*10-3	160

根据注浆前、I序注浆完成后的试验情况对比分析，I序注浆后地层透水率变小，浆液对地层的裂隙、溶槽进行了填充。

（2）注浆后：全部注浆完成后，现场分别取1#取芯孔、2#取芯孔及6#取芯孔进行了压水试验，压水试验结果如下表。 表-5 注浆完成后透水率试验表

试验里程	孔号	试验长度（m）	时长（min）	Q稳定流量（L/min）	压力（Mpa）	渗透系数（cm/s）	透水率（lu）
DK304+652土石界面	1#	15	4	12.5	0.6	2.08*10-5	1.39
			5	12.5	1	1.245*10-5	0.83
			6	11.3	1	1.125*10-5	0.75
			7	11.2	1	1.125*10-5	0.75
			8	11.2	1	1.125*10-5	0.75
DK304+655土石界面	2#	8	3	16.2	0.8	3.795*10-5	2.53
			4	11.5	1	2.16*10-5	1.44
			5	13.7	1	2.565*10-5	1.71
			6	11.2	1	2.1*10-5	1.4
			7	11.5	1	2.16*10-5	1.44
DK304+664土石界面	3#	8	3	17.3	0.8	4.05*10-5	2.7
			4	15.3	1	2.865*10-5	1.91
			5	13.2	1	2.475*10-5	1.65
			6	11.0	1	2.07**10-5	1.38
			7	11.3	1	2.115*10-5	1.41

效果评价：根据注浆前后数据对比，注浆加固后土石交界面透水率为0.75~2.7，均小于10Lu，反算地层渗透系数达到10^-5，土石交界面处渗透性达到弱透水等级，满足注浆加固效果要求。且注浆后透水率小于施工前的1/10，注浆效果满足试验要求。

4.2.4弹性波检测

注浆施工前后分别对该试验段隧底地质情况进行了孔内弹性波CT检测，探孔布置如下所示：

表-6 物探钻孔位置统计表

序号	钻孔编号	钻孔里程	钻孔横向位置	钻孔深度	备注
1	WT-1	DK304+649	隧道中线偏右1米	49m
2	WT-2	DK304+666	隧道中线偏右1.5m	55m
3	WT-3	DK304+681.5	隧道中线偏右1.5m	46m

注浆前后弹性波探测结果对比如下图所示：

图4-5-1注浆前反演波速色谱图 图4-5-2注浆后反演波速色谱图

对比注浆前、后注浆区域波速变化，本次注浆区域测试结论如下:

（1）地表下3~10米范围内，注浆后地震波速度较注浆前整体提升100～200米/秒；

（2）地表下10~19米范围内，注浆后地震波速度较注浆前整体提升200～300米/秒；

（3）地表下19~35米范围内，注浆后地震波速度较注浆前整体提升50～100米/秒；

（4）地表下35~39米范围内，注浆后地震波速度较注浆前整体提升100～200米/秒；

（5）地表下39米以外(土石界面以下岩体内),注浆后地震波速度较注浆前变化不大，整体提升50米/秒。

效果评价：综上所述，本次探测里程段DK304+649~DK304+681.5注浆区域范围内，地震波速度均有相应提升，表明该范围内土体或岩体内孔隙减少，孔隙被浆液填充，土体（或岩体）密实度得以改善并提升，固结程度提升；注浆范围内地震波速度整体波动较小，表明土体（或岩体）内浆液填充较均匀，基本覆盖，符合要求。

4.2.5围岩监控量测情况

钻孔注浆过程中每天利用全站仪对该试验段及其前后15m范围内拱顶下沉、洞周收敛进行了监测，累计最大沉降2.3mm，累计最大收敛4.5mm，初期支护稳定。利用3D扫描仪分别在注浆前后对洞身净空进行了扫描，进行图形对比，扫描显示未见明显初期支护变形及侵线。

5、施工经验总结

（1）钻孔方式选定，鉴于隧底多为含砾黏性土、岩溶强烈发育，注浆孔孔深较大，钻孔采用全程套管跟管钻孔成孔。

（2）受隧底岩溶发育影响，袖阀管套壳料灌注过程中流失较多。现场可通过添加水玻璃的措施加速套壳料凝结，从而减少套壳料流失。

（3）注浆施工，必须结合钻孔记录情况动态调整压力，在进浆量较大、压力达不到设计压力、无压力或串浆时，一是通过间歇式注浆控制扩散范围；二是通过调整水灰比提高浆液浓度从而减小浆液流动性；三是通过添加早强型HPC外加剂控制浆液凝结时间，最终达到地层加固的目的。

6、结束语

在隧底深厚土层，采用管袖阀复合桩注浆加固，注浆效果很好,达到预期效果，为今后类似隧道地质条件施工积累了实践经验。

参考文献：

[1]《德庆隧道DK304+648～+684段基底深厚土层加固图》

[2]《水电工程钻孔压水试验规程》（NB/T35113-2018）

[3]《既有建筑地基基础加固技术规范》(JGJ123-2012)；

[4]《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(DL/T 5148-2014)；