复合地层超前注浆加固工艺及参数施工技术研究报告

复合地层超前注浆加固工艺及参数施工技术研究报告

   牛 涛  权艳强  王明斌  李伟伟

 中铁（广州）投资发展有限公司          广东省广州市   510308

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司   江苏省无锡市   214105

摘要：本文以广州地铁十一号线云台花园站～大金钟站区间下穿市林业和园林科学研究院为工程背景，研究复合地层盾构隧道内超前加固的工艺和施工方法，从注浆材料的选择与配合比、注浆参数及钻孔布置、施工工艺等方面进行系统的研究结果表明:采用隧道内超前注浆加固后，既保证了加固段地下水位的稳定，也有效地解决了盾构掘进过程中因地层不稳引起的拱顶土体剥落涌入土仓内，致使出土量不受控及出现地层沉降的问题，为类似工程能够提供一定的借鉴经验。

关键词：复合地层；隧道内超前注浆加固；参数；沉降

一、背景条件

广州地铁十一号线云台花园站～大金钟站区间在穿越市园林研究院期间，穿越地层为全风化混合花岗岩<6z>、强风化混合花岗岩<7z>，该地层特性为遇水软化崩解、自稳性差，且处于地质风化深槽，地下水位高，隧道周边存在园林院用于灌溉花草的抽水井，深约70米，由于长时间抽取地下水，导致地层特性发生改变，土体颗粒级配较差，土体较松散。盾构掘进过程中刀盘上方土体遇水崩解，出现盾构掘进出土量不受控，掘进速度慢、土仓压力波动大等问题，易造成地面及周边建（构）筑物沉降等风险，故采用洞内超前注浆对前方土体进行加固。

二、超前注浆作用

超前注浆技术是隧道施工中的辅助方法，在不良地段施工中发挥着重要的作用。主要作用为改善刀盘前方不良地层土体特性，提高地层整体稳定性和抗渗性，防止掌子面前方不良地层不断涌入土仓内导致出土量不受控。

三、地质情况

根据勘察报告成果资料，该段地层为全风化混合花岗岩<6z>、强风化混合花岗岩<7z>，其中<6z>呈黄褐色，原岩组织结构基本破坏，有残余结构强度，岩芯呈土混砂砾状，遇水易软化、崩解；<7z>呈黄褐色，夹灰褐色、红褐色，岩石风化强烈，原岩组织结构大部已破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩芯呈土夹碎块状，岩质极软，岩体极破碎，岩体等级为Ⅴ级。

四、洞内超前注浆加固

4.1加固方案设计

利用盾构机中盾顶部预留的4个超前注浆孔，其中外侧2个孔因受限作业平台不易搭设，一般情况采用中间2个注浆孔（1#、2#）进行注浆，对刀盘前方拱顶土体进行加固，预留注浆孔设计外插角度为12.5°，间距为1.2m，直径为100mm，注浆扩散半径R=1.0m计算，根据外插角度模拟，超前注浆杆总长设计按16m计算，其中有效注浆范围为刀盘前方约10m，加固最高在隧道上方2.2m。根据经验，加固高度超过隧道上方2m后，加固效果不明显，故最大钻孔深度为16m，钻杆布置如图1。

图1超前注浆钻孔

根据钻孔型号，选用单节长2.0m，φ42mm的单通道钻杆和钻头，盾体预留的注浆接头与钻机钻头位置设置法兰盘连接。

4.2超前注浆原理

钻孔至设计深度后，浆液采用A液与B液，混合后通过管路、钻杆注入土体，注浆时实施定量、定压双液注浆把土体劈裂、挤压、加固后具有一定的稳定性，注完一段后将钻杆后退一定距离再次注浆。

五、超前注浆施工

5.1 施工准备

1、将设备、材料提前准备到位，如钻机1台（配套钻杆及小型工具）、搅拌桶1个、双液注浆泵1 台、水玻璃、水泥、磷酸、脚手架钢管及扣件、走 道板、油布等材料。

2、土仓内保实土压：注浆前把土仓内渣土留满，注入膨润土浆保实土压，同时转动刀盘搅匀，让膨润土和渣土搅拌均匀，防止浆液流入土仓包裹刀盘。其次在尾盾及中盾注入膨润土（粘度120s），膨润土泥浆会流入盾壳外周进行填充保护，防止水泥浆液绕流至盾壳周边固结困死盾体。

3、钻孔平台搭设：将掘进油缸伸长至1.6m以上，在盾尾拼装区域内提供搭设脚手架平台空间。搭设平台并铺设走道板固定牢固，将钻机主机及其他零部件吊至平台上组装，将吊带固定至推进油缸，用吊带将钻机主机悬吊进行高度调节，以便钻头与超前注浆口接头对接和倾斜角度调整，并在平台四周设置安全护栏。

5.2 施工工艺流程

施工流程：搭设脚手架→固定钻机→钻孔作业→洗管→注入磷酸、水玻璃（水泥）混合液→注浆作业→封孔作业→下一个孔施工

1、钻孔施工：钻孔过程中详细记录钻杆长度，保证钻孔深度的准确，实时反映地层松软情况，为注浆施工提供准确的地质水文情况。

2、注浆施工：注浆采用先前进式，再后退式注浆。待钻孔完成后先进行封口，注入水清洗一遍注浆管并注入适量的磷酸混合液止水；随后开始注入水泥+水玻璃双液浆，压力达到设计值时，以每0.5～1m步距后退，进行下一段注浆作业，依次循环，直至终孔，注浆过程中每1～2h转动一次刀盘，谨防浆液进入土仓裹住刀盘或盾体。同时在注浆期间需不间断转动钻杆，防止出现卡钻。

3、钻孔过程中采用磷酸止水，浆液配比为水：磷酸=10-12:1，磷酸稀释液：水玻璃=1:1，凝固时间约3s。水泥+水玻璃浆液配比：水灰比=1:1，水玻璃40°be（1:3稀释），水泥浆：水玻璃=1:1，实测初凝时间约25～30s。

5.3注浆过程控制

（1）注浆期间土仓压力会随注浆量和压力变化而变化，注到一定量时，注浆量难以注入，一般控制在不＞4bar，当达到压力时暂停注浆，待浆液在地层中扩散和泄压后再注浆。压力控制在1.5～2.0MPa范围波动，需能将土体劈裂；注浆期间上部土仓压力从3bar上涨至4bar，暂停注浆转动刀盘使仓压下降至3bar再启动注浆。

（2）注浆结束标准以定压方式控制。注浆过程中，注浆压力上升至2MPa或土仓压力逐渐上升至4bar，且注浆深停留在2m（即钻杆投影到水平方向至刀盘面板距离为2.6m）时结束该孔注浆。防止距离刀盘太近浆液流入土仓裹死刀盘、盾体，以及对主驱动密封造成损坏。

（3）注浆结束后，做好复推准备工作，首先将土仓内渣位分阶段降低，此时盾构机不向前推进，通过上、中、下的土压传感器压力差和出渣量分析，判断仓内渣土是否超方，掌子面是否稳定，以此来判断加固效果。

5.4掘进参数对比

超前注浆后，盾构掘进出渣土方量为55～60m³，出土量及监测均正常，掘进速度、土仓压力、扭矩等各项掘进参数均得到有效改善。注浆前盾构在掘进中过程中出现土仓压力波动较大、刀盘扭矩偏大、掘进速度慢、出渣量不受控等现象。因此采用洞内超前注浆对掌子面前方地层进行注浆加固，有效地改良地层的自稳性，为后续盾构掘进提供了良好的条件。

5.5应急措施

1、钻孔喷水喷砂措施：①该操作方法专业性较强，须由经验丰富和专门培训的人员上岗操作。②当钻孔过程中出现喷水喷砂时，立即停止钻进，马上进行磷酸水玻璃浆注浆封水处理。

2、防脱困措施：注浆前通过往土仓和盾尾注浆管打膨润土浆，使之在盾体周边扩散形成保护，同时往前中盾径向孔注入膨润土或油脂，阻挡浆液流向盾构机外周，防止浆液包裹盾体。

六、结论

综上，针对遇水软化崩解、自稳性差，盾构掘进过程中刀盘上方土体遇水崩解、出土量不受控、掘进速度慢及土仓压力波动大等问题，易造成地面及周边建（构）筑物出现沉降等风险，采用洞内超前注浆加固可对该问题解决，可为后续类似地层工程提供依据。

参考文献：

[1]李祥龙.超前注浆技术在复合地层盾构下穿房屋群的应用[J].广东交通职业技术学院学报,2023,22(01):32-35+52.

[2]黎峰.复合地层超前注浆辅助工法技术的研究[J].建筑技术开发,2022,49(17):55-57.

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