饱和静态含水砂层注浆工法精彩.docx

饱和动水砂层TSS管固砂堵水注浆工法
YJGF13-2000
中铁隧道集团有限公司

一、前言
饱和动态含水砂层是土木工程界施工的一大难题，在该种地层中开挖施工隧道极易发生涌水和涌砂等工程灾害。目前，在该种地层中施工隧道，通常采用明挖法、盾构法或冻结法等施工方法，施工效果一般，施工成本较高。
铁道部隧道工程局在广州地铁一号线杨箕——体育西路区间隧道通过采用超细水泥——水玻璃双液浆（简称MC—S双液浆）作为注浆材料；采用一次性钻头，跟进套管钻进成孔；后退式分段注浆技术；洞内长短管相结合注浆堵水工艺，成功地解决了该区间长111.8m饱和动态含水砂层的注浆加固，保证了隧道的安全开挖。之后，经过对注浆材料、机械设备、施工工艺等方面的不断完善、发展和总结，形成了本工法。
二、工法特点
（一）采用超细水泥——水玻璃双液浆作为注浆材料。该注浆材料具有同化学注浆材料一样的渗透能力，在饱和动态含水砂层中可以较均匀地加固砂层，达到“固砂堵水”目的。该注浆材料在可注性、可行性、有无环境污染、经济性及工艺实施难易度等特性方面综合考虑，是目前适宜于饱和动态含水砂层较好的注浆材料。
（二）采用一次性钻头，水平跟管钻进成孔，水平后退式分段注浆工艺是解决饱和动态含水砂层的成孔和注浆的一种合理方法。
（三）施工设备配套简单、工艺易操作，施工成本较低。
三、适用范围
本工法适用于饱和动态含水砂层的铁路、公路、水工、电力等各种地下隧道工程的注浆加固。
四、工法原理
（一） 注浆材料
超细水泥稳定性好、流动性比普通水泥有显著改善，材料颗粒粒径小，对于中细砂层，注浆比值（N值）大，可注性好，一般能注入渗透系数为10-2～10-4cm/s的中细砂层。超细水泥和水玻璃配制成双液浆，凝胶时间可调，可以减少水对浆液凝胶化性能的改变；浆液结石率高，有微膨胀性，耐久性能好；采用双液灌注，工艺实施容易；浆液原材料均为无毒材料，大量使用，不会造成环境污染；双液浆在中细砂层中主要形成在主脉下（一般为2mm）的均匀渗透扩散，不易发生大量的劈裂、挤压状况，可以较好地均匀加固砂层，形成完整的防水帷幕。
（二） 钻进成孔工艺
采用一次性钻头、水平套管跟进钻进、限量排砂等技术是目前解决饱和动态含水砂层钻进成孔的一种有效方法。
（三） 长管后退式分段注浆
采取长管后退式分段注浆工艺，其注浆分段长度短（一般取0.6m），可以有效地解决海陆交互相冲积饱和动态含水砂层中，中、粗、细砂交互出现，地质多变等复杂条件下，注浆加固的均一性，提高饱和动态含水砂层的整体加固效果。
（四） 短管注浆
短管注浆采用常用的“小导管超前注浆施工工法”，但在注浆工艺方面有所改进。
短管注浆是对长管注浆效果的检查，以及对其薄弱环节的补充和完善，同时，加强了初期支护能力，是保证饱和动态含水砂层安全施工的一项重要技术措施。
五、施工工艺流程
洞内长短管相结合注浆施工工艺流程见图1。

图1 洞内长短管相结合注浆施工工艺流程图
六、注浆施工工艺
（一） 长管注浆施工
长管注浆施工是在隧道开挖接近饱和动态含水砂层时，封闭工作面，进行长管全断面预注浆，采用超细水泥—水玻璃双液浆作为注浆材料，采用跟管钻机钻进成孔，下入PC塑料单向阀管和PRC、PBH双向密封注浆芯管进行后退式分段注浆
1． 注浆设计、参数选择
（1） 注浆加固范围：
隧道注浆加固范围采用拱部为开挖轮廓线外3m，边墙为开挖轮廓线外2m。
（2）注浆段长
注浆段长一般按下式计算。

式中：
——注浆段长（m） ——注浆加固范围（m）
（3）止浆岩墙厚度
止浆墙厚度应能满足注浆压力的要求，一般按下式进行确定。

式中：
——止浆岩墙厚度（m）
（4）注浆孔间距及孔口座标
注浆孔的布设，应满足注浆加固范围的要求。在该饱和动态含水砂层中，注浆长管全断面布设。为减少钻机的移动和钻孔的定位次数，加快施工进度，确保施工质量，采用极座标钻孔定位布设法，即将钻机固定在某一位置，通过固定轴移动钻臂，达到钻孔要求，在钻孔过程中钻机不得摆动和移位。极座标法钻孔布设模式如图2所示。

图2 极座标法钻孔布设模式
钻机定位：钻机中心应摆放在距工作面3.5m的隧道中线上，距拱顶开挖线下1.5m处。
掌子面座标体系：X轴为距拱顶开挖线下1.5m处，Y轴为隧道中线。
对于群孔注浆，注浆终孔间距一般应满足下式要求。

式中：
——注浆终孔间距（m）：——浆液扩散半径（m）。
根据极座标法钻孔方式，掌子面注浆孔孔口座标B0（X0，Y0）可以由注浆孔终孔座标B（X，Y）来计算。计算公式如下：

式中：
——注浆终孔座标（cm）;
——注浆孔孔口座标（cm）；
——极点距掌子面距离（m）；
——注浆段长（m）。
（5）注浆管长
根据注浆孔布孔模式图，可以推导出注浆管管长的计算公式。

式中：
——注浆管长（m）。
（6）浆液扩散半径：1m
（7）注浆速度：30～40l/min
（8）浆液凝胶时间：30～50s
（9）注浆终压：1～1.2Mpa
（10）注浆分段长（步距）；0.6m
（11）注浆量：长管注浆采用分段后退式注浆，注浆量采用下式进行计算。

式中：——注浆量（m3）； ——浆液扩散半径(m)；
——注浆段长（m）； ——地层空隙率；
——地层空隙充填率； ——浆液损失率，一般取10～30%
2．施工准备
（1）封闭工作面：为防止注浆施工过程中工作面冒浆，每循环开挖后应对工作面进行喷砼封闭，厚度不小于30cm。为适应长管注浆孔位的定位方便，可将掌子面喷成平面。
（2）机具设备维修：在注浆施工前和开挖施工过程中，应对钻机、注浆泵、搅拌机等机械进行检查、维修、保养，使其保持良好的状态。
（3）施工材料准备：施工材料包括注浆管、闷盖、密封套等孔内注浆设备和注浆用的超细水泥、水玻璃、缓凝剂等注浆材料。施工前必须将材料运至工作面附近，每次应备足两个小班的材料用量，且随用随补充。
（4）抢险材料的准备；含水砂层注浆和开挖中，可能会发生突发性的涌水和涌砂现象，给施工及地面设施安全造成危害。因此，必须事先准备好抢险防涌材料，如棉纱、草袋、方木等。
3．超细水泥选择
选择超细水泥时，首先应对地层进行取样筛分，根据砂样筛分结果，按J.C.King可灌性判式，进行超细水泥的选择。J.C.King可灌性判式如下：
或
式中：（通常取）——注浆比；
、——地层的粒径累计曲线的15%，10%的颗粒直径；
、——注浆材料的粒径累计曲线的85%，95%的颗粒直径（通常采用注浆材料颗粒的85%、95%粒径作为注浆材料的“最大代表粒径”）。
4．配制浆液
（1） 超细水泥浆的配制
①根据预配制水泥浆的体积，按水灰比和缓凝剂掺量计算出所需要的超细水泥、水和缓凝剂的用量。施工中宜采用水灰比为W:MC=2:1。
②根据用量，首先在容器中加入水和缓凝剂，强力搅拌，待缓凝剂充分溶解后，加入超细水泥，强力搅拌，混合均匀。
（2）水玻璃浆的配制
在浓水玻璃中加入水，边加水边搅拌，边用玻美计测试其浓度，到达所需要的稀释浓度为止。施工中宜采用水玻璃浓度为35Be’。
5，钻孔作业
含水砂层注浆钻孔，首先穿破喷射砼层和上循环预留的止浆岩墙，然后进入含水砂层。在钻孔过程中，地层软硬不均，施工中钻孔难度大，施工要求精度高。为保证注浆加固质量，防止钻孔过程中大量砂水的涌出，因而要求在钻孔过程中应严格按照操作工艺进行实施。
（1）钻机定位
根据极座标法进行钻孔布置和定位。极座标“原点”为距工作面3.5m隧道中线，距拱顶开挖轮廓线下1.5m处。钻机按设计要求准确牢固地安放，确保极座标“原点”的准确。
（2）注浆孔位标定
在喷射砼止浆墙上按设计图纸用红油漆标出孔口位置。
（3）钻孔作业
①将钻机钻杆伸出，对准所标孔位用Φ110mm三翼合金钻头开孔。采用该钻头钻穿砼止浆墙和其它坚硬地层，钻孔过程中应时刻观察地层变化，在接近含水砂层1m时，停止钻进。
②退出三翼合金钻头，换上跟管钻进的Φ91mm一次性钻头及套筒，并在钻头和套筒之间安设止水环。采用一次性钻头钻至设计孔深。
一次性钻头的安装首先在一次钻头尾部涂沫黄油，并用适量的棉纱在四周缠绕，然后将其装进套筒，用锤子敲紧。钻孔过程中，在任何情况下，都必须保证套管始终处于顶紧状态，绝不允许后退。一次性钻头脱落，将会堵塞该钻孔，这样，该钻孔将无法继续进行钻进，造成该钻孔报废，一般在发生这种情况下，采取“废一补二”的补救措施。
一次性钻头是靠挤压成孔，在饱和动态含水砂层中钻孔，需要较大的扭矩。施工中为加快钻进速度，采用限量排砂法，即在有控制的情况下，使少量砂通过冲洗水从孔口排出，减少地层的阻力，从而加快钻孔速度。施工中限量排砂原则为：在砂层中钻进，每钻进1m，排砂量应≤0.01m3。
6．安设注浆管
（1）在确定套管内无阻塞物时，即可进行注浆管（注浆管为φ56，长33.3cm的硬质塑料管）的安设工作。需注浆部位安放SX-B型注浆管，不需注浆部位安设SX-A型注浆管，孔底安设下闷盖。为减少拔管阻力，在注浆管上包上防水板。
（2）.注浆管安放好后，在注浆管管口加盖上闷盖，以防止杂物进入。用顶杆顶紧注浆管，缓慢地将套管拔出。
（3）在套管拔出距孔口3m左右时，停止拔出，在该部位低压注浆。注浆结束后将套管完全拔出，在距孔口1m左右用棉纱+水泥砂浆填充注浆管与钻孔之间的间隙。孔口用速凝水泥砂浆抹平。
（4）做好钻孔地质描述及注浆管的下管情况记录，以备注浆施工参考。
7．注浆作业
该饱和动态含水砂层采取后退式分段注浆工艺。原则上采取钻一孔注一孔。
（1） 注浆方法
将带有花管和止浆塞的注浆芯管先插入注浆管孔底，接上注浆管路向孔内注浆，每次注浆段长选择0.6m，即第一段注浆完成后，将芯管后退0.6m，进行第二段注浆，如此下去，直到将整个注浆段完成。
分段后退式注浆要特别注意花管两端的止浆塞，如果发现损坏，应立即更换，以免引起注浆管堵塞，造成芯管无法拔出。
（2） 钻孔、注浆顺序
合理地钻孔、注浆顺序可以保证注浆质量，了解地层状况，减少注浆施工中的难度。在洞内长管钻孔、注浆施工中，宜采取由两端到中间，由下到上的钻孔、注浆顺序，这样，一则可以通过钻孔判定地层的实际地质状况，减少多余的工作量；二则形成注浆由易到难的施工顺序，有利于钻孔、注浆的顺利进行。
（二） 短管注浆施工
洞内长管注浆结束后，虽然达到了预期的注浆加固的目的，但是肯定有未被固结的砂层或存在一定的薄弱局部，这可能会成为隧道开挖施工中的隐患。为了确保饱和动态含水砂层施工中万无一失，必须采取短管补充注浆，固结围岩，同时，超前短管还起到支护作用。
1．短管制作
短管采用Φ42mm×3.5mm，长4m的焊接钢管加工制作。注浆管前端加工成园锥状并封死。花管部分长1.7m，在花管段上间隔20cm，按梅花型布设Φ4～6mm的溢浆孔。管尾采用两道Φ6mm的园形钢筋焊箍，其中一道用于连接注浆管路，另一道绕上棉纱后，用于止浆。短管加工示意图如图3所示。

图3 短管加工示意图
2．注浆参数
① 注浆加固范围：2m;
② 扩散半径：0.4m；
③ 注浆速度：30～40l/min；
④ 注浆终压：0.5MPa；
⑤ 单孔注浆量：按注浆量计算公式进行计算。

式中：——二次注浆充填率，一般取30～50%。
3．方案设计
在开挖轮廓线周边和掌子面砂层部分均布设注浆短管。注浆短管按三序孔布设，以防止串浆发生。同时下序孔可作为上序孔的检查孔。如图4所示。一序孔沿周边轮廓线1m间距，外插角25°，掌子面砂层（并进入砂层和风化砂岩分界面以下0.5m）区域间隔1m垂直于掌子面布设短管。二序孔加密补充排管，使注浆孔间距减为0.5m。三序孔，补充加密轮廓线周边孔，使注浆孔间距减为0.25m。

图4 短管注浆设计
4．注浆施工
短管注浆浆材仍采用超细水泥—水玻璃双液浆。其注浆工艺同于“小导管超前注浆施工工法”，注浆采取全管一次注浆。
七、机具设备
主要机具设备见表1。
表1 注浆施工主要机具设备
名 称
型 号
备 注
孔内注浆设备

包括袖阀注浆管、止浆花管、注浆芯管、上下闷盖、橡胶套。洞内长管注浆采用
钻机
TM-30型锚杆钻机
改型后能按极座标法钻孔，洞内长管钻孔采用
钻机
YT-28
洞内短管钻孔采用
注浆泵
HFV-5D
日本产，主要用于洞内长管注浆
注浆泵
KBY-50/70
国产，主要用于洞内短管注浆
搅拌机
0.3m3 50转/分
自制
三翼合金钻头
φ110

一次性钻头
φ91
自制
八、组织管理模式及劳动组织
（一）组织管理模式
饱和动态含水砂层注浆，施工难度大，为了确保施工安全和施工质量，需要建立严格的安全施工组织管理模式，精心组织，精心施工，积极稳妥，不留后患。
施工组织原则：建立设计、施工、科研三位一体组织模式，成立含水砂层施工组织领导小组，组织技术攻关，施工技术攻关组，加强现场施工。
施工组织管理模式：课题组由技术攻关领导小组负责，直接领导现场技术攻关领导小组。下设技术攻关组，注浆组，施工组，设备物资组。课题组组成模式及职责见图5

技术攻关领导小组（由局领导和专家组成）
负责施工方案的确定，提供技术指导和技术咨询
现场技术攻关领导小组（由科研、设计、施工部门领导组成）
负责施工方案的组织、计划、上报和对外联系
技术攻关组
负责现场施工方案研究制定
注浆组
负责注浆施工方案的实施
施工组
负责隧道的开挖及支护工作
设备物资组
负责材料设备的供应及检修

图5 施工组织管理模式
（二）劳动组织
根据工程数量要求，合理地安排劳动力。在注浆施工中，施工人员要听从现场施工组的统一安排，服从指挥，各司其职，严格施工纪律。施工劳动组织安排如表2所示。
表2 注浆施工劳动组织
工 种
人 数
职 责
一班
三个班
技术人员
1
3
负责全面注浆工作
工班长
1
3
协助技术人员工作，负责劳动力安排
司泵
1
3
负责钻机及注浆泵的操作，记录参数
钻孔（制浆）
3
9
负责钻孔过程中的换钻杆、钻头工作；注浆时配制浆液
孔口位置
3
9
负责钻孔后下注浆管工作；注浆过程中下注浆芯管，测试凝胶时间工作。
辅助工
1
3
负责地表的文明施工
合计
10
30

九、质量标准及安全措施
（一） 质量标准
1．钻机的定位误差：极座标原点距拱顶距离≤±1cm，距工作面距离≤±1cm；轴线同中线偏差≤±1cm。
2．注浆孔孔位标注误差≤±1cm。
3．钻孔开孔误差≤±1cm。
4．钻孔钻深和设计相比≤±10cm。
5．注浆短管布设外插角≤±1°。
6．长管注浆单孔注浆量不得少于设计注浆量的80%；短孔注浆结束标准宜首先按注浆压力达到注浆终压为止。
7．观察检查孔钻进过程中排出的岩粉中应有浆液的胶凝体，检查孔钻孔结束后，将钻孔放置一段时间，观察检查孔中应没有涌水、涌砂现象。
（二） 安全措施
尽管注浆施工方案十分严密，但难免会因地层的不均一性等多种特殊情况而引起局部地层加固效果较差，施工开挖时出现少量的涌水。因而应制定相应的安全技术措施，在施工过程中针对出现的情况，采取相应的处理措施。
1．对于局部加固效果较差，引起砂层流失较多，所形成的空洞较大，涌水量≥10t/h的情况，一般首先采用Φ100的注浆钢管引水，然后采取裸体注浆法（或称直接注浆法）进行注浆处理。浆液选用普通水泥—水玻璃双液浆，配比为，W:C=0.6:1；C:S=1:1。这种情况一般常发生在拱顶和掌子面。
2．对于局部加固效果较差，引起少量砂层流失，所形成的空洞较小，且不太规则，涌水量＜10t/h的情况，一般首先采用Φ60的橡胶软管引水，然后采取裸体注浆法进行注浆处理。浆液选用普通水泥—水玻璃双液浆，配比为，W:C=0.8:1；C:S=1:1。这种情况一般常发生在砂层和风化砂岩交接面，以及边墙部位。
3．对于局部加固效果较差，引起砂层流失较少，所形成的空洞较小，且呈圆形，涌水量＜10t/h的情况，一般首先采用Φ42的钢管引水，然后采取裸体注浆法进行注浆处理。浆液选用普通水泥—水玻璃双液浆，配比为，W:C=1:1；C:S=1:1。这种情况一般常发生在砂层和风化砂岩交接面，边墙部位，拱顶，以及掌子面部位。
十、经济效益
1．超细水泥——水玻璃双液浆的价格仅为化学浆液的1/8～1/10，采用超细水泥——水玻璃双液浆进行注浆施工，在取得相同的注浆效果下，可以节约材料费用85～90%。
2．同明挖法，盾构法，冻结法相比，采取洞内长短管相结合注浆工法施工饱和动态含水砂层，可以减少对环境的污染，同时，施工成本较低。
十、工程实例
（一）工程概况
广州地铁一号线杨箕—体育西路区间隧道位于中山路东端南侧，西起梅花路口，向东横穿杨箕涌，与东风东路立交桥和广州大道立交桥斜交后进入天河居民区直至体育西路。本区间隧道起点里程YDK13+969.1，终点里程YDK15+155.8，全长1186.7m。隧道左右两线中线间距13.3～16.3m，隧道断面最大高度6.47m，最大宽度6.3m，其上覆土层厚8～16.2m。该区间隧道在YDK13+969.1～14+020段和ZDK13+969.1～14+030段穿越饱和动态含水砂层。
（二）工程及水文地质
该饱和动态含水砂层为海陆交互相冲积层，地层分布极不均匀，据地质钻孔表明，地表以下地层依次为：砼路面0.15～0.35m，黑色人工杂填土0.5～3.3m，砂层5.3～9.9m，泥质砂岩。砂层分布十分混乱，无明显规律，砂层下限为地表以下6.9～13.3m，厚度变化幅度大，中、粗、细砂交互出现，孔隙率为0.35～0.4，砂层液化等级为中级。
该段地下水位于地表以下2.03～2.84m。地下水流向自东向西，并以杨箕涌为分水岭，流速0.3～0.4m/d。注浆前地层渗透系数为2.5×10-2cm/s，透水性较强。该段地下水与珠江有水力联系，受海潮影响，其地下水对工程施工危害较大。同时，由于地下管线长年失修，因而更增大了施工的难度。
（三） 注浆材料选择
施工中采用超细水泥——水玻璃双液浆，超细水泥选用浙江金华华夏灌浆材料厂生产的20μm超细水泥
（四） 注浆参数
1．浆液配比： W:MC=2:1 MC:S=1:1～1:0.8 缓凝剂掺量0～2% 水玻璃浓度35Be’；
2．扩散半径：洞内长管注浆为1m；洞内短管注浆为0.4m；
3．注浆分段长（步距）：洞内长管分段长度0.6m；洞内短管一次性注入，花管段长1.7m
4．注浆速度：30～40l/min
5．单孔注浆量：洞内长管5～10.8m3 ；洞内短管0.14m3
6．注浆终压：洞内长管1～1.2Mpa；洞内短管0.5Mpa。
（五）注浆设计与施工
洞内长管注浆孔布设依据拱部加固厚度为开挖轮廓线以外3m，边墙加固厚度为开挖轮廓线以外2m，以及轮廓线内砂层部分的原则，注浆段长12.6m，止浆岩墙厚度3.6m。洞内水平长管注浆按极坐标法布设注浆管，终孔间距1.7m。以左线第Ⅲ循环（ZDK14+009～13+996.4）为例，设计见图6所示。洞内短管按前面工法所示进行设计。
按注浆设计进行注浆施工，取得了十分满意的效果。
（六）效果检查
注浆结束后，进行取芯检查，取芯率47.8～92.6%，岩芯加固优良率71.5～96.6%。进行注水试验，地层注浆后渗透系数为1.56×10-4～3.70×10-6cm/s，较注浆前提高了2～4个数量级。
洞内开挖施工，安全地通过了该饱和动态含水砂层。由洞内开挖的砂层加固情况来看，浆液渗透较均匀地加固了砂层，取样测试固砂体抗压强度为0.39～1.39MPa。

注浆管布设参数表
孔 号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
孔口座标
X0(cm)
0
-37.0
37.0
-69.6
69.6
-97.8
97.8
-119.6
119.6
-130.4
Y0(cm)
97.8
92.4
92.4
80.4
80.4
54.3
54.3
21.7
21.7
-13.0
注浆管长(m)
13.38
13.40
13.40
13.47
13.47
13.53
13.53
13.64
13.64
13.75
孔 号
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
孔口座标
X0(cm)
130.4
-132.6
132.6
-16.3
16.3
-45.7
45.7
-69.8
69.8
-89.3
Y0(cm)
-13.0
-43.5
-43.5
63.0
63.0
54.3
54.3
36.1
36.1
10.9
注浆管长(m)
13.75
13.86
13.86
13.12
13.12
13.16
13.16
13.21
13.21
13.31
孔 号
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
孔口座标
X0(cm)
89.3
-98.9
98.9
-102.2
102.2
0
-27.2
27.2
-46.7
46.7
Y0(cm)
10.9
-10.9
-10.9
-43.5
-43.5
30.4
23.9
23.9
10.9
10.9
注浆管长(m)
13.31
13.40
13.40
13.52
13.52
12.95
12.97
12.97
13.02
13.02
孔 号
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
孔口座标
X0(cm)
-62.0
62.0
-66.3
66.3
0
-24.3
24.3
-37.0
37.0
0
Y0(cm)
-17.4
-17.4
-43.5
-43.5
-4.3
-17.4
-17.4
-43.5
-43.5
-43.5
注浆管长(m)
13.11
13.11
13.30
13.30
12.90
12.95
12.95
13.07
13.07
13.00
孔 号
检A
检B
检C

孔口座标
X0(cm)
-95.7
95.7
0

Y0(cm)
32.6
32.6
76.1

注浆管长(m)
9.41
9.41
9.19

图6 左线第Ⅲ循环注浆设计图

执笔：张民庆 卓越