摘要
针对某工程取水隧洞Ⅵ级围岩段地处临海地带、覆盖砂层厚、围岩破碎等特点，采用室内试验探讨水玻璃体积掺量对水泥‒水玻璃（CS）双液浆终凝时间和强度的影响，并进行现场试验对注浆工法进行全面分析。最终确定采用约束‒发散模式，将注浆区域划分为若干个小的注浆单元，按照先最外圈孔间隔、后内部孔隔排间隔的注浆顺序进行塑料管超前地表注浆加固。岩芯取样和暗挖掘进效果表明：通过地表预注浆加固，岩体裂隙得到了有效的填充加固，减少了开挖过程中发生涌水和塌方现象，确保隧洞正常掘进，取得了较好的经济和社会效益。
Abstract
The Ⅵ level surrounding rock section of a project water intake tunnel is located in the coastal zone， with thick overlying sand layers， broken surrounding rock， and other characteristics. To address these issues， laboratory tests were conducted to explore the effect of water glass volume dosing on the final setting time and strength of cement-sodium silicate （CS） liquid slurry， and field tests were carried out for a comprehensive analysis of grouting methods. The constraint-dispersion mode was finally determined to divide the grouting area into several small grouting units. Advance plastic pipe grouting reinforcement was performed according to the grouting sequence of the outermost circle hole interval first， followed by the inner hole interval. The effect of core sampling and concealed excavation shows that the rock fissures are effectively filled and reinforced by surface pre-grouting， which reduces the occurrence of water gushing and collapse during excavation， ensures normal tunnel excavation， and achieves good economic and social benefits.
Keywords
0 引言
在临海地带，地下岩体受水侵蚀的影响，一般较为破碎，暗挖隧洞掘进过程中围岩不能自稳，可能会在隧洞拱部出现突发涌水，导致隧洞坍塌。喷锚支护等洞内加固手段被广泛应用[1]，而浅埋隧洞掘进前采取地表预加固措施，能够有效增强围岩整体稳定性，减少坍塌和涌水的风险，加快施工进度。
此前，一些学者对地表注浆加固技术展开研究，取得了良好效果[2-4]。目前地表注浆中袖阀管应用较多，如：魏义山等[5] 通过袖阀管注浆预加固方案，保证地层稳定性和控制过量变形，成功指导了浅埋富水软弱地层斜井通道暗挖施工；张明[6] 基于袖阀管注浆加固技术，通过室内和现场注浆试验对注浆材料和注浆孔距进行优化，保证了注浆加固效果；于博[7] 采用袖阀管注浆工艺对富水软弱地基进行注浆加固，建议采用 20~45 L/min 的注浆速率；李享松等[8] 指出注浆孔间距同时影响工程经济性和安全性，宜着重控制。但在实际施工应用中，袖阀管地表注浆工法逐渐暴露出管材价格较高，易出现冒浆等问题[9-11]，严重制约工程安全性与经济性，且以往关于超前地表注浆技术的研究主要集中在Ⅴ级围岩地层中[12-13]，针对Ⅵ级围岩超前地表加固技术的实践成果仍较少。
综上所述，本文在前人研究的基础上，为解决上述问题，以某工程取水隧洞Ⅵ级围岩段为工程背景，针对治理区面积大、覆盖砂层厚、地下水丰富和围岩破碎的特点，在隧洞下穿地段采用塑料管超前地表注浆。注浆结束后的压水试验结果表明，地层透水率降低至 8.1 Lu 左右，强风化岩体透水性由中等透水降至弱透水，保证了取水隧洞Ⅵ级围岩段工期正常和施工安全。
1 工程概况
1.1 取水隧洞概况
某工程取水隧洞为临海浅埋隧洞，共计 2 867 m，其中某区段隧洞下穿Ⅵ级围岩区域，围岩以强风化岩体为主，少量中等风化岩体，隧洞开挖后围岩有较大的坍塌，成洞条件差，需对隧洞下穿地段进行超前地表注浆，加固围岩，以确保隧洞正常掘进，满足工期要求。
1.2 工程地质
取水隧洞Ⅵ级围岩区域穿越地层地质条件如图1所示，其中揭露地层为第四系和侵入岩，地层上部第四系主要由中砂、珊瑚礁混砂和残积层组成；下部侵入岩主要以燕山晚期侵入黑云母花岗岩为主，局部为石英闪长岩，强、中风化，岩体破碎，在治理区域内广泛分布。
图1 隧道工程地质条件
Figure1 Engineering and geological conditions of tunnel
1.3 水文地质
取水隧洞Ⅵ级围岩加固地段地下水由第四系孔隙潜水和基岩裂隙水组成。第四系孔隙潜水含水层为中砂和珊瑚礁混砂，渗透系数为 1.27~2.83 m/d （1.50×10-3~3.28×10-3 cm/s），单位涌水量为 7.34~14.03 L/（min · m），属中等透水性，富水性较好；基岩裂隙水分布于强风化岩体，渗透系数 0.185~1.688 m/d（2.14×10-4~1.95×10-3 cm/s），单位涌水量为 3.520 0~6.808 1 L/（min · m），属中等透水性。根据本次勘察的压水试验结果分析，中风化黑云母花岗岩岩体透水率为 1.11~1.47 Lu，属弱透水岩体。地下水位位于洞顶以上，存在线状流水或涌水问题。
2 注浆材料、工艺选择
注浆材料主要根据可注性、经济性及工艺实施难度综合考虑选择[14]，对水泥‒水玻璃（CS）双液浆的终凝时间、强度等物理力学特性进行室内试验，并对两种不同的注浆工艺（袖阀管注浆、塑料管注浆）进行现场试验。
2.1 室内注浆材料特性试验
本节进行了 CS 双液浆凝结试验，在控制水玻璃浓度（35 Be）不变的条件下，研究水玻璃体积掺量对双液浆终凝时间和强度的影响。水玻璃体积掺量过小，则终凝时间比较慢，注浆时易造成周边孔串浆，严重影响整体注浆施工进度，但其掺量也不宜过大，否则会降低结石体抗压强度，影响后续隧道掘进施工稳定性。参照现场地质条件，使水玻璃体积掺量控制为 0~14% 进行试验，依据试验结果绘制出 CS 双液浆终凝时间和抗压强度随水玻璃体积掺量变化曲线，如图2、3所示。
图2 CS 双液浆终凝时间变化曲线
Figure2 Variation of final setting time of CS liquid slurry
图3 CS 双液浆抗压强度变化曲线
Figure3 Variation of compressive strength of CS liquid slurry
从图2、3可以看出：水玻璃的掺量对 CS 双液浆终凝时间影响较大，双液浆终凝时间随着水玻璃体积掺量增加而逐渐减小，不同水灰比下双液浆终凝时间变化曲线在水玻璃体积掺量为 0~6% 时较缓和，在 6% 处存在明显的拐点。不同水灰比下双液浆结石体强度均随水玻璃体积掺量增加而缓慢减小，当掺量大于10% 时，结石体抗压强度发生骤降；当水灰比为 0.8 时，双液浆结石体强度出现最大值。
从室内试验结果来看，为保证加固后围岩保持较高的强度，水玻璃体积掺量不宜大于 10%，结合现场注浆区域面积大、地下水丰富的工程特性，为缩短双液浆的终凝时间，避免相邻注浆孔之间出现串浆情况，加快工期，水玻璃体积掺量宜大于 6%。最终确定 CS 双液浆水玻璃波美度为 35 Be，水玻璃体积掺量控制在 8% 左右，取水灰比为 0.8。
2.2 现场注浆工艺试验
在取水隧洞Ⅵ级围岩区域中部和南部选取试验区域一和区域二，注浆材料采用 CS 双液浆，水玻璃波美度 35 Be，水玻璃体积掺量为 8%，水灰比 0.8，水泥采用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。封孔止浆位置为帷幕加固范围顶部高程，在相同试验条件的基础上，分别采用不同的注浆工艺进行现场注浆试验，注浆施工工艺如图4所示。
图4 注浆施工工艺
Figure4 Grouting construction process
2.2.1 袖阀管注浆试验
试验区一采用袖阀管注浆工艺（图5）进行注浆试验，部分试验结果如表1所示。
图5 袖阀管注浆工艺
Figure5 Sleeve valve pipe grouting process
表1 袖阀管注浆工艺试验结果统计
Table1 Statistics of test results of sleeve valve pipe grouting process
试验区一共完成了 10 个注浆孔的注浆试验，评定结果为 2 个合格，8 个不合格，成功率仅为 20%。采用袖阀管注浆工艺极易导致袖阀管内返浆、袖阀管和孔壁之间返浆，分析原因是此种工艺在砂性土、粉土及淤泥质土等土层中加固效果较好，而本工程地层上部为中砂和珊瑚礁混砂层，下部为强风化岩层，上部松散下部相对致密，注浆时管的顶部封口不理想，浆液基本注入上部的中砂和珊瑚礁混砂层，需要注浆加固的强风化岩层却注入较少浆液。此外，袖阀管注浆工序较为烦琐，技术含量高，操作比较困难，导致成功率较低，故不推荐使用该工艺。
2.2.2 塑料管注浆试验
试验区二采用塑料管注浆工艺（图6）进行注浆试验，部分试验结果如表2所示。
图6 塑料管注浆工艺
Figure6 Plastic pipe grouting process
表2 塑料管注浆工艺试验结果统计
Table2 Statistics of test results of plastic pipe grouting process
试验区二共完成了 13 个注浆孔的注浆试验，评定结果为 12 个合格，1 个不合格，成功率为 92.3%。塑料管注浆工艺分为钻孔、下管、封孔、洗孔和注浆，操作简单，且塑料管价格低廉，对环境污染小，具有较好的经济和社会效益。因此，本工程采用塑料管注浆加固围岩，确保隧洞开挖安全稳定。
在上述现场试验基础上，分别进行普通水泥单液浆和 CS 双液浆塑料管注浆试验，从现场试验情况看，采用 CS 双液浆注浆时极易导致注浆压力上升较快，且注浆量较小，这是由于双液浆凝结时间短，流动性较差，因此其扩散范围有限，容易积聚在围岩裂隙渗浆通道处，引起群粒堵塞效应；而普通水泥单液浆由于凝结时间长，流动性较大，能够注入较多浆液[15]。普通水泥单液浆制备简单，可作为本工程主要注浆材料。
CS 双液浆相较于普通水泥单液浆，弥补了其凝结时间方面的不足，具有凝结时间短的突出特点。基于治理区覆盖砂层厚、面积广、所需浆液耗材多的工程特性，为减少出现跑浆情况，因此采用 CS 双液浆作为辅助浆材，先对最外圈注浆孔注浆约束浆液流失；再以普通水泥单液浆为主要浆材，对内部注浆孔进行注浆加固地层，以确保注浆整体性，保证注浆质量和范围，不留死角。
3 地表注浆加固设计施工
3.1 塑料管注浆工艺
塑料管主要由主管和副管组成，主管用来注清水和水泥浆液，副管用来出沉渣；注浆原则为“先洗孔再注浆”，方法采用纯压式；洗孔时，先通过主管向孔内注清水，直至副管冒出清水，代表孔内残渣清理完毕；洗完孔先用铁丝绑定弯折好的副管，再向主管注浆。塑料管注浆工艺简图如图7所示。
图7 塑料管注浆工艺简图
Figure7 Process sketch of plastic pipe grouting
（1）钻设射浆孔。为防止注浆出现死角，保证浆液均匀注入围岩，注浆管底部出浆管壁周围需要钻设一组 ϕ8 射浆孔。
（2）封塑料膜。为防止下管过程中中砂堵塞射浆孔，提前将射浆孔用塑料膜封住。当注浆达到一定压力时，浆液会瞬间冲开塑料膜向围岩中扩散。
（3）绑扎钢筋。为便于注浆管插入设计深度，注浆管底部可绑扎一小节 ϕ25 钢筋，增加注浆管下沉时的刚度和重量。
（4）绑扎水泥包装编织袋。根据每个注浆孔的孔口标高、钻孔深度和帷幕注浆范围顶部高程确定绑扎位置，采用铁丝将水泥包装编织袋绑扎在注浆管上进行封孔。
（5）安装注浆管。钻机成孔后立即安装注浆管，注浆管需下沉至钻孔底部，顶部需预留适当长度，注浆管接头与注浆管采用热熔焊接，两者在 1.2~1.5 MPa 注浆压力下能够保持连接稳定，注浆泵注浆管与注浆管接头采用螺纹连接。安装完注浆管后立即封孔，封孔材料为 CS 双液浆。注浆应在封孔完成至少 24 h 之后进行。
3.2 注浆区域及顺序
纵向注浆施工范围按工程地质分段确定为 8CQ-1 隧洞 638.88 m，8CQ-2 隧洞 641.78 m，共 1 280.66 m。横向注浆施工范围为隧道两侧注浆帷幕厚度不小于 5 m，约 18 m；止浆深度在隧洞拱部以上 5 m。注浆剖面图如图8所示。
图8 塑料管注浆剖面图（单位：m）
Figure8 Profile view of plastic pipe grouting（unit:m）
基于施工现场纵向注浆范围跨度大的工程特点，为保证注浆质量，将注浆区域划分为若干个小的注浆单元，每个注浆单元横、纵向各由 13 个注浆孔组成形成一个正方形注浆区域（图9）。采用分段注浆，先对各个注浆单元最外圈孔进行间隔注浆形成约束圈，减少浆液流失，再对内部孔隔排间隔注浆。
3.3 注浆参数
采用纯压式进行地表注浆加固，注浆参数见表3。
3.4 异常情况处理
注浆过程中，当出现串浆现象或浆液注入量大而难以结束时，通过间歇灌浆等方法应对处理。单孔注浆结束标准为在达到设计终止注浆压力后注浆速度小于 15 L/min，延续灌注 15 min 且满足地层吸浆量的要求，针对注浆量不足的孔要进行二次注浆；各注浆单元注浆结束标准为在单元总注浆孔均达到注浆结束标准基础上，按单元总注浆孔的 2% 设计检查孔，且检查孔满足设计要求[16]。
图9 塑料管注浆平面布置示意图（单位：m）
Figure9 Plan layout of plastic pipe grouting （unit:m）
表3 注浆参数
Table3 Grouting parameters
4 地表注浆效果检查
注浆施工结束后，采用岩芯直观检查法对注浆效果直接进行检查评价，通过压水试验法[17]和曲线分析法间接对注浆加固情况进行验证。
4.1 岩芯直观检查法
注浆结束 7 d 后进行干钻取芯，注浆前后钻芯取样如图10所示，可以看出注浆前强风化围岩较为破碎。注浆后钻芯取样表明：样体存在大量水泥结石，围岩的裂隙被水泥浆液填充密实，加固效果较好。
4.2 压水试验法
目前，透水率普遍采用吕荣试验数学计算模型，即在 1 MPa 的压力下，对 3~6 m 的试验段封隔进行 10 min 的压水，其计算公式如下：
(1)
式中：q 为试验段透水率吕荣值（Lu）；Q 为清水压入流量（L/min）；P 为试验压力（MPa）；L 为试验段长度（m）。
在已完成注浆区域内随机施打 4 个压水试验孔，对现场压水试验参数进行记录（表4）。经计算，平均透水率为 q=8.1 Lu，低于勘察报告中给出的强风化岩体透水率[强风化岩体渗透系数为 2.14×10-4~1.95 ×10-3 cm/s，根据《水利水电工程地质勘查规范》 （GB 50487—2008）附录 F 中岩土体渗透性分级，对应的透水率 q 范围为 10 Lu ≤ q ≤ 100 Lu]，强风化岩体透水性由中等透水降至弱透水，注浆效果良好。
图10 取芯样体
Figure10 Core sampling
表4 压水试验记录
Table4 Record of pressurized water test
4.3 曲线分析法
图11对应于典型内部注浆孔注浆情况，开始时注浆压力为 0.3~0.5 MPa，注浆速度为 40~50 L/min； 随着注浆时间增加，注浆压力增长越来越快，注浆速度则反之，曲线呈下降趋势，当达到设计要求的注浆量时，注浆压力几乎接近终止注浆压力，注浆速度最终降至最低。
图11的结果说明强风化岩体裂隙逐渐被填充密实，验证了注浆设计所考虑约束‒发散注浆模式的合理性，用较稀的浆液对破碎围岩裂隙进行劈裂注浆，注浆效果良好。
图11 典型内部注浆孔 P-v-t曲线
Figure11 P-v-t curve of a typical internal grouting hole
5 结论
（1）某工程取水隧洞Ⅵ级围岩段地处临海地带、覆盖砂层厚、围岩破碎，采用袖阀管注浆试验会经常出现袖阀管和孔壁之间返浆的现象，而塑料管注浆工艺操作简单、成功率高，钻芯取样结果表明塑料管注浆能取得较好的加固效果。
（2）结合室内、现场试验和现场工程地质条件，建议 CS 双液浆水玻璃波美度为 35 Be，水玻璃体积掺量控制为 8% 左右，水灰比为 0.8。最终确定以 CS 双液浆作为辅助浆材先对最外圈注浆孔注浆形成约束圈，再以普通水泥单液浆为主要浆材对内部注浆孔进行注浆来加固地层，以确保注浆整体性。
（3）本工程中，注浆扩散半径综合考虑取 0.8~1 m，注浆量 3~5 m3，终止注浆压力 1.2~1.5 MPa。注浆结束后进行压水试验，强风化岩体透水率降低至 8.1 Lu 左右，透水性由中等透水降至弱透水，结果表明所选参数是可靠的。
