浅谈公路隧道软岩注浆加固技术

【摘要】文章对公路隧道软岩进行了简要介绍，对公路隧道软岩施工中的注浆加固技术进行了探讨，从加固原理、注浆效果检测、施工工艺等方面做了阐述，为今后类似工程的加固施工提供了参考。

【关键词】公路隧道软岩；注浆加固；施工工艺

【中图分类号】 U416 【文献标识码】A

【文章编号】1674-1145（2008）09-0060-03

在公路隧道及地下工程施工中，遇到软岩地层时，往往要进行地层预加固。在较小断面洞室开挖（一般跨度在6米以下的洞室）和局部小范围塌方的处理中，超前小导管以其施工工艺简单、施工作业空间要求较小、施工方案可以随时调整和显著的经济效益等特点在地层预加固时成为首选的方案之一。

小导管注浆可以改变围岩的力学性能，提高围岩的力学参数，主要通过小导管本身和浆液两方面来实现。注浆效果通过围岩的抗渗性和强度体现出来的。施工工艺包括施工准备、钻孔、打小导管、浆液的制作和注浆几部分。

一、隧道软岩

软岩，全称为软弱岩层，它代表着上述两种基本类型：“软”体现了岩体内在特性。即岩石硬度欠缺，而岩石硬度本身就与软岩的工程力学性质密切相关；“弱”体现了软岩在应用方面的能力。即对于承受外荷，它的承载能力和抗变形能力都较差。从成因来说，它是双向性的，可以由土沉积固结而成岩，也可以由坚硬岩石风化破碎而成软岩。因此，软岩的物理力学性质具有可变性。

（一）软岩的结构特征

软岩结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。包括沉积层面、软弱夹层、节理面、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触连结方式、微孔隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地质环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征。

岩体的结构面可分为五类：

1．沉积结构面，如层面、层理、沉积间断面、沉积软弱夹层等。其中一些结构面由于后期构造与风化作用形成低强度软弱夹层；

2．火成结构面，如原生节理、流纹面，与围岩接触面、凝灰岩夹层等，其中围岩接触破碎带或蚀变带，凝灰岩夹层等均属于火成软弱夹层；

3．变质结构面，如片麻理、片理、板理等都是变质作用过程中矿物定向排列形成的结构面，其云母片岩、绿泥石片岩、滑石片岩等片理发育，易风化成软弱层；

4．构造结构面，如断层面(带)、劈理、节理、层间错动面等，其中断层破碎带，层间错动破碎等均易软化、风化形成构造软弱带；

5．次生结构面，如风化裂隙、卸荷裂隙、夹泥层等，其中泥岩、页岩、凝灰岩等在地下水作用下易形成泥化夹层。

由于结构面的存在，使软岩产生了一系列独特的力学特性。这些特性与结构面的成因类型、结构面的形状和组合型式以及结构面的充填物及其充填程度均有重要关系。

（二）软岩分类

1．按软岩强度分类。按照岩石的强度可将软岩分为较软岩、软岩、极软岩三个类型。

2．按软岩的成因类型分类。软岩从成因考虑可分为原生类型和次生类型，后者又可划分为风化软岩与断裂破碎软岩。

3．按软岩时代划分。软岩按形成时代可以分为古生代软岩、中生代软岩、新生代软岩三种类型。

二、注浆加固技术

注浆是人工用机械的方法将浆液压入地层中，以驱逐地下水，并在空隙中流动、扩散、凝胶、最后形成固体堵水帷幕的过程。

根据目前国内外关于注浆理论的研究成果归纳起来可分为渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆、高压喷射注浆工艺等五大注浆理论。

（一）注浆加固技术机理

利用气压、液压、或电化学的原理，把某些能固化的浆液注入各种介质的裂缝、孔隙，以改善注浆对象的物理力学性质，使其适应各类土木工程需要的科学技术被称为注浆加固技术。岩土工程中，是通过向地层注入各类浆液，以减少地层的渗透性，并提高地层的力学强度和抗变形或抗液化能力。加固和防渗虽然目的不同、所用注浆材料和工艺也有些差异，但这两种注浆法所用的浆材都具有一定的力学强度，而且注浆结果都比如会减少物体的空隙率和提高物体的密度，所以注浆的防渗和加固功能总是并存的。

注浆机理由渗透注浆、压密注浆、劈裂注浆、电化学注浆和高压喷射注浆五个基本机理组成。

1．渗透注浆。在注浆压力作用下，浆液克服各种阻力而渗入岩土的孔隙、裂隙，使岩土孔隙、裂隙中存在的气体和水被排挤出去，浆液充填孔隙或裂隙，形成较为密实的固化体，从而使地层的渗透性减小，强度得到提高。注浆压力越大，吸浆量及浆液扩散距离就越大。这种理论假定，在注浆过程中地层结构不受扰动和破坏，所用的注浆压力相对较小。对于粒状浆材（如水泥、膨润土等），最多只能注入粒径不小于0.1mm的细砂及以上的土层或比细砂直径更大的裂隙；对于化学浆材，最多只能注入粉土（渗透系数kω=10-4cm/s,粒径为0.01mm）层中。

2．压密注浆。通过钻孔向土层中压入浓浆（坍落度20～50），随着土体的压密和浆液的挤入，将在压浆点周围形成灯泡形空间的浆泡，通过浆泡挤压的土体，使土体被压密，承载力得到提高，并因浆液的挤压作用而产生辐射状上抬力，从而引起地层局部隆起，许多工程利用这一原理纠正了地面建筑物的不均匀沉降。压密注浆的最大优点是它对于最软弱土层区域能起到最大的压密作用。压密注浆一般用于比中、细砂细的粉细砂中，也可用于有充分排水条件的粘土和非饱和粘性土和用来调整不均匀沉降，进行纠偏托换，以及在大开挖或隧道开挖时邻近土进行加固等。但在加固深度小于1～2m时，加固质量很难保证。

3．劈裂注浆。在注浆压力作用下利用液体传压的特性，浆液克服地层的初始应力和抗拉强度，引起岩石或土体结构的破坏和扰动，使地层中原有的孔隙或裂隙扩张，或变成新的裂隙或孔隙，从而使低透水性地层的可注性和浆液的扩散距离增大。这种注浆所用的注浆压力相对较高。由于劈裂注浆是通过浆脉来挤压和加固邻近土体的，虽然浆脉压力较小，但与土体的接触面很大，且远离注浆孔处的浆脉压力与注浆孔相差不大。因此，劈裂注浆适合与大体积土体的加固，在断层带的软弱岩层中或软、硬岩层的界面处，效果最为明显。

4．电化学注浆。当在岩土内产生电场后，就在岩土中引起电渗、电脉和离子交换等作用，并通过钻孔—电极往岩土内注入浆液——电解液时，在孔隙性岩土内产生注浆压力作用、电动力学、电化学和构造形成过程，结果在岩土空隙内积聚了化合物，从而达到隔水作用。该方法适用与具有低渗透的岩土、流砂性质的不稳定粘土、不稳定及流砂性岩石、空隙性岩石，并对于治理井筒涌水和处理空隙性岩石段的残余涌水也是很重要的。

5．高压喷射注浆。利用钻机进到设计深度后，经钻杆和钻头上的特殊喷嘴将浆液高速喷出，以射流切削，搅拌土体，使浆—土拌合，同时钻杆边旋转边提升，浆液凝固后形成柱状固结体，达到加固土层和止水防渗作用。除上述基本机理外，还有存在于渗透注浆和劈裂注浆中的两个基本机理，本文不作详细介绍。

（二）工程加固技术案例分析

我国某高速公路是东部沿海区域的一条旅游公路。其中含有隧道部分，设计为单洞双车道，全长544m，净空面积90m2，隧道进口表土层为第四系残坡积土，厚约0.5m～0.8m，下伏基岩受构造影响严重，节理发育，岩体成块石，碎石状松散镶嵌压碎结构，雨季地下水活动对Ⅱ类围岩稳定性影响较大，稳定性较差。洞口Ⅱ类围岩原设计为长管棚（20米）钢插管超前支护，后改为小导管加长加密段管注浆加固钢拱架挂网喷射混凝土及钢筋模注混凝土复合支护结构。

1．小导管注浆预加固。“小导管注浆预加固围岩”是对表土下风化破碎岩石及构造裂隙较发育难以支护的破碎顶板，在开挖揭露来压前，预先向其裂隙通道内注入固化材料（水泥浆、水玻璃或聚氨酯等）充填裂隙，封堵涌水，胶结岩石，改善围岩力学性能，提高岩体自身整体强度，改善围岩支护状态。

2．预加固围岩支护方案。隧道进口段，Ⅱ类围岩埋深较浅，靠近F2压扭性断层左侧，断层泥多，泥岩遇水软化，易变形脱落。右侧岩层节理发育，岩体成块石，碎石状破碎结构，雨季地下水活动对其稳定性影响较大，稳定性较差。采用锚网钢拱架喷射混凝土支护，在顶板来压时，易产生钢拱架扭曲变形，喷体开裂脱落，顶板下沉，洞门变形。采用传统地U型钢棚或槽钢棚加强支护投入大，采用小导管超前钻注，进行预加固围岩，即在小导管挂网钢拱架喷射混凝土联合支护的基础上，通过小导管孔向松散岩体内压入水泥浆以充填围岩裂隙，使与破碎岩石胶结成一体，从而提高围岩的整体性及坚实性。

3．小导管注浆预加固参数。注浆预加固支护材料主要包括注浆长、短管，金属网、钢拱架、快硬水泥药圈、水泥、水玻璃及喷射混凝土等，主要支护参数如下：

（1）注浆长、短管分别采用φ42mm，L=5500mm及φ42mm，L=3500mm的焊接管制作，管体上依次钻有φ8mm的出浆孔，梅花形布孔，孔间距为400mm，孔口间距为250mm，环间距为1.2m，用快硬水泥药圈封孔止浆；

（2）钢筋网采用φ6mm的钢筋焊接而成，规格为60mm×1000mm；

（3）钢拱架采用φ22mm钢筋焊制；

（4）喷射混凝土强度等级为C20，初喷采用50mm，复喷为200mm；

（5）帮底及底角使用φ22mm，L＝2500mm的砂浆锚杆全锚；

（6）注浆浆液采用单液水泥浆，水泥标号为425＃，普通硅酸盐水泥，水灰比为0.8～1.2，浆液中添加水泥重量3％～5％的水玻璃，注浆压力为0.1～1.0Mpa，详见通过现场试验确定的浆液配合比及性能参数表1：

7．注浆施工。注浆顺序：先由中间向两边对称压浆，然后再由两边向中间对称复注，多次复注，最后结束整环注浆。针对岩层裂隙细，吸浆量小，可注性差等特点，小导管注浆均采用先始压清水及水玻璃冲洗，润滑裂隙，再高压始注稀浆，冲开裂隙，增大其开度，最后高压复注浓浆，充填裂隙通道，胶结松散岩体，浆液浓度按1：1、0.75：1、0.5：1逐级递增，注浆压力增大到4.0 Mpa，吸浆量小到5L/min，且稳定5分钟不变时，结束单孔注浆。此隧道进口Ⅱ类型围岩共34M，小导管钻注28环，共注浆入水泥15t，平均有每延米注入0.44t水泥，单孔复注时，浆液浓度大，吸浆量小。隧道轴线左侧，围岩裂隙发育程度大，注浆量多，压力上升慢，浆液扩散半径大，平均为5m左右；隧道轴线左侧，断层泥多，岩层致密，可注性差，注浆压力上升快，吸浆量小，浆液扩散半径小，平均为1m左右。

8．注浆效果。将修改设计后的等长导管改为加长加密加宽（原管长3.5m改为5.5m、3.5m间布，原环距1.5m改为1.2m，原管口间距0.3m改为0.25m，原顶部120°改为150°布管）长短管注浆，长管覆盖短管注浆范围，浆液扩散半径增大，复注效果好。实际揭露时，由于严格按照“管照前、早封闭、严注浆、短开挖、强支护、勤勘测”的原则，一个月以后除了发展进口段左侧腮尖及下部突出和移近外，没有发现顶板明显下沉、喷体开裂、低鼓等现象；同时，将左侧钢拱架原设计的钢筋腿改为工字钢棚腿后，更加有效地阻止了左侧部位的位移，从而保证了开挖作业的安全。注浆预加固技术，提高围岩的自身稳定性，减小钢拱架的承压及变形，能进一步提高整体支护效果。

三、结语

在上世纪50年代初期，我国开始了注浆技术的应用，在煤炭、水电、铁路等行业中，利用注浆法治理水害。随着社会的发展，注浆加固技术逐渐的被广泛应用，在公路隧道软岩施工工程中的应用被推广开来，本文的研究为类似工程的施工打下了理论基础。

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【作者简介】李继平（1970- ），男，浙江东阳人，供职于浙江省宏途交通建设有限公司。

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