济南某浅埋市政公路隧道拱顶注浆方案及总结

赵加增 姜文富 李忠阳 孙即秀

（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队 山东省济南市 250100 中建材矿业投资江苏有限公司山东分公司 山东省济南市 250100）

1 工程概况

济南市某市政快速公路隧道左右线最大净距25m，最小净距7m，隧道断面形式采用受力较好的双心圆曲墙拱，内轮廓净宽14.5m，净高9.8m，隧道外轮廓最大开挖宽度16.76m，高度12m。隧道断面为单洞三车道，单侧车行道净宽11.75m。隧道开挖方法为暗挖式，双侧壁导坑法，左、右分为先导洞和后行洞，采取机械配合人工、多台阶预留核心土的开挖方式。隧道周边施工条件复杂，拱顶覆盖土层厚度约12～13m，因隧道大部分位于车流密集的市政主干道路正下方，道路宽约60m，暗挖施工安全受周边环境的影响较为敏感。2019年7-10月施工期正值雨季，前期已出现隧道内渗水险情，拱顶防渗水和加固治理迫在眉睫。

2 工程条件及分析

2.1 工程地质条件

根据勘察报告，暗挖施工拱顶以上地层主要为：①普遍分布的第四系地层：填土、黄土、粉质黏土、黏土层；②局部分布的夹层：碎石土；③偶见分布的：胶结砾岩、黏土混碎石和土洞。场区地下水位埋藏较深，拱顶深度未见地下水位。

各岩土层特征分述如下：

（1）第四系全新统人工堆积层（Q42ml）

①杂填土：杂色，稍～中密，含大量砖块、碎石、混凝土块、灰渣等建筑垃圾，充填少量黏性土，顶部一般为路面结构层。该层分布连续，厚度有一定变化。

①1素填土：黄褐色，可塑，稍密，稍湿，以黏性土为主，含少量碎石、砖屑、灰渣等。该层分布不连续。

（2）第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）

②黄土：黄褐色～褐黄色，可～硬塑，土质均匀，含有铁锰质氧化物，针状孔隙发育，见少量白色钙质条纹，偶见小姜石、砾石，粒径1～3cm，分布不均。该层分布不连续，部分地段缺失。

②1碎石：杂色，稍密，碎石成分为石灰岩碎块，多呈次棱角状，一般粒径为2～6cm，最大粒径不小于10cm，碎石含量约50%～60%，充填褐黄色黏性土。该层局部分布。

（3）第四系晚更新统冲洪积层（Q3al+pl）

③粉质黏土：浅棕黄色～棕黄色，可～硬塑，含铁锰质氧化物、少量姜石、碎石。该层分布较连续。

③1碎石：杂色，中密，碎石成分以石灰岩为主，多呈次棱角状，一般粒径为2～8cm，最大粒径不小于20cm，碎石含量约55%～70%，含大粒径块石、充填黏性土，局部泥质、钙质胶结。该层分布不连续。

③2黏土：棕黄色，硬塑，含铁锰质氧化物及其结核、少量姜石、碎石。该层局部分布。

④黏土：棕黄色～棕红色，硬塑，含铁锰质氧化物及其结核、少量姜石、碎石。该层分布较连续。

④1碎石：杂色，中密，碎石成分以石灰岩为主，多呈次棱角状，一般粒径2～8cm，最大粒径不小于30cm，含量约60%～70%，含大粒径块石，充填黏性土，局部泥质、钙质胶结。该层分布不连续。

④2胶结砾岩：杂色，密实，泥质、钙质胶结，岩芯多呈柱状、少量碎块状，柱长5～15cm，块径4～10cm，岩芯采取率约50%～60%，钻探进尺较慢。该层局部分布。

④3粉质黏土：棕黄色，可～硬塑，含铁锰质氧化物、少量姜石、碎石。该层局部分布。

④4黏土混碎石：棕红色，硬塑，稍湿，土质不均匀，碎石含量约25%～40%，碎石原岩主要为灰岩，一般粒径2～6cm，最大粒径不小于10cm，局部含风化碎屑。

④5土洞：钻探过程中掉钻，推测为空洞。

以上各土层的围岩分级为Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ级。

2.2 特殊性土层的影响

根据上述岩土层情况，推测拱顶上部对暗挖施工有影响的特殊土层主要为：填土层、黄土层、碎石土夹层、胶结砾岩（偶见）、黏土混碎石（偶见）和土洞（偶见）。各特殊土层主要特征及不利影响分析如下：

（1）填土回填时间短，固结程度低，含有碎石、建筑垃圾等，局部孔隙较多，在无混凝土板或沥青路面覆盖的区域，当排水条件不畅时，可能快速渗透雨水或其他地面来水。

（2）黄土层为典型湿陷性土，主要分布在场区地表以下数米，针状孔隙发育，遇水易发生湿陷，从而土体结构和强度迅速破坏，产生不均匀沉降。控制黄土湿陷应首先防止渗水浸泡[1]。

（3）碎石土夹层、胶结砾岩（偶见）、黏土混碎石（偶见）分布不均匀性，当充填不密实时，孔隙率较高，渗透性强，容易形成水流通道，可能使该层内局部汇水，并进一步使粉质黏土层、黏土层饱水、崩解，土体力学强度急剧降低，形成局部软弱区，将对隧道拱顶的稳定性造成严重影响。

（4）土洞（偶见）如存在于拱顶地层中，不仅形成局部软弱区、隐患塌陷区，如与已经渗水的碎石层临近，更有可能汇水，对拱顶稳定和地面设施的地基稳定性影响较大。

2.3 隐蔽地下管线及影响

拱顶覆盖土层局部浅埋的多处隐蔽管线，可能对隧道施工安全和周边工程地质环境造成影响，概况如下：

（1）热力管线：管径450mm，埋深约2m，材质为钢管。

（2）新建自来水管：自来水管道为800mm球墨铸铁管，埋深2.3m，其中K2+100-K2+550埋设于西侧人行道外边缘，K2+550-K2+700埋设于中央绿化带下。

浅埋管沟一般为石屑和素填土回填，在地面如无混凝土板或沥青路面覆盖，当排水条件不畅时，管沟可能成为渗水通道；另外，热力管线可能漏水，也将影响隧道施工安全。

3 注浆加固施工方案设计

3.1 注浆加固机理及加固处理目标

3.1.1 充填土体裂隙、封堵渗水通道

针对隧道拱顶土层中的可能成为渗水通道的填土层、黄土层、碎石土夹层、胶结砾岩（偶见）、黏土混碎石（偶见）和土洞（偶见），采用钻孔内预置注浆花管的方法进行注浆加固，使浆液在一定的注浆压力下，通过注浆花管高速注入上述不良土层的空隙、裂隙中，经浆液固化后，起到填充裂隙、封闭水流管道、增加土体强度等作用，使被注浆加固的区域形成止水帷幕或防渗区。注浆孔合理分布在拱顶土层的一定范围，各孔注浆完毕后，可以达到有效避免地表水或浅埋的地下管道渗水破坏拱顶土体的目的，并使得拱顶目标范围的土体稳定性显著提高，为隧道暗挖施工提供安全保障。

由于在拱顶普遍分布的粉质黏土层、黏土层为相对隔水层，厚度较大，呈可塑—硬塑状态，土体结构良好，原生孔隙少，具有较好的结构稳定性和隔水性。当粉质黏土层、黏土层为原状未经水浸泡而土体结构未破坏的情况下，其隔水效果明显（不吸浆或吸浆量极小），常规注浆是很难进入土体内部的，所以，粉质黏土层、黏土层并不是本次注浆加固的目的层。

3.1.2 注浆孔与土体黏结强度对土体的“加筋”辅助支护作用

在厚层粉质黏土层、黏土层中，虽然浆液渗透效果差，但通过注浆孔内柱状加固体与土体之间的黏结强度，柱状钻孔加固体对拱顶土体起到了类似“加筋土钉”的辅助支护作用，可以增强拱顶土体整体稳定性[2]。

3.2 注浆加固施工工艺

（1）注浆孔布置。

注浆范围：根据隧道位置，采用GPS对需要注浆的地面区域范围进行定位，确定超前注浆的区域范围为开挖掌子面前方5m以外。为确保注浆加固效果，隧道开挖两侧轮廓线外延一定距离。并对周围地表存在潜在漏水点、积水区域的重点位置，有针对性地布孔注浆。

注浆孔间距：根据规范要求[3]，注浆孔间距宜取1.0～2.0m。结合施工经验，本工程可采用1.4m排间距布孔。先以2.8m大间距（排距）布孔注浆，第一批注浆孔全部注浆完毕后，再加密施工第二批钻孔，第二批钻孔在第一批钻孔的两排之间，两批钻孔程梅花形布置，如图1所示。

图1 注浆平面布置（单位：m）

注浆孔深度：对拱顶线以上土体和拱顶线以下0.5～1m范围内进行加固，钻孔垂直于水平面，注浆断面如图2所示，隧道两侧外围和中部核心土部位钻孔深度22.5m，其他拱顶范围钻孔深度18m。

图2 注浆断面（单位：cm）

（2）注浆孔直径90mm，采用潜孔钻机、无水钻进施工。

（3）注浆材料：采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，纯水泥浆单液注浆，水灰比0.5～0.8。注浆用水宜采用饮用水，当采用其他水源时，其水质应符合现行标准《混凝土拌合用水标准》JGJ 63—2006的规定。如局部吸浆量较大，存在大裂隙或土洞，可根据施工情况添加水玻璃作为速凝剂[4]。

（4）注浆管材料：为保证注浆压力和易于隧道掘进时切割清除，不采用铁管，而采用优质50mm直径PVC管，在孔底以上4m制作花管，花管孔眼直径10mm、间距30cm，梅花形布置。钻孔上部注浆管外壁与钻孔壁之间采用编织物和水泥严格封孔，确保封孔质量，封孔段长度3m。

（5）注浆压力[3]：0.3～0.5MPa。实际注浆时，可根据土体吸浆情况，通过现场注浆试验调整、优化注浆压力。

（6）钻孔注浆施工顺序：钻孔定位、制作花管→成孔→清孔完毕放置注浆管→封孔→注浆→（初凝约1.0-1.5h后）二次注浆→结束、封孔→加密钻孔→重复上述注浆施工步骤。

3.3 质量保证措施

（1）严格按照设计参数进行钻孔，分两批进行钻孔注浆。钻孔孔位及角度偏差符合相关规范规定，若孔位因为客观条件限制不能满足要求，应进行移位并计算确定参数，必要时应进行补孔。

（2）浆液搅拌应均匀，一般水泥浆搅拌时间为3-5min，但不得超过30min。未搅拌均匀或沉淀的浆液严禁使用。

（3）注浆时，时刻注意泵压和流量的变化，若吸浆量很大或压力突然下降，注浆压力长时间不上升，应查明原因，如工作面漏浆，可采取封堵措施。如跑浆可通过调整浆液配比缩短浆液凝胶时间，进行大泵量、低压力注浆，必要时采用间歇注浆，以达到控域注浆目的。若两孔发生浆液“串孔”，可采用止浆塞封闭串浆孔继续注浆，或同时对注浆孔和串浆孔进行注浆浆操作。

（4）注浆过程中压力突然升高，应及时查找原因，进行处理。

（5）一台泵发生故障时，应立即换上备用泵继续注浆。

（6）保持注浆管路畅通，防止因管路堵塞而影响注浆结束标准的判断。

（7）严格进行注浆效果检查评定，符合要求时才能结束注浆作业。当未达到注浆结束标准时，应进行补孔注浆。

4 施工技术总结及结论

（1）单水泥浆液注浆常用于隧道开挖围岩处理和建筑地基处理施工中采用，本方案根据地层条件确定针对注浆目标层的注浆施工方案。注浆施工过程中，经比照前期钻孔地层记录，发现上部地层吸浆量大，推测为上部填土、黄土等松散地层；下部地层吸浆量明显减少，局部耗浆量大，推测为黏土、粉质黏土整体孔隙率小，仅局部碎石层吃浆量增大。

（2）注浆施工分两批序进行，早期注浆孔吸浆量大，后期加密注浆孔吸浆量小。第一批注浆浆液充填松散地层的孔隙为主，浆液凝固降低了地层孔隙率、含水率，因此第二批注浆量减少。经两次注浆，地层密实度有效提高，封闭了入渗隧道开挖面的来水通道，进而有效降低地表沉降量。

（3）施工中出现不多的浆液“串孔”现象，第二批较第一批多。

（4）拱顶加固注浆是隧道开挖的辅助手段，与隧道支护密切配合，时间和注浆区域应合理超前于先、后导洞掌子面的开挖进度，避免注浆导通掌子面形成土体人为破坏。隧道开挖支护遵守“短开挖、密监测、开封闭”原则，注浆期间要加密地表沉降观测频率，及时反馈监控数据，及时研究处理发现的问题。

（5）施工过程中尝试加入水玻璃溶液的方式来提高注浆效果。水泥浆液水灰比为0.8：1，水泥浆、水玻璃溶液体积比为1：1，水玻璃模数M=2.8-3.1，水玻璃溶液浓度Be=40，水玻璃稀释比例为1：0.33（水：水玻璃原液）。当不存在大裂隙或土洞等局部大吸浆量部位时，采用水玻璃将降低注浆效果，表现在注浆吸浆量降低，凝固过快，注浆量显著减少，且浆液凝固后最终强度并未提高。

（6）本压力注浆法非劈裂注浆，0.3～0.5MPa的压力不足以实现真正意义的“劈裂”，在重点治理部位，如有必要，可采用“袖阀管”分层分段注浆法，已有部分工程验证“袖阀管”注浆法[5]具有增大注浆量、提高注浆密实效果。但是，笔者认为黏性土经强制反复劈裂，虽然注浆量可以在层内实现注浆量的突破，但是在注浆后短期内，拱顶范围黏性土结构因劈裂而破坏，且土层重度局部增大，浆液尚未终凝，导致拱顶围岩压力短时间内增大，极有可能出现拱顶土层沉降增大的风险。所以，对本隧道拱顶硬塑为主的土层，建议慎用劈裂注浆法，而以保护黏性土层原状结构、加固上部松散土层和堵塞来水通道的本注浆方案为主要加固手段。