隧道工程：深孔帷幕注浆技术

隧道围岩的注浆加固，除了上述超前小导管注浆外，可以结合具体条件，选用超前局部注浆、超前周边注浆、全断面注浆、开挖后径向注浆等深孔预注浆措施。

向围岩内打入带孔长钢管，并通过长钢管向围岩内压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就可形成较大范围的一定厚度的筒状封闭加固区，同时形成止水帷幕，在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业，这个过程称为深孔帷幕注浆。

深孔预注浆一般可超前开挖面30～50 m，可以形成较长范围内（隧道纵向）的有相当厚度的筒状封闭加固和堵水区，从而使得堵水的效果更好，也使得注浆作业次数减少。它不仅适用于无地下水或少地下水的一般软弱破碎岩体的地层条件，更适用于水量和压力均较大的破碎岩体的地层条件，也更适用于采用大中型机械化施工。深孔帷幕注浆已成为隧道及地下工程中改良地层、增强软弱岩体的稳定性、封堵地下水的有效措施和常用手段，尤其适用于软弱围岩及断层破碎带、堆积土地层，隧道开挖可能引起掌子面突泥、流坍地段。

1．注浆范围

超前深孔帷幕注浆作业可以在洞内进行，如果隧道埋深较浅，则注浆作业可在地面进行；对于深埋长大隧道可利用辅助平行导坑对正洞进行预注浆，这样超前深孔帷幕预注浆钻孔和注浆作业不需要进入洞内施工作业循环，可以避免与正洞开挖等作业的干扰，缩短施工工期（图8-1-9）。

对围岩进行注浆加固的范围，大致为如图8-1-9所示的筒状加固区。要确定加固区的大小，即确定围岩塑性破坏区的大小，可以按岩体力学和弹塑性理论计算出开挖坑道后围岩的压力重分布结果，并确定其塑性破坏区的大小，这也就是应加固的范围。

隧道开挖后，周边围岩出现涌水、股状水、大面积渗水时，应根据围岩条件、地下水类型、地下水性质、补给条件、允许排放量、环保要求以及对施工的影响程度等，采用全断面径向注浆、局部径向注浆和径向点注浆等堵水措施。集中出水点应埋设导管原位引出。注浆范围宜控制在开挖轮廓线以外3～6 m。

2．注浆机理

注浆加固的作用机理，可分为压力注浆和电动注浆两类。大多数地层条件可采用压力注浆加固；但在软黏土中，土的渗透性很低，压力注浆法效果极差，可综合采用电动注浆法，但目前应用较少。压力注浆按又可以注浆压力大小和注浆机理可以分为如下四种：

图8-1-8　管棚引孔顶入法施工工艺流程

（1）渗透注浆：对于破碎岩层、砂卵石层、中细砂层、粉砂层等有一定渗透性的地层，采用中低压力将浆液压注到地层中的空穴、裂缝、孔隙里，凝固后将岩土或土颗粒胶结为整体，以提高地层的稳定性和强度。前述小导管注浆、管棚注浆的注浆机理即为渗透注浆。

图8-1-9　超前深孔帷幕注浆

（2）劈裂注浆：对于渗透性较差甚至不透水的地层，如含水量较大而颗粒较细的黏土地层、软土地层，采用较高压力将胶结材料强行挤压入钻孔周壁，使胶结材料将黏土层劈裂，形成裂缝并充塞凝结于其中，通过土体中形成的浆液脉状固结作用对黏土层起到挤压加固和增加高强夹层加固作用，以提高其强度和稳定性。

（3）压密注浆：用浓稠的浆液注入土层中，使土体形成浆泡，向周围土层加压使土层得到加固。

（4）高压喷灌注浆：通过灌浆管在高压作用下，从管底部的特殊喷嘴中喷射出高速浆液射流，促使土粒在冲击力、离心力及重力作用下被切割破碎，随注浆管的向上抽出与浆液混合形成柱状固结体，以达到加固之目的。

3．注浆数量及注浆材料选择

加固区注浆总量Q，应根据加固区的大小和地层的孔隙率来确定，并根据加固效果予以及时调整。

工程中常用充填率来估算和控制注浆总量。所谓充填率是指注浆体积占孔隙总体积的比率。于是注浆总量可按下式计算

式中　Q——注浆总数量（m3）；

A——被加固围岩的体积（m3）；

n——被加固围岩的孔隙率（%），见表8-1-3；

a——过去实践证实了的充填率（%），土质地层充填率见表8-1-3，岩石地层充填率≤5%；

β——注浆材料损耗系数，通常在0.1左右。

表8-1-3　孔隙率和注浆充填率

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平均单孔注浆量q是控制注浆总量的重要指标，在实际工程中可用下式计算平均单孔注浆量

式中　m——钻孔数量。

为了做好注浆工作，必须事先对被加固围岩进行试验，查清围岩的透水系数、土颗粒组成、孔隙率、饱和度、密度、pH值、剪切和抗压强度等。必要时还要做现场注浆和抽水试验。注浆材料的选择参见小导管部分。

4．超前注浆加固施工

超前注浆加固注浆段的长度应根据前方地质条件确定，需加固的地层范围较长时应采用多循环方式进行，每循环注浆长度宜为30～50 m，用于堵水时一次注浆长度为10～30 m（公路）。注浆管应采用钢花管，管直径不宜小于70 mm，管壁应留有出浆孔，孔直径宜为8～12 mm，间距宜为300～500 mm。在孔口1～1.5 m范围不应留出浆孔。注浆孔底中心距宜为1.5～3.0 m，或取浆液扩散半径的1.5～1.7倍。注浆强度应满足设计要求，注浆压力、浆液的胶凝时间应根据现场试验确定。

（1）注浆孔布置。

超前深孔帷幕注浆管/孔的布置灵活。除了可以按图8-1-9所示钻孔注浆外，对于浅埋隧道，还可以采用平行布置方式，即注浆钻孔呈竖直方向并互相平行分布，但需每钻一孔移动钻机一次。

注浆孔的布置角度、深度及注浆孔间距应根据每一循环加固范围、循环长度和浆液扩散半径确定，并应满足设计要求。一般渗透性强的地层，可以采用较低的注浆压力和较大的钻孔间距，钻孔量少，但平均单孔注浆量大。

根据经验，对于洞内超前小导管注浆而言，Ⅴ级围岩劈裂、压密注浆时，可采用单排/孔；Ⅵ级围岩或处理坍方时，可采用双排管/孔；地下水丰富的松软层，可采用双排以上的多排管/孔；渗透注浆宜采用单排管/孔；隧道断面较大，需要加固的范围较大，或注浆效果较差时，可采用双排管/孔。

钻孔可用冲击式钻机或旋转式钻机，应根据地层条件及成孔效果选择。钻孔位置应满足设计要求，孔口位置偏差不超过5 cm，孔底位置偏差不超过孔深的1%。钻孔应清洗干净，并作好钻孔检查记录。

（2）注浆压力。

注浆压力要视地层的渗透条件、注浆管/孔的间距、注浆材料种类、单孔浆液扩散半径、地下水压力等条件来确定。采用渗透式注浆时，注浆压力应大于待注浆底层的静水压力；采用劈裂式注浆时，注浆压力应大于待注浆底层的水压力与土压力之和，并取一定的储备系数，一般为1.1～1.3。

（3）注浆管和孔口套管。

深孔注浆采用一次式注浆时，孔内可用注浆管或不用；采用分段式注浆时需用注浆管。注浆管一般采用带孔眼的钢管或塑料管。注浆管壁上有眼部分的长度应根据注浆孔的位置和注浆区域来确定，其余部分不钻眼，并用止浆塞将其隔开，使浆液只注入到有效区域。

注浆孔孔口应设止浆塞，止浆塞应能承受注浆终压。止浆塞常用的有两种，一种是橡胶式，一种是套管式。橡胶式安装时，将止浆塞固定在注浆管上的设计位置，一起放入钻孔，然后用压缩空气或注浆压力使其膨胀而堵塞注浆管与钻孔之间的间隙，此法主要用于深孔注浆。还有一种堵塞器是用在套管式注浆管上的，靠灌浆压力使其贴紧孔壁，这种方法多用于深孔注浆或局部注浆。

另外，若采用全孔注浆，因浆液流速慢，易造成“死管”（尤其是深孔注浆），因此，多采用前进或后退式分段注浆。

（4）注浆施工。

注浆前应检查注浆设备，并试运转正常。注浆施工过程中，无关人员应撤离现场。注浆顺序应按先上方后下方，或先内圈后外圈，先无水孔后有水孔，先上游（地下水）后下游的顺序进行。应利用止浆阀保持孔内压力直至浆液完全凝固。注浆作业面与注浆加固段之间应有足够的地层安全防护厚度，当围岩不能承受注浆压力时，应设止浆墙。注浆堵水时止浆墙应为现浇混凝土墙，厚度不应小于0.8 m。在注浆施工过程中，应记录孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量、跑浆、串浆、终止注浆等参数。

（5）结束条件。

注浆结束条件应根据注浆压力和单孔注浆量两个指标来判断确定。单孔结束条件为：超前预注浆各孔段均达到设计终压并稳定10 min，且浆液注入量已达到计算值的80%。全段结束条件为：所有注浆孔均已符合单孔结束条件，无漏注。注浆结束后必须对注浆效果进行检查，如未达到设计要求，应进行补孔注浆。

（6）允许开挖时间。

注浆强度达到设计强度70% 后方可进行隧道开挖。掘进时保留一定厚度的止水岩盘，该厚度一般为毛洞高度（直径）的0.5～1.0倍。

5．洞内径向注浆加固施工

洞内径向注浆加固围岩适用于围岩松散、自稳能力较差的地段。洞内径向注浆加固施工应在初期支护完成，且喷射混凝土强度达到设计强度100% 后，在防水板铺挂之前实施。

施工时应以5～10 m纵向距离为一个段落进行，注浆孔间距为0.8～2.0 m，按梅花形布置，孔深应控制在5.0 m以内。注浆管应为钢管，管直径不应小于42 mm。如为径向注浆堵水，注浆终压力宜为0.5～1.5 MPa。通过斜向孔对出水点注浆堵水，注浆终压宜为1～2 MPa。注浆施工顺序应按由低到高、由边墙至拱顶的顺序进行。注浆孔钻完一孔后应立即对该孔注浆，并应在一孔注浆浆液终凝后，再进行相邻孔开孔。注浆材料和注浆参数应根据现场施工效果及时调整。

注浆完毕后，应进行注浆效果检验，注浆效果不满足设计要求时，应重新布孔注浆。