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1、饱和动水砂层TSS管固砂堵水注浆工法一、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 MCS 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
2、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）
3、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10-210-4cm/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
4、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
5、、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 细水泥一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。L 二（3 5）D式中：L 注浆段长（m）D 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。B 二（02 03）L式中：B 止浆岩墙厚度（m）（ 4）注浆孔
6、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： a注浆终孔间距（m）： R浆液扩散半径（m）。根据极
7、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：AX = X0 A + LAY = Y0 A + L式中：X,Y注浆终孔座标（cm）;X ,Y 注浆孔孔口座标（cm）；00A 极点距掌子面距离（m）；L 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。l = f X 2 + Y2 + （L + A）2 JX2 + Y 2 + A20 0式中： l 注浆管长（m）。（6）浆液扩散半径： 1m（7）注浆速度：30401/min（8）浆液凝胶时间：3050s（9）注浆终压： 11.2Mpa（10
8、）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。Q = n R2 h na（1 + 卩丿式中：Q注浆量（m3）；R浆液扩散半径（m）；h 注浆段长（m）；n 地层空隙率；地层空隙充填率；0浆液损失率，一般取1030%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、
9、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。G 、G 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%、 85 9595%粒径作为注浆材料的“最大代表粒径”）。3超细水泥选择DDN = G】5、15或N = g】0 88595式中：N （通常取N1）注浆比；选择超细水泥时，首先应对地层进行
10、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:D 、D 地层的粒径累计曲线的 15%， 10%的颗粒直径；15 104配制浆液（1）超细水泥浆的配制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。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
11、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 将钻机钻杆伸出，对准所标孔位用110mm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
12、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。 退出三翼合金钻头，换上跟管钻进的91mm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
13、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W0.01m3。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p 56,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
14、lm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
15、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42mmX 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046mm的溢浆孔。管尾采用两道6mm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 注浆加固范围：2m; 扩散半径： 0.4m； 注浆速度： 30
