适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法

摘要

本发明公开了一种适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，包括通过实验测试隧道穿越松散软弱地层段的地层压密性能，确定不同注浆压力下该地层所能达到的压密程度，及不同压密程度所对应的力学性能及抗渗性能；分析不同地层压密程度、注浆加固圈厚度对隧道开挖稳定性的影响，从而确定目标注浆压力、注浆加固圈厚度；确定膨胀土工布袋的最大膨胀半径及地表注浆孔排列间距；制作带有膨胀土工布袋的注浆管；在地表实施注浆孔钻孔作业，注浆孔达到预定深度后下入带有膨胀土工布袋的注浆管；采用速凝类注浆材料进行注浆，当注浆压力达到目标注浆压力时停止注浆；对注浆管与注浆孔之间的空隙进行充填封闭；完成所有注浆孔的注浆工作。

权利要求

1.适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过实验测试隧道穿越松散软弱地层段的地层压密性能，确定不同注浆压力下该地层所能达到的压密程度，及不同压密程度所对应的力学性能及抗渗性能；

步骤二：分析不同地层压密程度、注浆加固圈厚度对隧道开挖稳定性的影响，从而确定目标注浆压力、注浆加固圈厚度；

步骤三：根据目标注浆压力对应的地层压密程度，确定膨胀土工布袋的最大膨胀半径及地表注浆孔排列间距；

步骤四：制作带有膨胀土工布袋的注浆管，膨胀土工布袋的长度与注浆加固圈厚度相一致，注浆管的长度与隧道埋深相一致；

步骤五：在地表实施注浆孔钻孔作业，注浆孔达到预定深度后下入带有膨胀土工布袋的注浆管；

步骤六：通过注浆管采用速凝类注浆材料进行注浆，当注浆压力达到目标注浆压力时停止注浆；

步骤七：对注浆管与注浆孔之间的空隙进行充填封闭；

步骤八：重复步骤五～步骤七，完成所有注浆孔的注浆工作；

步骤九：隧道开挖、支护。

2.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述步骤一中，松散软弱地层的压密性能可通过侧限压缩试验确定，不同压密程度地层所对应的力学性能及抗渗性能可通过侧限压缩试验、剪切试验及渗透系数测定试验确定。

3.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述步骤三中，地表注浆孔采用梅花形布置，膨胀土工布袋的最大膨胀半径按照以下公式计算：式中，R为膨胀土工布袋的最大膨胀半径，D为钻孔间距，n0为松散软弱地层初始孔隙率，P为目标注浆压力，n(P)为目标注浆压力下的松散软弱地层孔隙率。

4.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述步骤四中的膨胀土工布袋采用高强度土工布制成，布袋膨胀后的直径与步骤三中所确定的最大膨胀半径相一致，膨胀土工布袋采用折叠方式包裹在注浆管上；膨胀土工布袋的两端固定在注浆管上。

5.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述的注浆管材质为金属管，注浆管穿越膨胀土工布袋部分设置均匀分布的溢浆孔，注浆管底部为封闭端，浆液只由溢浆孔进入膨胀土工布袋。

6.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述步骤六中，所述的速凝类注浆材料可采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比控制在0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在3～4:1之间。

7.如权利要求1所述的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，其特征在于，所述步骤七中，充填封闭所用注浆材料可采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比控制在0.8～1之间。

说明书

适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种适用于浅埋暗挖隧道的软弱地层超前压密注浆加固方法

背景技术

[0002] 城市地铁隧道一般为浅埋隧道，地铁隧道建设过程中经常穿越第四系松散软弱地层，如富水砂土层、软黏土层等地层，由于上述地层具有结构松散、粘接能力差等特点，在隧道开挖过程中极易诱发隧道塌方等工程事故，严重威胁隧道开挖安全。注浆是加固松散软弱地层的有效手段，该方法通过对隧道开挖掌子面前方的松散软弱地层进行提前注浆加固，提高该地层的力学性能与抗渗性能，从而保证隧道开挖过程中的围岩稳定性。在城市地铁浅埋暗挖隧道中常用的注浆方法有洞内超前注浆、地表超前注浆两种方法，上述两种方法的加固原理均是将凝胶性浆液注入松散软弱地层中，浆液在地层中主要以劈裂形式进行扩散，当浆液在扩散范围内凝胶固化后，在浆脉骨架支撑、地层压密固结等多种加固模式作用下，地层整体力学性能及抗渗性能得到提高。但是上述方法均存在以下不足：①浆液扩散控制困难，由于浆液在地层中主要以劈裂形式扩散，浆液扩散半径一般远大于目标注浆加固范围，浆液有效留存率较低，浆液浪费严重；②加固效果难以保证，由于浆液劈裂扩散的阻力较低，导致注浆压力较低(一般<1MPa)，地层在注浆压力作用下的压密程度较低，地层力学性能及抗渗性能增长不显著。

发明内容

[0003] 为了解决现有针对浅埋暗挖隧道穿越松散软弱地层段注浆技术的不足，本发明提供了一种适用于浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，通过该方法可实现对隧道拱顶区域的定域注浆加固，极大提高注浆材料利用率，有效保证注浆加固效果。

[0004] 本发明所采用的适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤一：通过实验测试隧道穿越松散软弱地层段的地层压密性能，确定不同注浆压力下该地层所能达到的压密程度，及不同压密程度所对应的力学性能及抗渗性能；

[0006] 步骤二：分析不同地层压密程度、注浆加固圈厚度对隧道开挖稳定性的影响，从而确定目标注浆压力、注浆加固圈厚度；

[0007] 步骤三：根据目标注浆压力对应的地层压密程度，确定膨胀土工布袋的最大膨胀半径及地表注浆孔排列间距；

[0008] 步骤四：制作带有膨胀土工布袋的注浆管，膨胀土工布袋的长度与注浆加固圈厚度相一致，注浆管的长度与隧道埋深相一致；

[0009] 步骤五：在地表实施注浆孔钻孔作业，注浆孔达到预定深度后下入带有膨胀土工布袋的注浆管；

[0010] 步骤六：通过注浆管采用速凝类注浆材料进行注浆，当注浆压力达到目标注浆压力时停止注浆。

[0011] 步骤七：对注浆管与注浆孔之间的空隙进行充填封闭。

[0012] 步骤八：重复步骤五～步骤七，完成所有注浆孔的注浆工作。

[0013] 步骤九：隧道开挖、支护。

[0014] 所述步骤一中，松散软弱地层的压密性能可通过侧限压缩试验确定，不同压密程度地层所对应的力学性能及抗渗性能可通过侧限压缩试验、剪切试验及渗透系数测定试验确定，以上试验方法均符合土工试验方法标准(GB/T50123-1999)。

[0015] 所述步骤三中，地表注浆孔采用梅花形布置，膨胀土工布袋的最大膨胀半径按照以下公式计算：

[0016]

[0017] 式中，R为膨胀土工布袋的最大膨胀半径，D为钻孔间距，n0为松散软弱地层初始孔隙率，P为目标注浆压力，n(P)为目标注浆压力下的松散软弱地层孔隙率。

[0018] 以上公式的推导过程如下：

[0019] 由于钻孔按照梅花形布置，钻孔间距为D，故钻孔排间距为D/2，单个注浆孔的影响范围面积为S＝D2/2，根据注浆影响范围面积S、地层初始孔隙率n0及注浆压力P作用下的地层孔隙率n(P)，可得到膨胀土工布袋的膨胀面积为S(n0-n(P))，同时膨胀土工布袋的膨胀面积也可用最大膨胀半径R表达为πR2，经过公式变换可得到膨胀土工布袋的最大膨胀半径R的计算公式。

[0020] 所述步骤四中采用的注浆管具有如下特征，

[0021] 膨胀土工布袋采用高强度土工布制成，布袋膨胀后的直径与步骤三中所确定的最大膨胀半径相一致，膨胀土工布袋采用折叠方式包裹在注浆管上并进行固定，膨胀土工布袋的两端固定在注浆管上。

[0022] 注浆管材质为金属管，注浆管穿越膨胀土工布袋部分设置均匀分布的溢浆孔，注浆管底部为封闭端，浆液只由溢浆孔进入膨胀土工布袋。

[0023] 所述步骤六中，采用速凝类浆液的主要目的是最大程度防止注浆结束后的浆液析水，减少因浆液析水导致的注浆结石体体积减小。速凝类注浆材料可采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比控制在W/C＝0.8～1之间，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比控制在C:S＝3～4:1之间。

[0024] 所述步骤七中，充填封闭所用注浆材料可采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比控制在W/C＝0.8～1之间。

[0025] 本发明的技术原理：在目标注浆加固区域(即注浆加固圈)内均匀布置带有膨胀土工布袋的注浆管，通过向膨胀土工布袋中注入浆液使土工布袋膨胀，进而压密注浆管周围的松散软弱地层，膨胀土工布袋注浆完成后形成柱状浆液结石体，最终在目标注浆加固区域内形成由柱状浆液结石体与被压密地层构成的复合地层，均匀分布的柱状浆液结石体对地层将起到群桩加固作用，而被压密地层的力学性能及抗渗性能均显著强于最初的松散软弱地层，在群桩效应与地层挤密效应的联合作用下，松散软弱地层得到有效加固，可保证隧道开挖支护安全。

[0026] 本发明的有益效果是：

[0027] ①可实现对隧道拱顶目标加固区域的定域注浆，解决了传统注浆中浆液扩散控制困难的问题，目标加固区域内的浆液留存率可达到100％，极大提高了注浆材料的有效利用率，相应注浆时间缩短，施工效率得到极大提高。

[0028] ②采用了膨胀土工布袋限制了浆液扩散范围，在注浆过程中注浆阻力主要来自于松散软弱地层抵抗压密变形的反力，注浆压力可达到较高水平(>2MPa)，地层压密程度高，注浆加固效果得到有效保证。

[0029] ③采用地表注浆施工方式，不会对洞内开挖支护工序造成影响，相比洞内注浆施工方式极大提高了隧道开挖工效。

附图说明

[0030] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0031] 图1为超前压密注浆加固原理图；

[0032] 图2为膨胀土工布袋膨胀前注浆管结构纵剖面图；

[0033] 图3为膨胀土工布袋膨胀后注浆管结构纵剖面图；

[0034] 图4为膨胀土工布袋膨胀前注浆管结构横剖面图；

[0035] 图5为膨胀土工布袋膨胀后注浆管结构横剖面图；

[0036] 图6为地表注浆钻孔布置示意图。

[0037] 1——隧道，2——松散软弱黏土层，3——注浆加固圈，4——膨胀土工布袋，5——地表，6——注浆孔，7——注浆管，8——低强度胶带；9——高强度铁丝，10——溢浆孔。

具体实施方式

[0038] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0039] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

[0040] 正如背景技术所介绍的，现有技术中城市地铁浅埋暗挖隧道中常用的注浆方法有洞内超前注浆、地表超前注浆两种方法，上述两种方法的加固原理均是将凝胶性浆液注入松散软弱地层中，浆液在地层中主要以劈裂形式进行扩散，当浆液在扩散范围内凝胶固化后，在浆脉骨架支撑、地层压密固结等多种加固模式作用下，地层整体力学性能及抗渗性能得到提高。但是上述方法均存在以下不足：①浆液扩散控制困难，由于浆液在地层中主要以劈裂形式扩散，浆液扩散半径一般远大于目标注浆加固范围，浆液有效留存率较低，浆液浪费严重；②加固效果难以保证，由于浆液劈裂扩散的阻力较低，导致注浆压力较低(一般<1MPa)，地层在注浆压力作用下的压密程度较低，地层力学性能及抗渗性能增长不显著。

[0041] 本发明中所述的高强度土工布是指只要能满足强度要求的土工布即可；所述的低强度胶带也是只要能满足强度要求的胶带即可；所述的高强度铁丝也是只要能满足强度要求的铁丝即可，对于强度大小本身没有限定作用；

[0042] 为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种适用浅埋暗挖隧道的松散软弱地层超前压密注浆加固方法；如图1所示，超前压密注浆加固原理图；

[0043] 本申请的一种典型的实施方式中，隧道拱顶埋深15m，隧道拱顶揭露松散软弱黏土层，松散软弱黏土层上边界距离隧道拱顶3m，下边界在隧道拱顶以下并距离隧道拱顶1m；针对该隧道地层进行压密注浆加固方法，包括以下步骤：

[0044] 步骤一：通过实验测试隧道1穿越松散软弱黏土层2的地层压密性能，确定不同注浆压力下该地层所能达到的压密程度，及不同压密程度所对应的力学性能及抗渗性能。

[0045] 步骤二：分析不同地层压密程度、注浆加固圈3厚度对隧道开挖稳定性的影响，最终确定目标注浆压力为2MPa、注浆加固圈3厚度为3m。

[0046] 步骤三：确定膨胀土工布袋4的最大膨胀半径及地表5注浆孔6排列间距。在目标注浆压力P＝2MPa下，松散软弱地层孔隙率由n0＝50％减小至n(P)＝30％，确定地表注浆孔钻孔间距D＝1m，钻孔排间距为0.5m，钻孔为梅花形布置，根据膨胀土工布袋最大膨胀半径计算公式 膨胀土工布袋的最大膨胀半径R＝0.18m。

[0047] 步骤四：制作带有膨胀土工布袋的注浆管7，膨胀土工布袋4的长度为3m，注浆管的长度与隧道埋深相一致；

[0048] 步骤五：在地表实施注浆孔钻孔作业，注浆孔按照梅花形布置，孔间距D＝1m，钻孔排距为0.5m，注浆孔达到预定深度后下入带有膨胀土工布袋的注浆管；具体的如图6所示；

[0049] 步骤六：采用水泥-水玻璃双液浆进行注浆，当注浆压力达到2MPa时停止注浆，水泥-水玻璃浆液中水泥浆液水灰比W/C＝1，水泥浆液与水玻璃浆液的双液体积比C:S＝4:1。

[0050] 步骤七：对注浆管与注浆孔之间的空隙进行充填封闭，充填封闭所用注浆材料采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比W/C＝1。

[0051] 步骤八：重复步骤五～步骤七，完成所有注浆孔的注浆工作。

[0052] 步骤九：隧道开挖、支护。

[0053] 所述步骤一中，松散软弱地层的压密性能可通过侧限压缩试验确定，不同压密程度地层所对应的力学性能及抗渗性能可通过侧限压缩试验、剪切试验及渗透系数测定试验确定，以上试验方法均符合土工试验方法标准(GB/T50123-1999)。

[0054] 所述步骤四中采用的注浆管具有如下特征，膨胀土工布袋采用高强度土工布制成，布袋膨胀后的直径应该与步骤三中所确定的最大膨胀半径相一致，膨胀土工布袋采用折叠方式包裹在注浆管上并采用低强度胶带7绑扎固定，膨胀土工布袋的两端通过高强度铁丝9绑扎固定在注浆管上。注浆管材质为铁管，注浆管穿越膨胀土工布袋部分设置均匀分布的溢浆孔10，注浆管底部为封闭端，浆液只由溢浆孔进入膨胀土工布袋；具体的膨胀土工布袋膨胀前后的视图如图2-图5所示；

[0055] 所述步骤六中，采用速凝类浆液的主要目的是最大程度防止注浆结束后的浆液析水，减少因浆液析水导致的注浆结石体体积减小。

[0056] 所述步骤七中，充填封闭所用注浆材料可采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比控制在W/C＝0.8～1之间。

[0057] 本发明的技术原理：在目标注浆加固区域(即注浆加固圈)内均匀布置带有膨胀土工布袋的注浆管，通过向膨胀土工布袋中注入浆液使土工布袋膨胀，进而压密注浆管周围的松散软弱地层，膨胀土工布袋注浆完成后形成柱状浆液结石体，最终在目标注浆加固区域内形成由柱状浆液结石体与被压密地层构成的复合地层，均匀分布的柱状浆液结石体对地层将起到群桩加固作用，而被压密地层的力学性能及抗渗性能均显著强于最初的松散软弱地层，在群桩效应与地层挤密效应的联合作用下，松散软弱地层得到有效加固，可保证隧道开挖支护安全。

[0058] 本发明可实现对隧道拱顶目标加固区域的定域注浆，解决了传统注浆中浆液扩散控制困难的问题，目标加固区域内的浆液留存率可达到100％，极大提高了注浆材料的有效利用率，相应注浆时间缩短，施工效率得到极大提高。

[0059] 本发明采用了膨胀土工布袋限制了浆液扩散范围，在注浆过程中注浆阻力主要来自于松散软弱地层抵抗压密变形的反力，注浆压力可达到较高水平(>2MPa)，地层压密程度高，注浆加固效果得到有效保证。

[0060] 本发明采用地表注浆施工方式，不会对洞内开挖支护工序造成影响，相比洞内注浆施工方式极大提高了隧道开挖工效。

[0061] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。