重载铁路隧道基底注浆加固技术及检测

郭明亮

摘要：本文阐述了重载铁路无砟道床隧道基底注浆加固的施工工艺、设备选型、效果检测及配套措施，可为类似工程提供借鉴。

Abstract： This paper expounds the construction technology， equipment selection， effect verification and countermeasures of grouting reinforcement of heavy haul railway tunnel basement， which can provide reference for similar projects.

關键词：重载铁路;隧底注浆加固;效果检测

Key words：heavy-haul railway;grouting reinforcement;effect detection

中图分类号：U455                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0118-04

0  引言

山西中南部铁道通道（瓦日线）是我国第一条重载铁路、万吨运煤通道，全线1260km，其中隧道196座、377.8km。为便于后期运营管理及维护，500m以上隧道由原设计有砟轨道变更为无砟轨道，并对隧道基底进行注浆加固，以填充围岩裂隙、改善土体结构、封堵隧底渗漏水，从而达到提高基底承载力、减少运营后期病害目的。

1  隧道基底加固段落确定

根据山西中南部铁路通道工程沿线地质条件，隧底加固段落主要为承载力小于220kPa的地层、富水粉质黏土和软弱不均地层。

2  隧底加固方案

2.1 总体方案

隧底加固方案主要采用小导管注浆，注浆孔孔径50mm，孔口管采用Φ42mm、壁厚3.5mm的焊接钢管。根据隧道地下水、隧底基岩不同情况，注浆孔采用梅花型布置，纵横向间距分别为2m×2m、1.5m×1.5m、1.2m×1.2m，钢管分别长3.5m和5m。隧道正洞基底注浆横断面布置如图1所示。

注浆压力：1～1.5MPa;

水泥浆液水灰比：0.7：1～1：1，水泥选用42.5级普通硅酸盐水泥。

终注条件：注浆压力达终注压力1.5MPa，持荷时间不低于10min。

2.2 总体要求

2.2.1 样板引路，试验先行

首先完成先行段、试验段隧底注浆加固施工，而后进行工艺总结，确定施工工艺、设备选型及注浆参数，然后推广应用。

2.2.2 仪器监测，专人盯控

配备三参数灌浆记录仪，现场专人盯控，收集有关记录，进行数据分析，并动态调整。

2.2.3 措施有效，全面加固

注浆前，须采取有效封堵措施，靠近两侧二衬边墙位置的注浆孔需斜向施做。

2.2.4 综合验证，确保有效

施工结束后要采取相应措施对注浆加固效果进行验证，主要是指浆液扩散半径、仰拱底部软弱夹层固结、空隙填充、基底承载力变化及基底渗漏水封堵情况。

2.3 质量保证措施

①制定隧底加固管理办法，明确技术参数、工艺控制标准，对技术和管理人员进行培训，做到标准熟悉、参数牢记。②对小导管注浆采用水泥、钢管等物资进行专管，进场材料实行登记验收并建立台账，对使用数量及时进行统计、签认。③注浆前实行报检制，钻孔间距、孔深、数量须符合设计要求;电缆槽外侧注浆孔要有一定倾斜度，以确保边墙底部注浆效果。④充分发挥三参数灌浆记录仪作用，对注浆过程中的流量、压力、密度及累计注浆量等参数进行实时监控，并及时优化。

3  隧底注浆加固试验段施工

3.1 试验段选择

结合承建隧道的围岩级别、岩性、含水量及无砟轨道施工安排，试验段选择在石楼隧道、前王庄2#隧道、高家坡1#隧道进行。

3.1.1 石楼隧道

DK221+700～DK221+800：洞身为粉质粘土，含少量孔隙潜水;

DK222+940～DK223+040：洞身为粉质粘土，含少量孔隙潜水，日出水量约为0.8～1m3/m·d;

DK230+200～DK230+300：洞身为泥质砂岩及泥岩，软硬不均，裂隙发育，含水;基底为泥岩夹泥质砂岩、以泥岩为主，含裂隙水，日出水量约为1.5～2.3m3/m·d。

3.1.2 前王庄2#隧道

DK211+600～DK211+700，边墙及基底为新黄土。

3.1.3 高家坡1#隧道

DK205+000～DK205+100，洞顶为新黄土，边墙及基底为新、老黄土，含少量孔隙潜水。

3.2 水泥浆配比

水灰比分别采用0.7：1、0.8：1及1：1，各配比性能指数如表1所示。

3.3 施工工艺

3.3.1 施工准备

根据桩位布置图进行测量放样，确定孔位。

3.3.2 钻孔

采用选定设备，按照设计要求间距、孔深、角度进行钻孔，仰拱两侧范围内钻孔时可斜向施做，角度控制在60°左右。

3.3.3 小导管安装

钢管前端10cm做成尖锥形，尾部长度120cm作为止浆段不钻孔。管壁四周钻四排？准8mm孔，孔间距15㎝，成梅花形布置。成孔后，将小导管按设计要求插入孔中，然后采用速凝水泥砂浆或止浆塞封堵管口。

3.3.4 注浆

小导管打入后，注浆泵的高压胶管与管口联通，并塞紧管口处缝隙，以保证注浆时不至于渗漏浆液。

管路接通后先要压水检查密封性，达到要求后方可注浆。

施工工艺流程图详见图2。

3.4 施工过程注意事项

①严格按照设计方案施工;②钻孔注浆过程中及时收集、整理、完善检验批、记录表、参数灌浆记录仪机打小票等各种资料;③为防止邻孔串浆和减少浆液无效漏失，注浆顺序应纵向分段、按跳孔间隔注浆方式进行，并宜采用先外后内的注浆施工方法;④针对富水隧道注浆加固时，宜从水头高的一侧开始注浆;⑤注浆过程中出现以下异常现象的处理方法：1）串浆，即浆液从其它孔流出的现象。发生串浆时，应待孔口正常出浆后将串浆孔阀门及时关闭或堵塞，轮到该管注浆时，再打开阀门或拔下堵塞物，视管内浆液情况采取相应措施（封口或补浆）。2）注浆时压力突然升高，则可能发生堵管，应停机检查。重点检查管道变径处、连接阀门处，找到堵塞部位，及时疏通，确保注浆质量。3）注浆过程中出现进浆量很大，压力长时间不升高的现象，则应查找原因，调整浆液浓度及配合比，缩短凝胶时间，进行小泵量低压力注浆或间歇式注浆，使浆液在裂隙中有相对停留时间，以便凝胶。4）塌孔：软质富水地层成孔后容易塌孔，注浆导管无法安装到位，采取成孔后钻杆在孔内来回抽插多次，以便形成护壁，减少塌孔，钻杆取出、验孔合格立即安装注浆管，如安装不到位则将导管拔出，插入钻杆进行清孔。5）施工缝漏浆：施工缝处出现漏浆现像，漏浆量较小则继续注浆，漏浆量较大则采用间歇注浆，待漏浆位置水泥浆初凝后再进行二次注浆。

4  工艺总结

4.1 注浆压力

依据现场注浆过程实际数据，注浆达到终注压力1.5MPa、且持续时间达到10 min后，注浆压力变化不大，同时注浆量也未出现较大变化。所以确定终注压力1.5MPa和持续时间10min可作为控制参数。

4.2 水泥浆配比

水灰比采用1：1、0.8：1、0.7：1。

在对土体加固时，初始采用0.7：1和0.8：1两种配比进行對比试验。采用0.7：1浆液注浆时，出现注浆量未达设计要求而压力就已大于1.5MPa现象，且浆液较稠，易出现堵管;采用0.8：1的浆液注浆时，由于初凝时间延长、流动性提高，浆液扩散范围变大，终注压力达到1.5MPa时注浆量基本与设计相符，且持续加压10min后注浆量也未出现较大变化，故认定0.8：1的浆液配比较为适合土体。

在对软弱不均地层进行注浆加固时主要采用0.8：1和1：1两种配比，经试验确认采用1：1的浆液，在终注压力达到1.5MPa时，注浆量基本与设计相符，且持续加压10min后未出现较大变化，故1：1浆液配比较为适合。

4.3 设备选型

4.3.1 钻孔设备

采用YT28风钻+煤电钻成孔，穿透仰拱约需15分钟，仰拱以下地层15分钟，单根5m长桩成孔时间为30～35分钟，每台钻机日成孔约13～14个孔;不产生灰尘，但产生泥浆，对隧道空气污染较小。

在有水泥岩及无水新黄土段落采用QZJ-100B自行式或ZGYX-410B-2履带式潜孔钻进行作业，穿透仰拱需时10～15分钟，仰拱以下20～25分钟，单根5m长桩需时30～40分钟，日成孔10～12个;干钻成孔，不产生污水、泥浆，钻碴易清理。

经过试验验证，以上设备均可满足施工要求，可根据不同段落地质、环境及工期要求选用，并制定配套安全及防护措施。

4.3.2 钻头类型

现场共采用4种钻头进行试验：合金转头、一字钻头、梅花型钻头和带肋锥形钻头。经试钻后发现，合金钻头混凝土层成孔速度快，可达到0.4m/min，软质土层较差、难以成孔;梅花型钻头土质地层钻进较快，且不易损坏。因此后续施工优先选用合金钻头和梅花钻头，且采用编组作业，一台钻机配合金钻头钻混凝土，一台配梅花型钻头钻土层，减少更换钻头时间，加快施工进度。

4.3.3 注浆泵

现场共选用3种注浆设备，分别为HB-3型单缸单液注浆泵、BW-250型三缸单液注浆泵和ZYB70/80D型单缸双液注浆泵。经试用后，选用前两种，搭配使用：单缸单液第一遍及易注浆段使用;三缸单液首先使用低速挡，连接三通管可多根管同时注浆，补浆及不易注浆时使用。

5  效果检测

5.1 验证目的

水泥浆配比、注浆压力、施工工艺及设备仪器选型是否满足施工要求，注浆对提高地基承载力、封堵渗漏水是否有效果，并为后续施工提供依据。

5.2 验证方法

对注浆加固效果，主要通过现场记录、钻孔取芯、轻型动力触探、雷达检测及注浆前后渗漏水对比情况等综合方法进行验证。

5.2.1 施工质量检查及技术资料分析法

通过注浆过程的质量检查以及有关施工记录、技术资料加以整理、分析，从而初步判断注浆质量。主要依据为三参数灌浆记录仪机打小票中所反映的流量、压力、密度及累计注浆量等参数。

5.2.2 取样检查法

通过钻孔取芯，对芯样浆液充填或胶结情况进行观察。

5.2.3 轻型动力触探

对土质地段，除钻孔取芯外，另采用轻型动力触探法检测注浆后基底地基承载力（需另加工探杆）。

5.2.4 雷达监测

采用多道瞬态瑞雷波法检测隧底加固区域是否存在异常。

5.2.5 注浆前后渗水量比较

采用注浆前后隧道基底渗水量比较法印证注浆质量和效果。

5.3 验证结论

5.3.1 钻孔取芯

钻孔取芯采用北京探矿厂生产的XY-1A型油压钻机、91mm单管金刚石钻具。试验段共钻孔取芯总进尺171m。

芯样上部为混凝土，平均厚度约1.6m，最厚为2.2m，最薄为1.2m，胶结良好，节长10～50cm，芯样表面除见少许气孔零星不均分布外均较光滑、致密、连续、完整，混凝土底有水泥浆附着痕迹，与持力层接触良好;

芯样下部：砂泥岩芯样顶部有水泥浆胶结，裂隙中水泥浆填充良好;黄土芯样顶部部分土体和水泥呈胶结状态，厚度不均，约2～13cm，接触较好;局部有水泥浆渗透充填和压密。

5.3.2 动力触探

根据轻型动力触探试验结果，注浆后隧底土质地基承载力介于232.5～254.7kPa间，满足地基承载力大于220kPa要求。

5.3.3 雷達监测

根据测试结果，基注浆加固地层未发现明显低速异常区域，局部波速较低区域不影响正常使用。如图3为DK222+880-DK223+040多道瞬态瑞雷波法检测曲线图。

5.3.4 试验前后渗漏水情况对照

针对石楼隧道富水段，注浆后仰拱填充表面逐渐干燥，通过和注浆前渗水情况对比，效果显著。

6  结语

通过技术资料分析、现场取芯、轻型动力触探、多道瞬态瑞雷波法测试及注浆前后水量比较等方法的综合应用，可得出如下结论：隧底注浆加固可有效填充隧底结构与围岩间空隙，胶结扰动层，基底下卧层一定范围内土质承载力有所提高，线路运营四年来轨道结构稳定，达到预期目的。

施工过程中应注意以下问题：施工前应结合无砟道床建设工期编制详细施工方案，确保过程有序，以避免对后续无砟道床施工产生影响;过程中受地下水影响，洞内钻孔及注浆置换会产生大量泥浆，需及时清理、疏通排水，泥渣应弃至弃土场，做好环水保相关工作。

参考文献：

[1]肖凯刚.山西中南部铁道通道重载铁路隧底加固方案研究[J].铁道建筑，2014年12月.

[2]李力.重载无砟轨道铁路隧道基底加固技术研究[J].铁道标准设计，2014（5）.

[3]侯军红.山西中南部重载铁路隧道基底加固技术探讨[J].石家庄铁道大学学报，2013年9月.