预注浆技在隧道工程中的应用.doc

预注浆技术在隧道工程中的应用铁十九局二处第二隧道公司方伟摘要：本文在介绍注浆材料、注浆设备、注浆方法、注浆前调查、注浆设计、注浆效果检验的基础上，具体阐述如何根据隧道工程中施工现场地质条件、环境条件和注入目的来设计行之有效的注浆方案。关键词：注浆材料注浆设备注浆方法注浆前调查注浆设计注浆效果检验隧道工程应用一、前言随着公路、铁路、水利、水电建设的高速发展，穿山隧道、都市隧道（地铁等）、水底隧道（穿江、穿海等）愈来愈多，当隧道在浅埋地段、砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段施工时，常会出现因开挖面围岩失稳，导致坍塌、冒顶或衬砌后混凝土结构体仍然渗、漏水甚至开裂等现象，这不仅影响施工安全，延误工期，费工费料，而且影响工程质量和隧道使用年限。为了避免上述情况，施工中人们一直在尝试着用注浆技术来处理这些问题。随着注浆材料、设备和注浆理论的发展，注浆技术也有了长足的发展，越来越多的工程实践证明：注浆技术的应用已成为保证隧道工程质量和安全的经济而有效的一门新型技术。注浆技术具有设备和工艺简便灵活、耗资少、工期短、见效快、施工占用场地小、施工对环境污染小等特点，故在隧道工程中应用愈来愈广泛。但不少工程在应用注浆技术处理工程问题时，因缺乏理论依据和实际操作经验，在对注浆材料、注浆设备、注浆方法的选择；在对注浆范围、注浆性能指标的确定以及注浆加固效果的检验等工作中往往带有随意性、盲目性，以致有些注浆工作花了较大的代价却未能达到预期效果！本文在介绍注浆材料、注浆设备、注浆方法以及如何根据实际地质情况进行注浆前调查、设计、试验和注浆效果检验的基础上，具体阐述如何运用这些理论知识来处理隧道工程中的各种问题。二、注浆材料注浆浆液按其主要构成材料的不同，可分为如下几类：1、水玻璃类（酸性和中性水玻璃类、复合性水玻璃类、水玻璃+水泥类）悬浊型硅溶胶+水泥水玻璃+酸性反应剂溶液型硅溶胶+碱性反应剂硅溶胶+中和（缓和）剂a、酸性和中性水玻璃类又分为水玻璃本身并不能充当注浆材料，只有在其中加入酸或酸性盐及一些有机化合物后，才能产生大量可用于注浆用的胶体状态的硅酸即硅溶胶。目前用的较多的是水玻璃+氯化钙和水玻璃+铝酸钠两种浆液。其中当采用硅溶胶+碱性反应剂作业时，往往是在现场先配制pH=3～4的酸性水玻璃浆液（硅溶胶），然后以单液的方式注入地层，借助地层中的天然碳酸钙作固化剂使酸性水玻璃固化，这样省事又降低了造价。b 、复合性水玻璃类是由悬浊浆液（瞬结）+溶液型水玻璃（中性~弱酸性）浆液（缓结）的复合浆液。c、水玻璃+水泥类一般可通过调整两者间的质量比来控制凝胶时间,水玻璃浓度一般为30～40oBe。水玻璃类浆液因价格便宜、无毒性、材料来源易得，渗透能力较强、胶凝时间可以由硅溶胶的浓度、水泥用量及反应剂控制等特点，在实际施工中使用率极高，居第一位。但这种浆液固结强度和耐久性均较差，而且会出现因水玻璃残余引起的阻碍长期稳定性提高的离浆现象，因此不适于要求强加固和长耐久的工程。2、水泥类（水泥砂浆、普通水泥、超细水泥、湿磨水泥、硅粉）水泥砂浆由于砂粒粒径大，一般用于填充空隙大的孔隙或空洞。普通水泥由于粒径较大，只能渗入渗透系数大于5×10-2cm/s的粗砂层及宽度大于0.2mm的裂隙，对渗透系数为10-3～10-4cm/s的中砂、细砂土层及宽度小于0.2mm的裂隙而言，就无能为力了。为此人们开始研究超细水泥，以提高其可注性，其中有日本的MC-500号水泥和中国的CX型超细水泥，并且在防渗、堵漏中取得了很好的效果。后者在性能上完全接近前者，价格较前者便宜。此后日本电力公司又研制出了另一种细粒水泥：湿磨水泥（WMC），这种湿磨水泥极类似粘土浆液的性能，甚至胜过粘土浆，被人们称为“微溶胶”。它是把普通水泥在注浆现场磨细到要求的细度，价格比工厂生产的同样细度的干水泥配制的浆液要便宜得多。其水泥颗粒的比表面积已提高到12700cm2/g，平均粒径达3μm且浆液稳定性好、析水率低、流动性好、无毒不污染环境。目前我国的国家建材研究院也研制出了类似产品。随后人们又开发出渗透性好、耐久性长的硅粉浆液，其浆液由硅粉、氢氧化钙、氢氧化钠组成。在实际施工中因工程需要，往往在水泥浆中加入适量外加剂，以改善其性能。如在水泥浆中加入5%氯化钙（CaCL）或3%水玻璃（Na2O.SiO2）可缩短浆液凝胶时间；在水泥浆中加入0.05%的三乙醇胺或0.5%的氯化钠，可使浆液高效速凝、早强；在水泥浆中加入3%～10%的膨润土或高塑粘土，可提高浆液的稳定性；在水泥浆液中加入硫化钠可提高浆液的可注性。水泥类浆液因其固结强度高、耐久性较长、价格便宜、操作简便而使用情况也较为普遍。3、高分子类（如铬木素类、脲醛树脂类、丙烯酰胺类、环氧类、聚氨酯类等）铬木素类是以亚硫酸盐纸浆废液为主剂、以重铬酸盐为硬化剂，配以少量促凝剂组成，该类浆液粘度低，可注入性好，凝胶时间可控，凝胶体稳定，抗渗性强、源广价廉。其若能去掉其毒性，很有发展前途。脲醛树脂类料来源广，固结体强度较高。缺点是粘度大，而且在酸性条件下固化，对设备有腐蚀性。高分子类浆液虽然渗透性极好、凝胶时间易于控制、注后土层的抗压强度、抗渗性均较理想，但因其含剧毒物质、污染环境而被大多数国家禁用，仅在注入水泥浆液、水玻璃浆液无法解决问题时才使用。以上三大类注浆材料的相对价格比如下表：（以水泥浆为1）浆液名称水泥+澎润土水泥+砂浆水泥浆水泥+水玻璃水玻璃类铬木素类相对价格0.40.4511.6~1.82.7~3.63.6~10.9面对如此众多的浆液，我们如何去选择呢? 我们应根据具体地质条件、环境条件、注入目的来进行选择。其中地质条件是选定浆液的首要因素。选择的浆液必须与砂土层为渗透注入，粘土层为脉状劈裂注入的机理相吻合。渗透注入的机理是用溶液型浆液取代土颗粒间隙中的水，故要求浆液的粘性必须近于水，且低于水，同时不含颗粒，因此可选择溶液型浆液、超细粒状浆液来对砂土层进行渗透注入，可望提高砂土层的防渗能力和土体的内聚力。而劈裂注入的机理是浆液在土层中形成纯浆液的固结脉，同时一些脉压密周围土层。为了提高脉体的固结强度，故应选择固结强度高的悬浊型浆液。这些浆液适用于粘土层注浆，以增加其内聚力。对于砂土和粘土混合层，可按下图所示土质与注入形态的关系，选定对应的浆液。但是当注入的目的是为了防渗的情况下，也可注溶液型浆液。土质与注入形态的关系一般来说可以通过提高注入率来提高加固强度。当工程对固结体的强度要求很高时，如果在提高注入率的情况下还不能满足工程对强度的需求，通常选用超细水泥、湿磨水泥、硅粉等超细粒状浆液或有机高分子类浆液。当工程对浆液固结体的长期耐久性即注入地层的强度和抗渗性时效的持久性有特殊要求时，应选择凝胶时间长、渗透性好、匀凝强度高的硅溶胶浆液（CW-HL）、GS类水玻璃浆液（GSG）或超微细粒子硅石浆液（帕马石）。由周围环境确定浆液主要指浆液对公共水源和植物的影响。当周围环境要求浆液无毒性或注浆施工靠近公共水域时，应选择中性水玻璃浆液，这样即使发生浆液串入公共水域，也不会污染其水质。一、注浆设备注浆设备包括钻孔机、注浆泵、拌浆设备、输浆管、止浆塞、流量计、注入喷枪、储浆罐。这里主要讲述钻孔机、注浆泵、注入喷枪。 1、钻孔机隧道注浆工程中钻孔机械一般采用气腿式凿岩机，其孔径Φ34～45cm不等，孔深为0～5m不等；如果是大管棚注浆，视其孔深可选取钻孔台车或钻机。孔深不大于16m时，选用钻孔台车，否则选取钻机。其孔径为Φ75～110mm不等。2、注浆泵注浆泵种类较多，在隧道中用得较多的有曲柄驱动式双液调速注浆泵、电动泥浆泵。注浆泵采用喷出容量一定，往返运动结构。往返运动有曲柄式和液压（驱动式）两种，但双液注浆泵中以曲柄式居多。注浆泵有活塞式和柱塞式两种，因活塞胶的耐酸问题，故活塞式泵多用于悬浊型溶液；而柱塞式泵存在悬浊液的颗粒密封磨损问题，故它多用于溶液型浆液。3、双液注入喷枪双液注浆中喷枪构造图有如下两种：（a）（b）图1图2钻孔结束后，通过卡具把喷枪和外管联结起来，然后把喷枪送至孔尖处，注浆时先从内管注入短凝混合液，此时短凝混合液由喷枪上部注入孔喷出，等这些浆液固化后，在喷枪周围就形成限域固结的注入范围。待停止向内管中注入短凝混合液后，则喷枪中活塞（上）复位，上部注入孔封闭，然后通过向外管压送长凝混合液的同时把活塞押下，故长凝浆液从下部注入孔喷出。按照设计要求注入规定量的浆液后，把喷枪提出一节。重复上述过程，直至结束。改孔时，在地面上卸掉卡具把喷枪取出。当然并非每种注浆工法中都用到喷枪，如钻杆注浆法、花管注浆法。四、注浆方法1、分类a、按照注入浆液在地层中分布形态的不同，注入方式可分为如下几类：充填注浆渗透注浆劈裂注浆劈裂渗透注浆挤密注浆注入方式充填注浆指向地层中的大孔隙、大空洞充入浆液，固结浆液与孔隙、空洞形状一致。 渗透注浆指浆液在压力的作用下，渗入到地层的孔隙和岩石的裂隙中，将孔隙和岩石裂隙中的自由水和气体排挤出去，但不改变地层结构的原状和体积，浆液固结后将地层中颗粒粘接在一起，使地层的抗压强度和抗渗性能得以提高。这种方法通常只适用于中砂以上的砂性土和有裂隙的岩石。浆液固结形态为小球形。劈裂注浆指浆液在较高压力（相对充填注浆、渗透注浆）的作用下，劈入到粘土层（通常颗粒粒径小于0.01mm），浆液的劈裂路线呈纵横交叉的脉状网络。浆液固结形态为偏平球体或板状。。劈裂渗透注浆指控制注入压力、速度使其先形成劈裂注入，但形成的劈裂面不大，此后浆液沿劈裂脉作渗透注入。浆液固结形态为偏平球体。挤密注入指用一定压力注入粘稠的不易流动的惰性浆液取代并挤密周围土体。浆液凝固形状为柱体或球体。在实际操作时，若随着注入压力的增加而注入速度也相应呈正比变化时，一般为渗透注入；若随着注入压力的增加而注入速度减小时或先减小后呈正比增加时，一般为劈裂注入或劈裂渗透注入。钻杆注浆法双重钻杆过滤管法钻杆法花管法双层管双栓塞法同步注入法环氧树脂注入法b、按照注浆施工中注浆管的形式差异，可分为如下几类：注入方式钻杆法是指把钻杆直接作为注浆工具进行注浆的方法。如迈式锚杆注浆法。其优点是操作简便。缺点是在实际操作时浆液易从钻杆与孔隙间的空隙中串出，且钻杆易被堵塞。双重钻杆过滤管法是指A、B两种浆液在双重钻杆的尖头处的喷枪中混合，也可分别经喷枪喷出后在地层中混合。胶凝时间可由A、B两液共同决定，可长可短。双重钻杆是指有内管和外管的一种环形杆。双重钻杆过滤管法又分为单液双重钻杆过滤管法和双液双重钻杆过滤管法。单液双重钻杆过滤管法和双液双重钻杆过滤管法的区别：1）共同点：该两种方法均是利用双重钻杆，使A、B两液在钻杆尖头处喷枪或分别经喷枪喷出后在地层中混合。2）不同点：a、喷枪不同，单液双重钻杆过滤管法中喷枪如图2所示；而双液双重钻杆过滤管法中喷枪较前者复杂，它的构造如图1所示。b、注入浆液类型不一样。前者主要用于短凝浆液，（凝胶时间在秒的量级）；而后者却可用于短凝浆液、中凝浆液（凝胶时间为分量级）及长凝浆液（凝胶时间为几十分钟以上），此外还可注入不同的组合浆液，这也是它得名双液的原因，这里的双液是指多种类型。单液双重钻杆过滤管法是一种注入短凝浆液的方法，它把注入范围的边缘固化起来，可防止浆液外溢，是一种限定固结范围的较有效的工法，其应用目前仍较普遍。双液双重钻杆过滤管法适用于注入两种以上不同凝胶时间的浆液的情形。对于有些地层，它可以先通过注入短凝浆液，像栓塞一样把容易跑浆的部位封闭起来，然后再注入长凝浆液，这样有利于浆液向土颗粒间隙中渗透，可望获得均匀加固的地层，故这种工法的利用频率近年来急剧增多！ 花管法是指钻孔成形后，拔出钻杆，插入一段上面有多个小孔的注浆钢管（俗称花管、也叫过滤管），然后进行注浆的方法。该方法因浆液是通过许多小孔分散进入地层，所以浆液能够比较均匀地渗入到地层中。但是在埋设花管时要防止堵塞花管上的小孔，更不能让土颗粒从小孔逆流进入注浆管造成管路堵塞。这种方法在与管棚超前预支护相结合时用得较多。双重管双栓塞法是在成孔拔出钻杆后，向孔中插入一根套管（也称外管）。该套管每节长33～50cm，其上开有小孔（即注浆孔），孔口外侧用胀圈（橡胶圈）包好，胀圈的作用是当孔内加压注浆时，胀圈胀开浆液从小孔中喷出进入土层，不注浆时胀圈封闭喷射口，故土和地下水均被胀圈拒之喷射口之外，不会逆向进入注浆管内。注浆时把两端都装有密封栓塞的注浆芯管插入上述外管内，由于注入压力的作用浆液从两组栓塞的中间经喷射口胀开胀圈进入地层中，逐次提升（下降）芯管，即可实现逐段分层注浆。环氧树脂注入法指用泵把高粘度粘接剂（环氧树脂）压送到裂缝深处实现完全填接合，恢复强度的工法。它能修复混凝土的裂缝宽度为3～10mm，2mm的裂隙也能取得较好的效果。其它的注浆工法因在隧道工程中使用不多，故不再陈述。在具体施工中，我们怎样选择这些工法呢?事实上注浆工法的选择与浆液的选择有关，多数情形是在选择浆液阶段即确定了工法。另外，选择工法时，准确地掌握注入地层的土质参数（地质条件）极为重要，因为土质参数是选择工法的依据。回顾浆液的选择时，土质条件也是最关键的因素，由此可见注浆前对现场的调查研究是何等重要！我们将在后面阐述这个问题。确定工法的大致标准如下：1）对于松散度大、密实度差的松砂层和粘土层，一般采用单液双重钻杆过滤管法。因为短凝浆液能防止浆液向预定注浆范围以外扩散，而停留在限定部位，可使注入均匀密实，注入效果好。2）对于中等高密实的砂层和含有粘性土的粘层，一般采用双液双重钻杆过滤管法。因为这种方式一方面采用短凝浆液防止浆液扩散，另一方面采用长凝浆液来实现地层中小间隙的渗透。如果在高密压实的地层和含粘土较多的砂质地层中只注入短凝浆液，则出现注入效果不匀的现象。这种情形下采用中凝与长凝和短凝的组合注入，注入效果较好。3）对于岩层或砼的裂缝的粘接、修复一般采用环氧树脂注入法。4）对于超前预支护、预注浆，一般采用花管法。5）双层法双栓塞法适于所有砂类地层，这种方式采用长凝浆液，低速缓慢注入，可获较均匀的加固。与双重钻杆过滤管法相比，存在注入费用高，工期长的问题。因为是低压注入，所以适合在重要构造物的下方或接近埋设物的位置上注入，对这些构造物的影响最小。五、注浆前调查为了使注浆施工合理、有效、我们应作好事先调查，并对其调查结果进行充分研究讨论。此外还须参考以往的施工经验，然后决定注浆浆液及方法，并通过实验进行确认。必须调查的项目有：a)土质调查；b)环境调查；c)埋设物调查。其中土质调查是至关重要的，重点讲述如下：1、土质柱状图。通过钻孔取芯得出注浆现场的土质柱状图，以便掌握土质成分状况。通过研究岩芯成分，我们可以判断地层中是否有漏层；是否有承压水层；是否有复杂的互交层；是否有特殊土。从而决定选择哪种注入材料及注入工法。2、N值（地层强度）通过标准贯入实验，可以测定土质的N值，预测出地层强度及其密实度情况。从而决定了地层预期加固强度及注入率的大小。 1、渗透系数K值我们可以通过钻孔，根据孔内涌水量估算出地层渗透系数K值。具体做法是从隧道掌子面水平钻孔至预定位置后，把钻杆退出，然后测定由钻孔内流出的水量，根据公式：（由达西定律推出）q(R-r)K=2πHRr其中：q代表流量；mm3/sR代表影响半径（经验值）;mmr代表钻孔半径;mmH代表含水层深度；mm通过测定渗透系数了解土层的渗水性，从而确定选用哪种浆液及注入率的大小。2、粒度构成（即颗分构成）。通过对土质的颗分组成分析，了解土质颗粒由多大粒径构成，每种粒径的颗粒占多大比例，从而确定是渗透注入还是劈裂注入，自然也就决定了注入材料及注入率。3、土质粘力。根据土质粘力，可预测地层强度，从而决定地层预期加固强度。4、地下水的PH值。因为地下水调查通常与土质调查同时进行，因此它可追加到土质调查中去。地下水的酸碱性对注浆有较大的影响，当在酸性地下水中使用碱性浆液时，浆液的凝胶时间会变短。对碱性悬浊型浆液而言，酸性地下水会妨碍水泥固化，耐久性降低。对于非碱性浆液而言，酸性地下水会使其凝胶时间变长，但不妨碍水泥的硬化及浆液的耐久性。对碱性地下水而言，当注入碱性浆液时，凝胶时间变长；而对非碱性浆液而言，凝胶时间变短，但不影响浆液的其它方面。环境调查与埋设物调查在这里就不讲述了。六、注浆设计通过调查，我们取得了一系列重要数据。根据这些数据，加上以往的施工经验，我们基本上可以确定：注浆浆液、注浆方法、注入范围、注入率、注入压力、注入节距等影响注浆效果的因素，这也是一个设计注浆方案的过程。1、注入材料的选择（包括材料的配比、凝胶时间的选定）。浆液种类的选择在前面已详说过，这里省略。材料的配比中主剂水玻璃的量是一定的，为了做到配比适中，利用卡普倒立法在作业前测定，与此同时，按固化剂、助剂的顺序投入混合，这样混合的效果好。在双重过滤方式的情形下，就单液而言，一般使用几秒至几十秒的短凝浆液；而双液则用短凝时间为几分钟，中等程度凝胶时间几十分钟的浆液。应注意的是凝胶时间与注入速度、地下水温、地下水量有关，一般来说在地层中的凝胶时间都多少比空气中的凝胶时间长些。2、注入范围的确定。注入的范围必须能较好的满足注入目的。注入范围基本上由计算确定，相对隧道来说：主要是在掌子面开挖时，注浆加固断面的估算。式中：a为隧道掘进外半径，c为注浆区上圆周对应的半径，b所对应的圆周线是弹塑性区分界线，人们根据材料力学和弹性力学的知识，常把注浆区分弹性区和塑性区。其中圆c和圆a所夹的圆环部分，就是注浆区。现在我们的任务就是算出b、c值我们根据以下三个方程： δθ（b）=m[p1+Fra/(2-m)-qua/(1-m)](b/a)m-1-mFra/(2-m)(b/a)+qua/(1-m)δθ（b）=2P0c2-δr（b）(b2+c2)/(c2-b2)+[(1-2υ)/3(1-υ)b+(2-υ)/3(1-υ)2c2/(b+c)]Frδθ（c）=[P0(b2+c2)-2δr（b）b2]/(c2-b2)+[(1-2υ)/3(1-υ)c+(2-υ)/3(1-υ)2b2/(b+c)]Fr方程式中：m=1+sinψ/（1-sinψ）；ψ=1.85（N/（υ+0.7）+26Fr为注浆加固土和水的重量P0为外压力qua为一轴允许抗压强度，为f×cosψ/（1-sinψ）,f是用标准贯入试验求出注入加固土层的内聚力υ为泊松比，在砂土、砂卵土中一般取0.3P1为内压力，为气压和隧道内的土压两部分，其中土压da/2，d为整个开挖土的重量。b、c是要求的未知数，δr（b）也是未知量。其它量均可估设或由标准贯入实测的N值及其它实测参数换算求出。如下图所示，隧道掘进产生的两次应力流主要发生在注浆域的塑性区内，越靠近隧道，产生的应力越大，一般来说：隧道两侧最危险，下部安全。隧道周围的应力流一般隧道掌子面开挖（非全断面）时，其注浆加固范围为AA，、ABC线段、CDC，弧（上部）、C，B，A，线段包围区。3、注入方法的选择（包括注入顺序、注入速度、注入压力、节长的确定）。注入方法的选择前已详述过，在这里主要讲解工法关系即注入顺序、注入速度、注入压力、节长。在隧道掌子面预注浆时注入顺序一般为：先注无水管，后注有水管；在无水时，从两侧拱脚往上注。在隧道衬砌背后填充注浆时注入顺序一般为：从低往高注（隧道一般存在一个坡度），从两端往中间注。一般情况下注入速度低注浆效果好，但在实际操作时往往采用兼顾有效利用浆液和注入方式特性的注入速度。对于单液双重钻杆过滤管：其标准速度为16L/min，一般注入速度为8～20L/min；对于双液双重钻杆过滤管其标准速度为14L/min，一般注入速度为8～ 20L/min。至于注浆压力，一般来说提高注浆压力可得到较好的结果，但在隧道衬砌背后注入时，压力过大会破坏混凝土结构。在都市隧道中注浆压力过大也会损坏其上面的建筑物。一般计算注入压力的公式有：(1）以受注段静水压力为依据。对于裂隙岩层P=（2～2.5）P静水压力对于流砂层：P=(0.3～0.5)+P静水压力衬砌背后注浆：P=（0.5～1.5）+P静水压力同时考虑衬砌的承载压力，P〈a（E2+2RE）/2n(R+E)2其中：p——衬砌材料极限抗压强度E——衬砌厚度R——筒形衬砌净半径N——安全系数，n取2（2）以静水压力为基础，并考虑岩层裂隙形状。P=NP静水压力N——注浆压力系数，其值如下表裂隙开度细裂隙〈5mm中裂隙〈30mm粗裂隙〈50mmP静水压力（Mpa）0.5、1.0、1.5、2.0、2.50.5、1.0、1.5、2.0、2.50.5、1.0、1.5、2.0、2.5N1.5、1.6、1.7、1.8、2.01.2、1.3、1.4、1.5、1.61.1、1.2、1.3、1.4、1.5注入的节长，因注入方式的不同而异，一般为20～50cm。4、注入率的确定确定注入率时不仅要考虑注入地层的性质、浆液的性质，还应考虑注入目的和效果的置信度。注入率是注入预定地层范围内的浆液的量Q（m3）与预定注入范围内的地层的总体积V（m3）的比值。注入率的大小直接影响浆液固结物产生的压密现象的程度。实际施工中的注入率，因注入时的加固状况、注入范围的大小及其它因素的不同而异，一般来说：（1）单孔注入量可由公式求出：在含水的砂层中：Q=πR2HnC其中：R——浆液有效扩散半径H——注浆孔深度N——砂层孔隙率C——修正系数，与浆液性质、砂层种类及充填率有关，一般取C=1.1～1.3在裂隙岩层中：Q=λπR2Hηa/m其中：λ——损耗系数，一般取1.2～1.5η——岩层裂隙率，为0.5～3%a——浆液在裂隙内的有效充填系数，a=0.8～0.9m——结石率，与浆液性质、水泥浆的水灰比等因素有关，见下表W：C2:11.5:11:10.75:10.5:1M0.560.670.850.970.99（2）注浆段总注入量因各孔的注浆量不等，一般先注的比后注的量要大，特别是在岩层裂隙发育时，各孔的先后注入量相差较大。计算总注入量时一般根据注浆帷幕厚度来估算， 即：Q总=Vηλi/m其中：V——受注岩体总体积I——注入不均匀系数，i=1.3～1.5其它概念与单孔相同。5、注入孔的间隔和布设（1）注入孔的间隔，虽然注入孔越多，每孔的注入量越少，但可靠性增加。考虑施工性、经济性使用的经验数据为：止水的场合下，0.8～1.2m；地层加固的场合下，1.0～1.5m；另外按注入材料确定时，应按如下范围设置：悬浊型浆液，1.0～1.5～2.0m溶液型浆液，0.8～1.0～1.2m此外，在斜注入，水平注入，钻孔深度深的场合，间隔应小。如果注入管呈扇形布设，应按注入管尖头等于注入间隔的准则布管。（1）注入孔的布设通常可分为单排布设和双排布设两种，应按固结范围较好的重叠的三角形排列布设。七、效果检验待确定上述各项因素后，不要急于施工，应加以实验来验证。因为受场地、时间、费用限制，我们仅能实施小规模实验。试验注入后，要进行效果确认，以此评判和检验我们设计的注浆工法是否科学合理。在效果确认的方法中，比较容易且实用的检验注浆效果的方法是：现场渗水试验（可求得渗透系数）和标准贯入试验（可得到的N值）。因为这两种方法往往是点探查，所以，为了确认浆液的渗透状况，也可同时进行RI和电阻率、温度测量。下面我们就详细讲解确定强度的标准贯入法：标准贯入试验设备由标准贯入器、触探杆及穿心锤（落锤）组成。落锤重63.5kg、落距76cm；触探杆的外径为42mm；用标准贯入取土器装上待测土（圆筒形，直径和高度均为60cm），然后按照76cm的落距落锤，当贯入土层30cm时，落锤次数即为N值。通过试验确认注浆效果后，我们要根据反馈信息来调整注浆浆液、注浆工法、凝胶时间、注入率、注入压力、注入节距等参数，直到达到预定要求为止。然后方可实施大规模注浆。八、注浆工法在隧道工程中的应用在全面了解注浆材料、注浆设备、注浆方法以及注浆前调查、设计、试验和注浆效果检验的基础上，我们便可应用它们来处理隧道工程中的各种问题。在隧道工程中可能出现的常见问题大体上有如下几类：（1）开挖时工作面围岩失稳问题（包括坍塌方、冒顶问题）（2）衬砌背后注浆加固、堵水问题（3）衬砌结构体内防渗问题（4）衬砌结构体开裂问题下面我们就一一阐述如何较好的处理这些常见的问题。1、开挖时工作面围岩失稳问题（包括坍塌方、冒顶问题） 当隧道在浅埋地段、砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段施工时，工作面围岩失稳是不可避免且经常发生的。对于这些特殊地质，除采用先支护（强支护）、后开挖（短进尺、弱爆破）、快封闭、勤测量等措施外，对失稳围岩进行注浆也是一种行之有效的方法。对于浅埋、松散破碎的地层，可以先沿隧道开挖轮廓线向外打入一排迈式锚杆或注浆小钢管（花管），然后注浆。这样既起到了加固地层、堵住围岩裂隙水的作用，又能起到超前预支护的作用。可以根据围岩实际情况，在围岩不稳定区打入两排或三排注浆管（杆）。这种方法施工简单、注浆时间短。但由于注浆压力不高，一般为0.5～1.0Mpa，所以加固地层范围较小。我公司在云南楚大高速公路九顿坡隧道下行线K409+298处（设计为II类围岩）当时采用弱爆破法开挖，进尺为0.8米。开挖后半小时，掌子面一侧拱腰局部开始掉石头，随后向拱顶扩展，约1个半小时后开始大规模坍塌，2个小时后掌子面封满，2个半小时后坍塌停止。从坍体上取样分析围岩土质构成为：褐、浅灰色粘土夹碎砾石，呈可塑状，无水。经测定N值为3，K为10-5～10-4cm/s。根据选择浆液必须与砂土层为渗透注入、粘土层为脉状劈裂注入的机理及劈裂注入宜选用高强度悬浊型浆液的原则，当时设计选用水灰比为0.7的525#纯水泥浆液，并制定了开始注掺入3%水玻璃的短凝水泥浆液，以达到限域注浆的目的；然后采用掺入适量硫化钠（提高浆液可注性）的水泥浆液实现均匀渗透的方案。注入方法采用双重钻杆过滤管法和花管法。按从两侧拱脚向拱顶注入的顺序注浆。注入速度采用14L/min,注入压力为0.8Mpa，注入范围为开挖轮廓线以外3米范围内，注入率为20%，注入孔间距为1.0米，按重叠原则呈三角形布设。孔深4.5m,孔径为Φ45mm,花管为Φ42的无缝钢管。注浆孔布设如下图：注浆孔布设图按照设计方案先对第1、3排管注入短凝浆液，使得注浆范围夹在第1、3排管之间，然后采用双重钻杆过滤管法对这一区域重点注浆。按已定方案试验注入，测得N值为8，K值为5×10-6～10-5cm/s，未达到预定要求。故调整方案为：换用湿磨水泥,水灰比提高到0.5，注入速度降低到8L/min,注入压力提高到1Mpa,注入率提高到25%，注浆间距缩为0.5m，其它不变。。按调整后的方案注浆，5小时后开挖，每循环进尺为1.0米，再未发生坍塌，证明调整后的注浆方案成功。 对于极其破碎的软弱地层、断层破碎带、自稳性差的含水地层、塌方体、岩堆及有流塑状岩体或岩溶、泥流地段，可采用大管棚超前预支护和围岩预注浆相结合的方法。管棚钢管沿隧道开挖轮廓线纵向设置，呈伞形辐射状。管棚长度一般为10～45m（几根钢管拼接而成，钢管头部要加工成弹头形，钢管尾部要焊接能与注浆泵相接的配件），视地质情况选用。当钢管长度小于17米时，采用钻孔台车钻孔；当钢管长度大于17米时，用钻机钻孔，钻机开孔时应低速低压，成孔后可加压到1.0～1.5Mpa。注浆孔孔底间距按各个注浆孔的扩散半径相互重叠的原则确定，在实际操作时可视围岩情况适当加密。注浆孔孔径一般为Φ75～110mm，安装钢管时，应在注浆管孔口处用胶泥与麻绳缠绕，使之与钻孔孔壁充分挤压塞紧，以实现注浆管的止浆和固定，待胶泥凝固到足够强度后方可注浆。注浆范围为开挖轮廓线以外0～3m。注浆压力视岩性、注浆目的、施工条件、涌水压力等因素现场试验确定，注浆压力一般为1.5～4Mpa，对于密实度较小的中、细粉砂及砂粘土，注浆压力可稍高些。注浆方式为一次性钻到设计孔深，然后全孔一次性注浆，也可采用双层管双栓塞法从孔底向孔口进行分段注浆。（注浆顺序按照从拱脚往拱顶及先注无水孔后注有水孔的原则来定）。注浆速度一般由快到慢。对于粒径小于0.05mm以下的粉砂及粘土软弱地层或断层泥地质，为节省注浆材料可实施周边预裂注浆或周边短孔注浆。大管棚注浆费工、费料、投资较高，但加固效果好。我公司在云南楚大高速公路九顿坡隧道施工中，成功地运用了大管棚超前预支护和预注浆相结合的施工技术。因该隧道处于F4断层地带，围岩多破碎、自稳性差且涌水量较大，施工相当困难，施工进度曾一度严重受阻，后来采用该工法才摆脱困境。其情况如下：采用三臂液压电脑钻孔台车钻孔，孔深16m，孔径为Φ89mm，注浆管由两根长8m的无缝钢管拼接而成，工法为花管法。浆液种类、注入压力、注入率、孔间距视实际地质情况而定。2、衬砌背后注浆加固、堵水问题通过背后注浆，使浆液填充到衬砌结构体与初期支护及初期支护与围岩之间的空隙中去，使衬砌与初期支护及地层间紧密结合，这样即可改善结构受力条件，又可堵塞节理裂隙水的渗透，起到了加固地层和防水的双重作用。一般隧道工程中都有这项工作。衬砌背后注浆时应注意如下几个问题：（I）注浆地段混凝土衬砌强度要达到设计强度的70%后方可压浆。（II）在冬季或寒冷时节，如果浆液的温度低于50C时，最好停止注浆工作。（III）注浆最好分两步进行，第一步先注衬砌砼与初期支护之间的空隙，第二步才注初期支护与围岩之间的空隙。因为衬砌砼背后一般有防水措施如防水板等，它能起防水作用，自然也能阻止浆液的流动。如果不分两步，则注浆孔有可能深，也有可能浅。当深时，衬砌砼与初期支护之间的空隙有可能没被填充浆液；如果浅了，则初期支护与围岩之间的空隙有可能没有浆液到达。（IV）注浆孔要呈梅花形布置，孔间间距视围岩渗水及裂隙情况而定：对于破碎松散含水段，其间距为1.0～1.5m；对于中等坚硬含水围岩，其间距为1.5～2.0m；对于坚实含水围岩，其间距为2.0～3.0m。在第一步注浆时注浆孔孔深应刚好透过混凝土，但又未穿过防水板；在第二步中，，注浆孔应穿过衬砌及初期支护，进入岩层0.5m。注浆顺序一般要遵循从无水孔到有水孔，从下坡向上坡，从两端向中间压浆的原则。在衬砌砼潮湿时，浆液灰浆比为1：2～1：3；当衬砌砼漏水时，浆液灰浆比为1：1～1：2；当衬砌砼严重漏水时，其浆液灰浆比为1：0～1：1。注浆压力可参考注浆压力公式，根据现场确定，压力一般为0.3～0.5Mpa。当浆液流动太快时，应减小压力以防止衬砌受损或浆液跑得太远。当压浆时出现流浆、漏浆现象时应停止注浆，查明原因并采取相应处理办法：或堵塞或更换浆液种类。值得一提的是注浆时应尽量避开衬砌背后排水设施，以免堵塞它们。其单孔注浆量Q=3.14R2HnB,其中，R为浆液扩散半径，一般裂隙宽度小于0.5cm时R=2，裂隙宽度在0.5～3cm 之间时R=4，裂隙宽度大于3时，R=6。H为压浆孔深度。B为浆液在裂隙内的有效填充系数。（0.3～0.9）,n为围岩体积裂隙率，围岩类别与裂隙率有如下关系：围岩类别ⅡⅢⅣⅤⅥ围岩体积裂隙率3～5硬岩3～5，砂岩石2～3硬岩2～3，砂岩石1～21～20～1当然这个公式仅在第二步时适用。衬砌背后注浆浆液随围岩情况而变化，大体上有如下几类：。（1）对于一般地层。我们通常压入水泥+膨润土、水泥砂浆、水泥浆等材料，但用得最多的是水泥砂浆。因为它源广价廉，且浆液固结体的强度和抗渗性也能满足一般地层的要求。（2）对于含流砂或含水砂土地层此时不可再用砂浆作衬砌背后注浆材料了，因为就防水作用来说，砂浆不是适宜的材料。我们可选用水玻璃类浆液。水玻璃+水泥浆液是我们的首选材料，因为其既有一定强度，又有相当好的防水、抗渗作用。（3）对于有抗震要求或沉降不均匀要求的地层对于隧道背后充填注浆，通常可采用砂浆、水泥浆液、水玻璃类浆液充填，如果该地区处于软弱地层或存在地震或因为地面上移动物体产生较大的震动时（如城市地铁），这些以水泥类材料为主的浆液因破坏应变能力小，在软弱地层中无法跟踪地层的沉降和在震动中无法跟踪地层的起伏，易产生裂缝，从而导致防水能力和加固能力降低。因此有人研制出能适应上述情况的注浆材料：常湿下水中固化沥青类复合注浆材料。这种材料系由沥青乳剂、水泥、高吸水性聚合物（如丙稀基聚合物）组成。使用时先把沥青乳液和水泥混合搅拌作为A液，把高吸水性聚合物作为B液分别压送，直至进入地层之前使A液和B液混合。这种浆液固化后的强度取决于水泥的用量，改变高吸水性聚合物的量可调节凝胶时间。当然为了降低成本，也可以在A液中加入细砂。（4）对于穿江隧道、海底隧道。这类隧道因：a）作用水压较大，高达0.6～0.7Mpab）隧道构筑于江底、海底，希望其使用年限能长些c）考虑其施工环境、防震、防沉问题所以对这类隧道背后的注浆应选用防渗、耐久性好且可塑性好的注浆材料。以往的水泥类、水玻璃类材料因耐久性、可塑性较差，被沥青类浆液取而代之。沥青类浆液因具有良好的抗渗、耐久、抗腐、可塑性能，故在水工隧道中被广泛地应用。下面介绍一种在实验室内配制的沥青类浆液，其浆液配制如下：A液沥青乳剂：膨润土：矿碴水泥：：缓凝剂=1：0.06:0.25:0.014（质量比）B液促凝剂（其量为沥青乳剂的12%）试验结果表明：按此比例配制的浆液可塑性好，不易开裂，而且其抗渗性能得以长久保持。（5）对于盾构法背后充填注浆如今在城市地铁、穿江隧道、海底隧道施工中，盾构工法已成为主要施工工法。在盾构工法中，背后注浆已成为必不可少的一道工序。其目的有三：a）防止地层变形b）提高隧道防渗性能c）确保作用在衬砌上的外力均匀 为了更好实现背后注入的目的，注入浆液必须迅速、确实地充填盾尾空隙。为此，浆液必须满足充填、流动性及不向盾尾以外的区域流失等特性，但这些特性是相互矛盾的，所以说盾构背后注浆是一件不易的事。为了满足上述要求，近年来提出了双液背后注浆工法，采用了不损失流动性，仅在限定范围内注浆的方法。即在双液型（水玻璃类）浆液中添加短凝和可塑性成分。其浆液配制如下：A液矿碴水泥：辅助材料（砂）：稳定材料（膨润土）：水=1:0.2:0.01:2.90（质量比）B液水玻璃（其量为水尼质量的28%）普通短凝双液浆凝胶时间长（30～90s），凝胶后材料不流动。而按这种浆液配制好后，在凝胶后20～60min内凝胶可仍保持其流动性，然后才硬化。此外，还可采用A液为砂浆，B液为氯化铝溶液配制而成的浆液。这种浆液一经配制，立刻成为可塑性浆液，其凝胶在加压后仍可保持流动性。它与前者的区别是：a）后者一经配制立刻成为凝胶，而前者却要经过一定时间后方凝胶；b）后者保持可塑性的时间更长。盾构工法中背后注浆压力一般为地层阻力加上0.1～0.2MPa，此外后期压力比前期要大0.05～0.1MPa,其注浆量Q=[3.14(D12-D22)/4]ma,其中D1为掘削外径，D2为管片外径，m为盾构背后注入段的长度，a为注入率系数，一般为1.1～1.5。3、衬砌结构体内防渗问题当在衬砌背后注浆之后，衬砌表面仍渗水时，可向衬砌结构体内注入水泥（超细水泥或湿磨水泥）+水玻璃浆液（该法应优选）。其原理是浆液充填衬砌内裂隙和空隙，浆液凝固后起到防水作用。在注浆前要先对衬砌渗漏处进行必要的处理，常用的糊缝粘结材料有：塑胶泥（用525#水泥和玻镁度大于500Be的水玻璃调和而成）、石膏水泥、水泥沥青。在施工中应注意如下几方面问题：（1）注浆孔间距，一般为1～2m（2）注浆压力为1.2～2.0Mpa（3）孔深宜为衬砌厚度的1/2（4）其浆液配比（质量比）如下：水泥（超细水泥或湿磨水泥）为1，水玻璃（30～400Be）0.5～1，速凝剂（氢氧化钙）0.05～0.2,缓凝剂（磷酸氢钠）0.01～0.03。此外水灰比≤1：1，水泥浆与水玻璃体积比一般为1：0.5～1:1，当在1:0.4～1:0.6时，浆液固结强度最大。4、对于衬砌结构体裂缝问题先向该段衬砌背后的围岩进行加固注浆，然后用环氧树脂泵把高粘度粘接剂（环氧树脂）压送到裂缝深处实现完全填接合，恢复衬砌强度。采用这种办法能修复2～10mm的裂缝宽度。其施工步骤如下：（1）先清理砼表面（2）在裂缝部位插入注入管，注入间隔与裂缝深度相同（3）用速固型粘接剂封裂缝表面（4）把环氧树脂泵的注入口接到注入管上注浆（5）硬化养护整饰。我公司在云南九顿坡隧道和大箐隧道施工中，用这种方法来处理隧道衬砌砼的裂缝取得了很好的效果。