複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》是北京市公路橋樑建設集團有限公司、北京市市政工程研究院完成的建築類施工工法，完成人是孫西濛、葉英、王義海、夏春蕾、葉春琳。該工法適用於公路山嶺隧道初襯背後空隙的填充注漿；以及城市地下隧道初襯背後空隙的填充注漿。

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的主要特點是：使用自製黏土促進劑促進水泥和黏土間的反應，促進劑為氯化鈣和二氧化鋁的配合物；注漿結石體柔性較好，利於緩衝圍岩與襯砌間的壓力。

2011年9月30日，《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2009~2010年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法
• 工法編號：GJEJGF216-2010
• 完成單位：北京市公路橋樑建設集團有限公司、北京市市政工程研究院
• 主要完成人：孫西濛、葉英、王義海、夏春蕾、葉春琳
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2009-2010年度）

形成原因

在山嶺隧道和城市地下隧道施工中，背後注漿是施工中一項必不可少的工作內容。背後注漿就是在隧道內將具有適當的早期及最終強度的材料，按規定的注漿壓力和注漿量在隧道襯砌完成後，注入襯砌與圍岩間的空隙內。主要目的為：儘早填充襯砌與圍岩間的空隙，防止圍岩與襯砌硬接觸，保證安全；確保襯砌的早期穩定性和間隙的密封性；作為襯砌防水的第一道防線，提供長期、均質、穩定的防水功能；作為隧道襯砌結構的加強層，具有耐久性和一定強度。

2009年前，中國複合式襯砌隧道背後注漿普遍採用單液水泥漿，水灰比一般為1:1。該注漿技術主要存在以下問題：①漿液用量大，導致材料成本較高。②漿材收縮率較大，需要二次補漿。③充填材料剛度較高，不利於緩衝圍岩與襯砌間的壓力。④漿液黏度較低，容易跑漿。為了解決普通單液水泥漿存在的問題，北京市公路橋樑建設集團有限公司聯合北京市市政工程研究院以具體工程為依託進行科研立項，通過室內試驗和現場的套用，總結出充填型黏土漿液背後注漿技術。通過不同施工項目現場的反覆驗證，證明了該技術的成熟可靠性。北京市公路橋樑建設集團有限公司通過系統總結，形成了較為完善的企業級《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》。該項工法在北京捷運十號線、密興路火郎峪隧道、108國道南村隧道等工程中獲得了成功的套用，縮短了工期，降低了注漿材料成本，並提高了注漿整體效果。

工法特點

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的工法特點是：

一、使用自製黏土促進劑促進水泥和黏土間的反應，促進劑為氯化鈣和二氧化鋁的配合物。

二、採用高低速二元攪拌工藝，先高速攪拌（500弧度/分鐘）達到黏土分散效果，再低速攪拌（50弧度/分鐘），保持漿液活性。

三、採用低壓注漿，約0.4~0.6兆帕，以保護初支不受破壞。

四、黏土固化漿液防滲透係數小於5×10厘米/秒，具有較好的防水作用。

五、普通水泥漿液的收縮率在15~20%，而黏土固化漿液的收縮率小於5%，性能遠優於普通水泥漿液，因此避免了二次注漿。

六、注漿結石體柔性較好，利於緩衝圍岩與襯砌間的壓力。

七、黏土漿液成本僅為普通水泥漿液的1/2。

操作原理

適用範圍

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》適用於公路山嶺隧道初襯背後空隙的填充注漿與城市地下隧道初襯背後空隙的填充注漿。

工藝原理

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的工藝原理如下：

日本研究學者曾經對隧道襯砌背後存在空洞進行了模型試驗和模擬計算，當出現圓形空洞時，空洞附近圍岩的接觸壓力為0.85兆帕，當出現方形空洞時，空洞附近圍岩的接觸壓力為0.8兆帕；即使在圍岩及襯砌受力最不利的情況下，圍岩的接觸壓力均小於1兆帕。課題組經過室內反覆試驗證明黏土漿液凝固後的強度超過兆帕，強度能夠滿足空洞填充的要求。

黏土顆粒表面具有一定的活性，可水化後與水泥發生反應，充分利用他們之間的反應並利用黏土促進劑和塑化劑來改善水泥與黏土間的結合將會提高黏土固化注漿材料的強度和其他性能。黏土促進劑是一種無機電解質，能溶於水，在水中離解出帶正電荷的陽離子[X]n+和帶負電荷的陰離子[Y]n-，陽離子與土壤膠體表面的陽離子[M]n+產生交換作用，將這些原本吸附在土壤顆粒表面、親水性極高的陽離子趕走，代之以親水性較低、黏結力較強的鋁離子及其水合物。固化機理是通過中和黏土顆粒、表面的離子，將土粒表面吸附的部分水分子置換為自由水，使土粒表面失去對水的靜電吸附力，永久地將土的親水性變為疏水性，同時促進石灰或水泥與土發生化學反應，從而改善土的工程性質。該工法的注漿材料是以黏土為主要原材料，以水泥、水玻璃、黏土促進劑、塑化劑為輔料，按一定工藝加工而成；注漿工藝在普通注漿工藝的基礎上改進而成。

施工工藝

• 工藝流程

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的施工工藝流程參見下圖。

充填型黏土漿液背後注漿工藝流程圖

操作要點

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的操作要點如下：

一、施工準備

1.材料準備

（1）水泥：等級為32.5的強度普通矽酸鹽水泥。

（2）塑化劑：塑化劑應與水泥相容，是一種親水性表面活性物質，可以楔入水泥和黏土團粒裂縫，使水泥和黏土顆粒分散更為均勻，顆粒更小，比表面積增加從而提高水泥的水化程度。

（3）黏土促進劑，為本單位自行研製。

（4）黏土，所選黏土應具有可塑性，手捏呈細分散顆粒，含砂量低於10%，同時具有黏合性。

（5）水玻璃，選用鈉水玻璃，分子式為N_a2O·mSiO₂。模數為2.6~2.8，波美度40~45波美度。

（6）注漿管，為了避免在注漿完成後漿液回流，該工法在注漿管暴露出的一側加裝閥門，並在注漿管上打孔，孔徑6毫米，間距10厘米。在注漿時開啟閥門，注漿完畢後將閥門關上，再將注漿泵上的注漿管拔出。注漿管參見下圖。

注漿管示意圖

2.施工人員準備

每班注漿人員安排施工班長1人，攪拌機1人，攪拌機後台上料2人，注漿泵操作1人，注漿施工2人。漿液配合比試驗提前做好。

3.機具、設備準備

電動空壓機、手持式淺孔鑽機、注漿機一台，水泥漿高速攪拌機一台，水玻璃攪拌桶一個，儲水泥漿桶一個（低速攪拌），注漿簡易平車一台，高壓注漿軟管若干。

二、鑽孔施工

1.架設作業平台

在隧道內利用腳手架或型鋼拱架搭設高度合適的作業平台，作業平台要利於鑽孔及注漿人員施工，並加設安全防護欄。

2.布孔、鑽孔

注漿孔的間距為0.5~2.0米，沿初襯牆拱面梅花形布置，鑽孔採用風鑽帶鑽進。鑽孔的方向垂直於初襯面，管頂部進入岩層0.1米。

三、安裝注漿管

注漿鋼管採用Φ32焊管，前端加閥門，打入土中部分側壁開口，開口直徑6毫米，間距10厘米，沿管壁梅花形布置。鑽進時如滲水量較大，每鑽完一孔，立即採用人工打入注漿鋼管，注漿管與注漿孔間的空隙用棉紗和速凝水泥將注漿堵嚴。隧道內每批安裝的注漿管不宜過多，一般每注漿循環段長度為10米左右。

四、配置漿液

1.黏土在水中預浸泡4~24小時。

2.配製A組分，按照水:黏土:水泥:黏土促進劑:塑化劑為100:60:40:5:1的配合比將水、黏土、黏土促進劑、塑化劑、水泥依次加人變速攪拌機進行高速攪拌，再將攪拌均勻的漿液進行低速攪拌，保持漿液穩定性。

3.配製B組分，按照水:水玻璃:緩凝劑為100:100:5的配合比將水、水玻璃、緩凝劑依次加入高速攪拌機進行高速攪拌，再進入低速攪拌機進行低速穩定攪拌。

4.A、B組分混合比為100:50。

五、雙液注漿

1.注漿順序

注漿管布置完後，調試設備連線管道進行注漿，注漿順序先下後上（側牆一拱腰-拱頂），依次注漿。

2.作業方式

注雙液漿的方式採用全孔一次壓入式注漿，當單孔注漿量超過計算的注漿量的1~2倍時，且注漿壓力持續不升高，則應檢查雙液漿配比的凝膠時間是否達到要求，對該孔停止一段時間後，先注其他孔位，再回頭對該孔進行第二次注漿，直到達到注漿壓力。

3.注漿參數

（1）隧道注雙液漿的初始壓力為0.4兆帕，注漿終壓選用0.6兆帕，在終壓下持時1~2分鐘。

（2）注漿速度一般選用50升/分鐘，即採用注漿機的高速檔位，當達到注漿終止時，選用壓力大的低速檔位。

（3）注漿擴散範圍：注漿的有效範圍為初襯背後1米以上。每一施工段注完漿後，檢查該段初襯面是否還存在滲漏水現象，如有滲漏現象，則對該部位二次鑽孔補漿，注漿壓力應達到0.4~0.6兆帕。

六、注漿效果檢查

注漿效果檢查的方法主要有分析法、直接觀察法和雷達測線掃描法。

1.分析法：對注漿記錄進行整理分析，看每孔注漿壓力是否達到注漿終壓，注漿過程中是否發生漏漿、串漿等現象，判定注漿效果。

2.直觀檢查法：檢查一次支護表面滲漏水情況，有無集中出水點和大面積出水點，滲漏水量是否·滿足要求，地表沉降是否得到有效控制。

3.雷達測線掃描法：在注漿前對要注漿區域進行雷達掃描，注漿完畢後再次進行注漿掃描，以確定是否仍有空洞存在。

材料設備

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》所用的材料及設備明細如下：

一、材料準備

生產充填型黏土漿液的主要材料有黏土、水泥、黏土促進劑、塑化劑、水、水玻璃和緩凝劑等。

二、機械設備配置

充填型黏土漿液背後注漿施工用機具設備見下表。

機具、設備表

機具、設備名稱	規格型號	用途
雙液注漿泵	SZS50/70	注漿
高速水泥攪拌機	JS750型	注漿漿液製備
低速水泥攪拌機	JS750型	注漿漿液製備
風鑽	MD-3312B	注漿孔成孔
作業平台	/	施工作業

質量控制

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的質量控制要求如下：

一、質量控制標準、規範

1、《公路隧道施工技術規範》JTG F60-2009。

2、《公路工程質量檢驗評定標準》JTGF 80/1-2004。

3、《捷運暗挖隧道注漿施工技術規程》DBJ 01-96-2004。

二、質量要求

1、充填型黏土漿液背後注漿各項質量指標滿足規範要求。

2、充填型黏土漿液背後注漿質量指標見下表。

注漿施工主要質量控制指標統計表

序號	指標	設計值	允許編差
1	孔徑（毫米）	50	±10
2	成孔垂直度（度）	90	/
3	鑽孔進人土體深度（米）	0.5米	±0.2米
4	孔位偏差（毫米）	0	10%
5	水灰比	1.0~0.7	10%
6	注漿壓力	0.6~1.0兆帕	/
7	第一次注漿終止壓力	1.0兆帕，維持3分鐘	/
8	每孔米注漿量（立方米）	0.4~0.5立方米	/

三、質量控制措施

1、注漿管長度控制：根據漿液的擴散半徑，注漿管的長度一般穿透一襯背後打人土層10厘米，外漏10厘米。

2、設定篩網

儲漿桶的口上加一孔徑為0.5厘米的方孔鋼絲篩網，作成V形，蓋在儲水泥漿桶上，以過濾水泥漿。

3、控制雙液漿凝結時間：為節約漿液，同時又能滿足漿液擴散半徑的要求，選擇凝膠時間為1分鐘的漿液配合比。

4、控制注漿的壓力和流量：壓力逐漸上升，流量逐漸減少，當注漿壓力達到設計終壓，再穩定3米，可結束本孔注漿。注漿時做好注漿記錄，每隔5分鐘記錄一次壓力、流量值及串、漏漿情況，以便分析注漿效果。

安全措施

採用《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

一、安全管理法律法規

1.《中華人民共和國安全生產法》。

2.《建設工程安全生產管理條例》。

3.《公路工程施工安全技術規程》JTJ 076-95。

4、《施工現場臨時用電安全技術規程》JGJ 46-2005。

二、安全管理組織措施

1.認真貫徹“安全第一、預防為主”的方針，建立和健全施工安全管理組織機構，建立和健全項目施工安全保證體系，並確保全全保證體系的有效運行。

2.作業工人必須進行安全教育和安全技術培訓，必須克服麻痹思想，自覺遵守各項安全生產法令和各項規章制度。工人、機手應掌握本工種或機械操作技能，熟悉本工種或機械安全技術操作規程。

三、安全管理技術措施

1.建立三級安全技術交底制度，安全交底簽字齊全。

2.施工前組織編制實施性的職業健康安全管理計畫，編制和實施專項安全技術措施，確立危險源辨識、風險評價及風險控制，確保施工安全。

3.建立施工用機械設備、臨電設施的安全驗收制度，未經過驗收和驗收不合格的嚴禁使用。

4.每次注漿前對供水、供電、攪拌、注漿設備等進行嚴格檢查，對管路系統進行耐壓檢驗。

5.注漿過程精力集中，注意觀察機具運行情況，鑽眼過程操作人員要站在風鑽旁側，預防噴水、噴砂傷人，開放閥門、拆卸注漿管路時要避開正面方向。

四、安全管理保障措施

1.施工現場應設定足夠的照明，移動照明電壓不得高於36伏。施工現場內的電線、電纜要進行必要的保護或採用懸掛的方式布設。

2.在山嶺隧道和城市地下隧道內施工時，要保證空氣的充分流通，確保作業人員的身體健康。現場要有專人進行作業區域內的空氣品質檢測，發現指標不符合要求時，及時增加通風設施。

3.現場作業工人應配備防塵口罩、厚底鞋、防護手套，並佩戴安全帽，身穿專門的工作服和反光背心。

4.施工現場主要道口設定限速標識，派專人協調管理。隧道和地下工程施工，必須先開啟通風設備，對隧道與地下工程內的電氣開關箱，應設定警示反游標識。

5.施工現場廢棄物應及時清理，裸露的機械設備、機具裝置，應設定安全警示標識。

6.安全專業人員，加強安全防護設施巡查，發現隱患及時落實解決，如有危及人身安全的緊急險情，應立即停止作業。

環保措施

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的環保措施如下：

一、認真貫徹執行《中華人民共和國環境保護法》等國家和行業有關環境保護、文明施工工作的法規、政策。建立環境保護體系，確立環保責任制。對現場施工人員進行環境保護教育。

二、執行環境保護定期檢查制度，不符合環境保護要求的部門按照“定措施、定人、定期”原則予以整改。

三、嚴格控制污水流向，禁止有毒有害廢棄物用作土方回填，以免污染地下水源。

四、嚴格控制注漿材料，核對所有原材料的毒性級別，嚴禁使用對地下水源產生污染的注漿原材料。

效益分析

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的效益分析如下：

一、經濟效益分析

黏土背後注漿與普通水泥背後注漿的對比情況見下表。

黏土背後注漿與普通水泥背後注漿的對比分析表

比較內容	鑽孔	注漿工藝	二次注漿	結石率	強度	結石體 抗滲性	結石體柔性	漿液成本（元/噸）
充填型黏土漿液	風鑽	二元攪拌加雙液注漿	不需要	>95%	4兆帕	優良	優良，可起緩衝作用	150
普通水泥背後注漿	風鑽	低速攪拌加雙液注漿	需要	85%	10兆帕	一般	較差，不能起緩衝作用	300

二、社會效益分析

該工法技術先進，操作簡單，易於推廣，值得在其他類似工程中推廣套用。該工法採用黏土環保型材料來代替漿液中的一部分水泥，可以降低注漿施工中的水泥用量，能夠降低因水泥生產帶來的環境污染，符合中國提倡的節能環保政策，具有較好的社會效益。

註：施工費用以2009-2010年施工材料價格計算

套用實例

《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》的套用實例如下：

一、北京捷運十號線一期8標段工程

北京捷運十號線8標段暗挖區間位於安定路站-北土城東路站之間，起止里程為K10+066.741-K10+148.501，全長為81.76米，下穿安定路，呈東西走向，區間線路縱斷由西向東呈先下降後上升趨勢。本段暗挖隧道區間單線單洞岔線斷面尺寸為6523×6592毫米，雙線雙洞正直線段斷面尺寸為11000×6330毫米，隧道採用複合襯砌形式。初襯結構厚250毫米，採用C20早強混凝土噴射，二襯結構厚300毫米，採用C30抗滲等級S8的模築混凝土。

在地下隧道襯砌背後注漿施工中套用了該工法，採用充填型黏土漿液對複合式襯砌隧道進行背後注漿，通過“二元”攪拌工藝，在充填襯砌背後空隙的同時，對接觸的砂卵石面起到了加固處理的作用，整體充填效果良好，漿體強度可達4兆帕，結石率大於等於95%，有效地避免了二次注漿，通過驗收，符合設計要求，同時降低了施工成本50%左右，值得在類似工程中推廣套用。

二、108國道（南村-石門營段）改建工程

108國道（南村-石門營段）改建工程南村隧道，設計為雙洞雙向行駛一級公路隧道，是國道網中108國道（北京一昆明）在北京境內的一部分，是北京市道路網中西南部主要放射線，承擔著北京與河北、山西、太原等地區的交通銜接任務，是北京城區與京郊門頭溝、房山地區聯繫的重要交通紐帶。

南村隧道A線全長1348米，隧道底面標高202.1~235.8米，里程樁號AK12+759~AK14+107；最大曲線半徑4000米，坡度2.5%下坡。南村隧道B線全長1395米，隧道底面標高201.4~236.1米，里程樁號BK12+745~BK14+140；最大曲線半徑3000米，坡度2.5%下坡。在隧道襯砌背後注漿施工中套用了該工法，採用充填型黏土漿液對複合式襯砌隧道進行背後注漿，注漿工藝為高低速二元攪拌工藝與雙液注漿工藝結合。漿液成本為普通水泥漿液的1/2，強度可達4兆帕以上，滿足襯砌與圍岩間充填注漿的需要，並且注漿結石體收縮率低，僅為5%，避免漿材收縮導致的二次注漿。通過檢測，漿液填充密實度滿足技術規範要求，充填效果良好。

三、密興路工程

密興路起點位於密雲縣城東北方向京承路（G101）新農村路口，向東經穆家峪鎮、巨各莊鎮、大城子鎮、京冀界、六道河鎮至興隆縣，路線全長約63千米，其中北京段約36千米。密興路火郎峪隧道位於該工程第二標段（K9+000~K11+500），密雲縣巨各莊鎮前廠村。隧道起點K10+215，隧道終點K10+833，全長618米。隧道按二級公路設計，設計行車速度為60千米/小時。隧道最大開挖跨度12.50米，最大開挖高度10.10米，最大開挖斷面面積102.789平方米。

該工程隧道襯砌形式為複合式，初襯為25厘米厚C20混凝土結構，二襯為50厘米厚C25、S8混凝土結構。在該工程襯砌背後注漿施工中，使用了《複合式襯砌隧道黏土漿液背後注漿工法》，該工法充填效果顯著，不需要二次補漿處理，防水效果較好，較一般水泥漿液可以降低水泥用量，節約注漿施工成本，取得了社會與經濟效益。

榮譽表彰

2011年9月30日，中華人民共和國住房和城鄉建設部審定《2009-2010年度國家二級工法名單》，以建質[2011]154號檔案公布，《複合式襯砌隧道粘土漿液背後注漿工法》被評定為中國國家二級工法。