Study on Construction Technology of Grouting Reinforcement for Foundation Steel Tube in
Tunnel Bottom Coal Seam
曾庆雨 ZENG Qing-yu
（中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121）
（China Railway No.17 Bureau Group Fourth Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 401121，China）
摘要：针对隧底软弱围岩处理，国内传统施工工法为换填法、常压注浆法、旋喷桩加固法、锚杆法、钻孔桩加固法，根据以往处理效果，其中换填法、常压注浆法、旋喷桩加固法、锚杆法对隧道基底承载力提高作用有限，不能有效提高基底承载力；钻孔桩加固法，能有效提高隧道基底承载力，但因隧道内施工条件有限，施工难度大、进度慢、投入成本较高，且对周边围岩扰动较大，存在一定的安全风险。本文结合成贵铁路观音山隧道煤系地层段隧底采用的钢花管注浆施工工艺解决了围岩地基承载力不够的难题，仅供大家参考。
Abstract: For the treatment of weak surrounding rock at the tunnel bottom, the traditional construction methods include replacement filling method, atmospheric pressure grouting method, jet grouting pile reinforcement method, anchor rod method, and bored pile reinforcement method. According to the previous treatment effect, the replacement filling method, atmospheric pressure grouting method, jet grouting pile reinforcement method and the anchor rod method have limited effect on the bearing capacity of the tunnel foundation, and can not effectively improve the bearing capacity of the foundation; the bored pile reinforcement method can effectively improve the bearing capacity of the tunnel foundation, but due to the limited tunnel construction condition, the construction difficulties, slow progress and high input cost, and the surrounding rock is disturbed greatly, there is a certain safety risk. This paper solves the problem of insufficient bearing capacity of surrounding rock foundation by combining the steel tube grouting construction technology used in the tunnel bottom of the coal-sediment section of Guanyinshan Tunnel of Chenggui Railway. It is for your reference only.
关键词：煤系地层段；地基承载力；钢花管；注浆；加固；施工工艺
Key words: coal-bearing stratum；foundation bearing capacity；steel tube；grouting；reinforcement；construction technology
中图分类号：U215.14 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）35-0181-05
0 引言
成贵铁路观音山隧道位于贵州省毕节市大方县境内，进口里程D3K408+879，出口里程D3K413+175，隧道全长4296m，隧道穿越地层主要为三叠系灰岩、泥岩，二叠系石灰岩、硅质岩夹页岩、页岩夹煤层以及白云岩，以IV级、Ⅴ级围岩为主，最大埋深300m，最小埋深3m。不良地质主要为岩溶、浅埋、煤层瓦斯、断层破碎带及危岩落石，隧道初始风险等级评定为“极高”。隧道D3K410+340～640段通过二叠系上统龙潭组（P2l）泥岩、泥质粉砂岩、页岩夹煤层，根据设计及现场探测揭示煤层情况，D3K410+395～+445段隧底围岩主要为泥质粉砂岩、煤矸石及粉煤，隧底存在4层煤，煤层倾角29°，与线路交角40°，煤层揭示厚度0.5～4m，揭示围岩质软、表面渗水，承载力为80～190MPa，不满足设计要求。为确保结构及后期运营安全，该段隧底采用钢花管注浆施工工艺解决了煤层段地基承载力不够的难题。
1 钢花管注浆施工工艺特点
钢花管注浆施工工艺适用于隧道穿越煤层段隧底软弱围岩加固处理施工。主要有以下几个特点：
1.1 施工效率高
钢花管注浆施工工艺采用防爆钻机钻孔，单个孔钻入煤层1m时间仅需2min，每个钻孔完后及时跟进安装钢花管避免塌孔，完成1延米需24天（钻孔及安装钢花管需14小时、注浆2次需10小时）。而采用传统的处理方法（换填法、常压注浆法、旋喷桩加固法、锚杆法、钻孔桩加固法），对隧道基底承载力提高作用有限，不能有效提高基底承载力或因隧道内施工条件有限，施工难度大、进度慢，尤其是加固处理效果好的钻孔桩基筏板施工，完成1延米的加固处理需2天（含钻孔、下钢筋笼、浇筑）。与之对比，钢花管注浆施工方法明显减少了施工时间、效率高。
1.2 施工适应性强
本工法在隧道内实施时，不受隧道仰拱、填充层上部结构的限制且不影响其他作业施工，工艺简单，可操作性强，能满足各种类型隧道穿越软弱围岩隧底加固处理的需要。
1.3 施工成本低
要满足煤系地层段隧底地基承载力严重不足的软基加固处理效果，钢花管注浆方法在隧道内便于施工和操作，尤其是高瓦斯隧道，采用现有防爆钻机及注浆设备，与传统桩基筏板结构加固处理方法相比，减少了专业设备、人员投入，节省材料，缩短了施工时间，节约成本118万元，能有效降低施工费用。
1.4 对文明施工有利
钢花管注浆施工工艺采用防爆钻机钻孔、安装钢花管直接插入煤层下方基岩不小于1m，然后进行注浆，无施工垃圾，如水泥浆、弃碴等，施工后便于清理作业面，有利于现场文明施工管理。
2 钢花管注浆施工工艺原理
施工前要做好施工准备工作，尤其高瓦斯隧道内，要做好通风及瓦斯监测检测工作，在开挖换填、钻孔、注浆时，在工作面附近安装局扇加强通风，降低瓦斯浓度，在该段拱部安装瓦斯自动监测传感器且设立人工检测点，施工时安全员、瓦检员全程旁站，随时检测瓦斯浓度，确保施工安全。
钻孔插入钢花管穿过煤层并嵌入下方基岩不小于1m，在钢花管内注入水泥浆，使之通过管身花孔与周围煤层构连成一个整体。这样，钢花管与隧道基底围岩可靠连接且钢花管本身具有承载能力，提升隧底围岩整体承载力，为隧道仰拱及上部结构提供稳定性提供保障。
钢花管注浆横断面见图1。
3 钢花管注浆施工工艺流程及操作要点
3.1 钢花管注浆施工工艺流程见图2。
3.2 钢花管注浆施工工艺操作要点
3.2.1 施工准备
所有机械、材料提前进场，作好施工前准备。钢管采用Φ108热轧无缝钢管，壁厚6mm按照材料计划在市场上购买。钢花管在钢筋加工场进行加工，管身钻注浆孔，孔径10～16mm，孔间距15～20cm，交错布置，钢花管上端1m范围为止浆段，不钻设注浆孔，底部加工成锥形，两节钢管之间采用螺纹套管连接。将加工好的钢花管用随车吊转运至施工现场，整体堆放备用。检查通风及瓦斯监测检测设备运行是否正常。
3.2.2 作业面换填
按照设计轮廓线对煤层软弱段基底进行开挖，在挖到设计位置时，为固结软弱工作面，使作业面安全、整洁、文明施工，在设计开挖位置的基础上向基底方向超挖50cm，然后用C30混凝土换填至原设计开挖位置。
3.2.3 测量放线
用全站仪定位测量放线，定出钻孔中心位置，并用石灰撒出钻孔标记。
3.2.4 防爆钻机就位
①施工准备。施工前用人工或机械把要施工的区域场地平整好，以便防爆钻机达到钻孔定位的地方方便操作，钻具钻杆的起落安装，将风管和机器、空压机连接好，保持畅通，司机到位，钻机试机无故障，备好各种材料机具及配件。
②钻机对位。根据测量放样孔位，严格认真进行钻头位置调整，经过自检，并经监理及设计相关人员检测合格后方可允许进入下道工序的施工。
3.2.5 钻进至设计深度
①钻孔。根据设计文件进行施工放样，确保钻孔孔位纵横误差不得超过±10mm，纵横向间距0.5m（纵）×0.5m（横），交错布置，钻孔深度穿过煤层并嵌入下方基岩不小于1m。两侧边墙处钢花管按5°的外插角设置，布孔位置距轮廓边缘线0.74m。严格控制钻机支撑，确保钻机安放牢固稳定，在钻孔过程中不得出现晃动。钻机采用防爆子型，钻孔孔径为127mm，钻孔自上而下逐层施工深入，钻孔的速度，风压，推进根据钻机的性能并结合底层实际情况严格控制，防止钻孔扭曲和变径、造成塌孔或其他事故。施工时要加强通风及瓦斯检测。若瓦斯浓度大于0.75%，立即停工，人员撤离。②注意事项。空压机启动后，开启防爆钻机，根据地形及地质情况，调整好钻机的钻头角度方可开钻。开钻后要注意孔深的控制，一定要钻入煤层下方基岩并深入不小于1m，避免二次补钻。
3.2.6 安装钢花管
每个钻孔完成后及时安装钢花管，避免塌孔，挖机将钢花管吊起顶入钻孔中，钢花管外露15cm，安装注浆嘴，施工时，要保证钢花管插入深度与钻孔深度一致。
3.2.7 压注水泥浆
采用机械注浆，注浆液采用水泥浆，水灰比1:1，水泥采用强度等级不小于P.O.42.5的普通硅酸盐水泥，注浆压力为2～2.5MPa，为保证注浆效果，每个孔必须进行2次注浆，必要时3次注浆。加强通风及瓦斯检测，避免压浆时，将孔内及煤层内瓦斯压出形成瓦斯积聚。
3.2.8 注浆结束
注浆压力逐步升高，当注浆压力达到设计终压值2～2.5MPa并稳定持续10min以上。注浆量与设计注浆量大致接近，注浆结束时进浆量一般在20～30L/min以下。
3.2.9 注浆效果检验
对注浆过程中的各项记录资料综合分析，检查注浆压力和注浆量是否达到设计要求。钢管桩施工完成后28天对注浆效果进行检查，每5m设检查孔，总检查孔数不应小于3个，布孔的重点是地质条件不好的地段以及灌浆质量较差及有疑问的地段。对钻孔进行压水检查，在1.0MPa压力下，进水量不大于2L/min·m。检查孔应取芯，钻孔取芯率不小于50%，检查桩间加固体浆液填充情况，芯样采取率，检查孔取芯率应达到70%以上，不合格者应进行补充注浆。要求注浆加固后复合地基承载力不小于400kPa。
3.2.10 预压及沉降观测
注浆处理结束后进行预压，预压荷载不小于240kPa。并进行沉降观测，并对监控量测数据进行统计、分析和评估，以指导现场施工管理。当预压后基本不产生沉降后，可认为达到设计要求，当监控量测出现异常情况时，应及时汇报，以便处理。
施工工艺流程：施工准备→基底面处理→埋设沉降观测桩→堆载预压→沉降观测和数据分析→卸载→复合承载力试验→工后沉降观测。
①基底面处理。预压前，人工配合机械设备对已施作钢管桩段落的仰拱底部进行清理，确保受压面平整。
②埋设沉降观测桩。
1）测点布置。分别于断面间距10～20m线路左右中心线各埋设一个沉降观测桩。
2）测点埋设。在基底表面钻20～50cm深的孔，竖直放入Φ22～Φ25mm的钢筋，钢筋和孔壁之间采用水泥砂浆填充，钢筋头打磨圆滑，露出地面1cm左右，并用红油漆标记。
③堆载预压。采用砂袋预压，砂袋采用机械吊装方式，人工配合堆码。按照设计预压荷载不小于240kPa要求，现场按三层砂袋进行堆载，分三级进行预压，即每堆载一层为一加载等级。堆载顺序按照从中间向两侧，小里程向大里程方向逐层堆载。
④沉降观测和数据分析。在首次加载前先观测一次，作为起始观测值，以后每加载完毕1h后观测一次，以后间隔6h监测记录各监测点的位移量，当相邻两次监测平均值之差不大于2mm时，进行下一级荷载预压。全部加载完毕，间隔6h观测一次，当连续12h监测位移平均值之差不大于2mm，即认为基底已经稳定。然后根据观测值绘制出基底预压变花（时间—下沉量）关系曲线。
⑤卸载。全部加载完毕，间隔6h观测一次，当连续12h监测位移平均值之差不大于2mm，即认为支架已经稳定，即可卸载。
⑥复合承载力试验。复合承载力检测采用单桩荷载试验方法进行检测。
1）试验点位选取。试验点位按照设计桩量总数的0.5%的原则现场随机选取。
2）承压板布置。在承压板下铺设50mm～150mm 的中粗砂垫层，并注意保持拟试压表面平整。桩的中心或形心应与承压板形心保持一致，并与荷载作用中心点相重合，承压板布置见图3。
3）试验堆载方案。
采用平台堆载重物作为反力装置（见图4），平台纵向长度5m，宽度3m。重物采用袋装砂或水泥，人工配合机械分层堆载。
4）堆载试验要求。
a）承压板底面高程应与基底设计高程相同，试验面应为水平面，承压板下用不大于5～15mm的中粗砂找平。
b）堆载重量不小于42吨。
c）堆载平台高度按70cm（堆载平台底与承压板的距离）布置，方便检测人员操作。
5）加载方法。
a）加过装置采用堆载平台作为反力装置，采用1台500kN千斤顶为加力装置，装力装置采用油压表。采用圆形承压板，板直径为105cm，面积为0.87m2。承压板底板高程与地基底面高程相同，承压板下沉量采用50mm百分表测读，百分表放在基准梁上，共2块，呈对称分布。堆载平台由主梁、工字钢和挑板搭成，采用砂袋堆荷，最大压重量为42t。
b）堆载分8级进行，每级由人工控制油泵施加。
c）每级荷载施加后，每1h按间隔5、10、15、15、15min时各测读一次，以后每隔0.5h读一次，在每级荷载作用下，桩的沉降量连续两次在每小时内小于0.1mm视为稳定，可施加下一级荷载。
d）卸载时，每级卸载量按加载时分级荷载的两倍进行，卸载后隔15min测一次，读两次后，隔0.5h再读一次，即可卸下一级荷载，全部卸载后，隔3～4h再测一次。
⑦工后沉降观测。
钢管桩施工完成后，即开始进行仰拱及填充作业，在仰拱初期支护施工前，进行沉降板的安装并及时进行沉降观测：
1）观测桩偏隧道中线0.8m（左侧），纵向间距4m。
2）用全站仪测量出观测桩在仰拱初支上的平面位置，用电风镐在已成环的仰拱初支凿开0.5m*0.5m的缺口（遇见仰拱钢架可以调节观测桩埋设里程避开钢架），深度0.5m。在坑底铺5cm细砂找平将加工好的沉降板放在细砂表面，在沉降板表面再铺5cm细砂避免后期砼和沉降板粘贴，再将准备好的PVC套在观测桩上，务必保证观测桩在PVC管中心及PVC管和沉降观测桩的垂直度。然后浇筑仰拱衬砌及填充砼，杜绝砼进入PVC管，最后用细砂填满观测桩和PVC管之间的空隙。
3）隧道沉降变形观测的精度要求。
沉降变形观测点的测设利用已布设的工作基点或水准基点，测量精度符合二等变形测量等级技术要求，观测方法按国家一等水准测量的技术要求施测。观测精度为±1mm，读数取位至0.1mm。
⑧施工注意事项。1）充分投入劳动力、机械设备和物资。提前准备施工需要的各类材料，保证进入施工现场的人员为熟练工，机械工作状态良好、数量足够。物资备料充足，满足施工需求。2）堆载预压及承载力试验检测过程中，设专职安全员指挥吊装、运输设备，防止机械伤人。在作业地点附近设置警示标志，悬挂红色警示灯，以提醒施工作业人员。3）堆载预压及承载力试验检测过程中，当沉降值突然急剧增加时，应立即停止加载，待查明原因和消除隐患后继续加载。4）堆载预压施工时，充分保证预压时间，在沉降观测数据合格，通过沉降观测结果评估完成后，方可卸载。5）做好工后沉降观测桩的保护，确保工后沉降观测数据的及时和数据准确。
4 钢花管注浆施工工艺质量控制
①认真编制专项施工组织设计方案，对班组进行全面的施工技术交底，使作业人员明确施工要点、方法、步骤，掌握技术操作规程，明确岗位职责。保证严格按设计和施工技术规范要求施工。②由总工组织工程技术部门相关人员进行认真计算、校核，并上报监理部门审批，保证各项工序施工满足设计要求。③为保证钢花管桩加固效果，确保钢花管桩施工质量，钢花管桩采用探灌结合的方法施工，即施工中利用钢管桩进一步探明岩体性质及地下水发育情况等，当发现与设计不一致时，项目部技术人员先进行现场分析、讨论，再将讨论结果上报驻地监理及设计代表，从而制定可行的施工方案，以便处理，确保安全。钢管桩钻孔及注浆过程均需详细记录，对注浆压力及进浆速度进行综合分析，判断注浆压力和注浆量变花是否合理，若注浆量较大而注浆压力不上升，应及时报告相关单位，以便处理。④焊工持证上岗、考试合格进入施工岗位，不合格的坚决淘汰。在进行施工前，先进行试加工，对试加工的钢花管进行检测，经专业工程师及相关质检人员检验合格后，方可进行大面积的加工，并对加工的成品按照相关要求进行检验，检验合格后才能进入下道工序。⑤施工过程中加强测量定位控制，测量人员在施工过程中全程跟踪监测，及时纠错。⑥施工使用的原材料进场后，对原材料的品种、规格、数量以及质量证明书等进行验收核查，并按有关标准的规定取样和复验。经检验合格的原材料方可进场、投入施工使用。对于检验不合格的原材料，按有关规定清除出场。⑦高度重视施工质量，强花质量监督，质量验收标准按编制依据规范、标准严格控制。
5 钢花管注浆施工工艺应注意的安全措施
①严格高瓦斯隧道施工安全管理办法及高瓦斯隧道施工安全方案组织落实施工安全措施。
②电工、瓦斯检测人员，电器设备防爆检查员及仪器、仪表校正人员等特种作业人员，必须经地方劳动局、煤矿矿务局等有关部门培训，取得合格证后，方准上岗。
③严格落实安全教育培训与交底制度。绝对禁止未经教育者入场，坚持班前安全交底制度。每道工序前，安全员、施工员对班组所有参与人员根据具体情况进行书面安全技术交底，履行签字手续，使参与施工的人员做到“心中有数”。
④施工现场的总配电箱至开关箱设置两级捡漏继电器，两级检漏继电器的额定漏电动作电流和额定漏电动作时间应作合理配合，使之具有分级保护的功能。 开关箱中必须设置漏电保护器，施工现场所有用电设备，除作保护接零外，必须在设备负荷线的首端处安装漏电保护器。检漏继电器应装设在总电源隔爆断路器的负荷侧和分路隔爆开关的负荷侧，并加装瓦斯防爆装置。
⑤所有机械设备都采用瓦斯防爆改装。
⑥成立通风小组，保证瓦斯隧道24h不间断通风，确保工作面空气流通，能见度好，降低瓦斯浓度，对风带及风机进行监控维修，严格执行停风审批制度。
⑦成立瓦斯检测监测小组，瓦检员24h在施工现场，每2h对各工作面及通风效果差的洞室、死角进行瓦斯检测，瓦斯浓度超限时，及时通知施工人员撤离。
⑧洞内工作面狭小，做好交通指挥工作，来往车辆通行安排专人指挥，并在作业面配备充足的照明设备及安全警示设备。
⑨施工过程必须配备经验丰富的机械司机和驾驶员，对驾驶人员经常进行安全意识教育和交规教育，严禁违章作业，确保行车安全。
6 钢花管注浆施工工艺中采取的环保措施
6.1 水环境污染防治措施
①浆液注入量大而难以结束时有可能对地下水进行污染，根据具体情况采用低压、浓浆、限流、间歇灌浆、灌入速凝浆液等方法处理，防止对地下水、暗河进行污染。
②注浆过程中发现冒浆、漏浆时，根据具体情况采用嵌缝表面封堵、低压、浓浆待凝等方法处理，防止浆液外漏造成二次污染。对剩余的浆液和漏出的浆液及时进行清理并外运至指定的弃渣场进行掩埋。
6.2 大气污染防治措施
①选用符合国家卫生防护标准的施工机械设备和运输工具，确保其废气排放符合国家有关标准。②施工过程中受环境空气污染最为严重的是施工人员，项目部着重对施工人员采取配发防尘口罩和缩短工作时间等劳动保护措施。
6.3 噪声污染防治措施
①选用符合环保标准的施工机械。②在施工过程中，操作人员要加强各种施工机械的维修保养，尽可能降低施工机械噪声的排放。
7 钢花管注浆施工工艺的效益分析
7.1 经济效益
传统的换填法、常压注浆法、旋喷桩加固法、锚杆法施工，在隧底煤层较厚地段施工加固处理效果不理想，有可能存在后期返工处理风险，建议不采用，为达到改善基底承载力效果，满足设计要求，确保隧道结构及后期运营安全一般采用桩基筏板结构（钻孔桩）或钢花管注浆加固处理措施。
钻孔桩施工因受隧道净空条件及瓦斯限制，施工难度大、进度慢、投入成本较高，且对周边围岩扰动较大，存在一定的安全风险。采用2m直径钻孔桩基筏板处理D3K410+395～+445煤系地层段700m2范围需耗时90天，花费352万元（地材56万元、钢材53万元、机械人工219万元、电费等其他费用24万元）。
采用钢花管注浆加固方法，处理D3K410+395～+445煤系地层段700m2范围需耗时45天，花费234万元（地材18万元、钢材21万元、机械人工180万元、电费等其他费用15万元）。
可节省费用：352-234万元=118万元，经济效益明显。
7.2 社会效益
①应用钢花管注浆施工工艺，与传统的换填法、常压注浆法、旋喷桩加固法、锚杆法，相比在达到同样的效果下可明显减少施工时间，减少材料及机械的损耗，大大降低了施工成本。②应用钢花管注浆施工工艺，采用钢花管穿越煤层嵌入下方基岩不小于1m，避免对地下水、暗河进行污染，对于维持水资源有着重要的意义。
8 结束语
成贵铁路观音山隧道D3K410+395～+445煤系地层段隧底开挖揭示围岩为泥质粉砂岩、煤矸石、煤层，地基承载力不满足设计要求，存在安全隐患。为确保施工及后期运营安全，该段隧底软弱围岩采用钢花管注浆加固处理，处理时间为1.5个月，实施后，注浆效果良好，解决了隧道煤层段软弱地基承载力不够的难题。节省成本约118万元，施工过程中未发生安全质量事故，为观音山隧道安全生产打下了坚实基础，为后续工程能按时完成做了较好的铺垫，受到成贵铁路毕节建设指挥部的充分肯定。在隧道施工过程中，尤其是高瓦斯隧道，对煤系地层等隧底软弱围岩加固处理建议采用钢花管注浆加固处理，该工法工艺简单、可操作强、施工周期段、投入成本低、处理效果好。
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