(廈門安能建設(shè)有限公司， 福建 廈門 361004)

研發(fā)流泥地質(zhì)隧道加固止水新技術(shù)

陳新泉

(廈門安能建設(shè)有限公司， 福建 廈門 361004)

廈門市環(huán)島路隧道工程因出現(xiàn)流泥、涌水等極端不利地質(zhì)條件，施工進(jìn)度極其緩慢，項(xiàng)目部開展創(chuàng)新型QC小組活動，研發(fā)了“垂直控制性水泥灌漿”新技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型的外循環(huán)灌漿器，通過正交試驗(yàn)確定了最佳灌漿材料配合比，采用二序孔雙控灌漿法進(jìn)行高壓灌漿，隧道流泥被固結(jié)成穩(wěn)定的人工石巖體，實(shí)現(xiàn)了課題目標(biāo)，取得了良好的質(zhì)量效益、工期效益和社會效益。

流泥； 加固止水； 垂直控制性水泥灌漿； 新技術(shù)

1 概 況

1.1 工程概況

廈門市環(huán)島路鰲山路—高殿二號路段道路工程是連接廈門市航空物流園區(qū)與象嶼保稅區(qū)快速道路的關(guān)鍵性工程，全長2.48km，路幅寬50m，工程總投資76646萬元。

該工程場地原始地貌位于海陸交互地段，沿線地層主要由填土層、海積層、殘積及下部燕山晚期中粗?；◢弾r構(gòu)成。暗挖隧道具有地質(zhì)條件差，地下水豐富、埋深淺、下穿鐵路線多等特點(diǎn)，在掘進(jìn)過程中，多次出現(xiàn)流泥、涌水等極端不利地質(zhì)條件，為確保完成施工任務(wù)，特開展QC小組活動。

1.2 QC小組概況

QC小組的名稱為“陳新泉QC小組”，課題名稱為“研發(fā)流泥地質(zhì)隧道加固止水新技術(shù)”。課題類型為創(chuàng)新型，QC小組成立時間為2015年6月，小組成員為陳新泉、李旺雷、葉志填、古文波、林梟羿、宋東升、郭鐵、蔣葉、張?zhí)肀虻?，?0人，小組成員進(jìn)行合理的職責(zé)分工。

2 選擇課題

2.1 提出課題

豎井端隧道掌子面多次出現(xiàn)流泥(見圖1)、涌水等極端不利地質(zhì)條件，采用設(shè)計(jì)的系統(tǒng)錨桿+鋼筋網(wǎng)片+噴錨混凝土+鋼拱架的初期支護(hù)方式進(jìn)行隧道掘進(jìn)施工，157天才掘進(jìn)4.9m，根本無法完成掘進(jìn)任務(wù)。為解決軟弱圍巖防滲加固難題，為確保施工效果，特組建QC小組。

圖1 流泥現(xiàn)狀

2.2 創(chuàng)新理由

a.創(chuàng)新必要性：傳統(tǒng)較先進(jìn)的隧道加固止水方法為水泥灌漿法、化學(xué)灌漿法和冷凍法，本工地存在表1所示受限制條件并可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果，無法實(shí)施。

表1 既有施工技術(shù)受限分析

b.創(chuàng)新緊迫性：按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行施工，用44%的工期僅完成1%的掘進(jìn)任務(wù)，且安全風(fēng)險大，多次出現(xiàn)坍塌、冒頂，工期壓力巨大。

c.創(chuàng)新重要性：流泥地質(zhì)無自穩(wěn)能力，遇到涌水時抗壓強(qiáng)度幾乎為零，是最難施工的隧道地質(zhì)條件之一；隧道在地鐵一號線下穿越，橫向間距僅1m，豎向間距僅2.85m，是國內(nèi)最難施工的下穿式隧道之一。QC小組能夠研發(fā)出新的加固止水新技術(shù)，具有重要意義。

3 設(shè)定目標(biāo)

3.1 設(shè)定課題目標(biāo)

QC小組經(jīng)過研究，確定流泥地質(zhì)隧道加固止水的目標(biāo)為：單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc>5MPa。

3.2 目標(biāo)可行性分析

3.2.1 目標(biāo)設(shè)定依據(jù)

根據(jù)公路隧道圍巖分級的規(guī)定，流泥地質(zhì)屬于無自穩(wěn)能力的極軟巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc幾乎為0，為確保施工安全，圍巖級別至少應(yīng)提高至軟巖，軟巖的單軸飽和抗壓強(qiáng)度為15MPa≥Rc>5MPa，設(shè)定課題目標(biāo)值為：單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc>5MPa。

3.2.2 資源條件

從目標(biāo)設(shè)定依據(jù)、人員、材料、方法、環(huán)境等五方面進(jìn)行綜合分析，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具備可行性。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 方案的提出

QC小組的成員采用“頭腦風(fēng)暴法”，對流泥地質(zhì)隧道加固止水技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，提出了四種新技術(shù)，用親和圖進(jìn)行歸納整理如圖2所示。

圖2 親和圖

4.2 查新

為了驗(yàn)證這些方案是否具有創(chuàng)新性，QC小組成員通過檢索策略在萬方數(shù)據(jù)、維普網(wǎng)、國家科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)圖書中心、國家科技成果網(wǎng)、中文期刊網(wǎng)、中國學(xué)術(shù)會議在線、CALLS學(xué)位論文中心中對這四個技術(shù)方案進(jìn)行查新。從查新的結(jié)果可以看出，這四個方案全部是創(chuàng)新的方案。

4.3 一級方案的樣板試驗(yàn)

為了選擇最佳的方案，2015年6月15—6月17日，QC小組在不同地點(diǎn)對各方案分別鉆了3個孔進(jìn)行灌漿樣板試驗(yàn)，水平管棚高水速凝注漿法、垂直控制性水泥灌漿法、脲醛樹脂滲透灌漿法、改性環(huán)氧樹脂壓密灌漿法的注漿量分別為400L/m、300L/m、600L/m、550L/m，注漿后土體的干密度分別為1.63g/m3、1.68g/m3、1.58g/m3、1.69g/m3。

從樣板試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，垂直控制性水泥灌漿法的注漿量最少，注漿后土層的干密度僅略低于改性環(huán)氧樹脂。

QC小組成員一致認(rèn)為最佳流泥地質(zhì)隧道加固止水施工方案為垂直控制性水泥灌漿法。

4.4 二級方案的細(xì)化

垂直控制性水泥灌漿的施工過程主要包含成孔、制漿和灌漿三道工序。QC小組成員繼續(xù)采用“頭腦風(fēng)暴法”對各施工環(huán)節(jié)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，并通過樣板試驗(yàn)逐一進(jìn)行分析。

4.4.1 成孔

a.樣板試驗(yàn)。成孔的關(guān)鍵技術(shù)在于灌漿功能組件，創(chuàng)新的灌漿功能組件有兩種：內(nèi)循環(huán)灌漿器和外循環(huán)灌漿器。QC小組的成員在技術(shù)專家的主持下，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)，對灌漿功能組件針對本工程的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過反復(fù)修改，擬定設(shè)計(jì)圖樣如圖3和圖4所示，并組織技術(shù)工人根據(jù)圖紙進(jìn)行加工，制成灌漿器。

圖3 內(nèi)循環(huán)灌漿器設(shè)計(jì)

圖4 外循環(huán)灌漿器設(shè)計(jì)

b.為了驗(yàn)證灌漿功能組件的效果，QC小組進(jìn)行了樣板試驗(yàn)，內(nèi)、外循環(huán)灌漿器的灌漿時間分別為2.5h、1.5h。

從樣板試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，最佳灌漿功能組件為外循環(huán)灌漿器。

4.4.2 制漿

a.樣板試驗(yàn)。制漿的關(guān)鍵技術(shù)在于漿液的組成。漿液組成有兩種，分別是水泥漿+無機(jī)速凝劑和水泥漿+控制液。為了驗(yàn)證不同漿液的灌漿效果，QC小組成員組織了樣板試驗(yàn)，灌漿漿液灌入土體后，兩種漿液達(dá)到初凝的時間分別為50min、30min。

樣板試驗(yàn)的主觀指標(biāo)和量化指標(biāo)都表明，最佳灌漿漿液為：水泥漿+控制液。

b.優(yōu)選最佳配合比。為了獲得最佳的水灰比和控制液摻量，QC小組用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)選最佳參數(shù)。

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，優(yōu)選出最佳的配合比方案為水∶水泥∶控制液=100∶80∶8=1∶0.8∶0.08。

4.4.3 灌漿

a.樣板試驗(yàn)。2015年6月24—26日，QC小組成員組織進(jìn)行了灌漿工藝的樣板試驗(yàn)，分別采用二序孔雙控灌漿法和三序孔混合灌漿法這兩種方法進(jìn)行灌漿，兩種方法的干密度均大于1.6g/m3，二序孔雙孔灌漿法比三序混合灌漿法的土體更加均勻致密，干密度波動小。QC小組確定最佳的灌漿方法為二序孔雙控灌漿法。

5 制定對策

制定對策見表2。

表2 對策

6 對策實(shí)施

6.1 對策實(shí)施一——外循環(huán)灌漿器

a.對灌漿器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。QC小組成員在技術(shù)專家的指導(dǎo)下，與機(jī)修工人一起，根據(jù)流泥的特殊地質(zhì)情況對原有的灌漿器進(jìn)行改造，經(jīng)過4次試驗(yàn)，得到了最佳的外循環(huán)灌漿器方案。

b.在內(nèi)管上鉆灌漿功能的專用孔眼。灌漿器包括鋼管、分隔器、封隔器、柱狀大膜袋、孔口灌漿塞、通孔小鐵管和通孔設(shè)備。采購了專用的灌漿鋼管，經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)場，送至灌漿器加工廠進(jìn)行加工。由機(jī)修工人在內(nèi)管上鉆專用灌漿孔眼，每排鉆五個孔，梅花形布置，排距為60cm。

c.鉆桿外包裹土工材料。采購具有能透水，前期能留住水泥顆粒，后期能排出水泥顆粒的特殊土工材料，進(jìn)場驗(yàn)收合格后，用剪刀裁成長方形的包布，包裹在內(nèi)桿上，然后用麻繩捆緊(見圖5)。

圖5 鉆桿及專用土工材料實(shí)物

d.外循環(huán)灌漿器安裝。在作業(yè)面采用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，孔距1.5m，排距1.5m，呈正方形布置，鉆孔深度根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，鉆好孔后拔出鉆桿。外循環(huán)灌漿器由3段組成，運(yùn)到作業(yè)面，通過螺紋連接，裝上閥門及注漿管道，外循環(huán)灌漿器安裝完畢。

6.2 對策實(shí)施一——實(shí)施效果

采用外循環(huán)灌漿器進(jìn)行灌漿，灌漿效果良好，單段灌漿時間均在2h內(nèi)，一般為1～1.2h，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。施工現(xiàn)場技術(shù)人員對每個灌漿孔的灌漿情況進(jìn)行了詳細(xì)的記錄。灌漿作業(yè)卡片掃描如圖6所示。

圖6 灌漿作業(yè)記錄卡片掃描

6.3 對策實(shí)施二——水泥漿+控制液

a.用水泥和水調(diào)配成一定濃度的水泥漿。水泥漿的制漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥和自來水。水泥漿在攪拌池內(nèi)拌制，采用人工搬運(yùn)水泥至攪拌池，用鐮刀割開水泥袋，將水泥倒入水泥漿池，每次添加水泥3袋，按照設(shè)計(jì)水灰比算出應(yīng)加入的水量，用流量計(jì)控制水的加入量，水泥在漿池中至少攪拌30s。

b.調(diào)制專用的控制液?？刂埔簽樽孕醒兄凭哂袑＠麢?quán)的添加液。QC小組根據(jù)流泥的特殊地質(zhì)對原有的控制液配方進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次試驗(yàn)后確定最佳的控制液配方，施工前在控制液拌制場內(nèi)拌制好，裝入鐵桶，送至灌漿場內(nèi)備用。

6.4 對策實(shí)施二——實(shí)施效果

在水泥、水和控制液的摻加量控制中，每次添加的水泥固定為3袋，控制液每次用固定容積小塑料桶從大桶中舀出添加，這兩個因素不容易出現(xiàn)誤差，重點(diǎn)要控制的是水的加入量。QC小組主要通過檢查水泥漿的水灰比來確定灌漿漿液的配合比是否符合要求。QC小組采用加熱揮發(fā)法測定水灰比，5次水灰比試驗(yàn)結(jié)果分別是：1∶0.78,1∶0.80,1∶0.81,1∶0.79,1∶0.82。

從水泥漿水灰比的測定結(jié)果可以看出，灌漿漿液質(zhì)量穩(wěn)定，配合比波動均小于0.05，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

6.5 對策實(shí)施三——二序孔雙控灌漿法

a.灌漿順序。灌漿次序按照二序孔進(jìn)行灌漿，相間孔為一序孔，相鄰孔為二序孔，灌漿孔的布置如圖7所示。

圖7 局部灌漿加固布孔平面

b.灌漿設(shè)備。灌漿設(shè)備采用3SNS高壓灌漿泵和自制液壓小泵(見圖8)，制漿設(shè)備為自制雙桶攪拌機(jī)。3SNS高壓灌漿泵灌入泥漿，自制液壓小泵灌入控制液，水泥漿和控制液分別單獨(dú)控制。

圖8 自制液壓小泵實(shí)物

c.灌漿壓力。灌漿壓力值以灌漿泵的壓表讀數(shù)為準(zhǔn)。灌漿過程中，高壓灌漿泵與液壓小泵操作人員之間保持聯(lián)系，密切注意灌漿壓力變化，保持壓力變化同步?，F(xiàn)場技術(shù)人員隨時觀察串冒漿和抬動情況，及時調(diào)整灌漿量和灌漿壓力。進(jìn)漿量大或灌漿壓力不易抬升的孔段，可采用間隙式灌漿，灌入一定量后暫停一定時間再反復(fù)灌漿，直至該孔段達(dá)到設(shè)定灌漿量或壓力值。

d.灌漿方式。灌漿方式采用一次成孔分段灌漿和自上而下逐段施工方式，每孔先灌第一段，完成后沖洗灌漿管并捅開分段器，再灌下一段直至終孔結(jié)束。

e.灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。灌漿壓力達(dá)要求設(shè)定壓力后，孔內(nèi)灌入進(jìn)漿量小于1.0L/min時，保持壓力30min即灌漿結(jié)束。

6.6 對策實(shí)施三——實(shí)施效果

灌漿結(jié)束后，QC小組組織技術(shù)工人對灌漿孔進(jìn)行鉆孔取芯樣(見圖9和圖10)，檢查其密實(shí)均勻程度并采用環(huán)刀法檢測其干容重。從取得的芯樣看出黏土段的漏水通道被水泥漿填充，流泥段的軟弱土顆粒被擠走置換成水泥人工石；通過采用電爐加熱法進(jìn)行干容重試驗(yàn)，5次試驗(yàn)的結(jié)果分別是1.78g/m3、1.73g/m3、1.84g/m3、1.74g/m3、1.85g/m3。

圖10 流泥段鉆孔取芯實(shí)物

從鉆孔取芯的芯樣外觀和干容重試驗(yàn)成果可以看出，灌漿取得了良好的效果，軟弱土層中的水分被擠走，軟弱土層被填充加密成致密的新圍巖，干容重均大于1.7g/m3，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

7 效果檢查

7.1 質(zhì)量效益

通過QC小組人員組織實(shí)施了富有成效的措施，控制性水泥灌漿取得了很好的質(zhì)量效果。經(jīng)過灌漿處理后的隧道流泥被固結(jié)成穩(wěn)定的人工石巖體，掌子面未見滲漏水(見圖11和圖12)。2015年9月25日，委托檢測機(jī)構(gòu)對注漿體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，平均值達(dá)到7.9MPa。

圖11 灌漿處理后掌子面實(shí)景

圖12 抗壓強(qiáng)度報(bào)告掃描

7.2 QC小組活動目標(biāo)

經(jīng)第三方檢測，注漿體的平均抗壓強(qiáng)度為7.9MPa。目標(biāo)值與實(shí)際值的柱狀圖比較如圖13所示。

圖13 效果確認(rèn)柱狀圖

從效果圖可以看出，實(shí)際值7.9MPa>5MPam，QC小組活動實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目標(biāo)。

7.3 工期效益

由于前期地質(zhì)條件差，圍巖含水豐富，多次發(fā)生涌泥、初支沉降變形及開裂等現(xiàn)象，施工過程中多次停止施工，采取加強(qiáng)措施支護(hù)以確保施工安全，施工進(jìn)度極其緩慢。采用流泥地質(zhì)隧道加固止水新技術(shù)注漿后效果顯著，提高了掌子面圍巖自穩(wěn)能力，止水效果好，且與隧道開挖無干擾，施工進(jìn)度大幅提升，根據(jù)灌漿后的圍巖情況施工進(jìn)度可達(dá)到日進(jìn)尺1.5m，至少比原施工進(jìn)度提升了3倍。

7.4 社會效益

QC小組把施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在中國巖土科學(xué)研究會廈門第二期巖土與地基基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新學(xué)術(shù)交流大會會上做了《地下及隧道工程注漿封水高新技術(shù)應(yīng)用》的專題講座，受到與會全國各地代表高度評價，并有多家單位表達(dá)了合作的強(qiáng)烈愿望，大幅提高了企業(yè)在基礎(chǔ)處理領(lǐng)域的知名度。

8 標(biāo)準(zhǔn)化

8.1 形成施工企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

QC小組活動完成后，QC小組成員根據(jù)活動實(shí)施情況，通過對改進(jìn)的有效措施進(jìn)行總結(jié)，形成《流泥地質(zhì)隧道加固止水施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》，在同類工程中推廣使用。

8.2 申報(bào)科技立項(xiàng)

2015年10月，QC小組在總結(jié)本課題研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他工地的施工經(jīng)驗(yàn)和已取得的研究成果，形成《地下及隧道工程注漿封水高新技術(shù)應(yīng)用研究》課題組，向廈門市科技局申請科技計(jì)劃項(xiàng)目立項(xiàng)，已經(jīng)被批準(zhǔn)并給予50萬元的科研經(jīng)費(fèi)。

8.3 效果檢查

2016年1月10—15日，公司質(zhì)量安全部對應(yīng)用《流泥地質(zhì)隧道加固止水施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》的福建省龍津溪引水工程C3標(biāo)、明溪縣黃沙坑引水隧洞工程和四川米易引水工程的加固止水效果進(jìn)行抽查，各工地固結(jié)混凝土的抗壓強(qiáng)度和壓水試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 抗壓強(qiáng)度折線圖

8.4 結(jié) 論

通過折線圖可以發(fā)現(xiàn)，采用《流泥地質(zhì)隧道加固止水施工工藝標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行軟基的加固止水，取得良好的效果，抽樣平均抗壓強(qiáng)度均超過5MPa，超過了設(shè)定的QC小組活動目標(biāo)值，說明標(biāo)準(zhǔn)化措施有效，可以繼續(xù)推廣。

9 總結(jié)和今后打算

9.1 專業(yè)技術(shù)和活動程序方面

QC小組成員對本課題成果從專業(yè)技術(shù)方面進(jìn)行總結(jié)，分析了該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并提出了三條建議：

a.對水泥漿液與控制液的配合比還可以進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

b.灌漿設(shè)備應(yīng)盡量標(biāo)準(zhǔn)化，以利于進(jìn)一步推廣。

c.控制性水泥灌漿還可以進(jìn)行理論上的研究和提升。

QC小組對開展本次QC小組活動的程序逐個進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了存在的問題并提出了努力的方向。

9.2 綜合素質(zhì)方面

QC小組活動活動結(jié)束后，小組成員對統(tǒng)計(jì)工具、創(chuàng)新能力等五方面進(jìn)行自我總結(jié)和評價，做出柱狀圖如圖15所示，從柱狀圖可以看出，小組成員的QC知識和統(tǒng)計(jì)工具掌握程度有了大幅的提升。

圖15 綜合素質(zhì)總結(jié)雷達(dá)圖

9.3 下一步計(jì)劃

打算在鞏固和提高已取得成果的同時，選擇“提高隧洞二襯混凝土表面平整度”課題開展活動，為工程項(xiàng)目創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程做出更大的貢獻(xiàn)而努力。

Developmentofnewtechnologyforreinforcementandwaterstopindriftmudgeologicaltunnel

CHEN Xinquan

(XiamenAnnengConstructionCo.,Ltd.,Xiamen361004,China)

The construction progress is extremely slow in Xiamen Huandao Road Tunnel Project because of drift mud, water burst and other extreme unfavorable geological conditions. The project department implements innovative QC group activity. New technique of ‘vertical controllable cement grouting’ is developed. Novel external circulation grouting device is designed. The best grouting material mix proportion was determined by orthogonal experiment. The secondary grout hole double control grouting method is adopted for high pressure grouting. The tunnel drift mud is consolidated into stable artificial stone, thereby realizing the project objective, and obtaining excellent quality benefits, project duration benefits and social benefits.

drift mud; reinforcement and water stop; vertical controllable cement grouting; new technology

TV52

：B

：2096-0131(2017)09-0069-07

10.16616/j.cnki.10-1326/TV.2017.09.016