長管劈裂注漿在淺埋大斷面巖溶隧道加固中的應用

李慶斌

（中鐵十八局集團有限公司 天津 300222）

1 引言

巖溶隧道突水突泥問題，在隧道施工領域備受關注，一旦發(fā)生地質災害，可能會帶來不可估量的人員、經(jīng)濟損失。在巖溶隧道風險評估［1-2］、防排水［3］、突水力學機制［4］、防治對策［5-8］等方面，已有一些可借鑒的經(jīng)驗。施工單位對巖溶地層的處理方案尤為關注，包括具體的超前物探手段、地層加固方法以及后期效果評估等內容，但現(xiàn)有研究主要表現(xiàn)為初步探索或經(jīng)驗性建議，鮮有明確的施工工藝或方法可供參考。

以石馬寨淺埋巖溶隧道為例，詳細介紹一種巖溶發(fā)育地帶的隧道加固施工方案，并結合現(xiàn)場經(jīng)驗提出施工注意事項、加固效果評估方法，為類似地質條件隧道施工提供參考依據(jù)。

2 工程概況

新建大冶北至陽新鐵路石馬寨隧道全長3 685.36 m，地處巖溶發(fā)育異常地帶，地下水發(fā)育，日最大涌水量達26 640 m3，極易發(fā)生突水、突泥現(xiàn)象，這在全國鐵路富水巖溶喀斯特地貌隧道中尚屬首例，屬于高風險隧道。以DK1+000為例，地質特征見表1。

表1 DK1+000地質特征

DK1+042～DK1+162隧道覆蓋層情況、地下水埋深情況見表2。該里程段為淺埋段隧道，圍巖類別Ⅴ級，穩(wěn)定性差，在花崗巖殘積土及全、強風化花崗巖中普遍發(fā)育球狀風化體（俗稱“孤石”），在淺埋段地表附近有“孤石”和散落的滾石，孤石大小不一，巖質為弱、微風化花崗巖，巖質堅硬。本段地表沖溝較多，地下水類型主要為孔隙潛水、基巖孔隙裂隙承壓水，主要接受大氣降水的補給并以泉水或地下徑流形式排泄于附近河流中，地下水位較淺。

表2 淺埋段隧道覆蓋層及地下水埋深

隧道埋深在14～27.29 m范圍內，土體為砂性黏土并伴有大量孤石，土體硬塑，砂感強烈，遇水極易軟化崩解。摩擦系數(shù)小，受降雨影響，地表水滲入，圍巖在開挖擾動后滲水嚴重，圍巖的黏性礦物質隨滲水流失，致使圍巖的強度和黏性降低，減弱圍巖的自承能力，給隧道開挖工作帶來難度。結合現(xiàn)有地質資料和地表情況來看，施工存在一定的安全隱患。

3 圍巖加固方案

3.1 圍巖加固方案概述

經(jīng)現(xiàn)場勘查和超前地質預報后，原Ⅴ級隧道圍巖變更為Ⅵ級，支護參數(shù)需要調整，提出了三套方案。

方案一:考慮兩倍洞徑寬度范圍內地表采用水泥-水玻璃雙液注漿法，固結范圍為隧道正上方兩倍洞徑（35 m），固結深度為基巖或隧道底板上方15 m。鉆孔直徑為102 mm，鉆孔間距1.2 m，鉆孔排距1.2 m，呈梅花形布置。

方案二:采用超前錨桿穩(wěn)定開挖掌子面，結合掌子面打設超前排水孔減少掌子面前方土體含水量。為了確保掌子面的穩(wěn)定，對于左右導坑上臺階，開挖完成后及時對掌子面初噴8 cm厚C20混凝土進行封閉，在封閉后的掌子面按照100 cm×100 cm矩形布設4.5 m長φ22砂漿錨桿，在上臺階底部打設超前排水孔6個。

方案三:采用隧道洞內長管劈裂雙液注漿加固拱部圍巖法。長管劈裂注漿孔沿拱部環(huán)形布置，環(huán)間距為70 cm，計劃注漿固結外緣與隧道拱部開挖輪廓線間距為5 m。對于薄弱地層噴射混凝土封閉掌子面，并立即采用超前錨桿穩(wěn)定掌子面及導洞側墻。施工過程中如掌子面有較大滲水，則打設超前引水孔進行預排水。

3.2 圍巖加固方案比選

方案一:地表注漿后，污染地表土壤，影響生態(tài)環(huán)境及植被生長。地表多為果樹覆蓋，經(jīng)濟價值較高，且從征地、便道修筑、設備進場實施地表注漿時間較長，注漿范圍較大，造價較高，從環(huán)保及施工工期方面看地表注漿加固圍巖方案不可行。

方案二:對掌子面采取全面的加固和防水措施，能夠很好地控制掌子面穩(wěn)定，但是對圍巖拱部加固效果有限，尤其是對于遇水崩解的強風化巖體易于從小導管骨架中流失導致圍巖失穩(wěn)，主要體現(xiàn)為開挖之后圍巖自穩(wěn)性較差。同時雙側壁導坑法將空間劃分為多個較小空間，施工步驟較為繁瑣，現(xiàn)場不易操作。

方案三:長管劈裂注漿方案對拱部圍巖加固范圍大，拱部圍巖松動圈加固效果良好，圍巖成巖率高，施工較安全，且實施過程準備時間較少，技術手段容易實現(xiàn)，洞內長管劈裂注漿方案符合施工現(xiàn)場實際。在局部掌子面不穩(wěn)定里程段噴射混凝土封閉，并立即采用超前錨桿穩(wěn)定掌子面及導洞側墻，掌子面出現(xiàn)較大滲水則打設超前引水孔進行預排。

4 圍巖加固方案施工方法

4.1 長管劈裂注漿加固原理

劈裂注漿是一種高壓注漿工藝。通常情況下注漿不能直接滲入地層，在高壓作用下對周圍地層施加了附加壓應力，使土體發(fā)生剪切破壞，從而漿液侵入裂縫并促使其擴展，進而壓密地層。劈裂注漿對地層的加固作用主要表現(xiàn)為兩方面，一是對原始地層的壓密作用；二是漿液在地層之間形成漿脈加固原始地層。

袖閥管注漿是實現(xiàn)土體劈裂注漿的一種新技術，在傳統(tǒng)的花管注漿技術基礎上進行改進。單向閥管注漿可以控制和調整分層注漿壓力和注漿量，可保證整個注漿深度范圍內的加固效果及均勻性。袖閥管注漿采用工程地質鉆機成孔，并在孔內灌注專門配制的套殼料（封閉泥漿），然后埋設專用單向閥管。待套殼料達到一定強度后，在單向閥管內插入雙向密封注漿芯管進行分層劈裂壓漿。注漿完成后，單向閥管除侵入開挖輪廓線內割除外，其余部分留在圍巖中用作加筋。

4.2 長管劈裂注漿施工工藝

長管劈裂注漿孔沿拱部環(huán)形布置，一循環(huán)25 m，環(huán)間距為70 cm，注漿加固外緣與隧道拱部開挖輪廓線間距為5 m。長管劈裂注漿孔布置如圖1所示，注漿管縱斷面如圖2所示。劈裂注漿施工工序分為以下四個步驟:

圖1 長管劈裂注漿正面布置（單位：cm）

圖2 長管劈裂注漿縱斷面布置（單位：cm）

（1）鉆孔

采用φ90合金鉆頭鉆進?？咨钽@至設計深度后，清除孔內沉渣，孔位偏差不大于100 mm，鉆孔垂直度誤差控制在1%以內。一循環(huán)注漿用料量見表3。

表3 一循環(huán)長管注漿用料量

（2）澆筑套殼料

為提高套殼料的早期強度以確保工期，套殼料配制采用1∶2的水泥、粉煤灰，水灰比0.6（24 h后即可開環(huán)注漿）。成孔后立即澆筑套殼料，在孔中插入開口的鍍鋅管，通過管子壓入套殼料，直至孔內泥漿被完全置換。養(yǎng)護24 h后，套殼料抗壓強度可達到0.3～0.5 MPa。

（3）制作袖閥管

袖閥管分節(jié)制作，外徑為58 mm、內徑40 mm，管口平整、內壁光滑。套殼料澆筑后，立即把底端封閉的袖閥管居中壓入孔內，節(jié)與節(jié)之間用接箍擰緊密封，非注漿段用光管替代。對較深的注漿孔，管中可加入水，以減少袖閥管插入時的摩擦阻力。袖閥管結構如圖3所示。

圖3 袖閥管結構示意（單位：mm）

（4）注漿

通過注漿泵施加壓力擠破套殼料，為漿液進入地層打開通道。為使套殼料的破碎程度和均勻性得以提高，采用較大的起始泵壓、較短的升壓間隔時間和較大的壓力增值進行開環(huán)。

注漿管頭部為雙向密封注漿芯管，其聚氨酯密封圈使用前要進行檢查，應無殘缺和大量汽泡現(xiàn)象；上部密封圈裙邊向下、下部密封圈裙邊向上長度為50 cm。

注漿液采用P.O.32.5普通硅酸鹽水泥作注漿材料，水泥漿水灰比為0.8～1，視吸漿量確定水泥漿液濃度。根據(jù)超前探測結果，如圍巖含水量過大，注漿需要加強堵水效果時，可在局部區(qū)段采用水泥-水玻璃漿液，純水泥漿和水泥漿-水玻璃各按照80%和20%預留。

注漿壓力一般為0.5～1.5 MPa，具體壓力根據(jù)現(xiàn)場調整，注漿量一般為10～15 L／min。第一循環(huán)采用1 m厚C20混凝土止?jié){墻，如進行下循環(huán)的長管劈裂注漿，須留5 m止?jié){墻。

注漿順序先外圍再內孔，并按跳孔間隔注漿方式進行注漿，采用后退式注漿工藝，若巖層破碎容易造成塌孔時采用前進式注漿。對有地下動水流的特殊情況，應考慮漿液在動水流下的遷移效應，從水頭高的一端開始注漿。

4.3 穩(wěn)定掌子面施工工藝

為了確保掌子面的穩(wěn)定，對于左右導坑上臺階，開挖完成后及時對掌子面初噴8 cm厚C20混凝土進行封閉。在封閉后的掌子面按照100 cm×100 cm矩形布設4.5 m長φ22砂漿錨桿，砂漿錨桿達到強度后，開挖六個循環(huán)工字鋼拱架進尺（即3 m）。在掌子面前一循環(huán)打設的錨桿空白處按照100 cm×100 cm矩形布設4.5 m長φ22砂漿錨桿。如此循環(huán)，保證每循環(huán)搭接長度不小于1.5 m，相臨兩循環(huán)錨桿呈梅花形布置。為了降低掌子面前方圍巖的含水量，對掌子面前方圍巖預排水，在上臺階底部打設超前排水孔。在永久性支護側布設3個孔，孔間距為60 cm；臨時支護側布設2個孔，高度距臨時仰拱70 cm，孔直徑130 mm。超前排水管深度在30 m以上，每孔安裝10 m帶孔的PVC管。為保證導洞側墻的穩(wěn)定，對上臺階臨時支撐側增加注漿小導管，小導管采用 φ42熱軋無縫鋼管，長度4 m，環(huán)向間距為50 cm，每循環(huán)搭接長度不小于1 m。超前錨桿布置方案如圖4所示。

圖4 超前錨桿布置方案

4.4 圍巖加固注意事項

（1）在施工過程中，加強地表及洞內監(jiān)控量測，量測斷面間距按照5 m布置。初期支護施工后的一個月內每天量測1～2次，并將每天的檢測數(shù)據(jù)進行分析處理，對于數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)不穩(wěn)定趨勢的，立即采取有效措施進行處理。

（2）在施工過程中，若發(fā)現(xiàn)掌子面不穩(wěn)，應首先用噴射混凝土封閉掌子面，并采用其它強支護方式確保掌子面穩(wěn)定。待掌子面土體穩(wěn)定后，再進行其它工序的施工，以確保施工安全。

（3）爆破必須采用控制爆破，堅持短進尺、弱爆破、早封閉、勤量測的原則。

（4）在隧道地表兩倍洞徑靠山側開挖截水溝，并引流至隧道范圍以外，防止地表雨水滲入隧道地層中。

（5）對地表沖溝較深處，在不影響沖溝自然排水功能的情況下，將較深沖溝分層夯填密實。表面用卵石鋪底，防止地表水滲入地層中，影響隧道洞內掌子面的穩(wěn)定。

5 圍巖加固效果分析

注漿效果分析方法包括鉆孔、物探、注漿量等檢測、監(jiān)測方法［9-12］。

5.1 注漿量監(jiān)測

為了保證注漿質量，注漿過程中利用可記憶止?jié){塞，把注漿壓力設定到設計值，用孔口注漿壓力和注漿量對注漿效果進行控制，然后啟動注漿，當壓力達到后，注漿自動停止，并把注漿參數(shù)自動存入可記憶止?jié){塞。注漿效果可根據(jù)以下條件判別:

（1）正常情況下，實際注漿量和實際注漿孔口壓力都與理論值相當。

（2）巖層有裂隙和空洞，注漿量大于理論注漿量，壓力達不到設計要求。

（3）塌孔或部分孔深長度被已注漿液堵塞，壓力達到設計要求，注漿量小于理論注漿量。

經(jīng)過對DK1+066斷面長管劈裂注漿數(shù)據(jù)檢測，以第1、2、5環(huán)的注漿為例，注漿數(shù)據(jù)分析見表4。其中，87%注漿孔的注漿量飽滿，達到預期效果；3個注漿孔與裂隙或者空洞貫通，可通過間歇注漿的方法對空洞進行封堵控制，再通過注漿壓力對注漿效果進行檢測從而達到堵水加固效果；1處注漿壓力已經(jīng)達到設計值，但注漿量遠遠小于理論計算，說明該孔已被漿液堵死，或者此處土質較好，本次注漿此類情況極少，對整體加固效果影響不大。

表4 注漿數(shù)據(jù)分析

5.2 物理檢查

通過鉆孔取芯檢查出水及加固強度。孔中滲水較少，達到了注漿堵水的效果；注漿前不能完整取芯但經(jīng)加固可取完整芯則表明強度增加，亦可通過單軸抗壓試驗對強度變化進行定量分析；對掌子面加固土體進行開挖，開挖到止?jié){盤，從掌子面來看漿脈分布情況，注漿孔周圍有明顯的擠密土體，說明劈裂注漿起到了擠密加固土體的效果。

5.3 圍巖變形監(jiān)測

對該里程段地表沉降、拱頂下沉等關鍵信息進行監(jiān)測，實時反饋變形量。拱頂沉降隨時間變化最大值回歸于16.94 mm處，此時拱頂趨于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)變形隨時間延長而明顯遞增的現(xiàn)象。

綜上所述，洞內超前錨桿穩(wěn)定掌子面配合長管劈裂注漿方案達到了穩(wěn)定圍巖的效果，加固方案合理有效。

6 結論

以石馬寨隧道為例，針對全強風化遇水易崩解且伴有大量孤石的地層情況，提出多種加固方案并進行經(jīng)濟、環(huán)保等因素比選，最終采用洞內長管劈裂雙液注漿加固拱部圍巖、結合超前錨桿穩(wěn)定掌子面及導洞側墻的處理方案。通過注漿量控制、檢查孔試驗、現(xiàn)場監(jiān)控量測綜合判斷圍巖加固效果，最終實現(xiàn)了圍巖穩(wěn)定的良好效果，保證了隧道的施工安全?，F(xiàn)場施工工藝、控制措施以及加固效果評估方法可為類似地質工程施工提供參考。