隧道斷層破碎帶超前帷幕注漿加固技術(shù)研究

王 文 章

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

斷層破碎帶地層具有膠結(jié)強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差的特點(diǎn)，隧道施工穿越斷層破碎帶易發(fā)生塌方、突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工安全[1,2]。超前帷幕注漿加固是治理斷層破碎帶的有效手段，通過(guò)注漿可有效提高斷層破碎帶巖體間的膠結(jié)強(qiáng)度，提高被注地層的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和抗?jié)B性能，形成隔水帷幕，保障隧道工程施工安全。

國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)注漿加固進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，張偉杰[3]從注漿加固機(jī)理入手，對(duì)斷層破碎帶圍巖直接加固與間接加固進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明直接加固具有改變巖體破壞方式、延緩巖體破壞的效果，間接加固能提升圍巖內(nèi)部的結(jié)合力。張慶松、李鵬[4]對(duì)斷層泥注漿加固機(jī)制進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示注漿后斷層泥絮狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊軐?shí)整體狀態(tài)。張頂立、陳鐵林采用顆粒流軟件模擬了富水砂層的復(fù)合注漿施工過(guò)程，提出了復(fù)合注漿加固模式，針對(duì)不良地質(zhì)及水壓力條件下提出了控制漿脈成型的方法，并將堵水率、加固體強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)注漿效果的標(biāo)準(zhǔn)[5,6]。劉泉聲、盧超波[7]在斷層破碎帶深部區(qū)域采用分段—間斷—重復(fù)注漿方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)區(qū)域充填密實(shí)度的最大化，有效遏制了泥巖漸進(jìn)泥化的趨勢(shì)，斷層破碎帶注漿后膠結(jié)體呈現(xiàn)出類似混凝土特征。張民慶、黃鴻健[8]針對(duì)齊岳山隧道斷層采用循環(huán)注漿堵水措施，研究了注漿后不同尺寸掌子面在高壓富水條件下的整體穩(wěn)定性。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)注漿擴(kuò)散機(jī)理的研究取得了較大進(jìn)展，但在注漿加固計(jì)算方法與注漿效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面還需進(jìn)一步研究和完善。通過(guò)對(duì)某隧道斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固工程實(shí)踐，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形實(shí)測(cè)驗(yàn)證了注漿加固效果，以期為后續(xù)復(fù)雜地質(zhì)條件下安全施工提供參考。

1 工程概況

某高速鐵路隧道全長(zhǎng)12.975 km，設(shè)計(jì)為雙車道斷面，最大埋深為630 m，最大坡度為7.1%，采用無(wú)軌運(yùn)輸。隧道處于富水區(qū)，最大涌水量達(dá)到74 422 m3/d，同時(shí)隧道穿越多處不良地質(zhì)，圍巖承載能力較差，對(duì)施工安全提出了很高的要求。隧道共設(shè)有4座斜井，1號(hào)斜井水平投影長(zhǎng)度為667 m，1號(hào)左側(cè)導(dǎo)洞施工需穿越斷層破碎帶，導(dǎo)洞斷面尺寸為7.5 m×6.2 m，地層巖性主要為全風(fēng)化花崗巖及粗面巖，圍巖較破碎，巖層有間斷，軟弱夾層分布不均勻，施工難度較大。

2 斷層破碎帶地質(zhì)特征

1號(hào)左側(cè)導(dǎo)洞施工至DK0+039時(shí)，左側(cè)邊墻出現(xiàn)橫向深度為3 m的垮塌，坍塌腔內(nèi)及掌子面有滲、滴水，部分段落有線狀流水，開挖面揭示圍巖為粗面巖。為進(jìn)一步掌握隧道前方地質(zhì)情況，采用MK-5地質(zhì)鉆機(jī)實(shí)施不取芯超前水平鉆探，使用φ108跟管鉆孔在掌子面施作3個(gè)超前水平鉆孔。鉆探結(jié)果顯示DK0+039～DK0+045段為塌腔，DK0+045～DK0+052為松散碎石，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，DK0+043～DK0+049段地下水發(fā)育，DK0+045附近出現(xiàn)涌水，探測(cè)結(jié)果表明破碎帶沿斜井縱向長(zhǎng)度為15.7 m，破碎帶起止樁號(hào)為DK0+039～DK0+054.7。鉆孔結(jié)束后經(jīng)測(cè)定3個(gè)鉆孔涌水量為440 m3/d。DK0+039～DK0+054.7段地下水賦存于節(jié)理、裂隙中，涌水量較大，考慮到地下水的影響，確定該段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。綜合多種因素確定DK0+039～DK0+054.7段為斷層破碎帶，需進(jìn)行超前帷幕注漿。

3 超前帷幕注漿

3.1 注漿設(shè)計(jì)

超前帷幕注漿共設(shè)置4環(huán)30個(gè)注漿孔，孔底間距3 m，注漿范圍為開挖輪廓線頂部以外4 m，邊墻以外3 m，注漿長(zhǎng)度為27 m一循環(huán),如圖1所示。注漿孔施工采用后退式分段注漿，鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，每次后退3 m～5 m進(jìn)行一次注漿，每一個(gè)循環(huán)注漿結(jié)束后開挖長(zhǎng)度為22 m，為下一循環(huán)注漿施工保留5 m的止?jié){巖盤，必要時(shí)考慮設(shè)置混凝土止?jié){墻。

3.2 注漿材料

依據(jù)斷層破碎帶節(jié)理裂隙發(fā)育及出水情況，本次注漿采用普通水泥—水玻璃雙液漿與普通水泥單液漿進(jìn)行注漿加固施工，為保證最終加固質(zhì)量，施工過(guò)程中需密切關(guān)注注漿效果及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。注漿材料配比表如表1所示。

3.3 注漿施工

1)超前帷幕注漿采用履帶式全液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，為使?jié){液充分充填目標(biāo)區(qū)域節(jié)理裂隙，鉆孔和注漿采用由低到高，由外向內(nèi)，同一環(huán)間隔跳孔，先灌注斜孔，后灌水平孔的順序，內(nèi)外圈采用長(zhǎng)短結(jié)合的梅花形的排列方式，以期達(dá)到注漿不遺留死角的效果。

2)注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm，孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，管長(zhǎng)5 m，孔口管應(yīng)埋設(shè)牢固，應(yīng)設(shè)有良好的止?jié){措施。

3)注漿孔施工采用深淺孔—鉆桿后退式分段注漿方式，巖層破碎易造成塌孔時(shí)，采用前進(jìn)式注漿，否則采用后退式注漿，在鉆進(jìn)過(guò)程中遇涌水或巖體破碎造成卡鉆時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，進(jìn)行注漿掃孔后再行鉆進(jìn)。

表1 注漿材料配比表

3.4 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值0.5 MPa～1.0 MPa，持續(xù)注漿10 min，進(jìn)漿速度為開始進(jìn)漿速度的1/4或者進(jìn)漿量達(dá)到設(shè)計(jì)進(jìn)漿量的80%及以上時(shí)注漿方可結(jié)束。注漿結(jié)束進(jìn)行壓水試驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)壓力條件下，進(jìn)水量不應(yīng)大于2 L/(m·min)。待漿液與破碎帶膠結(jié)固化，隧道方可進(jìn)行開挖施工。

3.5 注漿孔最大注漿量計(jì)算

為保證漿液能嵌入到隧道開挖輪廓線外的圍巖裂隙中，需要足量的漿液才能獲得較好的擴(kuò)散效果。壓入的漿液量Q可由破碎帶孔隙率以及擴(kuò)散半徑范圍進(jìn)行計(jì)算:

Q=Anα(1+β)

；

A=πr2L

。

其中，Q為注漿量,m3；A為注漿范圍巖層體積,m3；n為地層裂隙度，據(jù)鉆探結(jié)果取30%；α為漿液填充系數(shù)，取0.7，范圍0.7～0.9；β為漿液損失率，取0.2，范圍0.1～0.3；r為注漿擴(kuò)散半徑，取2 m；L為注漿長(zhǎng)度，取27 m；

取nα(1+β)為25.2%(破碎帶)，計(jì)算得每米為3.16 m3。

3.6 注漿效果評(píng)定

為查看注漿段在注漿前后巖體的滲透性與注漿孔透水率變化，需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，試驗(yàn)段長(zhǎng)度保持與注漿長(zhǎng)度一致，壓水時(shí)間為20 min，試驗(yàn)壓力為注漿壓力的80%，經(jīng)測(cè)試在該壓力下進(jìn)水量為1.3 L/min，低于規(guī)定2 L/(m·min)，說(shuō)明漿液較好地填充了斷層破碎帶裂隙通道。

4 注漿效果分析與驗(yàn)證

4.1 數(shù)值模擬分析

模擬段洞室凈空尺寸為6.5 m寬×6.5 m高，基于隧道開挖影響范圍為3倍洞徑，計(jì)算19.5+19.5+6.5=45.5 m，取整46 m，建立三維計(jì)算坐標(biāo)。依據(jù)注漿前后鉆探結(jié)果確定各實(shí)體單元參數(shù)表如表2所示，隧道計(jì)算模型如圖2所示，Y軸方向與隧道走向平行，取一個(gè)注漿循環(huán)27 m，建立模型X，Y，Z方向尺寸46 m×27 m×46 m，模型頂部按埋深200 m計(jì)算，施加豎向應(yīng)力4 MPa，水面線取地面以下20 m施加水壓。

表2 實(shí)體單元參數(shù)表

注漿必然會(huì)引起圍巖應(yīng)力發(fā)生改變，其中圍巖在垂直與水平方向上的位移變形量是評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定的重要依據(jù)。如圖3，圖4所示，注漿加固段斷面位移云圖與最大應(yīng)力云圖所示，隧道水平收斂與縱向沉降呈基本對(duì)稱效果，隨著與隧道輪廓線距離的增大，圍巖位移變化量逐漸減小。拱頂下沉累計(jì)值為13.4 mm，水平收斂累計(jì)值23.4 mm。注漿前后圍巖內(nèi)部最大應(yīng)力影響范圍變小，如圖5所示，注漿對(duì)塑性區(qū)的發(fā)展起到限制作用，證明斷層破碎帶注漿加固達(dá)到預(yù)期效果。

4.2 監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析

監(jiān)控量測(cè)是最直觀有效的位移變形監(jiān)測(cè)手段，注漿施工過(guò)程對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大，需要時(shí)刻關(guān)注隧道圍巖位移變形[10]。監(jiān)測(cè)頻率按照2次/d進(jìn)行觀測(cè)，擬注漿段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，拱頂沉降及周邊收斂累計(jì)變化值控制標(biāo)準(zhǔn)為50 mm。

本次選擇注漿典型斷面DK0+045部分監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析，如圖6所示，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，斷層破碎帶在注漿施工前拱頂下沉最大位移量為6.3 mm，周邊收斂最大位移量為10.6 mm，注漿施工后監(jiān)測(cè)值發(fā)生突變，拱頂下沉產(chǎn)生的最大位移量為13.4 mm，周邊收斂最大位移量為23.4 mm，而后拱頂下沉與周邊收斂的累計(jì)變化位移量趨于穩(wěn)定，圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且累計(jì)最大值均未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步證明注漿加固達(dá)到預(yù)期的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)隧道斷層破碎帶進(jìn)行超前帷幕注漿，依據(jù)超前水平鉆探結(jié)果選擇注漿方式，使?jié){液充分嵌入到斷層破碎帶的節(jié)理裂隙中，實(shí)現(xiàn)注漿范圍內(nèi)密實(shí)度的最大化，形成一個(gè)致密完整的防水結(jié)構(gòu)，起到較好的加固堵水效果;

2)采用數(shù)值模擬驗(yàn)證注漿加固效果，發(fā)現(xiàn)注漿限制了塑性區(qū)的發(fā)展，注漿前后圍巖內(nèi)部最大應(yīng)力影響范圍變小，說(shuō)明注漿加固后圍巖穩(wěn)定性達(dá)到預(yù)期;

3)分析監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)注漿會(huì)增大圍巖位移變形量，注漿結(jié)束后圍巖變形趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步表明注漿加固起到了良好的效果；

4)依據(jù)超前水平鉆探進(jìn)行注漿設(shè)計(jì)，對(duì)注漿過(guò)程進(jìn)行定量計(jì)算，采用數(shù)值模擬與回歸分析從不同角度驗(yàn)證注漿加固效果，證明超前帷幕注漿對(duì)斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固取得了較好的效果，為后續(xù)類似工程提供借鑒。