淺埋偏壓全風(fēng)化花崗巖富水隧道綜合注漿加固施工關(guān)鍵技術(shù)研究

何開偉

摘 要：廣東省東北部山區(qū)分布著大量的花崗巖地層，部分洞身處于淺埋偏壓的不利狀態(tài)下，全風(fēng)化花崗巖富水隧道的穩(wěn)定性差，開挖過程中掌子面難以自穩(wěn)，注漿加固是保證隧道開挖安全的重要手段。本文以梅汕鐵路大嶺隧道溜塌段為研究對(duì)象，通過分析該段全風(fēng)化花崗巖的成分及崩解特性，得到溜塌的原因，采用前進(jìn)式（或后退式）注漿+多管注漿及后期地表注漿聯(lián)合加固技術(shù)。隧道施作效果表明，該綜合加固施工措施有效解決了全風(fēng)化花崗巖段透水性強(qiáng)、遇水軟化、掌子面難以自穩(wěn)、初期支護(hù)變形大的難題。

關(guān)鍵詞：全風(fēng)化花崗巖;富水隧道;淺埋偏壓;帷幕注漿;地表注漿

中圖分類號(hào)：U455.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）05-0096-04

Abstract： A large number of granite strata are distributed in the northeast mountainous area of Guangdong Province. The tunnel portal sections are often in the unfavorable state of shallow buried bias pressure. The stability of fully weathered granite water rich tunnel is poor， and the tunnel face is difficult to be stable during excavation. Grouting reinforcement is an important measure to ensure the safety of tunnel excavation. This paper took Daling tunnel of Meizhou-Shantou railway as the research object. Based on the analysis of the composition and disintegration characteristics of the completely weathered granite in this section， the causes of the collapse were obtained. This paper analyzed and introduced the combined reinforcement technology of forward （or backward） grouting， multi pipe grouting and later surface grouting. The final tunnel construction results show that the comprehensive reinforcement measures effectively solve the problems of strong water permeability， softening in water， difficult to stabilize the face， and large deformation in the initial support.

Keywords： completely weathered granite;enriched water tunnel;shallow buried bias;curtain grouting;surface grouting

隨著我國交通基礎(chǔ)工程的進(jìn)一步完善，越來越多的鐵路、公路向地質(zhì)條件更加復(fù)雜的山區(qū)延展，淺埋偏壓隧道工程在丘陵山區(qū)斜坡地段公路、鐵路建設(shè)過程中往往不可避免，而淺埋偏壓隧道開挖引起的圍巖擾動(dòng)較深埋隧道更加復(fù)雜，而且遇到全風(fēng)化花崗巖這類軟弱圍巖時(shí)，隧道的穩(wěn)定性問題就成為施工中巨大的挑戰(zhàn)，歷來都是研究的熱點(diǎn)問題[1-2]。針對(duì)淺埋隧道掌子面的問題，國外眾多學(xué)者[3]從二維、三維的角度進(jìn)行了一定分析，在破壞模型、滑移機(jī)理、彈塑性區(qū)域的應(yīng)力分布規(guī)律、地表沉降規(guī)律及分布特征等方面取得了大量研究成果。全風(fēng)化花崗巖往往呈現(xiàn)出散體的形態(tài)，整體工程特性表現(xiàn)為孔隙率大、膠結(jié)性差、崩解性顯著、含水率高時(shí)呈流塑性及施工時(shí)易被擾動(dòng)，開挖過程中掌子面常出現(xiàn)滑塌，初期支護(hù)變形量大，二次襯砌施作后也易開裂。對(duì)偏壓淺埋全風(fēng)化花崗巖進(jìn)行隧道開挖施作，工程界已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)：對(duì)圍巖進(jìn)行加固是保障隧道掌子面最有力的措施[4-5]。

梅汕鐵路大嶺隧道淺埋偏壓段為全風(fēng)化花崗巖，地下水發(fā)育、含水率高，開挖過程中出現(xiàn)了掌子面滑塌，并波及地表，施工難度大?；诖?，本文從大嶺隧道全風(fēng)化花崗巖特性研究入手，對(duì)具體的注漿加固措施進(jìn)行深入分析，得到該段施工的具體參數(shù)，并應(yīng)用于該段的施工，取得了良好的效果。

1 工程背景

梅汕鐵路大嶺隧道全長(zhǎng)1 172 m。隧址為剝蝕丘陵區(qū)及丘間谷地區(qū)，丘坡地形起伏，自然坡度為20°～50°。隧道最大埋深約50 m。開挖揭示，全隧道均位于全風(fēng)化花崗巖巖層內(nèi)，且部分風(fēng)化不完全，存在球狀風(fēng)化物（孤石），巖層透水性強(qiáng)。

施工從進(jìn)出口兩端向中間開挖，采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱工法。當(dāng)全隧開挖近中部?jī)H剩該段9 m時(shí)出口開挖面發(fā)生溜塌，長(zhǎng)度10 m，并有水滲出，坍體中出現(xiàn)多塊體積為1～2 m3的球狀風(fēng)化物，夾帶大量土石;地表勘查發(fā)現(xiàn)多條橫向裂縫，橫跨洞身范圍，裂縫寬度為10～20 cm，并向大里程方向滑移沉陷。洞內(nèi)初支出現(xiàn)多處環(huán)向裂縫。

該段采用Vb型襯砌，開挖工法為三臺(tái)階七步法。

2 圍巖特性及溜塌原因分析

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的土樣進(jìn)行一系列基本物理性質(zhì)試驗(yàn)，包括比重試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、礦物成分分析試驗(yàn)以及化學(xué)成分分析試驗(yàn)，得到其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

采用D8 Advance多晶X射線衍射儀對(duì)土樣進(jìn)行礦物成分分析，土樣的礦物成分以石英和高嶺石為主，其他礦物含量較少。經(jīng)分析，得出石英含量約占全土的17.86%，高嶺石含量約占80.03%，其他礦物約占2.11%。這意味著長(zhǎng)石、黑云母等礦物己絕大部分風(fēng)化為高嶺石，進(jìn)一步說明土樣的風(fēng)化程度較高。

全風(fēng)化花崗巖中主要為遇水膨脹的高嶺石礦物，且顆粒間孔隙、裂隙連通性好使土體在水作用下體現(xiàn)出宏觀的軟化崩解特性。為探討不同狀態(tài)下全風(fēng)化花崗巖的崩解性，對(duì)大嶺隧道原狀全風(fēng)化花崗巖試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)。記錄完全崩解時(shí)間、崩解現(xiàn)象、各時(shí)刻浮筒讀數(shù)值，根據(jù)各時(shí)刻浮筒讀數(shù)值繪制試樣崩解率曲線圖、崩解速率曲線圖，比較不同狀態(tài)下試樣的崩解特性。大嶺隧道的全風(fēng)化花崗巖崩解過程分為3個(gè)階段：崩解速率最大的為第二階段，該階段試樣在水作用下，顆粒離散速度快;其次為第一階段，該階段試樣剛開始與水接觸，崩解速率較小;第三階段的崩解速率最慢，由于經(jīng)前兩個(gè)崩解階段，試樣剩余的少量連結(jié)力較強(qiáng)的顆粒難于崩解。

該段全風(fēng)化花崗巖透水性強(qiáng)，遇水易崩解，開挖揭示地下水豐富，圍巖存在不同程度的滲水。掌子面上方球狀風(fēng)化物周圍的全風(fēng)化花崗巖受地下水的影響逐漸流失、掏空，在重力作用下，球狀風(fēng)化物突然墜落，沖擊初期支護(hù)致其失穩(wěn)，引起溜塌、地表開裂等災(zāi)害。

3 總體處治及施工方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的溜塌及揭示圍巖情況，溜塌段主要采用超前帷幕注漿結(jié)合超前管棚支護(hù)加固處治。隧道溜塌段處治方案見圖1。

注漿前在兩端優(yōu)先設(shè)置止?jié){墻，由塌方端采用超前帷幕注漿，另一端采用超前管棚注漿加固。

4 綜合注漿加固技術(shù)

4.1 止?jié){墻施工

進(jìn)口方向未擾動(dòng)，在靠近掌子面上臺(tái)階處設(shè)置止?jié){墻。出口端在中臺(tái)階溜塌體坡腳處設(shè)置止?jié){墻。止?jié){墻澆筑前在止?jié){墻底部的兩端及中間分別埋設(shè)3根Φ108排水管，以將掌子面的水引排。止?jié){墻厚度為2 m，采用C30混凝土，澆筑時(shí)每次按1.5 m的高度分層澆筑。止?jié){墻周邊采用兩環(huán)Φ32鋼筋與周邊初支連接錨固，錨固鋼筋長(zhǎng)3.0 m，環(huán)向間距1.5 m，伸入止?jié){墻和初支各1.5 m。在止?jié){墻頂部位置埋設(shè)Φ42注漿小導(dǎo)管注漿封堵止?jié){墻與初支間縫隙。為防止全斷面注漿過程中漿液回流擠裂掌子面后方初支，在出口端止?jié){墻后方10 m范圍初支施作徑向注漿。小導(dǎo)管采用Φ42鋼管制作，長(zhǎng)度4.5 m，插入輪廓線外4 m，間距2 m×2 m呈梅花型布置。注漿壓力0.5～1.0 MPa。

4.2 超前帷幕注漿

4.2.1 注漿孔的布置。在進(jìn)口上臺(tái)階5 m高度的范圍內(nèi)布置3環(huán)注漿孔，共57個(gè)。根據(jù)隧址區(qū)全風(fēng)化與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層分界面位于隧道仰拱底部區(qū)域的地質(zhì)情況，結(jié)合外環(huán)注漿壓力低、內(nèi)環(huán)壓力高的帷幕注漿工藝特點(diǎn)，注漿孔設(shè)計(jì)為外環(huán)注漿孔，布置編號(hào)為A、B的周邊注漿孔各19個(gè)，A、B孔等間距交錯(cuò)布置，拱部孔間距為55 cm，底部排孔間距為135 cm，A孔深度為18 m，B孔深度為27 m，孔眼底部均位于開挖輪廓線外5 m的輪廓上;布置編號(hào)為C的二圈孔12個(gè)，拱部間距140 cm，底部水平孔間距345 cm，孔深度27 m;編號(hào)為D的內(nèi)圈孔7個(gè)，孔間距250 cm，孔深度27 m;要求C、D孔孔底基本均勻分布在B孔孔底范圍內(nèi)，確保注漿均勻。

在止?jié){墻澆筑完成、混凝土強(qiáng)度達(dá)7.5 MPa后，盡早采用地質(zhì)鉆機(jī)開孔。

4.2.2 注漿方法。注漿采用鉆桿后退式分段注漿、分段前進(jìn)式注漿及多管注漿三種注漿工藝相結(jié)合的注漿方案。為提高注漿效率，同時(shí)采用前進(jìn)式（或后退式）注漿+多管注漿的方式。前進(jìn)式（后退式）注漿利用鉆機(jī)鉆孔作為注漿管時(shí)，應(yīng)拆除最外一段鉆桿，然后在鉆桿上套上止?jié){塞。

4.2.2.1 后退式分段注漿。后退式分段注漿利用鉆機(jī)鉆孔，將氣囊（水囊）式止?jié){塞置入注漿鉆孔內(nèi)，通過輸水（氣）設(shè)備，使止?jié){塞膨脹，和巖壁形成止?jié){系統(tǒng)，滿足分段后退式注漿的要求。

4.2.2.2 前進(jìn)式分段注漿。前進(jìn)式注漿是鉆進(jìn)一段注漿一段，在孔口段先行注漿封堵形成止?jié){墻后，逐段鉆孔注漿推進(jìn)，已注漿完成段持續(xù)為后續(xù)注漿段提供止?jié){墻功能。同時(shí)，注意逐步加壓提高注漿量，確保注漿質(zhì)量。前進(jìn)式注漿一般按照3～5 m分段實(shí)施，適用于易坍孔或不易成孔的情況。

4.2.2.3 多管分段注漿。在注漿孔內(nèi)埋入3根長(zhǎng)度分別為24、18、12 m的DN25無縫小鋼管，每根小鋼管前端封閉。小鋼管梅花型設(shè)置溢漿孔，兩根相鄰長(zhǎng)度的小鋼管重疊段不重復(fù)設(shè)置溢漿孔，溢漿孔直徑為10 mm，并采用橡膠皮包裹作為單向注漿閥。單孔注漿采取分段后退式注漿工藝，即在注漿段內(nèi)先長(zhǎng)管進(jìn)行注漿，分段步距6 m，再中管注漿，最后短管注漿。先采用雙液漿注長(zhǎng)管，壓力頂開橡膠皮后，雙液漿將小鋼管與整個(gè)注漿孔之間的空隙填滿并逐步凝結(jié)（為小鋼管周邊提供套殼料的作用），實(shí)現(xiàn)分段注漿的效果。單根小鋼管注漿需連續(xù)進(jìn)行，中斷時(shí)間過長(zhǎng)，雙液漿凝結(jié)后將堵塞小鋼管。如注漿量大、注漿壓力仍未達(dá)到時(shí)，調(diào)整漿液膠凝時(shí)間，使注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值。這種注漿方法用于B、C等深孔高壓注漿。多管分段注漿如圖2所示。

4.2.3 注漿順序和控制。帷幕注漿順序?yàn)橄韧馊?、后?nèi)圈，即注漿順序A-B-C-D，同一圈由上而下間隔施作。外圈注漿主要為填塞式高壓注漿，注漿終孔壓力為3～5 MPa。內(nèi)圈采用高壓注漿，注漿壓力為6～8 MPa。注漿時(shí)，記錄每孔注漿時(shí)間、注漿漿液量、注漿終孔壓力等參數(shù)。

鉆孔順序與注漿順序一致，先鉆外圈孔，再鉆內(nèi)圈孔，同一圈鉆孔注漿順序可由拱頂向兩側(cè)邊墻，同時(shí)結(jié)合鉆孔設(shè)備停放方便確定?？椎孜挥谕唤孛娴你@孔“跳一鉆一”。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)注漿壓力和注漿量來控制，一般采用定壓注漿。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，進(jìn)漿量小于初始進(jìn)漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結(jié)束本孔注漿。全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件，注漿后隧道預(yù)測(cè)涌水量小于1 m3/（d·m），可結(jié)束本循環(huán)段注漿。

4.2.4 注漿效果檢查。全部注漿結(jié)束后，各類深度孔應(yīng)設(shè)置注漿檢查孔。注漿檢查孔數(shù)量應(yīng)不小于設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)量的5%，且應(yīng)根據(jù)鉆孔、注漿過程綜合分析，確定將注漿效果比較差的孔位作為檢查孔。對(duì)于效果檢查，一般采用鉆孔取芯直觀判定、測(cè)量孔內(nèi)涌水量、進(jìn)行壓水試驗(yàn)等判定方法。若不滿足設(shè)計(jì)要求，則要進(jìn)行補(bǔ)注漿。

4.3 超前管棚支護(hù)

出口段外圈A、B兩類帷幕注漿孔拱頂上中斷面全部施工完成后，在進(jìn)口段施作超前管棚。施作范圍為拱部120°，管棚開孔環(huán)向間距35 cm，單根長(zhǎng)27 m，共41根。管棚采用Φ89無縫鋼管制作，節(jié)長(zhǎng)3 m，每?jī)晒?jié)管棚采用40 cm長(zhǎng)的Φ108鋼管作為套管進(jìn)行焊接連接，管棚前端加工成錐形封閉，沿管壁每50 cm鉆設(shè)一對(duì)Φ10 mm溢漿孔。

最外節(jié)鋼管外漏段不設(shè)溢漿孔，并設(shè)置麻絲纏繞，混凝土填塞封閉鋼管與止?jié){墻間空隙。管棚注漿采用后退式注漿工藝，漿液采用早強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥單液漿，注漿壓力為2～3 MPa。

管棚施工完成后，在管棚尾端增設(shè)3榀臨時(shí)護(hù)拱作為管棚尾端受力支撐點(diǎn)，護(hù)拱間距按照60 cm設(shè)置，每?jī)砷g設(shè)置聯(lián)系托梁。當(dāng)開挖至管棚位于開挖輪廓外，且立架支護(hù)完成后，才開始逐榀拆除護(hù)拱，切割侵入輪廓內(nèi)管棚，置換侵線初支。

4.4 地表袖閥管注漿

為了防止地表水進(jìn)入地下，持續(xù)軟化圍巖，并形成貫通水柱，增大拱頂水土壓力，引起隧道整體下層或襯砌薄弱環(huán)節(jié)開裂，影響后期營運(yùn)安全，侍溜塌段的初支及二襯完成后，在地表采用注漿的方式加固地層，同時(shí)封堵地表裂縫，防止地表水下滲。

地表采用大口徑定向深孔注漿技術(shù)進(jìn)行注漿加固，隧道注漿加固高度為超前帷幕注漿加固區(qū)域上5 m，寬度為洞身兩側(cè)最大跨位置向外5 m。

注漿孔布置：注漿孔采用梅花型布置;孔位間距按照1.5 m×1.5 m設(shè)置。袖閥鋼管采用Φ76 mm、壁厚6 mm無縫鋼管加工，節(jié)段間采用外套管連接，配套水囊式止?jié){塞。

地表因裂縫存在，為了避免漿液流失，采用反復(fù)后退式的注漿方式，注漿壓力為4～8 MPa;注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥漿或水泥～水玻璃雙液漿兩種，以硫鋁酸鹽水泥漿為主。

鉆孔順序?yàn)橄茹@外圈、后鉆內(nèi)圈，與注漿加固順序相同;鉆孔采用“跳一鉆一”的方式。中間間隔孔待注漿完成后，再鉆孔注漿。

4.5 施工效果分析

帷幕注漿加固處理后，土體天然含水率由15%～22%降低至10%左右，基地承載能力由120 kPa提高到220 kPa以上，加固效果明顯。

同時(shí)，加固后每循環(huán)（進(jìn)尺0.6 m）開挖支護(hù)時(shí)間顯著降低，由18～27 h降低到8～13 h，施工效率提高了1倍多，同時(shí)初支變形顯著減少，杜絕了換拱施工，安全風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。

5 結(jié)論

本文針對(duì)大嶺隧道溜塌段的處治及施工方法進(jìn)行了研究，得到了如下結(jié)論。

①該段全風(fēng)化花崗巖透水性強(qiáng)，遇水易崩解，掌子面上方球狀風(fēng)化物周圍的全風(fēng)化花崗巖受地下水的影響逐漸流失、掏空，在重力作用下，球狀風(fēng)化物突然墜落，沖擊初期支護(hù)致其失穩(wěn)，是引起溜塌的主要原因。

②單一地采用多管注漿的方式難以保證效果，為此，可將多管注漿與前進(jìn)式（后退式）注漿結(jié)合使用。

③隧道內(nèi)超前帷幕和超前管棚注漿聯(lián)合加固支護(hù)是透水性強(qiáng)、遇水軟化全風(fēng)化花崗富水圍巖地層隧道施工的行之有效的方法。

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