超前周邊注漿技術(shù)在軟弱圍巖中的應(yīng)用研究★

李 朋 亮

(中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043)

0 引言

軟弱圍巖作為不良地質(zhì)條件，增加了隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)，我國在隧道軟弱圍巖的施工過程中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，如：劉宗族[1]、馬曉文[2]、張安俊[3]對(duì)軟弱圍巖施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測及效果進(jìn)行了描述及研究；姜春亮[4]、陳祥林[5]、郭軍[6]、李茂有等[7]對(duì)軟弱圍巖的等級(jí)描述和采用超前錨桿支護(hù)、超前小導(dǎo)管及超前管棚等技術(shù)進(jìn)行了描述及研究；岳紀(jì)強(qiáng)[8]、牟新偉等[9]通過建立有限元模型或施工方案數(shù)值模擬研究的方法對(duì)相應(yīng)的支護(hù)方式在軟巖中各類工況的變化進(jìn)行了研究。綜上所述，由于軟弱圍巖存在地質(zhì)變化復(fù)雜，支護(hù)形式多樣的特點(diǎn)，在通常情況下根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行地質(zhì)預(yù)判、監(jiān)控量測手段進(jìn)行支護(hù)穩(wěn)定性判定后采用相應(yīng)的超前支護(hù)形式等措施即可解決施工過程中存在的問題，但在軟弱圍巖施工過程中同時(shí)還存在富水、淺埋、偏壓等地質(zhì)情況時(shí)，需采取超前注漿的方式，對(duì)圍巖采取擠密、止水封閉、固結(jié)等措施，將圍巖的穩(wěn)定性控制在可控范圍之內(nèi)方可進(jìn)行開挖施工。本文以哈牡客專愛民隧道為基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況下的軟弱圍巖注漿技術(shù)及效果評(píng)定進(jìn)行了研究。

1 工程和地質(zhì)概況

1.1 工程概況

哈牡客運(yùn)專線愛民隧道為單洞雙線隧道，全長2 940 m，其中暗挖段長1 890 m，暗挖段埋深3 m～60 m，具有淺埋、富水、偏壓、巖體破碎，砂泥巖互層等特點(diǎn)，Ⅴ級(jí)～Ⅵ級(jí)圍巖占隧道暗挖段的74.1%。被鐵路總公司評(píng)定為哈牡客專唯一一條極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，定為全路極高風(fēng)險(xiǎn)重點(diǎn)監(jiān)控隧道之一。

1.2 地質(zhì)概況

隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)以玄武巖、全風(fēng)化巖、砂巖、泥巖、全風(fēng)化巖層為主；且開挖揭示巖性接觸關(guān)系復(fù)雜；玄武巖、泥巖全風(fēng)化層強(qiáng)膨脹性。根據(jù)設(shè)計(jì)文件及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示，地下水水位高于隧道設(shè)計(jì)拱頂15.5 m～22 m，拱頂巖體破碎，易掉塊、塌方、變形；易突水涌泥、塌方，甚至冒頂。

2 超前注漿設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求

注漿設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)按照“注漿滲透、劈裂、擠密”的注漿機(jī)理，對(duì)隧道開挖輪廓線外破碎圍巖層進(jìn)行固結(jié)、止水、加固，形成穩(wěn)定的加固圈，保證主洞開挖及結(jié)構(gòu)安全。

2.1 注漿范圍

按照每循環(huán)長30 m，開挖縱深27 m，預(yù)留3 m作為止?jié){巖盤進(jìn)行注漿。注漿孔按照終孔斷面長30 m和補(bǔ)充斷面長17 m設(shè)置，其中，終孔斷面孔間距不大于4.5 m。漿液擴(kuò)散半徑3 m，徑向加固開挖面及開挖輪廓線外5 m范圍，見圖1。

2.2 注漿工藝

注漿工藝在隧道施工過程中存在多種形式[10-12]，本次采用鉆桿前進(jìn)式分段注漿和后退式分段注漿相結(jié)合的施工工藝。

1)前進(jìn)式分段鉆孔注漿:根據(jù)地質(zhì)情況，施工采用多功能地質(zhì)鉆機(jī)開2 m深φ150 mm的孔，布設(shè)2 m長φ127 mm的孔口管，在孔口管鉆設(shè)φ115 mm的孔進(jìn)行注漿施工。

2)鉆桿后退式注漿:每循環(huán)先鉆孔至設(shè)計(jì)深度，然后按照邊后退鉆桿邊注漿的方法進(jìn)行退桿注漿，鉆桿后退至距止?jié){墻6 m～8 m時(shí)安裝孔口管，對(duì)剩余段落進(jìn)行壓蓋注漿。

2.3 注漿材料

通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察情況和單位時(shí)間內(nèi)出水量相結(jié)合，現(xiàn)場注漿材料采用以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥—水玻璃雙液漿為輔的漿液。選取材料為：硫鋁酸鹽水泥(42.5)；普通硅酸鹽水泥(42.5)；水玻璃(濃度：40Be′)，模數(shù)：2.4～2.8。漿液配比參數(shù)如表1所示。

表1 漿液配比參數(shù)表

2.4 注漿參數(shù)

注漿參數(shù)見表2。

表2 注漿參數(shù)表

2.5 注漿順序

按發(fā)散—約束型注漿采取“先外后內(nèi)，自下而上、間隔跳孔”原則進(jìn)行。即先跳孔施工A孔單序孔和B孔雙序孔，再施工A孔雙序孔、B孔單序孔，最后施工C孔，如圖2所示。

第一步：施工A孔單序孔；第二步：施工B孔雙序孔；第三步：施工A孔雙序孔；第四步：施工B孔單序孔；第五步：施工C序孔。

2.6 注漿施工要求

單孔注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值并保持穩(wěn)定后，維持5 min～10 min，結(jié)束注漿。單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.5倍但壓力仍未達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，可對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以使注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)數(shù)值。所有注漿孔均滿足設(shè)計(jì)注漿要求且無漏注現(xiàn)象后結(jié)束注漿。

2.7 注漿效果檢查

根據(jù)注漿分布和施工記錄情況，取薄弱環(huán)節(jié)設(shè)檢查孔，檢查孔應(yīng)無涌泥、涌砂，不塌孔，滲水量應(yīng)小于0.2 L/min或小于設(shè)計(jì)值，否則應(yīng)予補(bǔ)注。

3 注漿效果評(píng)定

循環(huán)注漿效果評(píng)定采用分析法和檢查孔法。

3.1 分析法

1)以各注漿孔單孔注漿量為基礎(chǔ)，以注漿量隨時(shí)間變化繪制變化效應(yīng)圖進(jìn)行分析。

a.根據(jù)注漿量及加固體體積反算漿液填充率。

b.根據(jù)注漿量橫斷面分布圖與鉆孔揭示的地質(zhì)情況進(jìn)行比較，通過評(píng)判是否符合地層地質(zhì)情況變化規(guī)律以驗(yàn)證注漿效果。

c.根據(jù)地層注漿量隨時(shí)間變化情況進(jìn)行評(píng)判，以單孔注漿量明顯減少，判斷孔隙率逐漸降低，地層固結(jié)密實(shí)為標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到注漿滲透、擠密巖層的作用。

2)通過記錄注漿過程中注漿量和注漿壓力隨注漿時(shí)間變化情況，繪制p—q—t曲線進(jìn)行注漿情況分析，主要表現(xiàn)為以下三種形式。

圖3為注漿前期的p—q—t曲線。如圖3所示，先序注漿的B3，B4，B9，B16等孔注漿，在注漿初期在基本沒有注漿壓力的情況下以注漿流量為80 L/min進(jìn)行注漿，隨著漿液在松散巖層中不斷填充，注漿壓力逐步達(dá)到或超過設(shè)計(jì)數(shù)值，表明松散地層被逐漸擠密。

圖4為注漿中期的p—q—t曲線。如圖4所示，A2，A4，A6，A8等中期注漿孔，在進(jìn)行前期注漿后，巖層雖然達(dá)到了一定程度的擠密效果，但仍有部分地段存在空隙，因此中期初始注漿流量約為60 L/min～70 L/min。隨著注漿壓力逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，巖層空隙地層逐漸被壓實(shí)。

圖5為注漿后期的p—q—t曲線。如圖5所示，后期注漿的C2，C4，C6等孔注漿，通過兩個(gè)階段的注漿，巖層逐漸被擠密壓實(shí)，地層吸漿能力明顯減弱，后期初始注漿量明顯減小但注漿壓力已達(dá)到1.5 MPa，隨著巖層空隙逐步被擠壓密實(shí)，注漿流量迅速減少但壓力迅速上升，表明巖層被劈裂擠密壓實(shí)到一定程度。

通過上述三個(gè)階段的p—q—t曲線分析可以看出，隨著注漿量的增加，注漿壓力逐漸增大，軟弱巖層的空隙被逐漸由擠密到壓實(shí)再到劈裂擠密壓實(shí)，曲線顯示與注漿量分布基本與地層變化規(guī)律一致，由此可見注漿效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2 鉆孔檢查法

現(xiàn)場分布4個(gè)檢查點(diǎn)，對(duì)注漿后的巖層進(jìn)行鉆孔取芯，通過對(duì)芯樣的判定，為注漿后效果評(píng)定和下一步開挖施工提供依據(jù)，見表3。

表3 現(xiàn)場鉆孔情況表

通過對(duì)4個(gè)檢查孔的芯樣檢查結(jié)果判定，注漿后巖層密實(shí)、干燥，渣樣中含漿明顯，且檢查孔出水量均符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)論如下：

通過檢查孔鉆心取樣檢查注漿后地質(zhì)情況與注漿量分布基本一致，檢查孔鉆孔過程中沒有出現(xiàn)出水或滲水現(xiàn)象，渣樣固結(jié)密實(shí)且完整性較好，注漿效果滿足設(shè)計(jì)要求。表明注漿對(duì)軟弱圍巖起到了很好的擠密加固作用。

3.3 開挖觀察

對(duì)掌子面開挖情況揭示，開挖暴露部分巖層注漿痕跡清晰，軟弱巖層固結(jié)密實(shí)，掌子面干燥，注漿巖層止水效果明顯，以此判斷，注漿效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足施工需要。

4 結(jié)語

根據(jù)軟弱圍巖地質(zhì)情況，采用超前周邊注漿設(shè)計(jì)及注漿工藝措施的控制，通過分析法和鉆孔取樣檢查法對(duì)注漿效果進(jìn)行判定，并經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際開挖掌子面情況驗(yàn)證，按照“注漿滲透、劈裂、擠密”的注漿機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，注漿加固、堵水效果達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，滿足施工要求，對(duì)今后在富水、淺埋及偏壓等條件下的軟弱圍巖的施工具有一定的借鑒意義。