富水粉細(xì)砂隧道圍巖加固技術(shù)研究

陸 興

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300459)

1 工程概況

新建玉磨鐵路的太達(dá)村隧道位于寧洱與普洱之間，地處哀牢山西側(cè)與永平-思茅槽地的東南部地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜.隧道全長5 815 m，隧道最大埋深約180 m.太達(dá)村隧道為雙線鐵路隧道，設(shè)置一個輔助坑道，隧道平面布置如圖1所示.太達(dá)村隧道存在下第三系弱膠結(jié)砂巖，主要分布在DK240+900～DK241+784之間，且該區(qū)段地下水豐富，附近構(gòu)造發(fā)育.開挖揭示成粉砂狀，飽水時(shí)自穩(wěn)性極差，飽水遇臨空面時(shí)呈流沙狀.受到不良地質(zhì)的影響，太達(dá)村隧道斜井工區(qū)的掌子面施工到DK241+784時(shí)，掌子面發(fā)生坍塌，作業(yè)臺車被推后5 m，坍塌物堆滿掌子面，造成了掌子面開挖停工，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度.因此選擇合適的加固方式來保障隧道施工的正常推進(jìn)，是本工程的一個重點(diǎn)問題.

圖1 隧道平面布置圖

2 原設(shè)計(jì)情況

2.1 基本情況

太達(dá)村隧道屬地中山地貌，洞身分布下第三系漸新至始新統(tǒng)(E2-3)礫巖、砂巖夾泥巖(進(jìn)口至斜井段約4 000 m)，白堊系下統(tǒng)曼崗組中段(K1)泥巖夾砂巖(斜井至出口段約1 800 m)等.洞身發(fā)育普洱斷裂西支和蠻帕山斷層.施工圖設(shè)計(jì)Ⅳ級圍巖3 690 m，占63%；Ⅴ級圍巖2 125 m，占37%.目前剩余工程DK240+900～DK241+784中Ⅳ級圍巖589 m，Ⅴ級圍巖295m.

2.2 主要巖層特性及水文特性

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)繪和鉆探揭示，(E[2-3])地層以礫巖、砂巖夾泥巖為主.礫巖為紫紅、棕紅色，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，風(fēng)化不均；砂巖為淺灰、紫紅色，中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)硬；泥巖為紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)較軟，易風(fēng)化剝落，具遇水軟化崩解、失水收縮開裂等特性.

該區(qū)域主要為基巖裂隙水，主要賦存于基巖風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙之中.

3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了探明掌子面前方的地下水及構(gòu)造情況，本工程采用了多種超前預(yù)報(bào)方法，并進(jìn)行了補(bǔ)充勘察.

3.1 地震波反射法(TSP)

DK241+780～DK241+764區(qū)段推測整體圍巖為弱風(fēng)化砂巖夾泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水較發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差；其中DK241+770、DK241+765、DK241+760里程附近存在多條負(fù)反射構(gòu)造界面，推測該里程附近圍巖裂隙密集發(fā)育，地下水較發(fā)育.

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

子面從右至左7～9.5 m，前方1～3 m段波形反射較強(qiáng)，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育；前方7～23 m段波形反射明顯，高幅低頻，推測可能為軟弱夾層或泥砂、富水填充；掌子面從右至左0～7 m前方7～23 m波形反射較強(qiáng)，推測可能有軟弱夾層或富水.拱頂測線從左至右7 m，拱頂上方1～5 m段圍巖較破碎，其余段圍巖較完整，穩(wěn)定性一般.拱頂斜前方測線掌子面從左至右2～3 m，前方1～6 m波形反射較明顯，推測圍巖較破碎；前方7～20 m波形反射明顯，推測可能含有軟弱夾層或者含水.

3.3 紅外探水法

根據(jù)紅外探測資料分析，掌子面紅外輻射場場強(qiáng)值差值均大于安全值10 μw/cm2；同時(shí)根據(jù)洞身段紅外輻射場強(qiáng)探測結(jié)果顯示紅外場強(qiáng)曲線發(fā)生畸變；推測DK241+784～DK241+754該段圍巖巖層飽含水.

3.4 地表地質(zhì)補(bǔ)充鉆探

為了更好的探明隧道的地質(zhì)情況，布置了14個深孔和3個淺孔鉆探，里程范圍為DK241+095～DK241+719段.根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果，下第三系漸新至始新統(tǒng)(E2-3)砂巖地層分布在DK241+504～+594、DK241+694～+784.該段砂巖為弱膠結(jié)狀，黏粒含量低，膠結(jié)物質(zhì)差，取樣本做浸泡水試驗(yàn)，38分鐘后呈散砂狀.

4 預(yù)加固方案

4.1 洞內(nèi)超前帷幕注漿

采用全斷面帷幕注漿對掌子面進(jìn)行超前加固，注漿設(shè)計(jì)方案如圖2及圖3所示.

圖2 掌子面注漿開口布置圖 圖3 注漿孔終孔示意圖

4.1.1 注漿參數(shù)

注漿范圍為隧道開挖輪廓線外5 m，單孔的有效擴(kuò)散半徑為2.0 m，終孔間距不大于3.0 m，鉆孔的孔徑為φ108 mm.注漿終壓為1.5～2 MPa，在注漿前進(jìn)行壓水實(shí)驗(yàn)，從而對注漿參數(shù)進(jìn)行修正.

在DK241+784～786的上斷面施作2 m厚的C25混凝土止?jié){墻，止?jié){墻嵌入圍巖大于50 cm.

4.1.2 注漿材料

注漿材料使用水泥漿液，水泥采用425號普通硅酸鹽水泥，水泥漿的水灰比為0.5～0.8:1.

4.1.3 施工情況及效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證帷幕注漿的效果，現(xiàn)場先對DK241+786～+756段進(jìn)行了全斷面超前帷幕注漿施工，一個斷面共計(jì)182個注漿孔，注漿長度25 m，開挖20 m，保留5 m長作為止?jié){巖盤.

由于掌子面前方的巖質(zhì)軟弱，成孔困難，掌子面拱部的注漿采用前進(jìn)式注漿，其余部位采用后退式注漿.為了驗(yàn)證帷幕注漿的效果，該試驗(yàn)段設(shè)置了6個驗(yàn)證孔以驗(yàn)證注漿效果.其中取芯5孔，孔內(nèi)成像1孔.

根據(jù)取芯的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)注漿漿液在地層中形成結(jié)石體，將土石粘結(jié)起來形成了承載力較好的混合體，施工效果明顯.

4.2 地表深孔注漿

由于剩余工程預(yù)測存在180 m富水弱膠結(jié)粉細(xì)砂地層和100 m泥巖夾炭質(zhì)泥巖，如果僅依靠掌子面超前帷幕注漿作為超前加固的手段，存在安全風(fēng)險(xiǎn)較大和施工工期緊的問題，因此必須采取地表深孔注漿方案超前改良地質(zhì)和止水.由于該區(qū)段隧道埋深達(dá)160 m以上，目前國內(nèi)暫無埋深100 m以上的深孔注漿成功案例，因此將選取試驗(yàn)段開展地表深孔注漿試驗(yàn).

4.2.1 地表深孔注漿方案

注漿試驗(yàn)段位于DK241+755～+731段，長度約24 m.加固范圍為隧道中心線左右各12 m、拱頂開挖輪廓線上8 m、仰拱開挖輪廓線形成的區(qū)域(高：20.8 m×寬：24 m).如圖4和圖5所示.

圖4 地表深孔注漿平面布置示意圖 圖5 地表深孔注漿橫斷面示意圖

(1)地表注漿試驗(yàn)采用剛性袖閥管注漿方案，注漿孔按3 m×3 m梅花形布置.鉆孔直徑Φ160mm，鉆孔深度165～180 m，鉆孔垂直度偏差不應(yīng)大于1.5%；采用套管跟管成孔.

(2)注漿范圍安裝φ76袖閥管，其余范圍安裝φ76無縫鋼管；節(jié)段長暫定3 m,采用絲扣連接.

(3)管壁四周采用套殼料注漿填充密實(shí)，套殼料采用水泥:膨潤土：水=1:1.6:2；通過注漿芯管、水囊注漿塞、袖閥管等后退式分段注漿；注漿材料：水泥—水玻璃雙漿液(W:C=0.8:1～1：1,C:S=1:1)；注漿終壓不低于5 MPa.

4.2.2 地表深孔注漿工藝

地表深孔注漿工藝主要可以分為6步，如圖6所示：①鉆孔；②套管成孔；③袖閥管安裝、灌注套殼料、拔套管；④開始注漿；⑤施作第一段注漿；⑥施作第二段注漿.

圖6 地表深孔注漿示意圖

鉆孔的深度達(dá)到180 m，孔徑φ160，地質(zhì)以黏土、泥巖、炭質(zhì)泥巖、弱膠結(jié)砂巖、富水弱膠結(jié)粉細(xì)砂巖為主，鉆孔、成孔難度大，施工工效低，加之套管跟進(jìn)后灌注套殼料后拔出，工藝復(fù)雜；正常需要36 h才能完成1孔，施工成本高.且深度大、地質(zhì)條件復(fù)雜，存在套管被埋的風(fēng)險(xiǎn).

注漿段的剛性袖閥管采用φ76、壁厚6.0 mm無縫鋼管加工制作.注漿段設(shè)置φ8溢漿孔，每斷面均勻布置8個注漿孔，注漿孔斷面間距為100 cm，底端15 cm加工成尖錐狀.為保證止?jié){塞順利安裝至孔底，所以鋼管采用絲扣連接，底端采用配套錐型堵頭封閉.

為了避免安裝過程中袖閥管的閥套移動或脫落，在閥套兩端焊接鋼筋箍，并在管外壁安裝4根通長φ10鋼筋，防止安管過程碰撞閥套.

袖閥管的管壁四周采用套殼料注漿填充密實(shí)，套殼料采用425水泥:膨潤土:水=1:1.6:2.

在套殼料灌注完成后，采用地質(zhì)鉆機(jī)抽拔鉆孔套管.

袖閥管注漿的時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格控制在套殼料灌注后3～7 d.注漿順序原則上為“由下而上、隔孔跳注、先外后內(nèi)、先下游后上游孔”.

注漿材料以水泥-水玻璃雙液漿為主，漿液通過注漿孔，撐開閥套，擊穿套殼料，擠密和劈裂不良地質(zhì)，改良地層和止水.通過注漿芯管連接水囊式止?jié){塞，采用后退式注漿工藝，通過下入注漿芯管(直徑20 mm)和止?jié){塞實(shí)現(xiàn)后退式分層注漿.止?jié){塞通過手壓泵加壓至5～6 MPa時(shí)，開始注漿，當(dāng)注漿指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求時(shí)，停止注漿后退一段，進(jìn)行下一階段注漿.同時(shí)，剛注過漿的閥套會收縮，緊緊抱住套管防止剛注過的漿液回流到袖閥管中，若注漿效果不好需要重新補(bǔ)注漿時(shí)，可在套管的適當(dāng)位置重新下入注漿塞，進(jìn)行重注.

按照每段間距1 m分段定位注漿.當(dāng)孔隙較大，注漿量超過設(shè)計(jì)注漿量，且壓力未滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用間歇注漿或調(diào)整漿液濃度等措施.注漿終壓不低于5 MPa.

4.2.3 注漿效果檢查及評定

注漿完成后，通過注漿分析法、P-Q-t曲線法、洞內(nèi)開挖驗(yàn)證等方法，進(jìn)行注漿效果評定.本段富水弱膠結(jié)粉細(xì)砂地層地表注漿加固后，開挖過程中進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)注漿，可以滿足開挖要求.

隨著掌子面的推進(jìn)，掌子面里程到達(dá)地表注漿試驗(yàn)段時(shí)，可以看到巖土體中的漿脈和結(jié)石體.漿液通過劈裂和擠密作用提高了粉細(xì)砂地層的承載力，同時(shí)也把地層中的水隔離開，使得掌子面可以在滲水量較小的情況下開挖.

5 結(jié)束語

在玉磨鐵路太達(dá)村隧道穿越富水粉細(xì)砂地層的施工中，通過多種預(yù)報(bào)手段探明掌子面前方的地質(zhì)情況.基于探明的地質(zhì)情況，制定了洞內(nèi)帷幕注漿試驗(yàn)方案和地表深孔注漿試驗(yàn)方案.克服了埋深大、地質(zhì)情況復(fù)雜等問題，在國內(nèi)首次完成了深度為180 m的地表注漿.之后通過驗(yàn)證，確定洞內(nèi)帷幕注漿和地表深孔注漿的加固效果.針對富水粉細(xì)砂地層，太達(dá)村隧道的超前加固方案能有效地固結(jié)松散巖體，降低圍巖滲透系數(shù)，達(dá)到較好的止水堵水效果.并且該方案中的地表深孔注漿能提前組織實(shí)施，不影響洞內(nèi)施工進(jìn)度，提高了施工進(jìn)度.