川東北聯(lián)絡(luò)線通江隧道圍巖破碎帶小導(dǎo)管注漿

蒲高軍 劉 鵬

0 引言

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管線工程的大發(fā)展，越來(lái)越多的管線需經(jīng)過(guò)丘陵山地，管線就不可避免的在不良地質(zhì)地段修建隧道，這極大的增加了設(shè)計(jì)和施工難度。注漿技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣，是隧道工程治理不良地質(zhì)的重要施工技術(shù)。本文結(jié)合川東北—川西輸氣管道聯(lián)絡(luò)線通江隧道工程，對(duì)管線隧道圍巖破碎段注漿加固技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，可供類似工程借鑒與參考。

1 工程概況

川東北—川西輸氣管道聯(lián)絡(luò)線通江隧道使管線以江底隧道形式敷設(shè)穿越通江。通江隧道全長(zhǎng)1 290 m，采用U形線形，兩岸采用斜井形式，江底采用平巷形式。其中江底平巷K0+700～K0+715段長(zhǎng)度為15 m，地質(zhì)揭露該段隧道底板以上20 m范圍內(nèi)主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖和微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖組成，以微風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖為主，巖體破碎。視電阻率20 Ω·m～30 Ω·m，巖體富水性較強(qiáng)。原設(shè)計(jì)初襯為100 mm厚噴射C20混凝土+系統(tǒng)錨桿支護(hù)，但由于圍巖破碎，巖體富水強(qiáng)，開(kāi)挖揭露拱頂出現(xiàn)大量淋水，淋水量約為20 m3/h～25 m3/h，噴錨支護(hù)無(wú)法實(shí)施，故考慮預(yù)注漿封閉裂隙，堵水加固圍巖。通過(guò)對(duì)超前小導(dǎo)管、管棚預(yù)支護(hù)和帷幕注漿等方案的綜合比選，最終確定采用超前小導(dǎo)管注漿形式。

2 小導(dǎo)管注漿

2.1 注漿加固原理

采用圍巖壁內(nèi)注漿技術(shù)，可增強(qiáng)圍巖整體性、控制圍巖變形。其支護(hù)機(jī)理包括以下幾方面:

1)注漿后的圍巖能有效的閉合原有的節(jié)理及裂隙，阻止圍巖節(jié)理、裂隙進(jìn)一步發(fā)育，能有效的提高圍巖強(qiáng)度;

2)通過(guò)注漿使普通錨桿具備了全長(zhǎng)錨固錨桿的優(yōu)良特性，有利于隧道破碎圍巖的加固;

3)注漿可提高圍巖的殘余強(qiáng)度及內(nèi)摩擦角，使破碎的巖體再次獲得較高的支撐能力;

4)注漿后圍巖的整體強(qiáng)度提高，縮小了圍巖的松動(dòng)圈半徑，改善了圍巖的應(yīng)力圈狀態(tài)。

2.2 破碎帶隧道圍巖可注性的調(diào)查

圍巖可注性一般由3個(gè)因素決定:

1)圍巖裂隙的發(fā)育程度及裂隙寬度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)水泥類漿液一般只能注入張開(kāi)度大于0.2 mm的裂隙;

2)水泥漿液粒徑的大小和粘稠度，當(dāng)水泥粒徑大于裂隙寬度時(shí)會(huì)出現(xiàn)不吃漿現(xiàn)象;

3)與注漿的壓力有關(guān)，在一定的壓力影響范圍內(nèi)，隨壓力的增大可注性明顯提高。

在注漿前應(yīng)詳細(xì)調(diào)查隧道構(gòu)造帶的結(jié)構(gòu)面特性。各類圍巖都有其自身的臨界壓力，隧道圍巖中常存在一些易于漿力劈裂的層面和不連續(xù)面等，當(dāng)注漿壓力超過(guò)臨界注漿壓力時(shí)，巖體就會(huì)發(fā)生劈裂。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合圍巖樣本的物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)得出其圍巖裂隙較發(fā)育，平均裂隙張開(kāi)度達(dá)到0.26 mm;注漿壓力達(dá)2.5 MPa時(shí)還未發(fā)生漿力劈裂，可見(jiàn)該破碎帶圍巖滿足小導(dǎo)管注漿條件。

2.3 注漿深度確定

隧道開(kāi)挖后，破壞了圍巖原有的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)，使應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生應(yīng)力集中。如果集中應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖將處于彈塑性狀態(tài)，圍巖可自穩(wěn)。如果集中應(yīng)力值等于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖將發(fā)生破裂，這種破裂將從周邊開(kāi)始逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到另一新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，這個(gè)破裂帶稱為圍巖松動(dòng)圈。松動(dòng)圈形成過(guò)程中的碎脹變形即巖石破裂膨脹變形是隧道支護(hù)的主要對(duì)象。注漿深度應(yīng)通過(guò)松動(dòng)圈進(jìn)入塑性區(qū)內(nèi)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)超聲波測(cè)試，測(cè)得松動(dòng)圈范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線外2 m，因此注漿深度大于2 m進(jìn)入塑性區(qū)內(nèi)。

2.4 注漿材料

注漿材料大致可分為水泥注漿材料、化學(xué)注漿材料、無(wú)水泥熟料的綠色注漿材料三大類。三種材料優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 注漿材料優(yōu)缺點(diǎn)比較表

通過(guò)對(duì)材料來(lái)源、環(huán)境的影響、經(jīng)濟(jì)型綜合比較，故采用水泥單漿液和水泥—水玻璃雙漿液，具體考慮以下幾方面:

1)通江隧道所處川東北山區(qū)，工業(yè)稀少，工業(yè)廢渣來(lái)源不便，不適宜采用綠色注漿材料。

2)通江隧道穿越通江河，隧道底部圍巖裂隙極有可能與河床相通，注漿時(shí)有可能污染通江水源，且化學(xué)材料費(fèi)用高，不宜使用化學(xué)注漿材料。

3)水泥注漿技術(shù)成熟，且該地區(qū)水泥材料豐富，材料來(lái)源廣泛，運(yùn)距短，綜合費(fèi)用低。

4)采用水泥—水玻璃雙漿液可提高漿液穩(wěn)定性，控制凝結(jié)時(shí)間，改善單漿液注漿效果。

2.5 注漿壓力的確定

注漿壓力直接影響了注漿加固的效果。注漿壓力的大小受圍巖性質(zhì)、滲透條件、漿液的流動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、滲透范圍和注漿方式等因素的影響和制約。注漿壓力過(guò)小，漿液難以向圍巖中擴(kuò)散，達(dá)不到預(yù)期的效果;如果注漿壓力過(guò)大，有可能致裂圍巖。前節(jié)圍巖可注性已驗(yàn)證了該段圍巖滿足小導(dǎo)管注漿條件。

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，圍巖嚴(yán)重破碎時(shí)的注漿壓力為0.5 MPa;圍巖比較破碎時(shí)的注漿壓力為1.0 MPa，裂隙較小時(shí)的注漿壓力為 1.0 MPa ～2.0 MPa，最高不超過(guò) 3.0 MPa，故該段小導(dǎo)管注漿壓力控制在 0.5 MPa～1.0 MPa。

注漿壓力值通過(guò)公式(1)進(jìn)行復(fù)核:

其中，p為注漿壓力，MPa;q為漿液流量，m3/h;m為注漿有效段的長(zhǎng)度，m;v為漿液的動(dòng)粘性系數(shù)，m2/s;ω為裂隙寬度，m;r0為注漿孔半徑，m;R為漿液擴(kuò)散半徑，m。

2.6 注漿擴(kuò)散半徑及注漿量

其中，R為漿液擴(kuò)散半徑，m;p為注漿壓力，MPa;T為注漿時(shí)間，min;b1為巖體裂隙寬度，m;h為注漿有效段的長(zhǎng)度，m;η為漿液的動(dòng)粘性系數(shù)，m2/h。

總注漿量根據(jù)巖體空隙率及漿液在其中充填率進(jìn)行估算?？砂垂?3)計(jì)算:

其中，Q為總注漿量，m3;V為注漿范圍內(nèi)巖體體積，m3;n為巖體空隙率，%;a為過(guò)去時(shí)間證明了的充填率，%，其取值為:粘土類20%～30%，砂類40%～60%，礫石類約60%，斷層破碎帶取5%，一般破碎巖層取1%～2%，火成巖類取小于1%。

漿液的擴(kuò)散半徑是確定注漿孔布置和孔深的重要依據(jù)。影響擴(kuò)散半徑大小的因素很多，但主要取決于注漿壓力、圍巖力學(xué)性質(zhì)、裂隙密度及開(kāi)度、漿液的流動(dòng)力學(xué)參數(shù)及初凝時(shí)間等。一般情況下應(yīng)首先由注漿經(jīng)驗(yàn)初步確定，然后由現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)，再作進(jìn)一步調(diào)整。

漿液擴(kuò)散半徑可以用公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

表2 小導(dǎo)管注漿的控制參數(shù)表

2.7 注漿參數(shù)確定

1)通過(guò)對(duì)前述注漿內(nèi)容的調(diào)查、分析和計(jì)算，確定了小導(dǎo)管注漿的控制參數(shù)。具體數(shù)值見(jiàn)表2。

2)要求注漿漿液膠凝時(shí)間控制在30 s～180 s。固結(jié)體強(qiáng)度要求24 h不小于0.2 MPa。在壓力地下水作用下，漿液要具有較好的防水稀釋性能，而且在膠凝時(shí)間內(nèi)要盡量靜置不沉淀、不離析。通過(guò)注漿試驗(yàn)確定漿液的配合比，注漿材料的配合比及性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 水泥—水玻璃漿液配比及性能表

2.8 注漿施作

1)小導(dǎo)管制作。小導(dǎo)管采用外徑42 mm，厚3.5 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，鋼管長(zhǎng)4 m，其加工制作按如圖1所示結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行，在導(dǎo)管的前端量取200 mm加工成圓錐形并封焊嚴(yán)實(shí)，作為小導(dǎo)管頂部，管身孔徑為10 mm，孔距按300 mm梅花形排列設(shè)溢漿孔，后端1 m不設(shè)。管尾設(shè)一φ6 mm加筋箍。

圖1 小導(dǎo)管示意圖（單位：cm）

2)注漿孔布置。外層鋼管外插角度稍大取30°～45°，保證1 m的水平投影搭接長(zhǎng)度。呈梅花形布置。

3)注漿順序。注漿從下部小導(dǎo)管開(kāi)始按順序向拱頂逐根注漿，嚴(yán)禁順序顛倒。

4)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。以定量和定壓雙重標(biāo)準(zhǔn)控制。即:當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值以上時(shí)，單孔注漿結(jié)束。當(dāng)所有注漿孔均符合單孔結(jié)束條件、無(wú)漏注情況時(shí)全段注漿結(jié)束。

2.9 效果及評(píng)價(jià)

1)圍巖注漿加固效果。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，通過(guò)注漿能夠把松散破碎的巖體固結(jié)成整體，形成了支護(hù)殼體，提高了掌子面前方圍巖的強(qiáng)度和剛度，大大減少了開(kāi)挖引起的圍巖松弛和坍塌，起到了堵水的效果，達(dá)到了保證施工安全的目的。

2)沉降控制從施工過(guò)程中圍巖變形觀測(cè)和洞內(nèi)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，該破碎帶在小導(dǎo)管注漿支護(hù)后，變形控制在5 mm以內(nèi)，洞內(nèi)變形符合規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

1)小導(dǎo)管操作簡(jiǎn)便、靈活，施工中不必投入過(guò)大的機(jī)具設(shè)備，對(duì)操作空間沒(méi)有過(guò)高的要求，對(duì)施工空間受限地段有其獨(dú)特的優(yōu)越性。2)是提高其掌子面的自穩(wěn)能力、降低地層滲水、控制圍巖變形，以保證施工安全的一種有效方法。3)注漿參數(shù)的選擇在注漿技術(shù)中至關(guān)重要。在注漿以前，必須根據(jù)實(shí)際情況選擇漿液材料和合理的注漿參數(shù)。4)注漿施作形式的選擇需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況、災(zāi)害發(fā)生原因、治理目的、實(shí)施可行性和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮，做到因地制宜，切實(shí)可行。

[1]JTG 042-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S］.

[2]關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)集[M］.北京:人民交通出版社，2003.

[3]潘雪峰.隧道穿越軟弱圍巖及斷層破碎帶的工程對(duì)策[J］.橋隧工程＆施工技術(shù)，2009(8):63-66.

[4]陳孫強(qiáng).小導(dǎo)管注漿在軟弱圍巖隧道進(jìn)洞施工中的應(yīng)用[J］.福建建設(shè)科技，2000(3):38-39.