分階段注漿圍巖加固技術(shù)在炭質(zhì)頁巖隧道施工中的應(yīng)用

任永強(qiáng)

(甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730000)

分階段注漿圍巖加固技術(shù)在炭質(zhì)頁巖隧道施工中的應(yīng)用

任永強(qiáng)

(甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司,甘肅蘭州 730000)

由于炭質(zhì)頁巖具有膨脹性、崩解性、風(fēng)化性等物理特性,在這種地質(zhì)條件下的隧道施工,極易出現(xiàn)襯砌混凝土開裂、襯砌侵限、鋼架扭曲變形等情況。所以,有效控制炭質(zhì)頁巖地質(zhì)條件下隧道圍巖變形成了隧道施工過程中的一大難題,筆者將通過在該地質(zhì)條件下從事隧道施工的一些體會(huì),闡述在炭質(zhì)頁巖地質(zhì)條件下,采用分階段注漿對控制隧道圍巖變形的重要作用,為今后相似地質(zhì)條件下隧道施工提供依據(jù)。

分階段注漿 炭質(zhì)頁巖 隧道 施工 應(yīng)用 研究

目前，在炭質(zhì)頁巖地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道施工時(shí)，通常采用充分預(yù)留變形量進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)和注漿加固圍巖等施工方法。采古隧道是我們從事隧道施工以來，第一次遇見炭質(zhì)頁巖。在采古隧道施工過程中，我們結(jié)合隧道監(jiān)控量測技術(shù)，利用監(jiān)控量測數(shù)據(jù)確定各階段注漿時(shí)間和注漿方案，取得了一定效果。現(xiàn)結(jié)合采古隧道施工現(xiàn)場實(shí)際情況，將炭質(zhì)頁巖地質(zhì)條件下，如何采用分階段注漿加固圍巖的控制要點(diǎn)做一簡要介紹。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)概況

采古隧道位于甘肅省甘南藏族自治州迭部縣，省道313線(宕迭線)，臘子河下游東岸。進(jìn)口位于迭部縣洛大鄉(xiāng)貢尖村，出口位于迭部縣才古村，隧道里程樁號(hào)K56+904～K58+282，隧道長度1378m，隧道設(shè)計(jì)圍巖為IV級、V級兩種等級，其中IV級圍巖600米，V級圍巖778米，V級圍巖占隧道總長的65%。

1.2 采古隧道炭質(zhì)頁巖段掌子面描述

掌子面為黑色微風(fēng)化薄層炭質(zhì)頁巖夾炭質(zhì)灰?guī)r，并見少量頁巖弱變質(zhì)成的板巖，屬于軟—硬互層產(chǎn)出，軟巖為主。圍巖巖層傾向北偏東，走向基本與進(jìn)口段軸向一致。地應(yīng)力較大，開挖后左側(cè)(北側(cè))拱腰處落塊，圍巖塑性變形極大，自穩(wěn)能力很差。

1.3 采古隧道炭質(zhì)頁巖段變形情況

通過對K56+935斷面進(jìn)行監(jiān)控量測分析，隧道左側(cè)總變形量為750mm，右側(cè)累計(jì)變形量小于左側(cè)，為500mm。

2 炭質(zhì)頁巖變形機(jī)理

炭質(zhì)頁巖主要由固結(jié)較弱的粘土在地殼運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過擠壓、脫水、重結(jié)晶和膠結(jié)作用形成。

2.1 炭質(zhì)頁巖膨脹性

炭質(zhì)頁巖的膨脹性以其自由膨脹率的大小來反映，其主要影響因素有含水量、環(huán)境濕度(初始含水量)、含水率、巖石的結(jié)構(gòu)、巖石的干密度及孔隙率。

2.2 炭質(zhì)頁巖崩解性

炭質(zhì)頁巖的成分以粘土礦物為主，同時(shí)巖體內(nèi)大多均含先存裂隙及微裂縫。在炭質(zhì)頁巖中，由于伊利石、高嶺石等粘土礦物顆粒較小，親水性很強(qiáng)，當(dāng)水灌入巖石的孔隙、裂隙時(shí)，細(xì)小巖粒的吸附水膜便會(huì)增厚，引起巖石體積的膨脹，而不均勻的體積膨脹在巖石內(nèi)部就產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，部分膠結(jié)物會(huì)被稀釋、軟化或溶解，從而導(dǎo)致巖石顆粒的碎裂解體，從而形成崩解。

圖1 上臺(tái)階分階段注漿示意圖

2.3 炭質(zhì)頁巖層理結(jié)構(gòu)與隧道穩(wěn)定性分析

在炭質(zhì)頁巖中開挖隧道后，一方面開挖輪廓周邊高擠密性的炭質(zhì)頁巖層理體具有恢復(fù)其原狀的臨空面，另一方面炭質(zhì)頁巖暴露于空氣中崩解膨脹，從而釋放出很大的地應(yīng)力作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，容易造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂和大變形。

隧道開挖后，炭質(zhì)頁巖沿著傾斜層理方向膨脹，層理結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性影響與巖層傾向有關(guān)，采古隧道巖層由北(左)傾向東(右)，所以層理結(jié)構(gòu)對隧道左側(cè)邊墻和拱腰的穩(wěn)定性不利，而右側(cè)和拱頂相對穩(wěn)定。

3 采古隧道炭質(zhì)頁巖段施工方案

從圍巖變形情況可見，此類圍巖變形大，需預(yù)留的變形量左側(cè)為750mm，右側(cè)為500mm。且施做二襯前初期支護(hù)變形未穩(wěn)定，在這種情況下施做二襯，隧道施工質(zhì)量和運(yùn)營安全很難保證，對此，我們通過對變形規(guī)律的分析和總結(jié)，制定出了此類圍巖的支護(hù)方案。

3.1 洞身開挖

為減小施工周期和總變形量，每循環(huán)進(jìn)尺不易太小，確定為1.5米(3榀拱架)。

3.2 初期支護(hù)

此類圍巖開挖后通常形成約5米松動(dòng)圈，所以在初期支護(hù)完成后交錯(cuò)梅花狀布設(shè)4米和5米長的Φ42注漿小導(dǎo)管，間距為50cm*50cm，前兩階段采用4米長導(dǎo)管，最后一階段用5米長導(dǎo)管。垂直襯砌打入，分階段進(jìn)行導(dǎo)管注漿。

3.3 分階段注漿

對完成初期支護(hù)的斷面進(jìn)行量測，以量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，把圍巖變形分成若干階段，在每個(gè)階段進(jìn)行注漿。在第一階段注漿時(shí)，只是某些結(jié)構(gòu)層間出現(xiàn)裂隙，漿液只能在出現(xiàn)裂隙的結(jié)構(gòu)層中滲透。完成注漿后其余結(jié)構(gòu)層還會(huì)出現(xiàn)裂隙，導(dǎo)致圍巖繼續(xù)變形，所以要反復(fù)進(jìn)行注漿，直到圍巖變形穩(wěn)定為止，這樣可使?jié){液更充分的滲入圍巖，在圍巖松動(dòng)圈內(nèi)形成一個(gè)大約5米厚的殼體，以增強(qiáng)對圍巖的支護(hù)能力。當(dāng)累計(jì)變形量達(dá)到10厘米時(shí)，進(jìn)行I階段導(dǎo)管注漿；當(dāng)累計(jì)變形量達(dá)到15厘米時(shí)，進(jìn)行II階段導(dǎo)管注漿；累計(jì)變形達(dá)到20厘米時(shí)，進(jìn)行III階段注漿。采古隧道炭質(zhì)頁巖段當(dāng)進(jìn)行三階段注漿后，圍巖變形基本穩(wěn)定。每階段具體注漿導(dǎo)管順序見圖1。

(1)注漿參數(shù)。1)水泥漿水灰比1：1；2)水玻璃摻量為水泥用量的5%(質(zhì)量)，水玻璃深度35玻美度，模數(shù)2.4；3)注漿壓力控制在0.5～1.0MPa。

(2)注漿工藝要求。1)注漿順序?yàn)閺墓澳_到拱頂順序進(jìn)行。2)注漿結(jié)束后鋼花管尾部出露部分應(yīng)采取切割方式處理并敷以砂漿，以防刺破防水板。3)鋼花管注漿過程中應(yīng)隔孔進(jìn)行，以提高漿液的擴(kuò)散性和凝固性。

3.4 仰拱施工

對完成上述三個(gè)階段注漿的段落，及時(shí)進(jìn)行下臺(tái)階和仰拱施工，仰拱必須全幅澆注，每循環(huán)長度不能大于5米。

3.5 二襯施工

通過監(jiān)控量測，初襯變形速率趨于穩(wěn)定后，進(jìn)行二襯砼澆注。二襯距掌子面距離控制在50米之內(nèi)。

4 采古隧道分階段注漿段施工總結(jié)

通過對分階段注漿段K57+080斷面進(jìn)行量測發(fā)現(xiàn)，左側(cè)最終累計(jì)變形500mm(較以前變形量750mm減少了250mm)，拱頂與右側(cè)累計(jì)變形為350mm(較以前變形量500mm減少了150mm)，且二襯施做前圍巖變形已趨于穩(wěn)定，進(jìn)行分階段注漿，注漿更充分，效果更明顯，累計(jì)變形量小，二襯施工前變形趨于穩(wěn)定，證明此方案是成功的。在實(shí)際應(yīng)用中為提高注漿效果，還要注意以下幾個(gè)方面的問題。

(1)監(jiān)控量測為分階段注漿提供數(shù)據(jù)支持，所以采取本方案施工時(shí)，要嚴(yán)格制定監(jiān)控量測方案，確保量測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；(2)采用分階段注漿的方法加固圍巖，要掌握最佳的注漿時(shí)機(jī)，確定兩個(gè)注漿階段間科學(xué)合理的時(shí)間間隔。間隔太短，注漿量很難保證，注漿周期太長，影響施工效率。間隔太長，圍巖結(jié)構(gòu)層間空隙太大，注漿加固效果不明顯；(3)漿液水灰比的控制也是分階段注漿的成功與否的關(guān)鍵。由于炭質(zhì)頁巖具有遇水膨脹的特性，所以如果水灰比過大，漿液中的自由水也就增多，影響圍巖穩(wěn)定，水灰比太大，漿液不易在圍巖中擴(kuò)散。

5 結(jié)語

通過對采古隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析，對炭質(zhì)頁巖隧道變形規(guī)律有了一定的認(rèn)識(shí)。在施工過程中，我們通過對多種圍巖加固方案的對比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行分階段注漿方法是一種對炭質(zhì)頁巖隧道行之有效的施工方案，通過此方法的應(yīng)用，使隧道變形得到了有效控制，不但加快了工程進(jìn)度，保證了工程質(zhì)量，而且也取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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