巖溶區(qū)隧道特大涌水突泥段帷幕注漿方案研究

何俊輝，李婷婷，趙艷納

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

巖溶區(qū)隧道特大涌水突泥段帷幕注漿方案研究

何俊輝1，李婷婷2，趙艷納1

(1.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530021；2.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029)

為了合理確定巖溶區(qū)隧道帷幕注漿參數(shù)和注漿方案，文章以廣西岑溪至水汶高速公路山心隧道涌水突泥段為依托，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)研究，分析了隧道掌子面等部位圍巖礦物成分，并基于此采用經(jīng)驗(yàn)法和綜合分析法對(duì)地層可注性進(jìn)行了判別，確定了注漿方式；采用有限元方法對(duì)帷幕注漿厚度等進(jìn)行了計(jì)算分析，確定了適用于山心隧道的帷幕注漿參數(shù)和設(shè)計(jì)方案；監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，采用該方案處治后涌水量降低了約54%，穩(wěn)定后涌水量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

隧道；巖溶區(qū)；涌水；帷幕注漿；突泥；處治；方案研究

0 引言

隨著高速公路向山嶺重丘區(qū)不斷延伸，隧道涌水、突泥情況日益增多，而巖溶區(qū)隧道由于巖體風(fēng)化嚴(yán)重，軟弱破碎、節(jié)理和裂隙發(fā)育等因素影響，開(kāi)挖時(shí)更容易發(fā)生涌水突泥和坍塌，其處理方法也成為工程建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者已就隧道涌水處理方法開(kāi)展了相關(guān)研究，多建議采用以堵為主，堵排結(jié)合的帷幕注漿方式，在隧道線外處形成隔水帷幕，達(dá)到堵水的效果，該方法在國(guó)內(nèi)外多個(gè)隧道內(nèi)得以應(yīng)用，并取得了顯著效果。本文以巖溶發(fā)育嚴(yán)重地區(qū)——廣西岑溪至水汶高速公路山心隧道為依托，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)研究和有限元方法開(kāi)展了帷幕注漿方案研究，并對(duì)處治后的涌水量等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，以此對(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 工程概括

廣西岑溪至水汶高速公路山心隧道位于富水風(fēng)化深槽段，局部地形為中間低、兩側(cè)高的帶狀谷地，巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部巖體極為破碎，且地表溪流網(wǎng)密度大，含水層發(fā)育。該隧道于2013年9月突發(fā)特大涌水突泥情況，涌水量達(dá)12L/min。災(zāi)害發(fā)生后，通過(guò)對(duì)隧道洞內(nèi)抽水、抽泥漿、回填洞渣反壓、對(duì)涌泥口封堵反壓以及設(shè)置止?jié){墻等措施暫時(shí)遏制了涌水突泥。為確保該隧道長(zhǎng)期穩(wěn)定，經(jīng)初步論證擬采用全斷面帷幕注漿方案封堵水，并開(kāi)展了研究。

2 注漿方式研究

為了合理確定山心隧道注漿方式，在隧道掌子面等部位抽樣，開(kāi)展了室內(nèi)外試驗(yàn)，并通過(guò)XRD衍射分析及SEM掃描電鏡試驗(yàn)對(duì)采取的樣品礦物成分進(jìn)行分析，并基于試驗(yàn)結(jié)果，采用經(jīng)驗(yàn)法和綜合分析法對(duì)地層可注性進(jìn)行了判別，確定了注漿方式。

2.1 密度與含水量

采用現(xiàn)場(chǎng)采取的原狀土樣進(jìn)行密度和含水量測(cè)試，測(cè)得山心隧道全風(fēng)化花崗巖天然密度為1.9～2.0g/cm3，天然含水率為16%～20%。

2.2 顆粒級(jí)配分析

根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTGE40-2007)中的顆粒分析方法，對(duì)山心隧道開(kāi)挖掌子面核心土采用篩分法和密度計(jì)法進(jìn)行顆粒分析，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 山心隧道土樣顆粒分布曲線圖

根據(jù)土樣粒度成分分析成果可知，山心隧道所遇到的全風(fēng)化花崗巖中>0.25mm的粗粒約為58%，按照土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)可以定名為中砂。同時(shí)，進(jìn)一步分析山心隧道風(fēng)化花崗巖顆粒級(jí)配，得到土樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)為：

(1)

(2)

試驗(yàn)結(jié)果表明山心隧道風(fēng)化花崗巖土樣顆粒級(jí)配良好，粒組分布范圍比較廣。

2.3 界限含水量

根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTGE40-2007)界限含水率試驗(yàn)要求(T0118-2007液限和塑限聯(lián)合測(cè)定法)，采用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)山心隧道全風(fēng)化花崗巖土樣(<0.5mm部分)進(jìn)行液塑限測(cè)定，測(cè)試結(jié)果為：

液限：ωL=34%；塑限：ωp=18%；塑性指數(shù)：Ip=16。

根據(jù)塑性分析，山心隧道全風(fēng)化花崗巖土樣為低塑性粘土。

2.4 滲透性質(zhì)測(cè)試

采用常水頭試驗(yàn)對(duì)山心隧道原狀土樣進(jìn)行滲透性質(zhì)測(cè)試，測(cè)得滲透系數(shù)為10-4～10-5cm/s，同時(shí)還采用滲流應(yīng)力耦合三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得滲透系數(shù)為10-5cm/s。

2.5 山心隧道全風(fēng)化花崗巖XRD衍射分析

采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所D8AdvanceX-射線衍射儀對(duì)掌子面土樣進(jìn)行定量礦物成分分析，得到X射線衍射譜圖如圖2所示。

圖2 山心隧道掌子面全風(fēng)化花崗巖X射線衍射譜圖

結(jié)果表明，山心隧道掌子面土樣中主要礦物成分為石英、伊利石和高嶺石，其中石英石約占75%，伊利石約為19%，高嶺石約為5%，較為明顯地反映出花崗巖的風(fēng)化產(chǎn)物特征。

2.6 山心隧道地層可注性判別

2.6.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

對(duì)于粒狀介質(zhì)，可注性用可注比M來(lái)表示：

Mitchell公式M=D15/G85

(3)

King和Bush公式M=D10/G95

(4)

式中，D15、D10——地層土顆粒在粒度分析曲線上占15%、10%的對(duì)應(yīng)直徑；

G85、G95——注漿材料在粒度分析曲線上占85%、95%的對(duì)應(yīng)直徑。

利用公式(3)計(jì)算可注比，M≥15時(shí)才可注；當(dāng)利用公式(4)計(jì)算可注比時(shí)，M≥8時(shí)才可注。

由顆粒分析可以得到，D10=0.002 5mm，D15=0.005mm，而普通水泥G85=30 μm左右，G95=40 μm左右，根據(jù)Mitchell公式M=D15/G85，計(jì)算得到M=0.17<15，不能夠滿足滲透注漿可注性要求，而根據(jù)King和Bush公式M=D10/G95，計(jì)算得到M=0.06<8，也不能夠滿足滲透注漿可注性要求。

2.6.2 綜合分析法

根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)和X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果，山心隧道全風(fēng)化花崗巖土樣中含有的細(xì)粒成分主要為伊利石和高嶺石，能夠填充粗顆粒之間的孔隙，且遇水具有膨脹性，與粗顆粒聚集成團(tuán)塊狀，使得滲透注漿較難發(fā)揮作用。因此，在山心隧道地質(zhì)條件下，注漿效果主要以劈裂注漿和填充擠壓式注漿為主，在地層中形成空間漿液結(jié)石體網(wǎng)絡(luò)和局部充填體。采用全斷面帷幕注漿方案進(jìn)行注漿時(shí)，應(yīng)該以劈裂注漿方式為主，以填充、滲透注漿方式為輔，需要根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)特性確定注漿壓力，從而滿足堵水加固的效果。

3 帷幕注漿方案設(shè)計(jì)

3.1 加固范圍

全斷面帷幕注漿方案加固范圍需要根據(jù)隧道排水量與加固效果的要求確定，并綜合考慮技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)合理性。采用三維有限元方法對(duì)未注漿方案、3m厚帷幕注漿、5m厚帷幕注漿及8m厚帷幕注漿進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算模型如圖3所示，模型尺寸為垂直隧道軸線水平向長(zhǎng)260m、高200m、隧道軸線方向厚度為60m，模型左右兩邊界施加X(jué)方向的水平約束，前后兩邊界施加Y方向的水平約束，底部邊界施加Z方向的豎向約束，上邊界為地表面，是自由邊界；對(duì)整個(gè)模型施加巖土體自重壓力，同時(shí)施加水壓力邊界。

(a)計(jì)算模型圖

(b)帷幕注漿圖

根據(jù)地勘資料并結(jié)合風(fēng)化花崗巖注漿效果的研究結(jié)果，確定山心隧道帷幕注漿方案計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 帷幕注漿方案計(jì)算參數(shù)表

計(jì)算分析得到未注漿與不同厚度帷幕注漿方案條件下隧道滲涌水量、結(jié)構(gòu)變形及地表沉降結(jié)果如表2所示：

表2 不同帷幕厚度計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)有限元計(jì)算分析結(jié)果可以看出，采用帷幕注漿厚度達(dá)到3m厚即可顯著降低隧道滲涌水量，減小結(jié)構(gòu)變形與地表沉降，結(jié)合隧道工程注漿加固和堵水施工經(jīng)驗(yàn)，帷幕注漿厚度一般為0.5～1.0倍隧道洞徑，山心隧道等效洞徑為12m，因此，綜合確定山心隧道全斷面超前注漿帷幕厚度為5～6m。

3.2 漿液擴(kuò)散半徑

在山心隧道全風(fēng)化花崗巖地層顆粒組成中細(xì)粒含量較多，使地層滲透性降低，采用滲透注漿時(shí)漿液擴(kuò)散范圍有限。實(shí)際注漿過(guò)程中，將會(huì)以劈裂、充填及擠密等形式為主，漿液擴(kuò)散范圍需要按照劈裂注漿的效果和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.3 注漿壓力

注漿壓力的確定需要考慮被注區(qū)域的地應(yīng)力、地層巖性、地下水等因素，在全風(fēng)化花崗巖低滲透性地層中注漿時(shí)，漿液擴(kuò)散將以劈裂、擠密形式為主，因此注漿壓力的確定需要考慮劈裂注漿的啟裂壓力值，將漿液劈裂擴(kuò)散之前的鼓泡壓密階段視為彈性力學(xué)中的圓孔擴(kuò)張問(wèn)題，可以得到注漿孔周圍應(yīng)力分布規(guī)律，當(dāng)注漿孔周圍的切向應(yīng)力σθ的最小值(壓正拉負(fù))達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度-σt時(shí)，即可得到劈裂注漿的啟裂壓力pu，為：

Pu=3σ2-σ1+σt

(5)

根據(jù)山心隧道富水強(qiáng)花崗巖段地質(zhì)條件，隧道埋深約100m，上覆地層為全-強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、殘坡積土及沖洪積土，土體抗拉強(qiáng)度較低，取為σt=20kPa，地應(yīng)力狀態(tài)考慮為自重應(yīng)力狀態(tài)，地層天然密度為1.9g/cm3，側(cè)壓力系數(shù)K0=0.56，根據(jù)式(5)可以得到，山心隧道劈裂注漿啟裂壓力為1.3MPa；考慮到隧道下穿民房建筑，在注漿過(guò)程中需要考慮對(duì)地表隆起的影響，注漿壓力不宜過(guò)高，確定注漿壓力為1.5～2.5MPa。

3.4 注漿材料

富水條件下的注漿需要考慮漿液的粘度時(shí)變特性與抗分散特性，山心隧道洞內(nèi)回填反壓后右洞涌水量為50m3/h，根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析可知相應(yīng)的地下水流速非常小，可考慮為靜水條件下的注漿工況。根據(jù)土粒級(jí)配分析，全風(fēng)化花崗巖有效粒徑僅為3 μm左右，與超細(xì)水泥平均粒徑相當(dāng)，注漿過(guò)程中漿液難以滲透進(jìn)入，注漿過(guò)程中漿液將主要以劈裂、擠密形式擴(kuò)散，因此在全風(fēng)化花崗巖地層中進(jìn)行注漿時(shí)，并不需要過(guò)分強(qiáng)調(diào)漿液顆粒的粒徑，采用水泥基漿液就能夠滿足要求，其中，單液水泥漿水灰比W/C為0.8～1.2。為了應(yīng)對(duì)注漿過(guò)程中出現(xiàn)的滲涌水量大的情況，注漿材料選擇以普通單液水泥漿為主，并在滲涌水量大的鉆孔配合采用水泥水玻璃漿液或快硬硫鋁酸鹽水泥漿液，水泥漿水玻璃漿液體積比C/S為3～4。

3.5 帷幕注漿方案參數(shù)

在確定帷幕注漿厚度、注漿壓力、注漿材料及漿液擴(kuò)散半徑的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析與工程類比可以確定止?jié){墻厚度、注漿段落長(zhǎng)度、注漿方式等參數(shù)，山心隧道富水風(fēng)化花崗巖段全斷面帷幕注漿參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 富水風(fēng)化花崗巖段全斷面帷幕注漿參數(shù)表

根據(jù)分區(qū)治理原則，針對(duì)不同圍巖情況相應(yīng)調(diào)整帷幕注漿圈厚度，帷幕注漿方案設(shè)計(jì)如圖4所示。

(a)6 m厚帷幕注漿縱剖面圖

(b)6 m厚帷幕注漿孔布置立面圖

(c)5 m厚帷幕注漿縱剖面圖

(d)5 m厚帷幕注漿孔布置立面圖

其中，突水引起的塌方段及圍巖嚴(yán)重?cái)_動(dòng)段(右洞CK7+838～CK7+898、左洞DK7+782～DK7+874)帷幕注漿厚度設(shè)計(jì)為6 m，受到突水?dāng)_動(dòng)較輕的段落(右洞CK7+898～CK7+990、左洞DK7+874～DK8+000)帷幕注漿厚度為5 m，為便于施工，各帷幕注漿方案布孔方式相同，通過(guò)改變外插角改變帷幕注漿圈厚度。

4 注漿方案實(shí)施及監(jiān)測(cè)

施工中采用意大利CASAGRAND公司生產(chǎn)的C6 DRILL RIG大型履帶式多功能鉆機(jī)，注漿設(shè)備采用JB500型雙液注漿泵。通過(guò)對(duì)已經(jīng)完成施工的CK8+000～CK7+975段采用檢查孔法、涌水量分析法、鉆孔P-Q-t曲線法等方法對(duì)帷幕注漿效果進(jìn)行檢查評(píng)定，具體情況如下：根據(jù)注漿效果檢查評(píng)定設(shè)計(jì)文件要求，檢查孔數(shù)量為鉆孔數(shù)量的5%～10%，現(xiàn)場(chǎng)檢查孔數(shù)量設(shè)為6個(gè)，檢查孔布置及檢查情況如表4所示。

表4 鉆孔情況表

表4表明，檢查孔成孔率為100%，帷幕注漿施工后，效率良好，檢查孔均未發(fā)生大的涌水，無(wú)涌砂涌泥現(xiàn)象發(fā)生。

4.1 涌水量對(duì)比分析

各檢查孔涌水量情況如表5所示：

表5 檢查孔涌水量測(cè)試結(jié)果表

從涌水量測(cè)試來(lái)看：6個(gè)檢查孔涌水均呈小股狀，穩(wěn)定后涌水量基本都<4L/min，每延米涌水量均<0.2L/min，滿足設(shè)計(jì)文件和施工要求。

4.3 鉆孔P-Q-t曲線圖

對(duì)JD3、JD4檢查孔進(jìn)行注漿試驗(yàn)，根據(jù)檢查孔P-Q-t曲線特征判斷注漿效果。

圖5 J1、J2檢查孔的P-Q-t曲線圖

由J1、J2檢查孔的P-Q-t曲線看，注漿5min后，圍巖滲透性得到改善，圍巖裂隙被漿體填充密實(shí)，并于巖體固結(jié)成一體，形成止水帷幕，注漿壓力和滲水量明顯減小，均達(dá)到施工規(guī)范和設(shè)計(jì)要求值。

綜上所述，帷幕注漿完成后，各檢查孔鉆孔均能成孔，而且涌水穩(wěn)定，涌水量均符合開(kāi)挖和設(shè)計(jì)要求，無(wú)涌砂現(xiàn)象，顯著提高了巖層強(qiáng)度、密實(shí)度及穩(wěn)定性，降低了掌子面涌水量，是隧道安全開(kāi)挖的重要保障，是解決突泥涌水地質(zhì)災(zāi)害的有效方法。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以山心隧道為依托項(xiàng)目，通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)分析了涌泥段的圍巖巖性，并基于此采用公式法和綜合分析法對(duì)巖性可注性進(jìn)行判別；隨后從注漿范圍、注漿壓力、注漿材料等方面開(kāi)展了注漿方案設(shè)計(jì)研究，最后對(duì)實(shí)體工程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。主要結(jié)論如下：

(1)涌水段圍巖巖性的試驗(yàn)結(jié)果表明，山心隧道采用全斷面帷幕注漿方案進(jìn)行注漿時(shí)，應(yīng)該以劈裂注漿方式為主，以填充、滲透注漿方式為輔，需要根據(jù)地應(yīng)力狀態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)特性確定注漿壓力，從而滿足堵水加固的效果。

(2)采用有限元計(jì)算方法對(duì)帷幕注漿厚度進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，該涌水段全斷面超前注漿帷幕厚度為5.0～6.0m，可有效降低隧道滲涌水量，減小結(jié)構(gòu)變形與地表沉降。

(3)施工監(jiān)測(cè)表明，帷幕注漿施工后，山心隧道監(jiān)測(cè)段掌子面涌水量降低了約54%，滲水量<4L/min，每延米滲水量<0.2L/min，穩(wěn)定后涌水量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(4)工程實(shí)踐表明，采用全斷面帷幕注漿堵水技術(shù)處治巖溶區(qū)山心隧道特大突泥涌水災(zāi)害效果良好，為類似項(xiàng)目的施工和設(shè)計(jì)提供了參考。

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Curtain Grouting Program Study for Super-large Water-gushing Mud-gushing Segment in Karst Area

HE Jun-hui1，LI Ting-ting2，ZHAO Yan-na1

(1.Guangxi Communications Investment Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530021，China；2.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

In order to reasonably determine the tunnel curtain grouting parameters and grouting program in karst area，and relying on the water-gushing mud-gushing segment in Shanxin Tunnel of Guangxi Cenxi-Shui-wen Expressway，and through indoor and field experiment tests，this article analyzed the mineral composition of surrounding rock in tunnel face and other parts，and on such basis it used the empirical method and com-prehensive analysis method to judge the formation injectablity，then it determined the grouting methods；the finite element method was used for the calculation and analysis of curtain grouting thickness，and then it de-termined the curtain grouting parameters and design program applicable for Shanxin Tunnel；the monitoring results showed that the water gushing amount after the treatment by this program was decreased by about 54%，and the water gushing amount after being stabilized can meet the design requirements.

Tunnel；Karst area；Gushing water；Curtain grouting；Mud gushing；Treatment；Program study

U456.3+

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.04.020

1673-4874(2015)04-0070-06

2015-03-03

何俊輝，工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理與科研工作。