富水強(qiáng)蝕變巖洞段注漿模擬試驗(yàn)及應(yīng)用研究

徐 浩

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300222)

蝕變巖是指在地質(zhì)應(yīng)力作用下，受后期巖漿侵入、接觸、熱液及其他物理化學(xué)作用，導(dǎo)致原巖本身的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化而生成的一種巖石[1-2]。蝕變巖屬于軟巖，由于其特殊的成巖過(guò)程和演化歷程，使其具有低強(qiáng)度、吸水膨脹和應(yīng)變軟化等特殊力學(xué)性質(zhì)。可見(jiàn)，當(dāng)隧洞工程穿越蝕變巖洞段時(shí)，諸如突涌水、塌方、擠壓大變形和流沙等地質(zhì)問(wèn)題直接影響著工程施工的安全和后續(xù)運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定。

本文針對(duì)某深埋隧洞工程富水強(qiáng)蝕變巖TBM洞段出現(xiàn)的塌方、擠壓大變形和流沙等問(wèn)題，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了注漿模擬試驗(yàn)，分析了漿液在不同圍巖中的擴(kuò)散范圍、固結(jié)強(qiáng)度及注漿方位對(duì)注漿效果的影響，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)成果的可靠性。研究成果也為類(lèi)似隧洞工程在穿越富水強(qiáng)蝕變巖地層時(shí)的病害防治提供了借鑒。

1 工程概況

某深埋隧洞工程全長(zhǎng)50 km多，最大埋深超過(guò)2 200 m，屬于無(wú)壓洞，隧洞洞徑5.3 m。采用TBM與鉆爆法相結(jié)合的施工方案。隧洞自南向北穿越多個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元，圍巖巖性復(fù)雜多變，主要包括志留系、泥盆系、石炭系砂巖、變質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖以及華力西期花崗巖，少量為奧陶系灰?guī)r和第三系泥巖，除第三系泥巖為軟巖外，其余屬硬巖類(lèi)。

地質(zhì)勘查資料表明，樁號(hào)K29+790—K38+540洞段圍巖主要為華力西中期侵入二長(zhǎng)花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖，此外還發(fā)育SF29、F30、F510、SF5及SF3等斷層，該洞段采用TBM法施工。根據(jù)物探、鉆孔及平硐等探測(cè)結(jié)果推測(cè)：該段為蝕變巖相對(duì)發(fā)育段，蝕變巖在淺部及深部均有發(fā)育，分布規(guī)律較差，厚度變化大，從0.1 m～71.6 m不等，蝕變巖約占總長(zhǎng)的12%，且蝕變巖具有強(qiáng)度低、富水的特性。工程地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。

圖1工程地質(zhì)縱剖面圖

2017年2月3日隧洞施工至樁號(hào)K38+538時(shí)，露出護(hù)盾的圍巖出現(xiàn)大量掉渣，施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始采用“鋼拱架+鋼筋排”的支護(hù)方式，但平均日進(jìn)尺僅為3.2 m。由于強(qiáng)蝕變巖強(qiáng)度低、易潮解、遇水快速崩解，給施工的安全建設(shè)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)揭露的強(qiáng)蝕變巖特性和地下水活動(dòng)狀態(tài)等因素，可將強(qiáng)蝕變巖進(jìn)一步細(xì)化為V1類(lèi)和V2類(lèi)。對(duì)于V1類(lèi)強(qiáng)蝕變巖，縱波波速低于1 000 m/s，大部分呈干燥狀，不能自穩(wěn)，圍巖表層易潮解，易出現(xiàn)擠壓變形、塌方，多呈碎屑狀；對(duì)于V2類(lèi)強(qiáng)蝕變巖，縱波波速低于1 000 m/s，大部分呈很濕—飽和狀，圍巖不能自穩(wěn)，極易出現(xiàn)塌方、擠壓變形和流沙，塌落物多呈碎屑物。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)揭露的工程地質(zhì)情況，本文主要對(duì)V2類(lèi)強(qiáng)蝕變巖進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討富水蝕變巖洞段的注漿處理措施。

2 注漿模擬試驗(yàn)

2.1 模擬試驗(yàn)材料及裝置

為了盡可能真實(shí)地模擬洞內(nèi)化學(xué)灌漿施工效果，從而給現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)蝕變巖洞段灌漿參數(shù)及支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)，特選擇皮帶機(jī)出渣作為試驗(yàn)材料，并在廠(chǎng)房?jī)?nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，使其溫度與洞內(nèi)相近，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)渣體進(jìn)行壓實(shí)，以盡可能逼近圍巖的賦存狀態(tài)?；瘜W(xué)灌漿材料為北京瑞諾安科新能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“瑞諾加固1號(hào)液態(tài)純聚氨脂類(lèi)高分子樹(shù)脂灌漿材料”，且A、B兩種組份的比例為1∶1。

試驗(yàn)用的試模為四個(gè)鋼板制作的可拆裝重復(fù)利用的試模(見(jiàn)圖2)，尺寸分別為1.5 m×1.5 m×1.0 m、1.5 m×1.5 m×1.0 m、0.5 m×0.5 m×0.5 m、0.5 m×0.5 m×0.5 m。內(nèi)壁鋪彩條布防止試樣與模板粘連以便于拆模，分別模擬拱頂和側(cè)壁注漿。注漿管為φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，桿體上梅花形布設(shè)φ6 mm注漿孔，間距20 cm。注漿泵為廠(chǎng)家提供的氣動(dòng)注漿泵，注漿壓力為1 MPa～10 MPa，試驗(yàn)溫度為18℃。清洗注漿機(jī)用廢棄機(jī)油和水提前備好放置在試驗(yàn)場(chǎng)地以便及時(shí)清洗。

圖2拱頂注漿試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

2.2 試驗(yàn)方案及流程

本文設(shè)計(jì)了4種注漿模擬方案(見(jiàn)表1)，用以獲取化學(xué)灌漿漿液在不同圍巖中的擴(kuò)散范圍、灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)、圍巖情況對(duì)固結(jié)強(qiáng)度的影響及不同注漿方位的實(shí)施效果，為隧道內(nèi)化學(xué)灌漿的施工提供指導(dǎo)。注漿模擬試驗(yàn)主要步驟流程見(jiàn)圖3。

表1 模擬試驗(yàn)方案參數(shù)表

圖3注漿模擬試驗(yàn)流程圖

2.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 整體固結(jié)效果

注漿結(jié)束30 min后進(jìn)行拆模，各模擬試驗(yàn)方案的試塊拆模效果見(jiàn)圖4。由圖4可知：試驗(yàn)1的試塊整體固結(jié)效果較差，呈不規(guī)律狀；試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的固結(jié)效果明顯，除個(gè)別部位未固結(jié)，絕大多數(shù)部位全部固結(jié)；試驗(yàn)4的試塊固結(jié)呈不規(guī)律狀，固結(jié)效果明顯優(yōu)于試驗(yàn)1。

圖4模擬試驗(yàn)拆模效果圖

2.3.2 固結(jié)強(qiáng)度

模擬試塊注漿試驗(yàn)結(jié)束后，在頂面位置和側(cè)面位置各取一組芯樣(6塊)，并對(duì)其芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。由于試驗(yàn)1的注漿固結(jié)效果較差，漿液擴(kuò)散不均勻?qū)е旅撃：笸暾圆?，無(wú)法取芯，故只對(duì)試驗(yàn)2—試驗(yàn)4進(jìn)行取芯和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。代表性試樣及單軸壓縮試驗(yàn)見(jiàn)圖5，不同模擬試驗(yàn)方案下的試樣取樣部位及其單軸抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表2。

圖5 固結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

注：*表示該試樣模未擴(kuò)散到位，只取相對(duì)較好的2個(gè)芯樣(頂面、側(cè)面各1個(gè))進(jìn)行試驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：當(dāng)強(qiáng)蝕變巖且渣體以碎屑狀為主、塊狀渣體(≤10 cm)占比5%時(shí)，試驗(yàn)2、試驗(yàn)3的灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)分別為2倍～3倍、5倍～10倍時(shí)，渣體固結(jié)強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)10 MPa、5 MPa；當(dāng)強(qiáng)蝕變巖且渣體以碎屑狀為主、塊狀渣體(≤10 cm)占比10%時(shí)，試驗(yàn)4的灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)調(diào)整為2倍～3倍時(shí)，試塊最大固結(jié)強(qiáng)度僅為3.5 MPa左右；此外，不論何種注漿方式，側(cè)面取樣強(qiáng)度要高于頂面取樣強(qiáng)度值。

可見(jiàn)，在外部條件相同時(shí)，距離注漿管越近處圍巖固結(jié)性能越好，發(fā)泡倍數(shù)越低固結(jié)圍巖強(qiáng)度越高。當(dāng)圍巖的顆粒變大時(shí)，其孔隙率也相對(duì)增大，漿液的擴(kuò)散越容易，注漿量變大從而其對(duì)圍巖的固結(jié)性能也就越好。

2.3.3 固結(jié)范圍

不同模擬試驗(yàn)方案下的注漿終壓及擴(kuò)散范圍見(jiàn)表3。通過(guò)對(duì)表3、圖4進(jìn)行分析可知：試驗(yàn)1的固結(jié)效果較差，固結(jié)范圍呈不規(guī)律狀，最大注漿壓力為8.8 MPa，固結(jié)范圍為0～0.75 m，分析原因是渣體太破碎，孔隙率低，導(dǎo)致擴(kuò)散效果不佳；試驗(yàn)2和試驗(yàn)3的固結(jié)效果明顯，除個(gè)別部位未固結(jié)，絕大多數(shù)部位全部固結(jié)，最大注漿壓力分別為9.4 MPa、9.2 MPa，固結(jié)范圍均為0.25 m，其原因是試模尺寸較小，擴(kuò)散半徑小，固結(jié)效果好；試驗(yàn)4的試塊固結(jié)呈不規(guī)律狀，其固結(jié)效果明顯優(yōu)于試驗(yàn)1，最大注漿壓力為4.0 MPa，固結(jié)范圍為0.17 m～0.75 m，分析原因是塊狀渣體(≤10 cm)占比增加，從5%提高至10%，試驗(yàn)渣體孔隙率提高，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散范圍顯著增大。

表3 模擬試驗(yàn)方案注漿終壓及擴(kuò)散范圍

3 工程應(yīng)用

3.1 富水強(qiáng)蝕變巖TBM洞段處理方法

根據(jù)某深埋隧洞工程蝕變巖洞段的揭露特征，蝕變巖洞段長(zhǎng)度約445 m，其中強(qiáng)蝕變巖為224 m、中等蝕變巖95 m、弱蝕變巖126 m，可見(jiàn)，強(qiáng)蝕變巖大約占蝕變巖洞段比例為50.3%。該強(qiáng)蝕變巖大部分很濕或飽和狀，該類(lèi)圍巖多為V2類(lèi)，表現(xiàn)為不能自穩(wěn)，極易出現(xiàn)塌方、擠壓變形和流沙，塌落物多呈碎屑物，巖體破碎，呈碎屑狀結(jié)構(gòu)。該類(lèi)圍巖掘進(jìn)中掌子面和護(hù)盾位置常會(huì)出現(xiàn)大面積塌方或流沙，使得掘進(jìn)和支護(hù)無(wú)法施做，且存在卡機(jī)危險(xiǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)揭露的強(qiáng)蝕變巖影像見(jiàn)圖6。

圖6現(xiàn)場(chǎng)揭露的強(qiáng)蝕變巖特征

結(jié)合本工程強(qiáng)蝕變巖的物理力學(xué)特性、注漿模擬試驗(yàn)成果及工程實(shí)踐，總結(jié)出了一套適合于強(qiáng)蝕變巖TBM洞段的施工方法，其處理工藝流程見(jiàn)圖7。主要步驟如下：

(1) 首先，對(duì)掌子面和護(hù)盾位置進(jìn)行超前預(yù)注漿，待掌子面和護(hù)盾位置圍巖固結(jié)后再開(kāi)始掘進(jìn)。

(2) TBM施工時(shí)，通過(guò)調(diào)整型鋼拱架的間距、增加鋼筋排和鋼板，來(lái)增加支護(hù)強(qiáng)度，并采用超前噴混對(duì)巖面進(jìn)行封閉。

(3) 由于該類(lèi)圍巖易出現(xiàn)塌方，需在塌方處預(yù)埋注漿管，后續(xù)進(jìn)行回填注漿，并采用化學(xué)灌漿方式對(duì)拱架上方松散體進(jìn)行固結(jié)。

(4) 為保障施工質(zhì)量和優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，確保鋼拱架受壓變形可控，還需進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，施工監(jiān)測(cè)每天不得少于1次，在拱架變形嚴(yán)重、圍巖過(guò)渡段、注漿前后等特殊時(shí)期每日檢測(cè)不得少于2次。

圖7強(qiáng)蝕變巖洞段處理流程圖

3.2 注漿實(shí)施方案

針對(duì)強(qiáng)蝕變巖洞段呈很濕或飽和狀情況時(shí)，在掌子面和護(hù)盾位置極易形成大面積塌方或流沙，此時(shí)TBM掘進(jìn)和支護(hù)均無(wú)法施做，且存在卡機(jī)危險(xiǎn)。為了確保施工安全，應(yīng)首先對(duì)該位置進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，由于普通漿液存在固結(jié)刀盤(pán)風(fēng)險(xiǎn)，本洞段采用化學(xué)灌漿，化學(xué)灌漿材料由A、B兩種組份構(gòu)成，二者比例為1∶1。

3.2.1 護(hù)盾部位注漿加固方法

根據(jù)節(jié)2中的注漿模擬試驗(yàn)成果，護(hù)盾部位的注漿處理方法簡(jiǎn)述如下：

(1) 施做注漿錨桿：由于護(hù)盾上方坍塌體堆積，普通注漿錨桿施做比較困難，可采用3 m長(zhǎng)Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，在護(hù)盾尾部斜向上前方布設(shè)；此外，由注漿模擬試驗(yàn)成果可知，漿液在以強(qiáng)蝕變圍巖中的擴(kuò)散半徑為0.5 m～0.8 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)蝕變巖賦存環(huán)境，注漿錨桿的間排距取1.0 m。桿體上注漿孔孔徑為6 mm～8 mm，孔間距40 cm，梅花型布設(shè)。

(2) 超前噴混封閉：為保證注漿效果，錨桿施做完成后需通過(guò)超前噴混對(duì)注漿管位置進(jìn)行封閉，噴射厚度10 cm左右。

(3) 化學(xué)灌漿：采用氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行化學(xué)灌漿。護(hù)盾位置注漿加固主要作用是固結(jié)護(hù)盾上方坍塌體，避免坍塌體掉落，同時(shí)考慮到撐靴工作要求，固結(jié)強(qiáng)度不低于3 MPa即可，注漿壓力控制在3 MPa～8 MPa。

3.2.2 掌子面注漿加固方法

由于掌子面無(wú)法進(jìn)行超前噴混，注漿時(shí)需對(duì)漏漿處及時(shí)封堵。掌子面部位的注漿處理方法如下：

(1) 施做注漿錨桿：由于普通自進(jìn)式中空注漿錨桿在TBM掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)對(duì)刀盤(pán)形成嚴(yán)重?fù)p壞，因此掌子面注漿采用Φ32玻璃纖維自進(jìn)式中空注漿錨桿，通過(guò)刀孔或人孔向掌子面施做。錨桿長(zhǎng)度根據(jù)刀盤(pán)內(nèi)空間和錨桿具體施做位置確定，一般為2.0 m～3.0 m，間排距取1.0 m～1.5 m。

(2) 化學(xué)灌漿：采用氣動(dòng)注漿泵進(jìn)行化學(xué)灌漿，掌子面注漿加固主要作用是固結(jié)掌子面坍塌體和堵水，因此固結(jié)強(qiáng)度要求不高，注漿效果現(xiàn)場(chǎng)控制，主要指標(biāo)是將坍塌體固結(jié)或無(wú)流沙涌出即可。注漿壓力一般控制在5 MPa～10 MPa。

3.3 注漿應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

圖8為強(qiáng)蝕變巖洞段的注漿加固效果圖。由圖可知，富水強(qiáng)蝕變巖TBM洞段注漿結(jié)束后，施工中看到注漿后的圍巖較為堅(jiān)硬、孔隙少，以碎屑狀為主的渣體在漿液粘結(jié)后呈塊狀，固結(jié)效果明顯，固結(jié)強(qiáng)度及質(zhì)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8注漿擴(kuò)散效果影像圖

此外，現(xiàn)場(chǎng)施工期間未見(jiàn)鋼拱架發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，圍巖的承載能力和穩(wěn)定性顯著提高；采用全站儀對(duì)拱頂60°及拱底45°范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，對(duì)比分析拱頂?shù)膰鷰r變形情況，發(fā)現(xiàn)圍巖變形量值不大，新增變形量不超過(guò)10 mm，收斂速度趨緩；在后續(xù)TBM掘進(jìn)過(guò)程中，未出現(xiàn)明顯的涌水、塌方現(xiàn)象?？梢?jiàn)，采用化學(xué)灌漿加固強(qiáng)蝕變巖洞段，對(duì)掌子面和護(hù)盾位置進(jìn)行超前預(yù)注漿并及時(shí)封閉圍巖，并依據(jù)注漿模擬試驗(yàn)成果對(duì)注漿及支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，是一種有效的堵水和加固圍巖的實(shí)用方法。

4 結(jié) 論

本文以某深埋隧洞富水強(qiáng)蝕變巖TBM洞段為例，開(kāi)展了注漿模擬試驗(yàn)研究，分析了漿液在不同圍巖中的擴(kuò)散范圍、固結(jié)強(qiáng)度和注漿效果，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿參數(shù)和支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

(1) 灌漿材料中的塊狀渣體含量對(duì)化學(xué)灌漿固結(jié)效果影響明顯，塊狀渣體占比越高(由5%提高至10%)，其孔隙率相對(duì)增大，漿液擴(kuò)散越容易，固結(jié)強(qiáng)度越高。

(2) 對(duì)于強(qiáng)蝕變巖、渣體以碎屑狀為主時(shí)，化學(xué)灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)及漿液擴(kuò)散半徑均對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑為0.25 m，灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)分別為2倍～3倍、5倍～10倍時(shí)，試塊固結(jié)強(qiáng)度分別為10 MPa、5 MPa，而當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑為0.75 m、灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)調(diào)整為2倍～3倍時(shí)，試塊最大固結(jié)強(qiáng)度為3.5 MPa左右。

(3) 基于注漿模擬試驗(yàn)成果，同時(shí)綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于富水強(qiáng)蝕變巖洞段，護(hù)盾部位需采用長(zhǎng)度為3 m、間排距1 m的自進(jìn)式中空注漿錨桿，注漿壓力為3 MPa～8 MPa；掌子面部位需采用長(zhǎng)度為2 m～3 m、間排距1.0 m～1.5 m的玻璃纖維自進(jìn)式中空注漿錨桿，注漿壓力為5 MPa～10 MPa。

(4) 工程應(yīng)用實(shí)踐表明，基于注漿模擬試驗(yàn)優(yōu)化的注漿及支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到了良好的止水和圍巖加固效果，圍巖的承載能力和穩(wěn)定性顯著提高，為富水強(qiáng)蝕變巖TBM段安全施工提供了保障。