梅花隧道淺埋暗挖段地表加固技術分析

■吳麗珍

(福建路港(集團)有限公司，泉州 362000)

1 工程概況

將樂梅花隧道是省道S308(縱七線)將樂縣梅花至玉華段公路的一部份， 設計樁號為K1+240～K2+370， 全長1130m，為長隧道。 本隧道區(qū)內構造相對穩(wěn)定，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石較破碎，且易形成排水通道，隧道洞身圍巖受其影響，圍巖級別降低。 本隧道為單洞雙車道，洞身凈寬14m，設計速度40km/h，二級公路標準。

樁號K1+750～K1+800 為隧道淺埋段， 且在K1+780處存在F2 斷層破碎帶，破碎帶發(fā)育，沿斷層帶巖石硅化強烈，局部發(fā)育斷層泥和劈理化帶。 斷層角礫及擦痕、階步等特征顯示， 本帶是多期多階段構造疊加、 復合的產(chǎn)物，地質情況復雜，圍巖差，在施工中易發(fā)生坍塌，極端情況會出現(xiàn)冒頂。 K1+760～K1+785 段為兩山之間低洼平地，最小覆蓋層厚度12.3m，最大覆蓋層35m，兩邊山坡地勢較陡峭。 根據(jù)該段地勘資料ZK2 顯示，主要有粉質粘土堆積層，厚度在2.2～5.3m，破碎狀的強風化粉砂巖，厚度在12.2～19.7m，在洞身局部有中風化粉砂巖。淺埋段區(qū)域地表水主要分布于山間溝谷中， 隧址區(qū)內未見常年性溪流，僅溝谷當中在降雨后出現(xiàn)間歇性水流，流水主要接受大氣降水的補給，受季節(jié)性影響變化較大?；鶐r構造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構造發(fā)育情況控制，一般地區(qū)導水性弱，但構造破碎帶附近，其導水性較好，主要接受大氣降水及地下水側向補給，水量變化較大，對隧道施工影響較大。

2 地表加固技術措施

針對淺埋段V 級圍巖地質條件差，在施工過程易發(fā)生坍塌、冒頂?shù)鹊刭|災害，為提高圍巖的強度，降低圍巖透水性能，增強隧道掘進時圍巖的穩(wěn)定性，在隧道洞身與地表間采用高壓注漿地表加固技術措施， 在隧道開挖輪廓線外6m 范圍內形成受力拱，如圖1 所示。 鉆孔注漿分三部分進行：(1) 在隧道初支外兩側打入Φ108 鋼管，90°垂直鉆孔，長度約25m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置，如圖2 所示。 (2)在隧道范圍內拱頂打入Φ76 鋼管，90°垂直鉆孔，長度約15m，直至隧道開挖面，間距1.5m×1.5m，梅花形布置，如圖3 所示。 (3)在兩側山腳之間打入Φ76 鋼管，6°至18°斜向鉆孔，長度20～25m，間距1.5m×1.5m，梅花形布置，兩側各布置4 排，如圖4 所示，第一排呈垂直打入， 第二排注漿孔方向角度與第一排垂直夾角呈6°，第三排注漿孔方向角度與垂直夾角呈12°， 第四排注漿孔方向角度與垂直夾角呈18°。 加固方式采用水泥單液注漿，標號為M30，水泥采取42.5R 級普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5∶1， 注漿壓力1～3.0MPa。 注漿順序為先注漿靠山一側，再注另一側，然后再注中間的，注漿順序宜按單、雙孔序孔進行，即先跳孔跳排，注單序孔，然后注剩下的雙序孔。為確保淺埋段安全渡過，地表注漿加固在洞身開挖前7 天完成。

圖1 節(jié)理裂隙帶斷層注漿示意圖

圖2 隧道初支兩側加固示意圖

圖3 隧道拱頂加固示意圖

圖4 隧道淺埋段縱斷面圖及山腳段加固改造圖

3 施工工藝

3.1 工藝流程

測量放樣→鉆孔布點→鉆機就位鉆孔→下管→注漿→二次(劈裂)注漿→結束。

3.2 施工技術

3.2.1 施工準備

(1) 在開鉆前對加固范圍內場地按統(tǒng)一標高進行平整，地表采用厚15cm 素混凝土噴層，避免地表水下滲軟化圍巖并起到穩(wěn)壓層的作用，根據(jù)地形水文情況，在施工區(qū)域上方15m 處設置截水措施， 在下游15m 處挖坑降水。

(2)按批復的施工方案組織人員、機械設備及材料等進場，按相關要求進行檢測后及時按程序報批。檢查攪拌機、注漿泵等設備運轉情況并做好各易損件的籌備工作：用1.5～2 倍于注漿終壓對系統(tǒng)進行注水試驗檢查， 并接好水、電；檢查管路系統(tǒng)能否耐壓，有無漏水，連接是否正確；檢查設備機況是否正常；使設備充分熱身，試運轉時間為20min。

(3)施工前，項目部嚴格按照設計要求及有關規(guī)范規(guī)定對施工班組進行技術交底，作好施工前安全文明教育，在施工人員掌握設計意圖、技術要求、施工順序后再進行注漿加固工程的施工。

3.2.2 試驗孔施工

(1) 根據(jù)設計要求選定Φ108-2# 孔、Φ108-100# 孔和Φ76-188# 孔作為試驗孔，利用全站儀放樣出孔位，鉆機就位固牢后開鉆。 過程中需檢查鉆桿的垂直度不得大于1%，如有偏差則利用鉆機進行修孔，保證成孔后的垂直度。在成孔后采用挖機進行下管，鋼管則按設計要求提前進行加工，接口采用焊接，接口質量檢查合格方能下管，在下管到位后施工長度不小于1m 的止?jié){塞， 在止?jié){塞砼達到一定強度后進行注漿施工。

(2)注漿停止條件采用定量-定壓相結合的方法控制，當注漿壓力逐漸上升,流量逐漸下降,注漿壓力達到設計終壓并穩(wěn)定10min 后, 即可結束該孔注漿。 當長時間注漿壓力不上升或注漿壓力在較小值附近, 且單孔注漿量達到設計單孔注漿量的2 倍時,可結束該孔注漿，施工情況如表1 所示：

表1 試驗孔鉆孔注漿情況表(施工時間：2018.12.9～12.10)

(3)施工中存在的問題

①在2# 孔鉆孔到位后，鉆機移位及到下管時間間隔63min，在下管到18m 深度時發(fā)現(xiàn)無法下管，原因為鉆孔完成后停滯時間過長，孔內塌孔而無法下管到位。

②在注漿過程加壓時，鉆孔的止?jié){段有上浮現(xiàn)象，致使注漿無法持續(xù)加壓，在孔口先是地下水冒出，持續(xù)注漿后出現(xiàn)濃漿，止?jié){措施達不到止?jié){的作用。

③在施工過程中發(fā)現(xiàn)淺埋段地下水位較高， 成孔后觀察地下水位在地面下5m 左右，對注漿質量存在影響。

(4)解決措施

①單孔成孔時間控制在25～35min， 注漿時間在15～25min，在成孔后應在30min 內完成下管且時間不得超過30min。

②完成下管就位后第一時間施工止?jié){塞， 止?jié){塞的長度應不低于1m，經(jīng)12 個小時后再進行注漿作業(yè)，以免止?jié){措施達不到效果。

③Φ108-100# 孔與Φ76-188# 孔注漿壓力達到0.6～0.7MPa，注漿量分別為0.612m3與0.558m3，鉆孔內體積分別分0.202m3與0.131m3， 則擴散的注漿量為0.208m3與0.227m3。 在孔口出現(xiàn)濃漿時停止注漿作業(yè)，綜合地下水位的影響，根據(jù)注漿量推算擴散半徑達不到設計要求，注漿效果不理想。

④針對試驗孔注漿效果不太理想的情況， 并綜合考慮地下水對鉆孔注漿的影響，結合以往類似的工程經(jīng)驗，對原設計的方案進行了優(yōu)化： 注漿工藝采用二次劈裂注漿進行施工，取消原設計的Φ76 與Φ108 鋼花管段，保留實管段作為護壁，防止注漿孔在地質不良段發(fā)生坍塌，在孔中先預埋一根Φ25 鍍鋅管， 長度為高出孔深至少50cm，并在原設計的注漿段長度范圍內對Φ25 鍍鋅管進行鉆孔，鉆孔外圈需用塑料膠布綁扎兩層，避免第一次注漿時水泥漿滲入。第一次注漿時注漿管需伸至孔底，在孔口冒出濃漿時再慢慢撥出。 第一次注漿時孔內地下水排水需預先用人工挖出小排水溝進行外排， 避免地下水亂排導致場地雜亂影響施工。注漿過程做好施工記錄，待一次注漿完成12h 后進行二次注漿，利用較大的注漿壓力，將漿液注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，趕走破碎土及巖體裂隙中的水分和空氣，并占據(jù)其位置，形成“結石體”，使原來松散圍巖膠結成一個整體，從而達到穩(wěn)定圍巖的效果，保證隧道施工的安全。 注漿工藝如圖5所示。

圖5 注漿工藝示意圖

3.3.3 鉆孔與注漿施工

(1)樁位放樣

根據(jù)設計圖紙確定鉆孔位置、鉆孔深度，對樁位進行統(tǒng)一編號，在地面按編號用小木樁進行布孔。

(2)鉆機就位鉆孔

①對鉆機進行調整復測樁位坐標， 確保鉆機準確定位及牢固，開鉆后記錄每節(jié)鉆桿長度，確保鉆孔深度。 鉆孔設備采用履帶式鉆機，配備3 名機手，成孔后及時進行鋼管接樁，避免出現(xiàn)塌孔返工現(xiàn)象。

②鉆孔位置依據(jù)平面圖施放，孔位偏差不大于5cm，鉆孔采取隔孔進行， 成孔的深度比設計孔深超出50cm，避免在未下管或下管過程中鉆孔坍塌達不到設計孔深。

(3)下管與注漿

①鉆孔完成后按設計要求下一根Φ25 塑料管，塑料管單根長度4m，根據(jù)孔深搭配塑料管，確保二次注漿塑料管伸入鉆孔底部，再對塑料管6m 長度進行鉆孔，鉆孔間隔25～35cm，用膠帶纏繞兩圈，二次注漿時當壓力達到一定程度，能在鉆孔位置爆開，水泥漿液在此位置擴散。塑料管底部、連接接頭需密封好，防止第一次注漿時水泥漿液進入管中，完成后繼續(xù)下注漿管。

②制漿時通過制漿桶水的體積根據(jù)水灰比， 確定每次制漿加入的水泥量， 并采用比重計對所制漿液進行檢查。 制漿攪拌時間不少于5min，制備好的漿液不得離析、不得停置時間過長，制成漿液(未加早強劑)停留時間不超過4h,水泥漿經(jīng)過濾后進入儲漿罐。

③先利用注漿管對孔位進行洗孔， 確保水泥漿液與孔壁有效粘結， 待孔內泥漿清洗干凈后進行第一次注漿(注漿壓力0～0.5MPa)， 待孔內水排出后注漿停止， 凝固12～24h 后進行第二次注漿，注漿利用之前預留Φ25 塑料管進行，壓力在1～8MPa。 開始注漿時因管內處于密封狀態(tài)，壓力會很快到達4～8MPa，沖破塑料管鉆孔位置膠帶后壓力值穩(wěn)定并慢慢降至1.5～3.0MPa， 待注漿量達到設計單孔注漿量2 倍或地下水擠壓出地面后注漿停止。

(4)施工要點

①鉆孔時應保持孔的垂直度，傾斜度不得大于1%，因巖層破碎，在鉆孔完成后應及時清孔下管，避免鉆孔坍塌造成無法下管，并做好鉆孔相關記錄。隧道輪廓線范圍內的鉆孔孔深必須根據(jù)地面標高與隧道開挖輪廓線標高進行計算得出。

②在注漿全部結束且達到一定強度時， 可進行取芯判定驗證注漿效果， 當注漿不能達到效果時可進行補注漿或在洞身施工時根據(jù)注漿質量進行隧道動態(tài)設計，確定隧道施工安全與質量。

③每5m 設置一個沉降觀測點， 在隧道洞身施工前進行觀測，隨時掌握淺埋段沉降情況。

④注漿時嚴格按已批復的配合比進行攪拌， 保證拌漿的連續(xù)性，注漿從外圍進行圍、堵、截，內部進行填、壓，以獲得良好的注漿效果。

⑤K1+780 斷層破碎帶寬度為2～4m， 鉆孔時應測量出斷層帶位置，在范圍內適當加密孔數(shù)，并通過鉆孔驗證斷層破碎帶真實情況。

⑥斷層破碎帶周圍注漿時， 應先進行斷層破碎帶范圍外的鉆孔注漿，再進行斷層破碎帶范圍內的鉆孔注漿。應掌握注漿實時情況， 遇到注漿量大且壓力一直無法上升時應停止注漿， 在水泥漿初凝時間快到前再進行注漿或采取雙液注漿， 單液注漿量按其他區(qū)域鉆孔或試驗孔的注漿量2 倍進行控制。 在取芯驗證時在斷層破碎帶范圍內需至少取一個孔驗證注漿質量， 作為洞身施工時是否要加強施工措施的依據(jù)。

4 注漿效果分析

在鉆孔注漿完成后， 通過鉆芯取樣進行鉆孔注漿質量檢測，通過對取樣巖芯進行結石率測試，了解漿液在地下的終凝程度，再對結石體進行抗壓強度測試，檢驗其強度是否滿足設計要求。 試驗結果表明： 巖體結石率達到96.7%， 符合規(guī)范巖體結石率必須達到95%以上的要求；巖體28d 平均抗壓強度達到9.5MPa，符合規(guī)范28d 極限抗壓強度不低于5.8MPa 的要求。同時通過注漿取得如下效果：

(1)施工安全得到保證。 目前該隧道淺埋段已采用小導管超前支護及雙側壁導坑法順利進洞并實現(xiàn)隧道貫通，開挖與初期支護已全部完成，施工中未出現(xiàn)坍塌或冒頂?shù)劝踩鹿?，保證了隧道工程的施工安全。

(2)工程質量得到保證。通過地表注漿加固，有效地隔絕了地表水，降低圍巖的透水性能，大大改善了原有巖層的物理力學性能，提高了圍巖的自穩(wěn)時間和承載能力，減少了初期支護的圍巖壓力， 保證了鋼支撐錨噴等初期支護長期穩(wěn)定，提高初支結構安全。 施工中通過地表沉降、洞內收斂及拱頂下沉進行監(jiān)控量測， 最大地表下沉值19mm， 最大拱頂下沉值23mm， 最大水平周邊收斂值12mm，量測結果滿足設計規(guī)范要求，圍巖和初支變形已穩(wěn)定，施工中未發(fā)現(xiàn)初支開裂或滲漏水現(xiàn)象。

(3)工期得到了保證。通過地表加固注漿處理，提高了圍巖的自穩(wěn)能力，加快了隧道的掘進速度，工作效率大大提高，縮短了淺埋段的施工工期。

5 結束語

梅花隧道淺埋暗挖段， 對粉砂巖殘積粘性土及碎塊狀強風化粉砂巖地表加固采用高壓注漿地表加固方法有效可行，第一次注漿可確保水泥漿液與孔壁有效粘結，防止塌孔，第二次劈裂注漿，利用較高的注漿壓力使水泥漿液有效擴散，滿足設計要求的擴散半徑，在隧道開挖輪廓線外加固形成受力拱， 使得隧道開挖過程中洞內沒有發(fā)生塌方，初期支護和二次襯砌也沒有開裂，隧道的變形都在允許范圍內，有效地保障隧道的施工安全。