地表注漿預(yù)加固施工在軟弱圍巖隧道淺埋段優(yōu)化開挖工法及支護參數(shù)中的應(yīng)用

丁俊昌

摘?要： 文章通過研究對貴南高鐵德慶隧道淺埋段軟弱圍巖進行地表注漿預(yù)加固，結(jié)合具體試驗數(shù)據(jù)，評估預(yù)加固效果，從而論證適當(dāng)優(yōu)化隧道開挖工法和支護參數(shù)的可行性，以提高隧道施工工效，縮短施工周期。

關(guān)鍵詞： 地表注漿;軟弱圍巖隧道;開挖工法;支護參數(shù);優(yōu)化

【中圖分類號】TU91?【文獻標(biāo)識碼】B?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.27.045

德慶隧道位于貴南高鐵河池至永安區(qū)間，是貴南高鐵控制性工程之一，為設(shè)計時速350km/h的單洞雙線隧道。隧道地處云貴高原向廣西盆地過渡的斜坡上，屬侵蝕-溶蝕作用形成的低山峰叢洼地、丘陵地貌。洞身通過灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、灰?guī)r為主的可溶巖地層長度約5423m;通過土層段長度1187m，圍巖穩(wěn)定性差。

1?隧道通過土層段原開挖工法及支護參數(shù)設(shè)計

德慶隧道穿過土層的5個段落設(shè)計開開挖支護方法為雙側(cè)導(dǎo)洞三臺階施工，施工工序及橫斷面圖如下：

第一步：（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架施作超前支護，弱爆破開挖①部;（2）施作①部導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護：即初噴拱部混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立上臺階鋼架，并設(shè)鎖腳錨管，施作超前小導(dǎo)管;（3）復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度后鉆設(shè)徑向錨桿。

第二步：（1）弱爆破開挖②部（導(dǎo)坑下臺階）;（2）施作②部導(dǎo)坑周邊的初期支護和臨時支護：即初噴邊墻混凝土、安設(shè)鋼筋網(wǎng)、接長邊墻鋼架和側(cè)壁臨時鋼架，并設(shè)鎖腳錨管;（3）復(fù)噴混凝土至設(shè)計厚度后鉆設(shè)徑向錨桿。

第三步：灌筑③部邊墻基礎(chǔ)并施作邊墻基礎(chǔ)抗傾覆錨管。

第四步：按第一步施工右導(dǎo)坑上臺階④。

第五步：按第二步施工右導(dǎo)坑下臺階⑤。

第六步：（1）架設(shè)邊墻基礎(chǔ)鋼架并施作邊墻基礎(chǔ)抗傾覆錨管;（2）灌筑⑥部邊墻基礎(chǔ)。

第七步：（1）利用上一循環(huán)架立的鋼架施作超前支護，開挖⑦部;（2）施作⑦部上臺階的初期支護和臨時支護：即噴射拱部混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立第一層拱部鋼架，并設(shè)擴大拱腳與鎖腳錨管，施作超前小導(dǎo)管并注漿，⑦部掌子面噴8cm砼臨時封閉。

第八步：利用第一層拱部鋼架施作第二層拱部鋼架，并打設(shè)鎖腳錨管，噴射拱部混凝土。

第九步：（1）在滯后于⑦部一段距離后，弱爆破開挖⑧部;（2）施作⑧部的初期支護：噴射邊墻混凝土，并將第二層拱部拱架與邊墻基礎(chǔ)鋼架連接。

第十步：弱爆破開挖⑨部并拆除臨時支護。

后續(xù)施工隧底軟基處理、防排水、二次襯砌以及其他附屬工程。

原設(shè)計采用的雙側(cè)導(dǎo)洞三臺階法，能夠有效控制淺埋隧道軟弱圍巖的地表下沉，保持掌子面的穩(wěn)定，安全可靠。但該工法開挖斷面分塊多，擾動大，初次支護至全斷面閉合的時間長，施工速度較慢，成本較高，嚴(yán)重影響后續(xù)工序的施工，制約著整個工程的施工工期。為了進一步提高施工效率，決定通過地表注漿預(yù)加固施工，提前改善隧道圍巖力學(xué)性質(zhì)，在確保隧道施工安全可控的情況下，優(yōu)化施工工法，縮短施工成本及施工周期。

2?地表注漿預(yù)加固施工

2.1?地表注漿試驗段的地質(zhì)情況

地表注漿試驗段位于DK300+805～+825段，長度20m，洞頂埋深為20m。隧道洞頂以上地質(zhì)為含礫粉質(zhì)黏土，褐黃色夾灰白色，硬塑狀，黏性一般，土質(zhì)不均勻，含硅質(zhì)角礫5～30%，局部夾礫砂土夾層;洞頂以下地質(zhì)為含黏土礫砂土，灰白色為主，局部夾褐黃色，稍濕-潮濕，中密，動探試驗時貫入困難，土質(zhì)均勻性較差，礫砂土級配差，顆粒以細(xì)礫和粉黏粒為主，粉黏粒含量一般大于30%，細(xì)礫平均含量33%，透水性較差，土體性質(zhì)接近粉質(zhì)黏土。

2.2?注漿加固范圍

DK300+805～+825段，長20m，注漿區(qū)域加固范圍為洞頂以上8m至底板以下1m;橫向加固范圍為開挖輪廓線外5m。注漿孔平面按間距1.5×1.5m等邊三角形布置。

2.3?注漿參數(shù)設(shè)計

采用袖閥管后退式分段多次注漿，袖閥管采用外徑Φ76mm，壁厚3.5mm的鋼管加工制作，每節(jié)長度4～6m，管節(jié)間連接采用直徑Φ89mm鋼管插管滿焊連接，外插管接頭長度50cm。袖閥管段設(shè)置直徑8mm溢漿孔，每斷面均勻布置3個溢漿孔，溢漿孔斷面間距為75cm，底端10cm加工成尖錐狀利于下入，在不注漿段管體與孔壁間設(shè)置套殼料，施作時在不加固段末端以上30cm范圍纏繞麻絲柱塞，然后下管到位后灌注套殼料。套殼料用膨潤性粘土和水泥漿液攪拌而成。具體注漿參數(shù)如下：

2.4?地表注漿施工方案

采用袖閥管后退式分段多次注漿，使得漿液在地層中擴散形成漿脈骨架，并通過反復(fù)劈裂、擠密地層，以降低地層含水率，增加地層密實度，提高地層穩(wěn)定性。袖閥管注漿順序按發(fā)散-約束型注漿原則進行，先外后內(nèi)、分序間隔跳孔注漿施工作業(yè)。具體注漿施工工藝如下：

①鉆孔：鉆孔直徑130mm，鉆孔深度應(yīng)達到設(shè)計注漿固結(jié)段深度，鉆孔垂直度誤差小于1%;

②下管：鉆孔至設(shè)計深度后，下入袖閥管，在注漿部位下有擴散孔注漿管，非注漿部位下無擴散孔注漿管，每節(jié)袖閥管之間采用直徑89mm，長50cm的鋼管，插管并滿焊連接。

③澆注套殼料：袖閥管安設(shè)到位后，在袖閥管與孔壁之間，由下到上注入套殼料孔口溢出，待凝固后注漿;待套殼料強度滿足施工要求后，下入止?jié){塞，按照設(shè)計注漿參數(shù)，實施注漿作業(yè)。

④漿液配制：根據(jù)攪拌桶容量和配合比計算現(xiàn)場施工每桶實際配合比，并在攪拌桶刻度標(biāo)示，根據(jù)刻度標(biāo)示首先在攪拌機中加入水，啟動攪拌機，加入水泥，強力攪拌，混合均勻待用。

⑤注漿施工：單孔注漿方式采取后退式分段注漿工藝，即在注漿段內(nèi)由孔底進行注漿，每次注漿段長1m，注完第一注漿段后，后退注漿芯管，進行第二注漿段的注漿，以此下去，直至完成注漿段注漿。注漿過程中應(yīng)做好詳細(xì)的注漿記錄，并對漿液進行凝膠時間的測定，確保注漿施工效果。

⑥注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：按注漿壓力和注漿量相結(jié)合的雙控標(biāo)準(zhǔn)，注漿設(shè)計終壓3.0～4.0MPa（或現(xiàn)場試驗調(diào)整），注漿壓力達到設(shè)計注漿終壓，并維持5～10min，即可結(jié)束該孔注漿;注漿過程當(dāng)實際注漿量達到設(shè)計注漿量1.5倍（設(shè)計注漿量按照20%孔隙率核算）仍未達到設(shè)計終壓，立即停止注漿，調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間，使得壓力到達設(shè)計終壓，結(jié)束注漿。

⑦封孔：注漿效果檢查合格后，應(yīng)對注漿孔進行清理，采用M15水泥砂漿或水泥漿封堵注漿孔及檢查孔。

⑧注漿結(jié)束后，在注漿管上重新蓋上封蓋，以便于復(fù)注施工。

3?地表注漿預(yù)加固效果論證

3.1?注漿后的巖土物理力學(xué)指標(biāo)測定

注漿前選取DK300+810～+812段上臺階基礎(chǔ)4個點進行地基承載力測試，通過土工試驗報告得出地基承載力分別為91 KPa、116 KPa、124 KPa、84KPa;注漿后選取DK300+812～+815段上臺階基礎(chǔ)4個點進行地基承載力測試，通過土工試驗報告得出地基承載力分別為292KPa、316 KPa、324 KPa、300KPa。

注漿試驗段通過土工試驗檢測得出結(jié)果：地基承載力達到300kPa、含水率20.5%、黏聚力65KPa、內(nèi)摩擦角38.8°、回彈模量16957KPa，土體性能得到了有效改善，土體自穩(wěn)性和承載力有較大的提高，部分物理力學(xué)指標(biāo)達到Ⅳ級圍巖。

3.2?開挖后的掌子面巖土固結(jié)情況

對注漿段落開挖揭示掌子面效果進行觀察，注漿后，掌子面含礫黏土、礫砂土有效加固，無水，掌子面自穩(wěn)性好，無任何坍塌;觀察漿液對地層的加固狀況，主要表現(xiàn)為填充擠壓方式，地層垂直滲流的特性，土層孔隙率較大，經(jīng)高壓注漿，形成漿脈，以脈狀擴散方式形成網(wǎng)狀加固結(jié)構(gòu)，達到固結(jié)土層、堵水的目的。注漿效果見圖2。

3.3?注漿段開挖后隧道沉降、收斂情況

（1）拱頂下沉量測

（2）周邊收斂量測

監(jiān)控量測分析：上臺階開挖支護后，在4～5天后拱頂沉降趨于穩(wěn)定，通過近一個月的觀測，拱頂沉降最大為45mm，周邊收斂最大值為16.5mm，遠小于開挖工法相同的未進行注漿加固的德慶隧道出口深厚黏土（礫砂土）試驗段同期沉降量和周邊收斂值。

3.4?地表注漿試驗成果總結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場開挖揭示效果，注漿壓力控制在2～3MPa，能達到注漿效果，試驗段注漿量共計2567.3m3，注漿填充率約18%。 在本工程復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境條件下，采用袖閥管后退式分段注漿能加固圍巖，經(jīng)地表加固后，圍巖力學(xué)性能改善，地基承載力提高，地層含水率降低，拱頂沉降得到了有效控制，根據(jù)注漿范圍取樣檢測結(jié)果：地基承載力300kPa、含水率20.5%、黏聚力65KPa、內(nèi)摩擦角38.8°、回彈模量16957KPa，部分物理力學(xué)指標(biāo)達到Ⅳ級圍巖;注漿效果明顯，能達到預(yù)期目的，注漿后的圍巖具備隧道開挖工法優(yōu)化的條件。

4?注漿后優(yōu)化后的施工方案

通過對地表注漿預(yù)加固結(jié)果進行論證，注漿后開圍巖物理力學(xué)指標(biāo)達到Ⅳ級圍巖，故可將挖工法優(yōu)化為三臺階工法。上臺階施工長度為8m，臺階高度為5.6m;中臺階考慮上、中臺階開挖出渣、φ76管棚施工長度等距離，中臺階長度37m，中臺階臨時仰拱封閉距掌子面15m;下臺階開挖支護后，在距離掌子面45m封閉成環(huán)。施工工序及橫斷面圖如下：

（2）施工步序

第一步：①利用上一循環(huán)架立的鋼架施作超前支護Φ42雙層小導(dǎo)管（縱向間距1.2m，單根長4.5m，環(huán)相間距30cm，共67根）并注漿。

第二步：①開挖上臺階，每循環(huán)開挖進尺1.2m，施作初噴混凝土;②施作上臺階的初期支護：鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立拱部鋼架，施作系統(tǒng)錨桿，施作鎖腳錨管，噴射初支混凝土;

第三步：①開挖中臺階，中臺階左右分幅開挖，每循環(huán)開挖進尺1.2m，施作初噴混凝土;②施作中臺階的初期支護：鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立鋼架，施作系統(tǒng)錨桿，施作鎖腳錨管，噴射初支混凝土;

第四步：施工中臺階臨時仰拱;

第五步：（1）開挖③部下臺階，下臺階左右分幅開挖，施作初噴混凝土，掌子面噴10cm砼臨時封閉;（2）施作下臺階的初期支護：即噴射邊墻混凝土，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，架立鋼架，并施作鎖腳錨管，噴射初支混凝土。（3）施作Φ42徑向錨管，并注漿加固地層。

第六步：（1）施作底板鋼架;（2）噴射底板混凝土。

第七步：拆除中臺階臨時仰拱。

后續(xù)施工隧底軟基處理、防排水、二次襯砌以及其他附屬工程。

5?結(jié)束語

在軟弱圍巖隧道施工過程中，遇圍巖松散等不良地質(zhì)條件，將嚴(yán)重影響開挖的安全，大大增加施工成本，制約著施工工期。有效的解決方法是通過預(yù)加固措施提高軟弱地層的強度和圍巖穩(wěn)定性。其中地表注漿預(yù)加固措施在德慶隧道淺埋段軟弱圍巖預(yù)加固施工中，收到很好的預(yù)加固效果，保證了隧道工程在安全的前提下高效、順利地完成施工任務(wù)。

參考文獻

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