穿越山谷破碎地層淺埋隧道施工技術(shù)

菅永明

(貴州紫望高速公路建設(shè)有限公司，貴州 安順 560800)

我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施迅猛發(fā)展，但交通隧道工程數(shù)量快速增加的同時(shí)，也遇到各種不良地質(zhì)條件下的高施工難度和風(fēng)險(xiǎn)的挑戰(zhàn)。隧道淺埋地段一般多出現(xiàn)在進(jìn)出口段，但受山區(qū)連綿起伏的山地形貌及環(huán)境保護(hù)的限制，在隧道的設(shè)計(jì)中穿越地形較為平坦的山谷地帶也并不鮮見(jiàn)[1]。由于山谷地帶屬于兩側(cè)山體坡腳的交會(huì)處，降雨沿兩側(cè)山坡流至山谷平緩地帶而漫流，因而此地段的地層除了軟弱破碎，而且還含水量較大。由于山谷淺埋段地層松軟破碎，含水量大，因而圍巖穩(wěn)定性極差，在隧道施工過(guò)程中極易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)坍塌至地表。為保證施工安全，必須從洞內(nèi)、洞外對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行加固，加強(qiáng)支護(hù)，采用合理工法進(jìn)行施工。

1 工程概況

貴州省紫望高速紫云隧道位于安順市紫云縣境內(nèi)，為雙向四車道分離式隧道。紫云隧道左、右洞長(zhǎng)分別為2 159 m和2 120 m，左、右洞最大埋深分別為262.1 m和255.2 m。紫云隧道工程區(qū)屬溶蝕峰林谷地及低中山地貌，山體自然坡度30～65°，植被發(fā)育。

紫云隧道左洞山谷平地左洞ZK7+928—ZK7+976段落橫向坡度較緩，平均埋深約16.8 m。該段隧道圍巖為Ⅴ級(jí)，開(kāi)挖跨度為12.86 m，開(kāi)挖高度10.24 m(含預(yù)留變形量)，見(jiàn)圖1。地層巖性主要為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化頁(yè)巖、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖及強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石巖，含水量較大。強(qiáng)風(fēng)化巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部開(kāi)挖時(shí)易坍塌至地表，側(cè)壁易失穩(wěn)。由于此段落地表為山間過(guò)水通道，地勢(shì)較為平坦，集中降雨?duì)顟B(tài)下隧道開(kāi)挖后可能呈淋雨?duì)畛鏊?/p>

圖1 山谷淺埋段設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

根據(jù)山谷段隧道埋深較淺、圍巖破碎且含水量較大的特點(diǎn)，決定采用地表注漿方式對(duì)地層進(jìn)行加固，以提高圍巖穩(wěn)定性。地表注漿與洞內(nèi)施工平行作業(yè)，從而避免了洞內(nèi)注漿對(duì)洞內(nèi)隧道正常施工的干擾，對(duì)加快隧道施工進(jìn)度有利。

2 地表注漿加固

2.1 加固范圍的確定

地表注漿采用袖閥管滲透注漿方式加固地層。注漿加固地層是在一定注漿壓力的作用下將漿液通過(guò)鋼花管壁上的注漿孔壓入滲透到地層，填充地層中的裂隙或孔洞并凝結(jié)硬化，與破碎圍巖一起形成固體。所形成的固結(jié)體的力學(xué)性能比原地層力學(xué)性能有顯著改善，從而有效提高地層的穩(wěn)定性，促使隧道開(kāi)挖后在圍巖中形成穩(wěn)定承載拱。

根據(jù)山谷淺埋破碎段圍巖的特點(diǎn)，注漿加固范圍為淺埋段隧道斷面兩側(cè)輪廓外8 m、隧道拱頂以上10 m和仰拱以下2 m范圍，地表以下6.5 m范圍作為止?jié){段，如圖2所示。

圖2 注漿加固范圍(單位：m)

2.2 注漿技術(shù)參數(shù)

依據(jù)所注漿加固技術(shù)的功能性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和可實(shí)施性來(lái)制定地表注漿加固方案。紫云隧道山谷淺埋段圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化地層，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，因而地表鉆孔直徑90 mm，縱橫間距為1.2 m×1.2 m，注漿孔梅花形布置，擴(kuò)散半徑0.75 m。左洞地表注漿鉆孔位置如圖3所示。

圖3 地表注漿孔布置

漿液采用滲透性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、價(jià)格便宜的水泥基漿液。注漿范圍周邊孔的注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙漿液，在加固范圍外圍形成約束，避免漿液擴(kuò)散到地層加固區(qū)以外，內(nèi)部孔采用單水泥漿。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽，水玻璃模數(shù)不小于3.0，波美度不低于40 Be'，注漿時(shí)稀釋成15～20 Be'。水泥漿水灰比1∶0.8～1∶1，水泥漿與水玻璃雙漿液的體積比為1∶1，雙漿液的漿液初凝時(shí)間為90～110 s。地層孔隙率0.35～0.45，孔隙填充率取0.6，則預(yù)估單孔注漿漿液量為8.2～11.8 m3。注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa。

2.3 注漿方案實(shí)施

袖閥管注漿是在注漿壓力作用下把漿液壓入裂隙地層，利用注漿芯管上的阻塞器可以實(shí)現(xiàn)分層或分段注漿，可根據(jù)地層破碎特性或注漿實(shí)際需要來(lái)確定鉆孔注漿區(qū)段或注漿范圍，實(shí)現(xiàn)分段注漿。采用袖閥管分段注漿工藝，可以有效解決普通靜壓注漿工藝注漿加固范圍難以控制的問(wèn)題。

袖閥管主要由袖閥注漿管、管外套殼料和注漿內(nèi)套管組成[2]。袖閥注漿管由鋼質(zhì)內(nèi)管和鈣塑聚丙烯塑質(zhì)的塑料外管組成，外管內(nèi)徑68 mm、內(nèi)管外徑48 mm，內(nèi)外管壁上均鉆設(shè)直徑8 mm的溢漿孔，如圖4。在外管溢漿孔處外套耐橡膠套，注漿時(shí)，漿液在壓力作用下通過(guò)出漿孔被壓入地層，而圍巖中的裂隙水或土顆粒不能進(jìn)入注漿管中，也即溢漿孔具有單向閥的作用。鉆孔管壁與袖閥管外管之間充滿水泥-粘土漿液的套殼料。

圖4 袖閥管構(gòu)造

注漿順序采用先注加固范圍的周邊孔，然后從外向內(nèi)依次推進(jìn)完成所有內(nèi)部孔注漿。對(duì)每排注漿孔采用從兩端到中間的順序灌注，以盡量降低冒漿的可能性。為保證注漿加固效果，采用從下向上分段注漿方式，分段長(zhǎng)度0.6 m。隨著注漿的進(jìn)行，漿液流量逐漸減小，而壓力逐漸增大。當(dāng)流量降低至6 L/min以下，壓力也逐漸增大，當(dāng)注漿壓力穩(wěn)定在2.0 MPa持續(xù)10 min后結(jié)束本段注漿。

2.4 鉆孔取芯檢查

為了搞清楚袖閥管注漿對(duì)淺埋段破碎圍巖的加固效果，對(duì)注漿固結(jié)體取芯，檢查裂隙圍巖-漿液固結(jié)體的整體性，測(cè)試固結(jié)體強(qiáng)度。在隧道中線及開(kāi)挖輪廓兩側(cè)共取芯3處。取芯檢查結(jié)果表明，注漿孔周邊圍巖中的裂隙幾乎全部被漿液填充。對(duì)固結(jié)體巖芯進(jìn)行養(yǎng)生，測(cè)得其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度6.7～12.2 MPa，平均值為10.2 MPa，滿足規(guī)范中28 d抗壓強(qiáng)度不低于5.8 MPa的要求。

3 地表注漿加固效果分析

為驗(yàn)證地表袖閥管注漿對(duì)地層的加固效果，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型對(duì)隧道施工過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行分析。

3.1 計(jì)算模型

將地層及注漿加固區(qū)均視為摩爾-庫(kù)侖理想彈塑性材料，初期支護(hù)視為均勻的理想彈性材料，提高初期支護(hù)材料的彈模來(lái)間接考慮鋼拱架的作用。超前小導(dǎo)管注漿加固效果等效為加固區(qū)來(lái)考慮。地層和初支均用六面體實(shí)體單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。通過(guò)提高注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)來(lái)考慮地層注漿加固效果。數(shù)值計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值計(jì)算模型

3.2 材料計(jì)算參數(shù)

地層的力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查資料確定，注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)值確定，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)根據(jù)規(guī)范確定，模型計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算模擬臺(tái)階法施工，開(kāi)挖進(jìn)尺0.6 m，上下臺(tái)階開(kāi)挖面錯(cuò)開(kāi)4.2 m，上臺(tái)階開(kāi)挖超18 m后開(kāi)始施作仰拱，每次施作2.4 m。以模型中部截面為研究對(duì)象，分析隧道施工引起的變形及支護(hù)受力特點(diǎn)，判斷注漿加固效果是否滿足施工要求。

3.3.1 變形

圖6為施工過(guò)程斷面拱頂上方地表沉降、拱頂沉降及水平收斂曲線。可以看出，隧道拱頂沉降和水平收斂均是在開(kāi)挖面到達(dá)時(shí)變化速率最大，隨后隨著開(kāi)挖面離開(kāi)監(jiān)測(cè)斷面距離的增大，變形逐漸趨于穩(wěn)定，地表沉降變化較為緩和。隧道拱頂沉降和地表沉降最大值分別為14.9 mm和7.2 mm，水平收斂最大值為20.5 mm。圍巖經(jīng)過(guò)注漿加固后，有效控制了圍巖變形。

圖6 隧道施工過(guò)程中變形曲線

3.3.2 支護(hù)受力

圖7為初支噴層的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.42 MPa，小于C25噴混凝土的極限抗拉強(qiáng)度；最大壓應(yīng)力為4.8 MPa，遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，因而支護(hù)受力是安全的。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.3.3 錨桿應(yīng)力

圖8為模擬施工完成后錨桿的軸力分布云圖。兩側(cè)邊墻處的錨桿中部應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為44.8 MPa，遠(yuǎn)小于錨桿的抗拉強(qiáng)度。

圖8 錨桿應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.3.4 圍巖塑性區(qū)分布

從圖9隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布可以看出，由于注漿加固后地層穩(wěn)定性明顯提高，隧道開(kāi)挖后圍巖塑性區(qū)厚度較小。在超前支護(hù)保護(hù)下，拱部塑性區(qū)厚度小于兩側(cè)邊墻處的厚度。錨桿也穿透了圍巖塑性區(qū)，進(jìn)入彈性區(qū)穩(wěn)定地層。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布

從以上對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析可以看出，經(jīng)過(guò)地表袖閥管注漿對(duì)地層進(jìn)行加固，隧道圍巖穩(wěn)定性得到顯著提升，可以保證施工安全，因而，此山谷淺埋段隧道可以采用工序簡(jiǎn)單的臺(tái)階法施工。

4 開(kāi)挖及支護(hù)

4.1 超前加固

由于在地表對(duì)淺埋段隧道破碎圍巖進(jìn)行了袖閥管注漿加固，鉆孔取芯結(jié)果表明圍巖裂隙被漿液充滿，凝固漿液與裂隙巖體形成了具有較好力學(xué)性能的固結(jié)體，圍巖穩(wěn)定性得到顯著改善。因而，隧道超前支護(hù)可以采用剛度和強(qiáng)度相對(duì)較為適中的超前注漿小導(dǎo)管。

小導(dǎo)管布置在拱部120°范圍，長(zhǎng)4 m，直徑42 mm，環(huán)向間距3根/m，外插角10～15°，每循環(huán)開(kāi)挖2.4 m，前后相鄰兩個(gè)循環(huán)搭接1.5 m。注漿漿液采用0.8∶1～1∶1的水泥漿，必要時(shí)可采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。超前小導(dǎo)管尾端固定在鋼拱架上。

4.2 開(kāi)挖工法及支護(hù)方案

原破碎圍巖經(jīng)過(guò)袖閥管注漿加固后，地層穩(wěn)定性得到顯著提升，因而選擇施工工序較為簡(jiǎn)單的臺(tái)階法施工，必要時(shí)上臺(tái)階可以預(yù)留核心土支擋開(kāi)挖面。用小炮配合機(jī)械開(kāi)挖，掘進(jìn)進(jìn)尺為0.6 m。

隧道上臺(tái)階開(kāi)挖之前先施作注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。每部開(kāi)挖后及時(shí)掛?6.5 mm鋼筋網(wǎng)，分次噴射C25噴混凝土初期支護(hù)，噴層厚度26 cm，架設(shè)I20b鋼拱架，間距0.6 m，相鄰兩榀鋼架之間用間距1 m的?22 mm螺紋鋼連接。在拱架兩側(cè)底端各打設(shè)長(zhǎng)3 m ?42 mm的注漿鎖腳錨管2根，并與鋼架連接牢靠。打設(shè)上臺(tái)階系統(tǒng)錨桿，拱部錨桿采用長(zhǎng)3.5 m的?25 mm中空注漿錨桿，其它部位采用砂漿錨桿。錨桿間距0.6 m×1.2 m(環(huán)×縱)，梅花形布置。依次開(kāi)挖支護(hù)下臺(tái)階及仰拱，實(shí)現(xiàn)仰拱封閉。在開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)局部滲水滴水現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)有股狀流水。

4.3 變形監(jiān)測(cè)

在隧道施工過(guò)程中進(jìn)行了拱頂沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)斷面拱頂沉降值分別為13.4 mm和12.0 mm，略小于模擬計(jì)算結(jié)果的14.9 mm。

5 結(jié)論

(1)基于紫云隧道山谷緩坡地段隧道埋深淺、圍巖破碎、地下水豐富等不利地質(zhì)條件導(dǎo)致隧道開(kāi)挖后穩(wěn)定性差的工程實(shí)際情況，采用地表袖閥管注漿技術(shù)對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固，從而降低圍巖滲透性，有效提升圍巖穩(wěn)定性，保證隧道施工安全。

(2)為檢查地表袖閥管注漿對(duì)地層的加固效果，利用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)注漿加固范圍內(nèi)取芯并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)到10.2 MPa，滿足規(guī)范要求。隧道開(kāi)挖過(guò)程中雖然出現(xiàn)了局部滲水滴水的情況，但未發(fā)現(xiàn)股狀流水。

(3)建立三維數(shù)值模型，對(duì)注漿加固后圍巖在隧道施工過(guò)程中的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行分析。從地表沉降、隧道變形、初期支護(hù)噴層應(yīng)力、錨桿應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)特征來(lái)看，采用袖閥管注漿對(duì)地層進(jìn)行加固后，圍巖穩(wěn)定性得到有效提升，能夠保證隧道施工安全。數(shù)值計(jì)算結(jié)果和隧道施工中拱頂沉降位移現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明了注漿加固效果的有效性。