超前深孔劈裂注漿技術(shù)在高含水率黃土高鐵隧道中的應(yīng)用研究

賈元霞

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

寶蘭高鐵是我國(guó)在西北黃土高原地區(qū)修建的首條高速鐵路，全線共有隧道71座，總長(zhǎng)272.4 km，隧線比達(dá)68%，其中，51.5 km(65座)隧道洞口或洞身穿越黃土地層，占全線隧道總長(zhǎng)的19%。沿線黃土分布廣泛，特別是天水至蘭州段，需穿越我國(guó)黃土濕陷性最強(qiáng)、黃土陷穴最發(fā)育、黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)域[1-3]。同時(shí)，沿線有利的補(bǔ)水條件及易于富水的黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)地層等特殊地質(zhì)條件，孕育出連續(xù)分布的高含水率黃土地層[4-6]。本線隧道開(kāi)挖斷面達(dá)160 m2，由于黃土垂直節(jié)理發(fā)育，施工過(guò)程中易出現(xiàn)支護(hù)整體變形大、地表開(kāi)裂甚至突然性塌方，施工風(fēng)險(xiǎn)大[7-9]。而黃土具有特殊的水敏性，在低含水率條件下表現(xiàn)出較高強(qiáng)度和良好自穩(wěn)能力，當(dāng)含水率較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)軟、流塑性質(zhì)，自穩(wěn)性很差[10-11]。在高含水率黃土地層中修建隧道，易出現(xiàn)掌子面突水涌泥及圍巖變形失穩(wěn)，處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)洞頂坍塌，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)地表下沉，甚至冒頂塌方[12-14]。

雖然以往鄭西、西延、寶中、神延等鐵路建設(shè)過(guò)程中在黃土隧道修建技術(shù)方面積累了大量經(jīng)驗(yàn)并取得豐碩科研成果[15-17]，并形成了部分高含水黃土隧道修建關(guān)鍵技術(shù)[18-22]，但寶蘭高鐵面臨的在連續(xù)長(zhǎng)段落高含水率黃土地層中修建大斷面隧道尚屬首次，在含水率高、圍巖穩(wěn)定性差、地基承載力低的黃土地層中進(jìn)行大跨度隧道開(kāi)挖施工，缺少相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，也是黃土隧道工程中亟待解決的一個(gè)創(chuàng)新性技術(shù)難題。

1 寶蘭高鐵黃土物理力學(xué)特性分析

寶蘭高鐵沿線10座典型黃土隧道的762組黃土試樣(主要為Q3砂質(zhì)黃土)室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，其平均含水率為16.5%，接近塑限，最高含水率為31%，達(dá)到飽和狀態(tài)；平均飽和度為64.8%，壓縮模量?jī)H為6.7 MPa，如表1所示。

表1 寶蘭高鐵及鄭西高鐵黃土物理力學(xué)參數(shù)對(duì)比

與鄭西高鐵沿線隧道穿越的黃土地層相比[15]，寶蘭高鐵穿越的黃土地層含水率及飽和度明顯偏高，土體密度和干密度也稍高，但孔隙比稍小，壓縮模量?jī)H為鄭西高鐵的一半左右，黏聚力略大，內(nèi)摩擦角幾乎相同，表明兩個(gè)地區(qū)的黃土在抗剪能力上相差不大。寶蘭高鐵穿越的黃土區(qū)與鄭西高鐵最大的區(qū)別是黃土含水率較高。

通過(guò)鄭西高鐵研究成果和寶蘭高鐵現(xiàn)場(chǎng)含水率的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)黃土含水率進(jìn)行分類，并給出對(duì)應(yīng)的黃土狀態(tài)，如表2所示。根據(jù)黃土隧道圍巖含水率的分類，寶蘭高鐵沿線黃土以中高-高含水率為主，含水率在20%以上的隧道比例很高，部分黃土隧道含水率可達(dá)28%～29%，接近飽和。

表2 黃土含水率分類

2 高含水率黃土隧道施工典型病害

以寶蘭高鐵上莊隧道為例，洞身主要穿越第四系上更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土、第四系中更新統(tǒng)黏質(zhì)黃土及第三系上新統(tǒng)泥巖，隧道出口DK983+060～DK982+780段由于埋深淺，地表沖溝發(fā)育，加之隧道所處地區(qū)近年降雨豐富，導(dǎo)致洞身土體含水率高，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)黃土圍巖含水率為25.7%～32.1%，呈軟塑狀，自穩(wěn)能力差、承載力低(僅100 kPa左右)。開(kāi)挖后掌子面土體暴露一段時(shí)間后，土體含水率進(jìn)一步增大，圍巖整體穩(wěn)定性進(jìn)一步變差，施工開(kāi)挖過(guò)程中局部掉塊、坍塌和溜坍現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，且在DK982+998、DK983+020、DK983+054等里程掌子面發(fā)生較為嚴(yán)重的溜塌和突涌現(xiàn)象，地表出現(xiàn)裂縫，如圖1所示。隧道施工過(guò)程中雖然多次調(diào)整圍巖等級(jí)并加強(qiáng)支護(hù)措施，但高含水率黃土圍巖病害問(wèn)題仍頻繁發(fā)生。施工期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，拱頂最大累計(jì)沉降量達(dá)617.4 mm，最大收斂值達(dá)236.2 mm，初期支護(hù)局部出現(xiàn)大變形和侵限。

圖1 上莊隧道正洞掌子面突涌、溜塌

此外，與上莊隧道線路正線相交里程為DK980+700的斜井，在進(jìn)洞32 m處基底出現(xiàn)滲水，實(shí)測(cè)基底黃土含水率為28.8%。隨掌子面推進(jìn)，滲水位置上升，進(jìn)洞130 m時(shí)掌子面土體呈淤泥狀，含水率為32%，滲水量約60 m3/d，拱頂下沉最大達(dá)1.5 m[21]?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增設(shè)管棚、掌子面打設(shè)木樁、加強(qiáng)初支等手段仍無(wú)法控制下沉，最終因掌子面無(wú)法自穩(wěn)出現(xiàn)滑移、坍塌，如圖2所示。

圖2 上莊隧道斜井掌子面涌泥、坍塌

現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)掌子面上、中、下臺(tái)階的含水率及仰拱基底承載力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 洞身含水率、基底承載力試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3 超前深孔劈裂注漿方案

由于病害段隧道埋深較大，且洞內(nèi)飽和黏質(zhì)黃土滲透性較差，從地表或洞內(nèi)進(jìn)行降水均難以實(shí)現(xiàn)，需在洞內(nèi)對(duì)掌子面前方一定范圍軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)加固?？紤]到以往類似工程采用的水平旋噴樁方案施工效率較低、加固效果不易保障等問(wèn)題，綜合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，最終確定“超前深孔劈裂注漿+管棚”施工方案。不同于常規(guī)劈裂注漿，一般劈裂注漿并不改變土層的物理力學(xué)性質(zhì)，主要是通過(guò)漿液形成的骨架起到加固作用。而針對(duì)富水黃土的擠壓排水注漿主要是通過(guò)高壓擠出土中水分來(lái)改善黃土物理力學(xué)性質(zhì)，漿液骨架作用仍然存在，但主要是前者的作用，其作用原理如圖3所示。

圖3 高壓排水注漿作用機(jī)理

3.1 注漿工藝選擇

目前，隧道洞內(nèi)深孔帷幕注漿主要采用“分段前進(jìn)式注漿”和“鉆桿后退式注漿”施工工藝。上莊隧道施工前期，在斜井井身相同地質(zhì)條件下進(jìn)行深孔帷幕注漿試驗(yàn)段施工，采用“分段前進(jìn)式注漿”工藝，整個(gè)注漿段(25 m)注漿施工共計(jì)34 d，開(kāi)挖揭示注漿效果較理想，滿足開(kāi)挖施工要求。但上莊隧道正洞開(kāi)挖斷面大，約為斜井開(kāi)挖斷面的5倍，對(duì)工期、注漿效果要求均較高，且“分段前進(jìn)式注漿”重復(fù)掃孔工程量大，工期不能保證，而“鉆桿后退式注漿”為一次性成孔，后退注漿，由于上莊隧道出口為黃土富水地層，能滿足“鉆桿后退式注漿”施工的要求。故經(jīng)比選，最終確定“鉆桿后退式注漿”施工工藝。

3.2 漿液類型選擇

目前常用的漿液類型有：普通水泥單液漿、水泥水玻璃雙液漿、快硬硫鋁酸鹽水泥單液漿、超細(xì)水泥等，不同漿液的特點(diǎn)如表4所示。

表4 不同漿液優(yōu)缺點(diǎn)分析

在帷幕注漿施工中，由于全加固范圍內(nèi)均為高含水率黃土，遇水軟化成流塑狀，為避免漿液流動(dòng)性過(guò)強(qiáng)造成水泥漿的流失，同時(shí)為加快注漿施工，漿液的初凝時(shí)間必須控制在60 s以內(nèi)。既有研究表明，水玻璃可與黃土中的堿土金屬發(fā)生化學(xué)作用，生成一種堿金屬水合硅酸鹽和二氧化硅凝膠，充填了黃土中的孔隙，增加了土粒間膠結(jié)力，使土體硬化，強(qiáng)度增加。同時(shí)，水玻璃能加快水泥的水化作用，使水泥漿液初凝時(shí)間加快，結(jié)石體早期強(qiáng)度提高[22]。故本項(xiàng)目注漿選擇普通水泥-水玻璃雙液漿，漿液初凝時(shí)間控制在30～35 s。

3.3 注漿方案設(shè)計(jì)

(1)止?jié){墻：止?jié){墻采用C35混凝土澆筑，厚3.0 m，周邊采用2排環(huán)向間距1.0 m，排距1.0 m，長(zhǎng)3 m的φ25 mm砂漿錨桿，嵌入圍巖2 m。周邊預(yù)埋長(zhǎng)1.5 m，φ42 mm導(dǎo)管，止?jié){墻澆筑完成后，通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)行注漿對(duì)止?jié){墻與初期支護(hù)間的裂隙進(jìn)行封閉。

(2)加固范圍：縱向長(zhǎng)25 m(含止?jié){墻)，全斷面超前注漿加固范圍為開(kāi)挖輪廓線外5 m，擴(kuò)散半徑為1.8 m，共設(shè)2個(gè)終孔斷面，總共設(shè)計(jì)86個(gè)孔，如圖4所示。

圖4 帷幕注漿開(kāi)孔布置(單位：m)

(3)漿液參數(shù)：漿液類型為普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比mW∶mC=0.8∶1，水玻璃波美度為30～40°Bé，水泥與水玻璃混合配比mC∶mS=1∶1。

(4)注漿工藝：全斷面超前注漿采用“鉆桿后退式注漿”施工工藝，分段長(zhǎng)2 m。施工采用多功能地質(zhì)鉆機(jī)開(kāi)φ130 mm孔，開(kāi)孔深1.5 m，安設(shè)1.5 m長(zhǎng)φ108 mm孔口管，再通過(guò)孔口管鉆設(shè)φ63 mm的孔進(jìn)行注漿施工。為進(jìn)一步明確加固范圍內(nèi)圍巖情況，先施作B1、B4、B7、B10、B13、B16、B18孔作為超前地質(zhì)探孔，對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行判釋。在上述7孔施作完畢后，注漿順序按發(fā)散-約束型注漿原則進(jìn)行，采用“先外后內(nèi)、由下到上、間隔跳孔”的原則進(jìn)行其他注漿孔施工。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采取定壓定量相結(jié)合的控制標(biāo)準(zhǔn)，注漿終壓為3～4 MPa。注漿設(shè)計(jì)參數(shù)如表5所示。

表5 注漿設(shè)計(jì)參數(shù)

4 注漿效果分析

(1)掌子面穩(wěn)定性

注漿段開(kāi)挖過(guò)程揭示，整個(gè)掌子面漿液擴(kuò)散均勻，漿脈粗壯清晰，漿液結(jié)石體固結(jié)強(qiáng)度高呈硬塑狀，注漿后圍巖含水率顯著降低，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，掌子面前方土體含水率從注漿前的26%～32%降至10%～13%，開(kāi)挖時(shí)無(wú)滲水現(xiàn)象，圍巖不再發(fā)生坍塌、掉塊，加固效果良好，如圖5所示。

圖5 注漿加固后掌子面情況

(2)圍巖變形情況

為進(jìn)一步驗(yàn)證超前深孔劈裂注漿對(duì)富水黃土圍巖變形控制效果，分別在上莊隧道斜井及正洞鄰近段落上設(shè)置對(duì)比監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)有、無(wú)注漿加固措施條件下的拱頂沉降和邊墻水平收斂變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明(圖6、圖7)，斜井未實(shí)施注漿斷面(DK982+110)在18 d內(nèi)拱頂累計(jì)沉降47.53 cm、水平收斂值20.72 cm，斜井實(shí)施注漿斷面(DK982+070)在18 d內(nèi)拱頂累計(jì)沉降18.36 cm、水平收斂值8.99 cm；正洞未實(shí)施注漿斷面(DK983+100)在18 d內(nèi)拱頂累計(jì)沉降45.04 cm、水平收斂值19.58 cm，正洞實(shí)施注漿斷面(DK982+055)在18 d內(nèi)拱頂累計(jì)沉降19.01 cm、水平收斂值9.86 cm。

圖6 上莊隧道斜井試驗(yàn)段圍巖變形時(shí)程曲線

圖7 上莊隧道正洞試驗(yàn)段圍巖變形時(shí)程曲線

可以看出，在相似的富水黃土地層條件下，采用超前深孔劈裂注漿，將隧道拱頂沉降量從45～47 cm降低至18～19 cm，邊墻水平收斂值從19～21 cm降低至8～10 cm，圍巖變形減小比率約60%；同時(shí)，注漿后圍巖變形發(fā)展基本在6～8 d內(nèi)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明超前深孔劈裂注漿對(duì)富水黃土圍巖變形控制效果顯著，滿足隧道安全施工要求。

此外，上述超前深孔劈裂注漿技術(shù)在安定隧道、魏家咀隧道等工程中進(jìn)一步應(yīng)用，黃土圍巖含水率明顯減小、掌子面整體穩(wěn)定性較好，反映出該方案處理效果理想、措施合理得當(dāng)，對(duì)后續(xù)類似工程具有較高的推廣價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)黃土-泥巖二元結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件易形成連續(xù)的高含水率黃土地層，隧道施工風(fēng)險(xiǎn)和難度極大。提出的“超前深孔高壓劈裂注漿”以改善黃土物理力學(xué)性質(zhì)的加固方案，可有效控制掌子面突水涌泥，提高圍巖穩(wěn)定性。

(2)通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用普通水泥-水玻璃雙液漿，水泥與水玻璃配比1∶1，注漿終壓3～4 MPa，配合“鉆桿后退式注漿”施工工藝，可一次性加固掌子面前方25 m范圍的高含水率黃土圍巖。