于都一號隧道Ⅵ級圍巖深孔固結(jié)地層關(guān)鍵技術(shù)

左季康

向莆鐵路股份有限公司，福州 350000

在隧道設(shè)計(jì)及施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到軟弱破碎圍巖、巖溶發(fā)育、淺埋偏壓現(xiàn)象顯著等技術(shù)難題，處理不當(dāng)則出現(xiàn)涌水突泥，地表塌陷、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞甚至圍巖硐室坍塌等事故［1-2］。上述類型的隧道工程中，圍巖等級通常劃定為Ⅴ級，圍巖破碎且完整性較差。為保證施工安全及施工進(jìn)度，須要提前采取預(yù)加固措施［3-6］。目前常用方法有超前小導(dǎo)管法、管棚注漿法、帷幕注漿法、水平旋噴注漿法以及預(yù)切槽和凍結(jié)施工等［7-8］。賴金星等［9］通過有限元手段模擬了圍巖條件較差情況下采用水平旋噴樁和超前管棚組合加固，并重點(diǎn)分析了淺埋暗挖隧道中的管棚注漿法支護(hù)效果。秦長坤等［10］等以軟弱圍巖隧道為研究對象，通過有限差分軟件模擬了超前小導(dǎo)管加固技術(shù)。研究了其加固承載機(jī)理和支護(hù)效果評價(jià)。鄭青［11］以超細(xì)水泥為基料，研究了含有緩凝劑磷酸氫二鈉、水玻璃等添加劑的雙漿液在Ⅴ級富水軟弱地層中的注漿止水效果。岳洪武等［12］等采用MIDAS/GTS 建立了管棚預(yù)注漿支護(hù)模型，研究了Ⅴ級圍巖下超前支護(hù)對地表沉降的控制效果。

以往的研究表明國內(nèi)關(guān)于施工超前注漿技術(shù)的研究主要集中在Ⅴ級圍巖地層中，且多采用的是數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)際的現(xiàn)場注漿效果及特殊環(huán)境下施工注漿技術(shù)體系鮮有介紹。隨著國內(nèi)鐵路隧道工程中遇到的Ⅵ級圍巖特殊地層工況越來越多，部分專家學(xué)者也展開了一定研究，但針對Ⅵ級圍巖超前預(yù)加固技術(shù)的系統(tǒng)性實(shí)踐成果仍較少。傳統(tǒng)的隧道超前預(yù)加固技術(shù)如帷幕注漿法、水平旋噴樁法等洞內(nèi)實(shí)施的工法具有施工程序復(fù)雜，預(yù)加固剛度和強(qiáng)度難以控制、進(jìn)度慢、安全性差等問題。因此，本文以于都一號隧道Ⅵ級圍巖段為研究對象，綜合采用現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬等手段，研究了深孔固結(jié)地層法在Ⅵ級圍巖特殊地層中的應(yīng)用，總結(jié)了Ⅵ級圍巖條件下深孔固結(jié)法關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，從不同角度開展了地層固結(jié)質(zhì)量的現(xiàn)場驗(yàn)證，進(jìn)一步分析深孔固結(jié)地層法在該類特殊地層實(shí)施過程中存在的問題和取得的效果，為類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

于都一號隧道位于江西省贛州市興國縣和于都縣交界處，全長6 285 m，為設(shè)計(jì)時(shí)速160 km/h 的單洞單線隧道，最大埋深約281 m。如1 所示，Ⅵ級圍巖段長155 m（D1K30+975—D1K31+130），位于溝谷，隧道埋深39～58 m，采用臺(tái)階法施工。該段為區(qū)域性壓扭大斷裂，屬于樟木構(gòu)造，線位附近走向?yàn)镹28°E，擠壓現(xiàn)象明顯，斷層兩側(cè)片理化、糜棱巖化甚為發(fā)育，該斷層傾向南東，傾角65°～85°。現(xiàn)場鉆孔勘測查明，破碎帶巖層為砂土夾碎塊石，無膠結(jié)，結(jié)構(gòu)松散。隧區(qū)地表水主要為季節(jié)性溝谷流水。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，基巖中裂隙發(fā)育。特別是在節(jié)理密集帶或斷裂破碎帶附近地下水富集。

圖1 Ⅵ級圍巖段平面布置

2 深孔固結(jié)地層加固設(shè)計(jì)及施工工藝

2.1 地表加固范圍

在D1K30+975—D1K31+130（長度155 m）范圍內(nèi)地表采用剛性袖閥管注漿加固，橫向加固范圍為隧道中線左右兩側(cè)各9.475 m；徑向加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m。地表注漿加固范圍見圖2。

圖2 地表注漿加固范圍（單位：cm）

2.2 注漿參數(shù)

地表注漿段埋深39～58 m，鉆孔深度大于50 m，地質(zhì)條件差，鉆孔易塌孔，難度較大。故注漿固結(jié)區(qū)采用單向溢漿孔袖閥管，袖閥管與巖體固結(jié)形成微復(fù)合樁效應(yīng)。固結(jié)區(qū)外采用無溢漿孔袖閥管；袖閥管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度3 m/節(jié)（孔口處為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)），最底部加工成錐形封閉，每兩節(jié)采用φ89 mm（壁厚5 mm），長50 cm外套管滿焊連接。單向溢漿孔袖閥管每隔60 cm 設(shè)1 個(gè)溢漿孔斷面，每個(gè)斷面布置4 個(gè)φ8 mm 單向溢漿孔，溢漿孔上下各5 cm 部位安裝φ10 mm 鋼筋套環(huán)，防止袖閥管下管過程中橡膠套碰撞管壁受損。

施工材料中套殼料采用膨潤土-水泥漿，周邊注漿孔以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，全孔長注漿形成止水帷幕；中間孔注漿以普通水泥單液漿為主；普通水泥采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，試驗(yàn)比配見如表1。漿液擴(kuò)散半徑為1.2 m；注漿速度10～70 L/min；注漿壓力5～7 MPa。采用后退式分段注漿工藝。

表1 漿液配比

2.3 注漿工藝流程

2.3.1 孔位布設(shè)

鉆孔間距為1.75 m × 1.75 m，呈等邊三角形布置。鉆機(jī)就位于整平穩(wěn)固的地基之上，以確保鉆孔平穩(wěn)。在避免互相影響的情況下，采用多臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)施工。就位時(shí)使鉆機(jī)準(zhǔn)確對位于已測量的點(diǎn)位之上，孔位水平偏差控制在±5 cm范圍內(nèi)。

2.3.2 鉆孔和清孔

鉆孔順序按“由上至下、先周邊后中間、分段分片、跳孔施鉆”的原則進(jìn)行，主要防止砂石地層鉆孔過程中高壓風(fēng)影響臨近孔套殼料的施工。鉆孔過程同步檢查鉆孔的垂直度，并及時(shí)糾偏。鉆孔孔深根據(jù)前期鉆孔沉渣檢測情況，在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加深30 cm，以確保袖閥管孔底標(biāo)高滿足設(shè)計(jì)要求。檢查孔深、垂直度符合要求后，采用高壓風(fēng)從孔底向孔口清理鉆渣，清渣完成后先退內(nèi)部鉆桿，利用鉆機(jī)臂安裝完袖閥管后，再退外部套管，防止安裝袖閥管前出現(xiàn)塌孔。

2.3.3 袖閥管安裝

袖閥管由鋼筋加工廠集中加工，在鉆孔、清孔完成后鉆機(jī)外套管取出前安裝。分節(jié)下放φ76 mm 剛性袖閥管至孔底，袖閥管采用φ89 mm 外套管接頭滿焊連接，安裝過程必須進(jìn)行垂直度測量，確保袖閥管垂直度偏差不大于1/150，袖閥管深度下至孔底后，孔口部位外露不小于50 cm。安裝完成后確保袖閥管位于孔位正中，做好袖閥管孔口臨時(shí)堵塞，防止異物不慎掉入袖閥管，影響注漿。

2.3.4 套殼料填隙

袖閥管安裝完成后，在袖閥管與孔壁間隙利用φ22 mm 高壓軟管，采用反孔灌漿的方式將袖閥管與孔壁間隙充填密實(shí)，防止注漿過程漿液上竄。套殼料填滿全孔孔隙后方可退出鉆機(jī)外部跟管，套殼料達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行注漿作業(yè)。

2.3.5 注漿

注漿順序如圖3 所示，注漿順序按“分段分片、先周邊后中間、隔孔跳注”原則推進(jìn)。周邊孔按先上游后兩側(cè)再下游進(jìn)行注漿；中間孔按紅色連線孔→紫色連線孔→藍(lán)色連線孔的順序，先上游（線左）后下游（線右）進(jìn)行注漿。

圖3 分段注漿步序

周邊帷幕孔注漿方法：待雙液止?jié){塞給壓定位完成后，先接通水泥漿液管路進(jìn)行注漿沖壓。當(dāng)水泥漿液沖破袖閥管外皮后，再接通水玻璃管路，然后2根管路同時(shí)注漿，當(dāng)注漿壓力達(dá)到試驗(yàn)終壓，注漿流量小于10 L/min 并維持10 min 以上時(shí)，先暫停水玻璃管路的輸送，水泥漿管路繼續(xù)送漿3 min，避免管路堵塞。結(jié)束該段注漿，釋放止?jié){塞內(nèi)壓力，使止?jié){塞膨脹恢復(fù)，后退止?jié){塞一個(gè)注漿步距至第二段注漿。

中間孔注漿方法：將止?jié){塞與注漿管配套下入袖閥管中，并進(jìn)行止?jié){塞初始定位；利用止?jié){塞給壓裝置向止?jié){塞內(nèi)注水，使其膨脹密貼管壁（試驗(yàn)所得膨脹壓力7～8 MPa）；接通管路進(jìn)行注漿施工，注漿壓力達(dá)到試驗(yàn)終壓，注漿流量小于10 L/min，并維持10 min 以上，可結(jié)束該段注漿；釋放止?jié){塞內(nèi)壓力，使止?jié){塞膨脹恢復(fù)，后退止?jié){塞一個(gè)注漿步距至第二段注漿。按以上順序循環(huán)，直至將所有注漿孔注漿完成。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型及參數(shù)

結(jié)合工程現(xiàn)場注漿及施工方法，為簡化計(jì)算，將地面深孔固結(jié)注漿影響區(qū)定為開挖輪廓線外5 m 范圍。為消除邊界效應(yīng)的影響，左右兩側(cè)取3 ～5倍的洞涇，埋深定為50 m。整個(gè)模型長為90 m，高為105 m，縱向取10 m。模型底部進(jìn)行全約束，四周采用法向約束。初始應(yīng)力場僅考慮重力場。巖土體采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用線彈性本構(gòu)模型。模型參數(shù)根據(jù)巖土體現(xiàn)場實(shí)測及室內(nèi)試驗(yàn)取值，見表2。

表2 模型參數(shù)取值

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 應(yīng)力變化規(guī)律

注漿加固前后圍巖應(yīng)力分布具有較大差異，見圖4。開挖后注漿前最小主應(yīng)力在0.25 ～4.16 MPa。注漿后砂土地層黏聚力和整體性顯著增加，通過黏結(jié)周邊碎塊石，進(jìn)一步完善了巖土體孔隙結(jié)構(gòu)，完整性和強(qiáng)度均顯著提高。圍巖應(yīng)力增幅約20%～25%。洞周附近最大剪應(yīng)力由1.17 MPa 增加到1.66 MPa。表明注漿加固后的巖體承擔(dān)更多開挖引起的巖體塌落荷載及變形。

圖4 圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化（單位：Pa）

在未注漿條件下，襯砌拱頂及拱底的豎向應(yīng)力均較大，最大達(dá)到0.35 MPa。邊墻和拱腰處較小。注漿后，襯砌頂部和拱底豎向應(yīng)力降低50% ～70%。這表明深孔固結(jié)地層加固可有效減小圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的外部荷載。

3.2.2 位移變化規(guī)律

施工后由于進(jìn)行了及時(shí)支護(hù)，在未注漿條件下隧道開挖引起的拱頂下沉和地表隆起量分別約為8 mm和6.5 mm（見圖5）。在注漿加固下，豎向變形量降低了約35% ～50%。水平位移結(jié)果顯示，開挖引起了明顯的洞周收斂。其中未注漿條件下變形收縮量平均約5.7 mm。注漿加固后水平位移僅2.68 mm。施工前進(jìn)行地層固結(jié)注漿能有效降低開挖對圍巖穩(wěn)定性和變形的影響。

圖5 圍巖變形及塑性區(qū)分布（單位：m）

3.2.3 圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律

圍巖的力學(xué)性狀能通過塑性區(qū)的大小和分布特點(diǎn)來反映，開挖引起的塑性區(qū)主要分布在拱頂及兩側(cè)邊墻處。對比常規(guī)開挖和地層固結(jié)后開挖兩種條件可以看出，注漿加固后再開挖兩側(cè)塑性區(qū)減少了約1.5 m，表明圍巖注漿加固后其穩(wěn)定性得到了顯著提升。

4 地表預(yù)加固效果檢驗(yàn)

4.1 壓力P-流量Q-時(shí)間t曲線

根據(jù)地質(zhì)特征、注漿設(shè)備性能、注漿參數(shù)等對P‐Q‐t曲線（見圖6）進(jìn)行分析，從而對注漿效果進(jìn)行評判。當(dāng)注漿施工中P‐t曲線呈上升趨勢，Q‐t曲線呈下降趨勢，注漿結(jié)束時(shí)，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，注漿速度達(dá)到設(shè)計(jì)速度（常取5～10 L/min）則滿足效果檢查要求。隨著注漿的進(jìn)行，流量由大變小，壓力由小變大，過程中地層被漿液充填密實(shí)，注漿壓力上升，注漿流量減小，符合填充、劈裂加固的機(jī)理，地層取得較好的改良效果。

圖6 P‐Q‐t曲線

4.2 取芯驗(yàn)證

為對比注漿初固效果，在注漿區(qū)域按注漿孔數(shù)的3%進(jìn)行取芯［13］。取芯點(diǎn)位選擇在注漿孔擴(kuò)散薄弱部位（即注漿孔三角中心）?，F(xiàn)場在同區(qū)域，采用相同取芯工藝，通過注漿前后的芯樣對比進(jìn)行注漿效果分析，如圖7所示。注漿前芯樣所處區(qū)域地下水富集，芯樣完整性較差，基本不成型；在經(jīng)過周邊孔帷幕注漿止水和中間孔固結(jié)注漿后，在芯樣中能明顯看到水泥漿液與泥漿的混合凝結(jié)塊，側(cè)面反映了該段通過注漿加固地層得到較大改良，從而為洞內(nèi)施工創(chuàng)造了良好條件。

圖7 注漿前后的鉆孔芯樣

4.3 施工揭露觀察

4.3.1 超前鉆孔

洞內(nèi)掌子面掘進(jìn)至D1K31+131 部位（距加固段1 m），現(xiàn)場利用高清孔內(nèi)成像技術(shù)，通過超前水平探孔進(jìn)行了洞內(nèi)掌子面前方地層加固的孔內(nèi)成像，見圖8?？變?nèi)有較多的水泥與巖體膠結(jié)跡象，反映了地表注漿對巖體固結(jié)效果較明顯。

圖8 洞內(nèi)探孔內(nèi)成像

4.3.2 洞內(nèi)涌水測量

D1K31+110 —D1K31+130 試驗(yàn)段于 5 月 20 日開展地表注漿工作，7 月28 日注漿完成。隨著注漿的逐步推進(jìn)，掌子面前方抽排水量由注漿前的432 m3/d 減至144 m3/d，印證了地表注漿對孔隙的封堵有較為明顯的效果。

4.3.3 掌子面圍巖

從出口掘進(jìn)至加固區(qū)域后，掌子面可見明顯水泥漿液膠結(jié)，無裂隙水，自穩(wěn)性較好（圖9）。巖性為弱風(fēng)化砂泥巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水不發(fā)育，泥漿充填，巖體完整性較好。

圖9 掌子面開挖情況

5 結(jié)論

1）對于Ⅵ級圍巖隧道開挖而言，可采用深孔固結(jié)地層法進(jìn)行預(yù)加固，其中套殼料施工質(zhì)量是袖閥管注漿成功與否的關(guān)鍵，要防止封孔套殼料被水稀釋。

2）“由上至下、先周邊后中間”的鉆孔注漿原則是為了形成隔水帷幕，防止周邊水系對固結(jié)區(qū)干擾并確保加固區(qū)漿液的充填性?！胺侄畏制?、跳孔施鉆”主要是根據(jù)鉆孔對地層的影響范圍，合理調(diào)整片區(qū)分布和鉆孔間距。注漿施工時(shí)可通過間歇式注漿控制擴(kuò)散范圍或通過灌注水泥-水玻璃雙液漿控制漿液凝結(jié)時(shí)間，從而有效加固地層。

3）模擬結(jié)果表明，對于Ⅵ級圍巖地層進(jìn)行深孔固結(jié)后可有效減少開挖對圍巖穩(wěn)定性的影響，改善圍巖應(yīng)力分布并有效控制圍巖塑性區(qū)的發(fā)展，同時(shí)也降低支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的外部荷載。

4）對隧道Ⅵ級圍巖進(jìn)行超前預(yù)加固，采用地表超深孔袖閥管注漿，一次將隧道周圍5 m 范圍地層進(jìn)行固結(jié)。實(shí)踐證明，注漿后地層較為致密，注漿加固效果達(dá)到了于都一號隧道Ⅵ級圍巖段洞內(nèi)安全開挖目的，同時(shí)也進(jìn)一步提高了整體固結(jié)質(zhì)量，降低了后期運(yùn)營質(zhì)量隱患。