滲水條件下隧道施工技術(shù)研究

摘要 徑向注漿技術(shù)是處理圍巖滲水、圍巖松散問題行之有效的方法。根據(jù)滲水量、滲水壓力、圍巖強(qiáng)度及圍巖結(jié)構(gòu)確定鉆孔數(shù)量、深度、位置，并通過在圍巖上鉆孔并注漿，達(dá)到防滲、加固效果。文章以某重丘區(qū)高速公路長隧道Ⅳ級(jí)圍巖滲水條件下施工為背景對(duì)徑向注漿技術(shù)進(jìn)行分析。通過研究徑向注漿深度對(duì)圍巖變形的影響，結(jié)合施工工藝及監(jiān)測(cè)結(jié)果總結(jié)其技術(shù)要點(diǎn)，為類似滲水條件下的隧道施工提供參考。

關(guān)鍵詞 隧道;滲水;徑向注漿;圍巖變形

中圖分類號(hào) U455.49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）12-0114-03

收稿日期：2022-04-07

作者簡(jiǎn)介：蘇顯峰（1988—），男，本科，工程師，研究方向：橋梁、隧道施工。

0 引言

徑向注漿技術(shù)通過注漿使初支背后幾米范圍內(nèi)的軟弱松散區(qū)形成具有一定強(qiáng)度的加固層。注漿加固后的圍巖結(jié)構(gòu)密實(shí)，能夠有效阻擋裂隙滲水的擴(kuò)散，同時(shí)由于整體性增強(qiáng)，圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性得到了提高。目前大多數(shù)隧道采用新奧法進(jìn)行施工，新奧法強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)支護(hù)”，而對(duì)軟弱圍巖區(qū)進(jìn)行徑向注漿加固正是“強(qiáng)支護(hù)”的途徑之一，有助于減小隧道變形、保障施工安全、提高隧道結(jié)構(gòu)耐久性[1]。隨著近幾十年高速公路隧道開挖技術(shù)的發(fā)展，對(duì)徑向注漿技術(shù)的認(rèn)識(shí)及應(yīng)用得到很大提高，工藝及配套設(shè)備都得以不斷優(yōu)化改良，圍巖加固和防水效果得到大幅提升，徑向注漿已經(jīng)成為防滲堵水、加固圍巖的重要方法。

1 工程概況

某高速公路隧道起終點(diǎn)樁號(hào)為K35+630～K36+745，總長度1 115 m，隧道線型為直線，上下行采用分離式，單向雙車道。隧址區(qū)位于重丘區(qū)，洞口山體坡角18°～27°，地下水豐富，地表植被主要為槐樹、松樹及其他灌木類。地表薄層2～5.5 m為第四系殘坡積粉質(zhì)粘土，巖體結(jié)構(gòu)破碎，風(fēng)化程度差異性較大，節(jié)理裂隙發(fā)育，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，Rc值36.8 MPa、C值0.31～0.52 MPa、φ值24°～33°、[fa0]=2 620 kPa?；鶐r主體巖性為含錳變質(zhì)砂巖、片麻巖、透輝石巖、變粒巖，開挖后容易發(fā)生少量碎塊下落，根據(jù)圍巖完整程度及堅(jiān)硬程度計(jì)算巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ，經(jīng)地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面及初始地應(yīng)力修正后圍巖級(jí)別劃分為：Ⅲ級(jí)圍巖長度315 m，占隧道全長的28.25%;Ⅳ級(jí)圍巖長度564 m，占全隧道長度的50.58%;Ⅴ級(jí)圍巖長度236 m，占全隧道長度的21.17%。隧道在Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法進(jìn)行施工，施工過程中發(fā)現(xiàn)有滲水現(xiàn)象，采取徑向注漿法進(jìn)行圍巖加固并防水。

2 加固層厚度對(duì)圍巖變形的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，Ⅳ級(jí)圍巖滲水段巖體具有一定的自穩(wěn)能力，圍巖水壓和滲水量較小。為確定最佳注漿深度，合理控制工程成本，根據(jù)該項(xiàng)目水文地質(zhì)和圍巖特性，分別對(duì)注漿深度2 m、4 m、6 m、8 m狀態(tài)下的圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)并對(duì)防滲堵水效果分析。根據(jù)圍巖性質(zhì)、水壓、滲水量、設(shè)備性能、單孔注漿影響半徑確定最經(jīng)濟(jì)合理的鉆孔數(shù)量、注漿深度，以保證取得良好的注漿加固效果。

施工時(shí)分別在開挖后的隧道拱頂正上方、拱底正下方、拱圈側(cè)壁水平徑向位置設(shè)置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，圖1、圖2分別為地表沉降觀測(cè)點(diǎn)和洞口監(jiān)測(cè)布置示意圖。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）監(jiān)控量測(cè)規(guī)定對(duì)拱頂及拱底變形、拱側(cè)壁收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。注漿前首先取得不加固狀態(tài)（注漿厚度0 m）下的圍巖變形數(shù)據(jù)，拱頂沉降及拱底起隆采用水準(zhǔn)測(cè)量法，周邊收斂通過收斂計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理。

2.1 拱頂沉降變形分析

從表1可知，進(jìn)行徑向注漿加固之前拱頂變形值為30 mm，注漿深度2 m、4 m、6 m、8 m狀態(tài)下的沉降量分別為21 mm、15 mm、10 mm、6 mm，與未加固狀態(tài)下的沉降量相比分別下降了30%、50%、66.7%、73.3%，這說明徑向注漿技術(shù)增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性，抵御變形效果良好。隨著注漿深度的增大，拱頂沉降量變化趨于緩慢，從側(cè)面反映出繼續(xù)增大注漿深度會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性降低[2]。

2.2 拱底起隆變形分析

由表2可知，隧道開挖后未采取注漿措施時(shí)拱底起隆變形量為22 mm，注漿深度2 m、4 m、6 m、8 m狀態(tài)下的拱底起隆變形量分別為18 mm、15 mm、13 mm、11 mm，分別下降了22.7%、50%、68.2%、76.5%，說明徑向圍巖注漿對(duì)抵抗拱底變形取得了良好的效果，隨著注漿深度的增加變形量下降速率降低，注漿深度為4 m時(shí)的變形量已滿足施工要求。

2.3 周邊收斂變形分析

由表3可知，隧道開挖后未采取注漿措施時(shí)周邊收斂變形量為19 mm，注漿深度2 m、4 m、6 m、8 m狀態(tài)下的拱底起隆變形量分別為15 mm、11 mm、8 mm、6 mm，分別下降了21.1%、42.1%、57.9%、68.4%，注漿深度大于4 m后沉降量下降逐漸變緩，且采用同樣厚度的加固層情況下對(duì)周邊收斂變形量的影響小于拱頂及拱底。從加固效果來看，隧道側(cè)壁加固效果要低于拱頂及拱底加固效果。

2.4 研究結(jié)果

通過對(duì)拱頂沉降、拱底起隆、周邊收斂對(duì)圍巖變形的影響進(jìn)行分析，采用徑向注漿加固技術(shù)后，圍巖變形值顯著下降，變形明顯收到制約，從效果上可以推斷圍巖的整體性、承載力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了提升。滲水情況通過觀察法確定，采用徑向注漿加固圍巖后滲水情況與注漿前相比得到顯著改善，基本無滲水現(xiàn)象[3]。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，注漿深度為4 m時(shí)圍巖穩(wěn)定性滿足施工要求，圍巖變形處于允許范圍內(nèi)，且基本解決了滲水問題，從工程投資的角度來看，采用4 m注漿深度經(jīng)濟(jì)效益最好，基于此研究結(jié)論，該項(xiàng)目施工時(shí)將注漿加固深度確定為4 m。

3 工藝技術(shù)要點(diǎn)

3.1 漿液材料參數(shù)、注漿設(shè)備

實(shí)際應(yīng)用中對(duì)注漿材料的選擇往往從經(jīng)濟(jì)成本、施工難易程度、施工效果等幾個(gè)方面來綜合考慮[4]。注漿材料種類繁多，從配制類型來說可大致分為兩類：?jiǎn)我簼{（材料類型單一）、雙液漿（由兩種材料按比例摻配而成）。與單液漿相比，雙液漿配制過程較為復(fù)雜但防水加固效果更佳，施工時(shí)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。常用雙液漿材料為水泥—水玻璃雙液漿，其膠凝時(shí)間容易控制、凝固后材料強(qiáng)度高、防滲效果顯著。借鑒類似工程徑向注漿施工的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該隧道實(shí)際情況，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，最終確定采用水泥—水玻璃雙液漿，材料技術(shù)參數(shù)如表4所示。

為保證注漿效果，漿液應(yīng)嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行摻配，按要求的順序投放各種原材料。采用的主要注漿設(shè)備有：空壓機(jī)、注漿泵、注漿管。

3.2 施工步驟

徑向注漿總體施工順序：孔位測(cè)量放線→鉆具就位→確定鉆孔角度并鉆孔→安裝水導(dǎo)管→注漿→封閉注漿孔（待膠結(jié)）→檢查注漿效果→施工完成。

3.2.1 鉆孔

施工時(shí)對(duì)滲水范圍進(jìn)行排查，根據(jù)單孔注漿作用半徑確定孔間距為1.5 m，布孔方式為梅花形。采用全站儀按確定好的布孔方式和鉆孔數(shù)目放樣并標(biāo)記好位置，按孔位進(jìn)行鉆孔。為保證作業(yè)安全及鉆孔角度準(zhǔn)確，鉆機(jī)要安裝穩(wěn)定，鉆桿軸線與設(shè)計(jì)孔位軸線在同一直線上，鉆孔時(shí)先低速低壓，鉆孔深度到達(dá)50 cm且保證鉆頭不再左右搖擺后再快速鉆進(jìn)，鉆孔過程中時(shí)刻觀察鉆桿角度并不斷調(diào)整方向，施工過程中如果遇到特殊情況無法順利進(jìn)行時(shí)應(yīng)及時(shí)檢查問題所在。鉆孔允許偏差見表5。

3.2.2 注漿

按照注漿擴(kuò)散效果以每3 m為一段，為保證注漿質(zhì)量施工時(shí)應(yīng)按段長分段注漿，不得隨意延長段長。在拱頂中心位置設(shè)置一處注漿管，拱腳處各設(shè)置一處注漿管，拱圈側(cè)壁等間距設(shè)置兩處注漿管;滲水區(qū)域先對(duì)水量小處注漿，無滲水區(qū)域由低向高進(jìn)行注漿。

注漿管采用1.8 m長Φ42×4 mm導(dǎo)管，進(jìn)入圍巖深度1.2 m，注漿管外露20 cm以便注漿操作方便。孔口處的封孔器采用高壓球閥制作，在表面涂抹錨固劑，以使其固定牢固，且能承受孔內(nèi)漿液壓力。注漿采用靜壓方式一次性完成全孔注漿工作，無特殊情況不得間歇停頓。隧道不同位置水壓有所不同，注漿壓力需根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)靈活調(diào)整，通常等于孔隙水壓力+（0.5～1.0）MPa，注漿時(shí)壓力緩慢增大，確保安全穩(wěn)定之后按每分鐘15～30 L的速率注漿。注漿時(shí)應(yīng)密切觀察注漿狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)孔壁變形或壓力異常增大時(shí)要及時(shí)停止并采取措施[5]。

隧道地質(zhì)復(fù)雜多變，施工時(shí)要詳細(xì)記錄孔位、注漿量、注漿壓力等作業(yè)情況，根據(jù)注漿效果發(fā)現(xiàn)當(dāng)前方案不能滿足需求時(shí)應(yīng)及時(shí)向監(jiān)理工程師報(bào)告，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿材料、注漿深度、配合比等施工工藝。

3.2.3 注漿完成

注漿時(shí)須時(shí)刻關(guān)注壓力表，按標(biāo)準(zhǔn)壓力注漿5 min且已完成注漿量超過標(biāo)準(zhǔn)注漿量的85%情況下結(jié)束注漿。停止注漿后及時(shí)采用高壓球閥進(jìn)行閉漿，待漿液終凝后拆除閉漿設(shè)備。注漿完成后應(yīng)逐段觀察圍巖是否仍存在滲水現(xiàn)象，并對(duì)滲水區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)漿處理。

4 特殊情況處理

鉆孔過程中在部分施工路段遇到了小壓力（通常按經(jīng)驗(yàn)判斷，以不妨礙繼續(xù)鉆孔為準(zhǔn)）涌水，對(duì)于這種情況不予處理，繼續(xù)鉆孔至設(shè)計(jì)深度，然后及時(shí)注漿。注漿采用純壓式注漿法，為抵抗涌水壓力順利完成注漿，應(yīng)將注漿壓力提高1.5～2.0 MPa，完成注漿后閉漿凝固。

在部分施工路段鉆孔過程中遇到了涌水較大，不可以繼續(xù)鉆孔的情況，施工技術(shù)人員停止鉆孔作業(yè)并測(cè)定涌水壓力，采用專用堵水材料進(jìn)行注漿，注漿結(jié)束后檢查注漿效果確定不再出水后繼續(xù)鉆進(jìn)，按此方法直至鉆孔至設(shè)計(jì)深度。

5 施工效果分析

該隧道滲水段采用徑向注漿加固技術(shù)施工結(jié)束后，采用觀察法對(duì)注漿區(qū)域逐段進(jìn)行檢查，檢查發(fā)現(xiàn)隧道初支表面無滲水現(xiàn)象，說明該處理方案取得了非常好的防滲堵水效果。二次襯砌施工前又對(duì)滲水情況進(jìn)行檢查，初支表面仍然無滲水現(xiàn)象，根據(jù)對(duì)拱頂沉降、拱底起隆、周邊收斂的長期監(jiān)測(cè)結(jié)果，圍巖變形較小且基本穩(wěn)定。

采用觀察法對(duì)隧道地表進(jìn)行檢查，施工過程中隧道地表無明顯開裂、沉陷等現(xiàn)象。通過長期對(duì)隧道施工前在地表埋設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)及位移監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，地表沉降量最大值為2.6 mm，水平位移小于豎向位移，隧道中軸線處位移最大，兩側(cè)隨距離增大位移逐漸減小。根據(jù)地表變形監(jiān)測(cè)結(jié)果可以判斷，隧道施工對(duì)圍巖擾動(dòng)比較小，巖體穩(wěn)定性非常好，施工措施取得了良好的效果。

6 結(jié)語

（1）按照該項(xiàng)目水文地質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)及滲水情況，該項(xiàng)目采用徑向注漿加固技術(shù)（注漿深度4 m）取得了非常好的效果。

（2）徑向注漿加固技術(shù)封閉了周邊圍巖中的裂隙，形成穩(wěn)定密實(shí)的注漿圈，對(duì)增強(qiáng)圍巖強(qiáng)度、增強(qiáng)巖體穩(wěn)定性、降低圍巖變形效果非常顯著，同時(shí)降低了巖體的滲透系數(shù)，具有非常優(yōu)異的防滲堵水效果。

（3）隨著徑向注漿深度的增加，圍巖變形量（拱頂沉降、拱底隆起、周邊收斂）呈下降趨勢(shì)，且下降速率逐漸變小。實(shí)際應(yīng)用中需分析圍巖狀態(tài)確定經(jīng)濟(jì)效益最佳的注漿深度。

（4）隧道施工條件根據(jù)地質(zhì)情況差別很大，施工工藝及技術(shù)參數(shù)亦不盡相同，實(shí)際工程施工中應(yīng)注意把握好技術(shù)要點(diǎn)，靈活多變，采取最佳工藝方案。

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