深回填土區(qū)隧道群帷幕注漿效果評價研究

申國順

(中鐵二十一局集團第五工程有限公司， 重慶 402160)

土石混合回填土由作為骨料的碎石或塊石和作為充填物的粘土或砂土等構成，是一種非均勻、不連續(xù)、內部構造復雜且無規(guī)律的地質體，其物理力學性質介于純土體和破碎巖體之間，為了保證土石混合體區(qū)地下工程施工的穩(wěn)定性，常常進行帷幕注漿。帷幕注漿的作用主要表現(xiàn)在：1) 提高圍巖強度和剛度，增大了圍巖粘聚力與內摩擦角，有效降低了圍巖內部塊石的相對滑動；2) 與襯砌共同作用，減輕襯砌結構承受的荷載；3) 改善了工程地質環(huán)境[1]。在帷幕注漿效果評價研究方面，一些學者[2-12]針對破碎圍巖和巖溶注漿加固進行了比較深入的研究，主要采用檢查孔法、P-Q-t曲線法等對注漿效果進行評價。在土石混合體注漿研究方面，鐘祖良、羅祺月等[13-15]對土石混合體注漿擴散機制、注漿體參數(shù)等進行了一些研究。已有研究成果表明，隧道帷幕注漿效果評價方法還不完善，特別是對回填土區(qū)注漿效果評價的研究更少。

本文以重慶軌道交通十號線二期蘭花路站—南湖路站區(qū)間工程為背景，開展土石混合回填土區(qū)隧道群(3線隧道)施工期帷幕注漿效果評價研究。

1 基于帷幕注漿量的效果評價

復雜地質條件下的隧道施工可能會導致塌方冒頂、地表及隧道沉降、突水突泥等施工安全問題，根據(jù)不同圍巖地質可采用全斷面帷幕注漿、局部帷幕注漿等作為隧道開挖預加固措施。帷幕注漿通過漿液填充圍巖空隙，使得顆粒間相互粘結形成注漿體，增大了土石混合體粘聚力c與內摩擦角φ，增加了地層粘結強度及密實度，既加固了隧道圍巖，又形成了新的隔水層，降低了土層透水能力。

1.1 隧道帷幕注漿方案

依托工程區(qū)間隧道穿越深回填土區(qū)，如圖1所示，拱頂填土厚度為24.1 m～32.6 m，隧道底板填土厚度為0 m～18.5 m。土石混合體呈褐灰色，主要由粘性土夾砂巖、砂質泥巖碎塊石組成，碎塊石等骨架顆粒含量20%～40%，粒徑一般為20 mm～400 mm，填土呈松散-稍密狀，稍濕，堆填時間約5年～10年不等，填土剪切波速為158 m/s～170 m/s，為中軟土。

1) 注漿孔布置

依托工程深回填土區(qū)隧道采用全斷面帷幕注漿加固方案，如圖2所示。注漿布孔從外向內共分為5環(huán)，第1環(huán)和第2環(huán)均為27孔，第3環(huán)為24孔，第4環(huán)為11孔，第5環(huán)為5孔，探孔3個，檢查孔4個，其中第1、2、3環(huán)單孔有效擴散半徑為1 m，第4、5環(huán)為1.5 m，注漿孔長度共計1 555.71 m，加固長度20 m，并留有5 m的止?jié){盤。注漿范圍為隧道開挖輪廓線外3 m范圍。

(a) 掌子面注漿布孔

(b) 縱向注漿布孔

2) 注漿材料及配比

帷幕注漿作業(yè)采用預埋孔口管和導孔注漿，每循環(huán)鉆孔注漿長度20 m。使用Φ108、壁厚5 mm鋼管作為止?jié){和孔口保護，水泥、水泥+水玻璃等注漿加固、堵水材料。普通水泥漿液水灰比為1∶1，雙液漿水∶水泥∶水玻璃為1∶1∶0.665。

注漿優(yōu)先采用普通水泥漿液，但為了加強注漿效果和漿液控制，注漿加固圈外圍1 m范圍內采用普通水泥-水玻璃漿液。

3) 注漿壓力

注漿范圍為隧道開挖輪廓線外3 m范圍，第1、2、3環(huán)單孔有效擴散半徑為1 m，第4、5環(huán)單孔有效擴散半徑為1.5 m。正常注漿壓力為0.5 MPa～1.2 MPa，注漿終壓為1.5 MPa，穩(wěn)定壓力持續(xù)10 min。初期按注漿終壓1.5 MPa，調整后的注漿壓力控制為第1、2、3環(huán)注漿終壓1.5 MPa，漿液凝結時間60 s～80 s；第4、5環(huán)注漿終壓2 MPa，注漿流量基本控制在60 L/min～100 L/min。

1.2 注漿量計算

漿液單孔注漿量按公式(1)進行核算。

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)

(1)

式中：Q為漿液注入量，m3；R為漿液有效擴散半徑，m；l為注漿段長度，m；n為圍巖孔隙率；α為漿液充填率；β為漿液損失率。

以蘭南區(qū)間左線隧道ZK2+520～ZK2+540為例，對比分析理論注漿量與實際注漿量的差別，以評價注漿效果。

1) 理論注漿量

參考文獻[1]，蘭南區(qū)間土石混合體的孔隙率n取0.15、漿液充填率α為70%，漿液損失率β為10%，則第1、2、3環(huán)單孔注漿量為：

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)=3.14×1×20×0.15×0.7×1.1=7.253 4 m3

第4、5環(huán)單孔注漿量為：

Q=π·R2·l·n·α·(1+β)=3.14×1.52×20×0.15×0.7×1.1=16.32 m3

總注漿量為：

Q總=7.253 4×78+16.32×16=826.89 m3

2) 實際注漿量

ZK2+520～ZK2+540實際注漿漿液841.17 m3，其中雙液漿225.05 m3，水泥漿616.12 m3，實際注漿量略大于理論注漿量，在理論上回填土區(qū)達到了預期注漿效果。

為進一步驗證注漿效果，采取鉆檢查孔法進行驗證，檢查孔數(shù)為總鉆孔數(shù)的3%～5%，且不少于5孔，為此選取5個孔進行檢查。其中2個孔位于開挖范圍內，3個孔位于開挖范圍外，檢查孔長18 m，均取芯，用于校驗單孔出水情況及巖體注漿的飽滿程度。注漿加固前，鉆孔滲水量為3 L/(min·m)，注漿后檢查孔完整，無滲水(滲水量小于0.2 L/(min·m))和涌泥。

注漿完成后，隧道掌子面開挖特征是水泥漿與土石混合體粘結作用明顯，已形成新的固結體，力學強度提高，具備自穩(wěn)能力，如圖3所示。

圖3 注漿完成后開挖揭示的隧道掌子面特征

2 基于多波多分量工程地震探測的效果評價

2.1 工作原理

多波工程地震儀器由DGY-1型主機和智能多分量地震檢波器組成。其反射波法的工作原理為：在隧道掌子面固定智能分量地震檢波器，再使用人工掄錘錘擊隧道掌子面，在掌子面處形成縱向的震動波，當震動波遇見不同波阻的巖土體時，會在巖土體界面產生反射波。如果隧道掌子面前方圍巖條件較好，地震儀接收的震動波信號圖像則會呈明顯的對稱分布；如果掌子面前方有軟弱圍巖或破碎帶、地下水等不良地質，儀器發(fā)出的震動波與反射回來的震動波的波形信號圖像會呈現(xiàn)明顯的不對稱性，且如果遇到不良地質情況，接收到的反射波信號則會較弱。

2.2 現(xiàn)場測試及結果分析

在隧道掌子面沿水平測線或任意位置布設1～3個高分辨率三分量檢波器，然后錘擊掌子面垂直方向，由多波多分量探測系統(tǒng)主機接收震動波信號，并將信號輸入計算機，通過專業(yè)軟件的分析處理，得出相應結論。在隧道掌子面對深回填土帷幕注漿前后進行了2個斷面的試驗測試，測試結果對比如圖4、圖5所示。

(a) 注漿前

(b) 注漿后

(a) 注漿前

(b) 注漿后

從圖4、圖5可以看出，注漿前隧道掌子面縱向距離回填土區(qū)圍巖較為破碎、軟弱地層結構特征明顯，檢測結果圖像呈現(xiàn)明顯的不對稱性，且局部含有地下水。注漿后圍巖性能大大改善，錘擊掌子面發(fā)出和接受的震動波信號較為完整，檢測圖像呈明顯的對稱性，說明注漿過程很好地充填了圍巖裂隙，漿液與土石混合回填土形成力學性能良好的固結體，隧道圍巖整體承載性能大幅度提高。

3 基于鉆孔高清視頻檢測的效果評價

在注漿后的隧道掌子面鉆孔，采用管道高清視頻檢測儀對鉆孔周圍進行攝像，以檢驗掌子面前方圍巖實際注漿效果。該儀器由管道高清視屏檢測主機、LPS顯示器以及外接360°無限旋轉的高清攝像頭組成，且攝像頭配有LED燈。通過伸縮線纜連接的管道高清攝像頭探入隧道掌子面鉆孔內，檢查鉆孔周邊圍巖漿液與回填土的粘結情況，現(xiàn)場檢測結果如圖6所示。

(a) 斷面Ⅰ

(b) 斷面Ⅱ

由圖6可以看出，原有回填土隧道結構松散、破碎，土石混合分布不均勻，力學性能差。土石混合體通過注漿加固作用形成注漿體，可以看出其已經(jīng)具備自穩(wěn)能力，漿液充填土石混合體之間的間隙，使得原有的松散回填土具備粘結成塊的能力，其圍巖強度大大提高，保證了深回填土區(qū)暗挖隧道群的施工安全。

4 基于注漿前后土石混合體參數(shù)變化的效果評價

節(jié)理、裂隙、斷裂帶的存在降低了圍巖的整體性、強度和剛度，注漿作用可顯著改善結構面的力學性能?；靥钔羺^(qū)原有土石混合體結構松散、均勻性差、各向異性突出，且其力學指標較差，抗剪強度低。帷幕注漿后，注漿體的物理力學性能指標將得到顯著提高，可通過土石混合體注漿前、后的物理力學性能指標變化來評價回填土帷幕注漿的實際效果。

參考區(qū)間勘察報告巖體設計參數(shù)取值建議，巖體的變形模量、彈性模量標準值取巖石室內試驗平均值的0.7倍，泊松比取巖石室內試驗平均值；巖體抗剪強度由巖石室內抗剪強度折減確定，內摩擦角φ的折減系數(shù)取0.90，粘聚力c的折減系數(shù)取0.3。

室內單軸、三軸壓縮試驗的巖樣由現(xiàn)場鉆孔取到的較完整的巖芯加工而成，考慮到注漿效果的不均勻性，對試驗計算結果中的粘聚力與彈性模量又進行了0.1倍的折減，據(jù)此求得的注漿體物理力學參數(shù)見表1。

表1 土石混合體注漿前后物理力學參數(shù)

由表1可以看出，注漿后土石混合體的物理力學參數(shù)得到了顯著提高，注漿后粘聚力c、內摩擦角φ、彈性模量E較注漿前分別提高了4倍、1.1倍和7倍，帷幕注漿后注漿加固區(qū)粘聚力c與彈性模量E增幅明顯。

5 結論

通過回填土區(qū)帷幕注漿量的理論設計值與實際施工注漿量對比分析，同時結合室內試驗與現(xiàn)場地震波探測、探孔視頻檢測的方法綜合評價了深回填土區(qū)帷幕注漿效果，得出以下相關結論：

1) 回填土區(qū)左線隧道ZK2+520～ZK2+540帷幕注漿實際注漿量為841.17 m3，略大于理論設計注漿量826.89 m3，實際帷幕注漿效果高于理論預期，回填土區(qū)土石混合體與漿液粘結成塊，原有的松散回填土石混合體結構變得更加密實。

2) 多波多分量工程地震探測與探孔高清視頻檢測分析結果表明，帷幕注漿前后回填土注漿加固區(qū)圍巖性能差異較大。注漿前圍巖較為破碎、軟弱地層結構特征明顯，圖像明顯不對稱，且局部含有地下水。注漿后檢測信號完整，圖像對稱，探孔視頻檢測顯示漿液與土石混合體粘結形成固結體，探孔內無塌孔現(xiàn)象，漿液充分填充了回填土區(qū)土石混合體的空隙，粘結、硬化效果較好，很好地改善了圍巖力學性能，使其具備自穩(wěn)能力。

3) 土石混合體注漿前后試驗結果顯示，注漿加固區(qū)的粘聚力、內摩擦角、彈性模量等較注漿前分別提高了4倍、1.1倍和7倍，注漿加固區(qū)粘聚力與彈性模量增幅明顯。