水平袖閥管束輔助高壓注漿技術(shù)在大型突泥處治中的應(yīng)用研究*

黨 亮

(中交四公局第五工程有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

山區(qū)隧道的實(shí)施受諸多復(fù)雜地質(zhì)問題影響，其中活斷層等不良地質(zhì)隧道中圍巖的多變性、不均勻性對隧道建設(shè)的影響尤為嚴(yán)重，結(jié)晶灰?guī)r、白云巖、全風(fēng)化花崗巖等在斷層作用下逐漸砂化，持續(xù)遇水影響使得砂化地層流變性顯著增強(qiáng)，開挖過程易出現(xiàn)突泥、初支開裂甚至拱頂坍塌，提高對隧道泥化砂層遇水軟化機(jī)理的認(rèn)識非常重要?？梢?，研究泥化砂層隧道突泥處治及超前預(yù)加固技術(shù)尤為重要。為保證隧道的順利開挖和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，相關(guān)人員做了大量研究。蒲小平等[1]在廈深鐵路大南山隧道F2-1斷層突泥涌水處治技術(shù)中提出掌子面全斷面布孔的注漿堵水和加固處理技術(shù)；侯紅軍[2]在太中銀鐵路崗城隧道突泥塌方處理中提出大管棚+上半斷面超前預(yù)注漿法施工處治突泥；林志平[3]在隧道突泥涌砂災(zāi)害處治措施的案例研究中提出，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確定前方發(fā)生突泥涌砂災(zāi)害的可能性，進(jìn)行判斷后通過釋能降壓、注漿加固、超前支護(hù)等處置措施,有效地控制和延緩?fù)荒嘤可盀?zāi)害的發(fā)生,減弱災(zāi)害的破壞力；孔少波等[4]提出水平袖閥管深孔注漿具有廣泛的適用性；吳亮等[5]在水平袖閥管注漿加固方案及效果分析中提出PVC管袖閥管注漿加固黃土、粉土等地層。相關(guān)研究為泥化砂層隧道突泥處治及超前預(yù)加固技術(shù)研究提供了思路和理論參考[6-8]。

基于此，以跑馬山2號隧道施工時(shí)發(fā)生的大型突泥為工程依托，對隧道突泥處治、泥化砂層超前預(yù)加固關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。本文基于對跑馬山2號隧道大型突泥的處治研究，采用25m水平袖閥管束，輔助8～14MPa的高壓注漿，進(jìn)行“先終后補(bǔ)、先外后內(nèi)、先上后下、間隔跳孔、分段循環(huán)、靶向置換”的注漿方式加固圍巖，使圍巖與漿液形成了漿脈骨架，同時(shí)袖閥管束在圍巖加固體中形成錨固樁作用，進(jìn)一步提高了泥化砂層圍巖和淤積體的穩(wěn)定性。

本研究成功處治了泥化砂層圍巖隧道的突泥災(zāi)害并通過突泥治理有效地穩(wěn)定了周邊圍巖，表明泥化砂層圍巖突泥災(zāi)害采用的處治技術(shù)和超前預(yù)注漿加固技術(shù)是成功的。

1 工程概況

項(xiàng)目位于康定市境內(nèi)，地處兩個(gè)一級大地構(gòu)造單元附近，工程區(qū)位于鮮水河-滇東地震帶內(nèi)，地層巖性變化大。受F20上游斷層及F21榆林壓扭性活斷層影響，圍巖交替變化、巖性復(fù)雜、破碎富水、穩(wěn)定性差，主要為沉積巖和變質(zhì)巖地層。跑馬山2號特長隧道起于康定市爐城南路，止于康定市駟馬橋村，共長6.77km。主線縱坡坡度為2.70%，跑馬山2號隧道出口為超長反坡排水施工。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)勘察表明，跑馬山2號隧道最大埋深為1 100多m，穿越崩坡積層、斷裂帶、塊石土、斜長花崗巖、閃長巖等，受構(gòu)造影響嚴(yán)重發(fā)育有節(jié)理裂隙。隧道穿越3條斷裂帶，與線路交角較大，突泥處埋深370m，圍巖性質(zhì)為灰?guī)r夾雜白云巖全風(fēng)化花崗巖。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地表水分布廣泛，主要為降雨和融雪水補(bǔ)給。地下水類型主要有孔隙水、裂隙溶洞水、基巖裂隙水三類。隧道突泥段的地下水主要為分布廣泛的基巖裂隙水、分布不一的碳酸鹽巖、碎屑巖互層裂隙溶洞水，含水層主要為石英砂巖、炭質(zhì)板巖、結(jié)晶灰?guī)r、灰色千枚巖、泥質(zhì)白云巖。受斷層作用影響，地下水補(bǔ)給與地表聯(lián)系密切。隧道出洞口上方引水渠為常年流水，水量受季節(jié)性變化影響較大。

3 突泥災(zāi)害的特征及機(jī)理分析

3.1 隧道突泥特征

隧道大型突泥發(fā)生3次，共計(jì)突泥約30 000m3，突泥物質(zhì)為含泥砂水的黃色混合物夾雜塊石，如圖1所示。

圖1 隧道突泥物質(zhì)

基于突泥現(xiàn)場調(diào)查和視頻分析，隧道突泥災(zāi)害總體表現(xiàn)為“能量大、速度快、集拱頂、泥砂化”形式。3次大型突泥發(fā)生時(shí)間無規(guī)律可循，但突泥發(fā)生前偶有打雷般響聲，突泥從管棚縫隙的薄弱部位突出，主要集中在拱頂部位，突泥發(fā)生時(shí)速度快、突泥體中攜帶大小不等的巖石顆粒，最大粒徑約50cm，沖擊性大、破壞性強(qiáng)，拱頂管棚及超前支護(hù)在突泥發(fā)生后均有破壞。

3.2 隧道突泥的機(jī)理分析

20世紀(jì)50年代以前，巖體的滲流問題基本上是采用多孔介質(zhì)理論研究，巖體作為介質(zhì)體是多向且不連續(xù)的，同時(shí)它將各種地質(zhì)作用下產(chǎn)生不同大小、不同方向、不同性質(zhì)的裂隙，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。突涌水的形式正是完整巖體裂隙演化構(gòu)成了突水通道導(dǎo)致，即：在不考慮外力干擾影響時(shí)，受巖石類材料本身裂紋演化的影響發(fā)生裂隙演化，巖體中的不連續(xù)裂隙易在高水頭作用下發(fā)生擴(kuò)展，形成貫通裂縫后逐漸擴(kuò)張，最后導(dǎo)致水力劈裂。

突泥段處在斷層帶，地下水系活動(dòng)復(fù)雜，圍巖由結(jié)晶灰?guī)r、白云巖、全風(fēng)化花崗巖組成，由于地質(zhì)作用影響，形成了多個(gè)不規(guī)則的相對隔水層，無外力擾動(dòng)時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。從突泥后的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，初支基本穩(wěn)定。

數(shù)據(jù)整理分析如表1所示，突泥點(diǎn)位于斷層上下盤接觸帶處，該斷層為榆林壓扭性斷層中的唯一逆沖走滑斷層，斷層面傾向東，傾向約78°，傾角約75°。該斷層具有以下特征。

表1 圍巖縱斷分布特性統(tǒng)計(jì)

1)破碎帶 寬度約191m，由糜棱巖、斷層泥、構(gòu)造角礫巖及碎裂巖、構(gòu)造透鏡體組成。糜棱巖呈粉末狀，遇水迅速軟化成泥，亦稱斷層泥，極軟弱，易崩解，為相對隔水層。構(gòu)造角礫巖位于斷層泥、糜棱巖和碎裂巖之間，充填泥質(zhì)，巖性軟弱，為相對弱透水層，由于是壓扭性斷層，構(gòu)造角礫巖厚度不大。碎裂巖巖體極破碎、為非均質(zhì)散體結(jié)構(gòu)，可能局部有泥化夾層和大小規(guī)模不一的硬巖透鏡體，為相對含水層。

2)上盤影響帶 寬度約220m，巖性主要為花崗閃長巖，節(jié)理裂隙極發(fā)育，屬極破碎硬質(zhì)巖，有利于地下水賦存，為相對含水層。

3)下盤影響帶 寬度約84m，巖性主要為綠泥石片巖、鋁土質(zhì)泥巖等軟質(zhì)巖石，構(gòu)造變形特征主要是牽引褶皺發(fā)育，巖體極破碎，遇水易軟化，系易產(chǎn)生塑性變形的軟巖，為相對隔水層。

進(jìn)一步結(jié)合地勘及現(xiàn)場情況分析，該段圍巖受斷層構(gòu)造作用影響，下盤斷層附近二迭系P變質(zhì)巖地層形成了1層以糜棱巖、斷層泥為主的相對隔水層，上盤花崗巖斷層位置巖體破碎，巖體間裂隙為地下水的賦存提供了良好的地質(zhì)條件，形成了1段相對富水的地質(zhì)單元，隧道的開挖擾動(dòng)打破原有環(huán)境，為地下水排泄提供了較好的通道，使得上盤富水單元地下水沿縱向裂隙向隧道內(nèi)排泄，繼而帶動(dòng)沿途破碎軟弱的糜棱巖，從而形成突泥。

基于此，從地質(zhì)角度分析隧道發(fā)生突泥涌砂的機(jī)理，主要原因?yàn)樗淼理敳康哪嗷皩邮艿缴细矌r層孔隙水的軟化以及施工擾動(dòng),強(qiáng)度顯著降低，難以形成承載拱效應(yīng)支撐上覆土層壓力，導(dǎo)致拱頂部位泥化砂層坍塌后砂層涌出，突泥后水流具有一定的泥滑感。

4 隧道突泥的處治

突泥發(fā)生在受斷層作用影響的泥化砂層圍巖中，泥化砂層主要由結(jié)晶灰?guī)r和白云巖以及全風(fēng)化花崗巖構(gòu)成，巖體呈松散致密的泥化砂狀，經(jīng)地下水長期浸泡軟化后形成軟弱富水狀散體結(jié)構(gòu)。泥化砂層具有一定的保水性，突泥物質(zhì)均為泥砂水混合物，靜置一段時(shí)間后有部分水析出，抽水長時(shí)間靜置后具有一定承載力，站人時(shí)發(fā)生輕微下陷。

根據(jù)突泥發(fā)生的特性，突泥的處治主要從掌子面穩(wěn)固和超前加固及預(yù)支護(hù)兩個(gè)方面進(jìn)行，遵循“安全清淤、殘泥穩(wěn)固、管束穩(wěn)定、高壓注漿、超前管棚、參數(shù)強(qiáng)化”等原則。

4.1 隧道突泥掌子面穩(wěn)固

突泥體堆積厚、長度約400m，分布于隧道全斷面中，穩(wěn)定性較差?；谝陨峡辈毂O(jiān)測分析，掌子面難以直接進(jìn)行清淤加固，在監(jiān)測和觀察突泥體穩(wěn)定后，沿隧道一側(cè)采用片石回填擠淤鋪筑1條寬約5m通道至掌子面附近后分步清淤，視現(xiàn)場清淤高度及淤泥穩(wěn)定監(jiān)測情況設(shè)置頂寬1m的C20混凝土攔泥壩，底部嵌入穩(wěn)定基礎(chǔ)，保證清淤時(shí)掌子面的穩(wěn)定。

對于殘余淤積體采用C20混凝土噴射封閉掌子面，采用6～9m長的2排φ42×4鋼花管注漿固結(jié)。封閉掌子面同時(shí)預(yù)埋仰斜式直徑10cm PVC管泄水孔，同時(shí)在前方設(shè)置集水坑，及時(shí)抽排洞內(nèi)積水，如圖2所示。

圖2 清淤攔泥壩及加固排水

4.2 突泥及掌子面前方圍巖預(yù)加固

在清淤至掌子面約6～10m時(shí)設(shè)置2m厚C25混凝土止?jié){墻，墻體使用φ12@200雙層鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)和小導(dǎo)管注漿錨固。周邊預(yù)埋1m長φ42導(dǎo)管，管口緊貼初支面，通過導(dǎo)管進(jìn)行注漿對止?jié){墻與初支間的裂隙進(jìn)行封堵，形成封閉體系。

止?jié){墻上設(shè)置導(dǎo)向孔，孔口管為2m長φ108×4鋼管，孔口管上纏繞麻絲且采用錨固劑密封管墻間隙，孔口管前端設(shè)置高壓閘閥，通過高壓閘閥先裸孔前進(jìn)式注漿3～5m，以防止高壓注漿時(shí)向掌子面后方圍巖返漿。

4.2.1水平袖閥管束高壓注漿加固地層

現(xiàn)場查看突泥物質(zhì)為泥砂夾雜塊石和部分碎石，基于實(shí)際情況，列舉出水平袖閥管束高壓注漿、水平旋噴樁、管幕注漿、冷凍法等方案，如圖3所示。

圖3 隧道突泥處治方案橫斷面對比

由于突泥及其圍巖中夾雜塊石，水平旋噴樁和管幕注漿鉆孔施工難度較大，且每循環(huán)為15m,循環(huán)次數(shù)多，無法保證施工效果；冷凍法施工費(fèi)用高(45萬元/延米)、工期長，且在山嶺隧道中極少使用；水平袖閥管束注漿相對更適合在軟弱富水圍巖中施工，且采用前進(jìn)式循環(huán)注漿能有效避免成孔困難等問題，相對費(fèi)用較低，工藝簡單。經(jīng)綜合分析比較，選擇水平袖閥管束輔助高壓注漿工藝。

基于突泥淤積體穩(wěn)定及隧道拱效應(yīng)分析，突泥點(diǎn)位于隧道拱部偏右，隧道初期支護(hù)在未成環(huán)的情況下，難以形成有效的承載拱效應(yīng)，隨著隧道開挖臨空面增加，拱部承受壓力逐漸增大，由于拱部右側(cè)圍巖較左側(cè)圍巖軟弱富水，為突泥的形成提供了直接條件。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算及以往處治經(jīng)驗(yàn)得知，隧道周邊圍巖5m范圍形成有效的承載拱，與雙層初期支護(hù)合體后滿足圍巖的而抗壓要求(見圖4)。

圖4 隧道上半斷面承載拱加固

結(jié)合圍巖性質(zhì)和開挖工藝，淤積體加固地層為掌子面前方縱向25m、開挖輪廓外6m，如圖5所示。注漿壓力為8～14MPa，采用普通水泥單漿液(W∶S=0.6∶1)、普通水泥-水玻璃雙漿液(W∶S=0.8∶1，體積比1∶1)、普通硫鋁酸鹽水泥單漿液(W∶S=0.8∶1)注漿。施工按照先終斷面孔、后補(bǔ)孔，先外后內(nèi)、先上后下、間隔跳孔的原則。帷幕注漿加固采用前進(jìn)式分段循環(huán)注漿(3～5m/段)，每循環(huán)注漿長度25m，搭接5m。帷幕注漿過程中出現(xiàn)涌砂時(shí)采用水平袖閥管束輔助高壓進(jìn)行靶向注漿置換加固薄弱地層。

圖5 隧道突泥上半段面帷幕注漿

水平袖閥管束采用φ42×4鋼管，間距為50cm梅花形布設(shè)，孔口采用防水膠布密封，如圖6所示。長度一般為7，12，15，20，25m，3根不同長度的小導(dǎo)管組合成一束，搭接部位不開孔。

圖6 水平袖閥管束設(shè)計(jì)

受巖層砂化及地下水影響，8，13，17，23m處塌孔嚴(yán)重、出水量較大、排渣不暢、無法進(jìn)尺時(shí)采取水平袖閥管束注漿。袖閥管采用人工配合鉆機(jī)安裝，在主孔邊鉆孔至塌孔部位后進(jìn)行水平袖閥管束輔助高壓注漿。注漿先稀后濃，水量較小時(shí)以單液漿為主、豐富時(shí)以雙液漿為主，并輔助稀漿洗孔交替進(jìn)行。

4.2.2超前中管棚預(yù)支護(hù)拱頂圍巖

在帷幕及水平袖閥管束輔助高壓注漿完成后，拱部120°范圍施作φ89×5環(huán)向間距30cm的超前中管棚進(jìn)行預(yù)支護(hù)。

中管棚采用φ89×5熱匝無縫鋼管加工，每節(jié)長6～9m，前端加工成錐形尖端并封閉便于管棚安設(shè)。管壁沿兩條垂直直徑布設(shè)4排φ8溢漿孔，溢漿孔呈梅花形布設(shè)，孔間距30cm，每根管棚末端一節(jié)不布設(shè)溢漿孔，如圖7所示。

圖7 中管棚鋼管設(shè)計(jì)

中管棚采取φ110鉆孔一次成孔，引孔完成后采用清水洗孔排渣后退出鉆桿插入管棚，管棚應(yīng)錯(cuò)縫連接，注漿采用全孔一次性注漿方式，漿液同袖閥管注漿。

4.2.3局部密布鋼花管注漿補(bǔ)強(qiáng)加固

袖閥管輔助帷幕注漿主要是高壓擠密砂層后的劈裂注漿，注漿對泥化砂層進(jìn)行了一定程度的擠密，與漿液及袖閥管束形成了漿脈骨架，由于砂層的致密性，高壓注漿存在一定的不均勻性和薄弱部位。

基于現(xiàn)場施工及查勘分析，薄弱部位多集中于上臺階的拱腳部位，滲水后呈緩慢流砂狀態(tài)。采用預(yù)埋6m長φ76×4鋼花管排水，管口采用透水土工布包裹、管身采用麻絲纏繞等排水濾砂措施。薄弱處打設(shè)4m長φ42×4小導(dǎo)管密布注漿加固，小導(dǎo)管前端1.5m設(shè)置梅花形溢漿孔，注漿壓力控制在1～2MPa。

4.3 注漿預(yù)加固效果評價(jià)

效果評價(jià)采用注漿量分析法、注漿P-Q-T曲線分析法以及孔內(nèi)成像驗(yàn)證等。在驗(yàn)證滿足要求后進(jìn)行開挖。

4.3.1注漿量分析法

基于注漿記錄表，對補(bǔ)孔和終孔上半斷面各孔單孔注漿量平面分布圖進(jìn)行分析，如圖8所示。圖中各孔位單孔注漿量按顏色由深到淺依次為：>50m3,40～50m3,10～40m3,<103m。經(jīng)綜合分析計(jì)算，填充率滿足注漿加固及擠密砂層要求。

圖8 隧道上半段面注漿量分析

4.3.2P-Q-T曲線分析法

根據(jù)循環(huán)鉆孔注漿施工過程，注漿量和注漿壓力隨注漿時(shí)間變化情況繪制P-Q-T曲線，如圖9所示。

圖9 典型P-Q-T曲線

通過P-Q-T曲線分析注漿過程，壓力和流量在一定范圍內(nèi)呈跳躍狀，沒有明顯上升，主要是因?yàn)榈貙游鼭{量大，漿液以充填孔隙為主，主要表現(xiàn)為擠密-劈裂注漿機(jī)理。

通過后序孔和補(bǔ)孔注漿過程分析先序孔注漿結(jié)束后，地層孔隙得到有效填充，地層密實(shí)度得到提高，地層吸漿量小，初始注漿壓力在3～4MPa，注漿流量在50～60L/min，注漿一段時(shí)間后壓力快速上升，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力。

基于以上分析，隨著注漿進(jìn)行，地層被漿液充填密實(shí)，壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力，加固效果良好。

4.3.3孔內(nèi)成像檢測及水量檢測

根據(jù)注漿情況分析，在薄弱部位布孔檢測，共設(shè)檢查孔3個(gè)，沿拱部下方1m處呈外弧形布置，薄弱部位加設(shè)監(jiān)測孔，成孔及出水情況如表2所示。

表2 檢查孔情況

通過檢查孔成像分析，檢查成孔性好、孔壁較為光滑、無坍孔、有少量流泥；綜合分析，注漿效果基本達(dá)到預(yù)期效果。

4.4 隧道塌腔整治及支護(hù)參數(shù)修正

受斷層覆蓋范圍及突泥影響，考慮隧道施工、運(yùn)營等因素，突泥及后續(xù)施工段落支護(hù)參數(shù)調(diào)整為加強(qiáng)型支護(hù)參數(shù)，以滿足后期運(yùn)營、維修要求。

1)支護(hù)參數(shù) 采用Ta型支護(hù)參數(shù)，即隧道斷面擴(kuò)大40cm，初支采用間距為50cm的I22b,I18雙層鋼拱架襯砌，超前支護(hù)為4.5m長φ42×4注漿小導(dǎo)管。

2)開挖工法 采用預(yù)留核心土環(huán)形掏槽開挖。掌子面開挖掘進(jìn)25m后，根據(jù)超前鉆孔及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，再行調(diào)整支護(hù)參數(shù)。

3)塌腔回填 對拱頂塌腔處打設(shè)φ108跟進(jìn)管進(jìn)行塌腔回填，回填材料根據(jù)鉆孔情況選擇C20早強(qiáng)混凝土或M30水泥砂漿。

4)泄水孔(管) 在拱部及拱腰處增加泄水孔，突泥段環(huán)向盲管加密至2m/道。

5 結(jié)語

1)結(jié)晶灰?guī)r、白云巖、全風(fēng)化花崗巖受斷層及地下水作用，形成泥化砂巖，具有一定的隔水性。泥化砂層具有豐富的保水性，富水后流動(dòng)性增強(qiáng)，靜置后大部分水量析出，砂層具有一定自穩(wěn)承載能力。

2)受地下水系活動(dòng)影響的斷層帶附近，形成多個(gè)不規(guī)則、不同傾角的相對隔水層，無外力擾動(dòng)時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，為突泥的發(fā)生提供了條件。

3)泥化砂層圍巖富水密實(shí)、可注性較差，采用袖閥管束輔助高壓擠密注漿后，泥化砂層中形成了漿脈骨架。飽水泥化砂層被擠密后與袖閥管束形成骨架約束，通過袖閥管束的錨固樁作用與漿脈骨架共同形成泥化砂層超前穩(wěn)固，改善砂層自穩(wěn)能力。

4)拱腳處吸漿量明顯少于拱頂及拱腰處，采用水平袖閥管束注漿能夠精細(xì)化靶向注漿，對帷幕注漿過程中局部涌砂地層實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)充加固。

5)水平袖閥管束輔助高壓注漿壓力2～3MPa時(shí)注漿流量為80～90L/min，注漿過程壓力和流量在一定范圍內(nèi)呈跳躍波浪線狀時(shí)，表現(xiàn)為擠密-劈裂注漿機(jī)理。