帷幕注漿施工技術(shù)在公路隧道穿越淺埋沖溝段的應(yīng)用

于松波

(陜西高速公路工程咨詢有限公司，西安 710061)

注漿加固技術(shù)多應(yīng)用于地下工程巖體破碎帶、富水、淺埋溝谷段等軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件的施工環(huán)境，能有效解決隧道涌水突泥及圍巖坍塌等施工難題，確保工程建設(shè)的安全順利進行。經(jīng)過諸多學者和技術(shù)人員多年的研究和實踐，我國注漿加固技術(shù)在注漿加固理論、注漿工藝、注漿材料、注漿效果評價等方面都取得了許多先進的研究成果。近年來，注漿加固技術(shù)研究和應(yīng)用的領(lǐng)域愈加寬廣[1-2]。

彭學軍等[3]利用“超前管棚+超前帷幕注漿”解決了隧道穿越“易滑地層”的加固技術(shù)，加固止水效果良好。方健[4]采用注漿資料分析和檢查孔驗證相結(jié)合的方法對超前帷幕注漿效果進行了評價。李嘉璐等[5]利用數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)控量測相結(jié)合的手段，評價分析了超前半斷面帷幕注漿、全斷面帷幕注漿的注漿效果。周運祥[6]采用堵排結(jié)合思路，研究了袖閥管注漿+鋼管樁注漿技術(shù)治理隧道全風化花崗巖層段涌水涌砂加固的治理難題。劉鵬飛等[7]研究了帷幕注漿加固高含水黃土層施工技術(shù)，并采用地質(zhì)雷達與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對注漿效果進行了評價。

專家學者們對注漿加固技術(shù)的理論研究和技術(shù)更新在工程實踐中得到了較好應(yīng)用與印證[8-12]。同時，由于注漿工程自身的模糊性、隱蔽性、隨機性和復(fù)雜性[13-16]，不同施工環(huán)境下注漿加固技術(shù)實施難度和效果評價不同，應(yīng)根據(jù)工程具體情況開展具體研究。本文以宋家凹隧道穿越淺埋沖溝段工程為例，開展帷幕注漿設(shè)計、實施和評價研究，以期同類工程參考。

1 工程概況

宋家凹隧道是連霍二廣高速聯(lián)絡(luò)線新安至伊川高速的重點控制性工程，雙向4車道，分離式，左線長2 495 m，右線長2 508 m。隧址區(qū)屬丘陵地貌，隧道沿線分布小規(guī)模斷層及破碎帶，以Ⅳ～Ⅴ級圍巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，富含基巖裂隙水，圍巖自穩(wěn)能力及成拱能力差，穿越一淺埋沖溝段，溝內(nèi)水量大。隧道設(shè)置3處車行橫洞、7處人行橫洞、1個斜井工程，結(jié)構(gòu)物縱橫交錯，施工情況復(fù)雜。

1.1 工程地質(zhì)

隧道穿越淺埋地表沖溝段，右線樁號為K38+105～K38+125，左線樁號為Z3K38+095～Z3K38+115，地形陡峭，高差20 m～40 m，隧道埋深為15 m～25 m，覆蓋層為第四系粉質(zhì)粘土，厚度為11 m～15 m；基巖為強風化震旦系許山組安山玢巖，塊狀構(gòu)造，紫紅色，受破碎帶影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖石強度較低，完整性差，開挖時易產(chǎn)生掉塊及坍塌。

1.2 水文地質(zhì)

沖溝內(nèi)地表水及地下水豐富，匯水面積大，溝谷內(nèi)有常年流水，常年流量約5 L/s～7 L/s，最大洪峰量為9 m3/s～12 m3/s。由已開挖施工段落可知，宋家凹隧道地下水豐富，地下水水位深為9.6 m～11.9 m。接近淺埋段，洞內(nèi)掌子面常有股狀水流出，最大涌水量為5.699 m3/(d·m)，且該淺埋穿越?jīng)_溝段開挖時間處于雨季，受地表水補給和圍巖賦水的影響，施工期間掌子面極易發(fā)生涌水及冒頂事故，造成隧道掌子面失穩(wěn)。

2 帷幕注漿施工方案

2.1 注漿施工方案設(shè)計

宋家凹隧道右線K38+105～K38+125(左線Z3K38+095～Z3K38+115)淺埋沖溝段，采用上臺階帷幕注漿，每段均按25 m施工，左右側(cè)各施工2個循環(huán)，施工平面布置見圖1。止?jié){墻混凝土為C25，混凝土厚度150 cm，采用2次澆筑成型。上臺階共布設(shè)注漿孔38個，其中第A環(huán)10孔，第B、C環(huán)均為14孔，開孔孔位布置可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行調(diào)整，在施工空間允許的情況下，孔位布置盡量靠近開挖輪廓線，注漿孔斷面布置見圖2。

單位：m圖1 帷幕注漿施工平面布置Fig.1 Plane layout of curtain grouting construction

單位：cm圖2 注漿孔橫斷面布置Fig.2 Cross-sectional layout of grouting holes

注漿孔布置由工作面向開挖方向呈傘形輻射狀，鉆孔布置3圈，并采用長短孔相結(jié)合的方法。第A環(huán)打設(shè)角度為3°，深度不低于25.5 m；第B環(huán)打設(shè)角度為10°，深度不低于25.8 m；第C環(huán)打設(shè)角度為20°，深度不低于10.9 m。帷幕注漿縱向設(shè)計見圖3。

單位:cm圖3 帷幕注漿縱剖面Fig.3 Longitudinal profile of curtain grouting

注漿前在止?jié){墻埋設(shè)Φ108無縫鋼管作為孔口管，孔口管長1.8 m，孔口外露0.2 m～0.3 m，用于焊接法蘭盤；止?jié){墻前端應(yīng)嵌入圍巖不小于30 cm。注漿加固范圍為開挖輪廓線外5 m，拱內(nèi)2 m，注漿段長25 m，分2環(huán)實施，第一環(huán)長10 m，第二環(huán)長15 m，最后一個注漿段完成后，預(yù)留5 m不開挖，作為下一個注漿段的止?jié){巖盤。

2.2 注漿參數(shù)確定

注漿順序按“由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進行，以達到控域注漿加固的目的，注漿參數(shù)如表1所示。

表1 注漿設(shè)計參數(shù)Table 1 Grouting design parameters

2.3 注漿施工工藝及要點

1) 施工工藝

隧道進入軟弱地層前應(yīng)加強超前地質(zhì)預(yù)報和超前探水工作，根據(jù)具體情況及時進行帷幕注漿作業(yè)。沖溝段帷幕注漿施工工藝流程見圖4。

圖4 注漿工藝流程Fig.4 Grouting process

2) 施工要點

采用前進式分段注漿工藝進行鉆孔注漿施工，注漿分段長度10 m，即鉆進10 m注漿1次，依次循環(huán)注漿。在止?jié){墻內(nèi)預(yù)埋Φ108導向管，管長1.8 m，外露端焊接法蘭盤，再用鉆機開孔。通過孔口管鉆設(shè)Φ89注漿孔，鉆到10 m深時開始實施注漿作業(yè)，注漿結(jié)束后再鉆10 m進行注漿，依次循環(huán)，直至結(jié)束該孔注漿。注漿施工要點如下：

(1) 注漿順序按“由外到內(nèi)、由上到下、間隔跳孔”的原則進行。

(2) 注漿過程中，注漿壓力逐漸上升，注漿流量逐漸下降，當注漿壓力達到2.5 MPa～4 MPa并穩(wěn)壓10 min后，即可結(jié)束單孔注漿。

(3) 設(shè)計的所有注漿孔均達到注漿結(jié)束標準，無漏注現(xiàn)象，即可結(jié)束該段注漿。

(4) 注漿過程中，如發(fā)生其他孔串漿，可關(guān)閉該串漿孔繼續(xù)注漿，但若發(fā)生頻繁時，應(yīng)加大鉆孔與在注漿孔的間隔或鉆1孔注1孔，減少串漿現(xiàn)象。

(5) 注漿過程中，如跑、漏漿現(xiàn)象嚴重時，可通過間歇注漿技術(shù)或通過調(diào)整漿液配比縮短凝膠時間的方法進行封堵，但若無效時，可暫停該孔注漿，分析原因，采取其他措施。

(6) 若鉆孔過程中遇到涌水、突泥，應(yīng)立即停止鉆孔進行注漿。

3 注漿效果分析

宋家凹隧道左線于6月29日至7月28日進行注漿施工，右線于6月29日至7月30日進行注漿施工。同時分別在左右線沖溝段溝底相應(yīng)位置布置監(jiān)測斷面，對拱頂下沉和地表沉降變形進行分析，并結(jié)合監(jiān)測曲線及開挖過程中掌子面、拱頂涌水突泥觀測情況對宋家凹隧道穿越淺埋沖溝段帷幕注漿效果進行驗證。

3.1 拱頂下沉和地表沉降

在洞內(nèi)右線YK38+116、左線ZK38+105斷面處布置拱頂下沉監(jiān)測點，并在對應(yīng)的地表處布置地表沉降變形監(jiān)測點，按照《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F60—2009)規(guī)定的監(jiān)測頻率進行數(shù)據(jù)量測，得到拱頂下沉和地表沉降曲線，見圖5。

圖5 拱頂下沉和地表沉降曲線Fig.5 Curves of vault settlement and surface settlement

由圖5可知，右線YK38+116和左線ZK38+105斷面處拱頂下沉變形規(guī)律、地表沉降變形規(guī)律一致，拱頂下沉在掌子面開挖后7 d內(nèi)增加明顯，7 d～10 d內(nèi)拱頂下沉趨勢變緩，10 d以后拱頂變形處于穩(wěn)定狀態(tài)，左線拱頂最大下沉值為8.3 mm，右線拱頂最大下沉值為6.8 mm。左右線穿越地表沖溝溝底地表沉降在開挖后7 d內(nèi)增加明顯，但整體增加趨勢平緩，7 d后地表沉降處于穩(wěn)定狀態(tài)，最大值分別為1.0 mm、1.1 mm。由上述分析可知，帷幕注漿在左右線加固效果不同，但整體注漿效果良好，起到了加固巖體的目的。

3.2 注漿壓力及注漿流量與注漿時間的關(guān)系

在帷幕注漿過程中，在左右線注漿孔中選定注漿效果檢查孔，記錄注漿過程中不同時間段的注漿壓力和注漿流量，以便觀察注漿壓力、注漿流量在注漿過程中的變化特征，變化曲線見圖6。

圖6 注漿壓力及注漿流量與注漿時間的關(guān)系Fig.6 Relationship of grouting pressure and grouting amount with time

由圖6可知，注漿過程中隨著時間的推進，注漿壓力逐漸增大，注漿流量減小，注漿開始的40 min內(nèi)，注漿壓力從0 MPa增大到2.8 MPa、3.0 MPa，注漿流量從89 L、92 L減小為44 L、54 L，該過程為滲透注漿階段；之后的注漿過程，注漿壓力基本保持不變，處于補充注漿階段；60 min以后，注漿壓力趨勢處于穩(wěn)定狀態(tài)，壓力維持在3.3 MPa、3.6 MPa，注漿量下降，表明注漿處于飽和狀態(tài)，穩(wěn)壓10 min后巖層不能再進漿，符合注漿結(jié)束標準。

在掌子面開挖過程中，掌子面巖體完整，漿液在巖體中擴散效果較好，漿脈紋路清晰、均勻分布、填充飽滿，未發(fā)現(xiàn)滲漏水、突泥、坍塌現(xiàn)象，見圖7。由圖5～圖7可知，帷幕注漿效果良好，起到了很好的圍巖加固效果，確保了宋家凹隧道穿越淺埋沖溝段開挖施工安全順利進行。

圖7 注漿后掌子面開挖效果Fig.7 Effect of tunnel face excavation after grouting

4 結(jié)束語

1) 針對宋家凹隧道沖溝淺埋段圍巖地質(zhì)條件及可能存在的施工問題，制定了帷幕注漿施工方案，給出了具體注漿參數(shù)、施工工藝流程及施工要點。

2) 通過對注漿段施工過程中布設(shè)拱頂下沉、地表沉降監(jiān)測斷面，結(jié)合注漿壓力及注漿流量與注漿時間的記錄，綜合分析相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得了拱頂下沉和地表沉降變化規(guī)律，注漿壓力、注漿流量與注漿時間的關(guān)系曲線。其中注漿段拱頂最大下沉值為8.3 mm、地表沉降最大值為1.1 mm，注漿終壓為3.3 MPa、3.6 MPa，圍巖穩(wěn)定，表明注漿效果良好。

3) 帷幕注漿施工后，掌子面開挖過程中未出現(xiàn)圍巖滲漏水、突泥及坍塌情況，圍巖變形在規(guī)范要求范圍內(nèi)，表明注漿效果較好。

4) 在淺山丘陵地區(qū)，公路隧道穿越淺埋且匯水沖溝段時，采用帷幕注漿技術(shù)能有效提升圍巖自穩(wěn)能力，且堵水效果良好，確保了隧道開挖支護的順利實施。