隧道穿越不良地質(zhì)段注漿處治方案對(duì)比研究

摘要：田林至西林（滇桂界高速公路）央達(dá)隧道右洞進(jìn)口端洞身段在開(kāi)挖過(guò)程中頻繁出現(xiàn)掌子面坍塌及突泥涌水現(xiàn)象且地面發(fā)生塌陷，文章通過(guò)對(duì)比洞內(nèi)注漿結(jié)合地表注漿加固方案與洞內(nèi)帷幕注漿加固方案，綜合分析兩種方案的實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、工期、設(shè)備資源，最終選取洞內(nèi)注漿結(jié)合地表注漿處治方案。工程實(shí)踐表明：注漿效果滿足隧道開(kāi)挖要求，達(dá)到了加固地層的目的，開(kāi)挖安全性獲得了較大提升，按時(shí)完成了隧道貫通，相關(guān)處治措施可為同類隧道穿越不良地質(zhì)段提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；不良地質(zhì)；注漿加固；方案對(duì)比

中文分類號(hào)：U457+.2A581925

0引言

隧道施工過(guò)程中往往會(huì)穿越不良地質(zhì)段，易引起地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重危害隧道內(nèi)施工人員安全。在我國(guó)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上［1-4］，李紹聰?shù)龋?］結(jié)合數(shù)值模擬手段對(duì)3種不同隧道加固方案從多角度進(jìn)行對(duì)比分析；原振軍［6］以某淺埋大斷面隧道工程穿越不良地質(zhì)段為例，采取了相應(yīng)的注漿加固處理技術(shù)，有效提高了隧道工程圍巖結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及安全；李建合等［7］基于鋼管柱注漿地表方法，成功處治隧道溶洞軟弱夾層段，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益；陳慶志等［8］以廣西岑溪至水汶高速公路山心隧道為依托工程，采用水力學(xué)計(jì)算及有限元分析兩種方法，參照超前地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果，提出了掌子面全斷面進(jìn)行帷幕注漿的加固方法，可有效保證隧道開(kāi)挖掘進(jìn)施工。

本文以現(xiàn)場(chǎng)隧道施工案例，通過(guò)對(duì)兩種處治方案進(jìn)行對(duì)比研究，從施工工藝、人員設(shè)備及經(jīng)濟(jì)性分析等多個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比，選取洞內(nèi)帷幕注漿結(jié)合地表注漿加固方案作為施工方案，最終安全成功地度過(guò)隧道不良地質(zhì)段，可為后續(xù)工程提供借鑒。

1工程概況

擬建田林至西林（滇桂界）高速公路ZK142+037/YK142+035央達(dá)隧道位于廣西西林縣央達(dá)村，設(shè)計(jì)為分離式隧道，進(jìn)出口均為端墻式，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為325 m/290 m，最大埋深約70 m。央達(dá)隧道位于剝蝕低丘地段，地形起伏差異較明顯，受區(qū)域地質(zhì)作用影響，巖層產(chǎn)狀、節(jié)理和裂隙變化較大，以風(fēng)化裂隙占據(jù)較多，巖體較破碎，隧道揭露有裂隙帶，且灰?guī)r區(qū)發(fā)育巖溶。

2隧道涌水突泥情況介紹

央達(dá)隧道掌子面開(kāi)挖至樁號(hào)ZK141+965和YK141+970時(shí)，圍巖為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r夾頁(yè)巖并有泥沙質(zhì)填充，巖體自穩(wěn)能力極差，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，參建單位決定加強(qiáng)襯砌形式，保證初期支護(hù)施工安全。央達(dá)隧道掌子面開(kāi)挖至YK141+960時(shí)，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂沉降較大，現(xiàn)場(chǎng)暫停掌子面作業(yè)，并對(duì)已支護(hù)段采用I20a工字鋼施作臨時(shí)護(hù)拱（型鋼拱架間距為1 m，22 mm鋼筋間距為1 m連接，噴射混凝土穩(wěn)固支撐）。掌子面開(kāi)挖至YK141+970時(shí)，沉降繼續(xù)變大，護(hù)拱開(kāi)始變形，立即停止掌子面施工并對(duì)護(hù)拱進(jìn)行掛網(wǎng)補(bǔ)噴增厚并持續(xù)觀測(cè)。

掌子面塌方至上一模二襯端頭，對(duì)掌子面回填石渣、清除部分淤泥時(shí)，發(fā)生大量突泥涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)陷入停滯狀態(tài)。對(duì)完成注漿固結(jié)的掌子面開(kāi)挖初支過(guò)程中，掌子面受擾動(dòng)再次出現(xiàn)擠壓涌泥現(xiàn)象。此段洞內(nèi)坍塌范圍樁號(hào)為YK55+246.5～YK55+291，共44.5 m，塌方體積約4 000 m3，地表塌坑約240 m3，預(yù)估此段坍塌范圍上方有約3 800 m3的空腔。

3原因分析

（1）央達(dá)隧道進(jìn)口端洞身段圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r夾頁(yè)巖，巖質(zhì)較軟-較硬，巖體破碎，主要呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育多由黏土質(zhì)及方解石石脈充填，基巖裂隙水稍發(fā)育，巖體完整性及穩(wěn)定性差。

（2）隧道突水量因多日持續(xù)大雨驟增，對(duì)塌陷區(qū)土體浸泡沖刷，造成塌陷區(qū)土體失穩(wěn)再次擠壓造成二次涌出。

（3）該段落超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論根據(jù)破碎狀況分布圖和阻抗系數(shù)分析，顯示該區(qū)段巖體反射信號(hào)較強(qiáng)，局部強(qiáng)烈，存在巖溶及溶蝕水發(fā)育現(xiàn)象，多處溶蝕裂隙發(fā)育有泥質(zhì)夾層，溶蝕裂隙水較發(fā)育。掌子面前方左側(cè)存在巖土交界面，發(fā)育不整合面，有軟弱破碎夾層，層間結(jié)合差，施工過(guò)程中易出現(xiàn)巖體失穩(wěn)坍塌及淋雨?duì)畛鏊F(xiàn)象。

4注漿加固方案對(duì)比

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及工程問(wèn)題特性，結(jié)合相關(guān)規(guī)范，經(jīng)參建單位多次現(xiàn)場(chǎng)踏勘及專家會(huì)共同商定后，初步擬定以下兩種注漿方案作處治比選，確保隧道開(kāi)挖安全通過(guò)。

4.1方案一：洞內(nèi)帷幕注漿+地表注漿加固方案

4.1.1方案概述

洞內(nèi)修建止?jié){墻，洞內(nèi)施工1個(gè)循環(huán)，加固長(zhǎng)度為27 m，加固圈為8 m，終止里程在仰拱端頭。地表同步施工，隧道33 m段落內(nèi)施作地表剛性袖閥管注漿，與洞內(nèi)帷幕注漿段搭接2 m。

4.1.2止?jié){墻及鉆機(jī)操作平臺(tái)

鉆機(jī)操作平臺(tái)使用C25混凝土材料，厚度為20 cm。施工止?jié){墻時(shí)，現(xiàn)澆C30混凝土，高度為7.5 m，錨固鋼筋環(huán)向的間距是1.5 m，單根長(zhǎng)度為2.0 m，隧道襯砌及止?jié){墻各插入1.0 m。如圖1所示。

4.1.3帷幕注漿方案

縱向加固范圍為27 m，徑向加固開(kāi)挖面與隧道開(kāi)挖輪廓線外8 m，底部加固至仰拱填充面。注漿孔漿液擴(kuò)散半徑為2 m，最終孔間距＜3.1 m。共設(shè)置注漿孔58個(gè)，其中終孔段設(shè)1個(gè)長(zhǎng)度27 m的注漿孔，補(bǔ)充段設(shè)1個(gè)長(zhǎng)度16 m的注漿孔?，F(xiàn)場(chǎng)注漿過(guò)程中，出現(xiàn)較大涌水或其他情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用周邊孔充填設(shè)計(jì)，作為補(bǔ)充注漿和效果評(píng)定。注漿材料為雙液漿（水玻璃+水泥）及摻入HPC外加劑的普通水泥漿液，終注壓力范圍為4～6 MPa。如圖2～5所示。

4.1.4地表注漿方案

（1）地表注漿加固范圍為33 m。隧道加固范圍為拱頂上8 m至仰拱底部，與洞內(nèi)帷幕注漿段搭接2 m處加固至仰拱填充面，兩側(cè)加固至隧道兩側(cè)最寬處向外6 m。該段范圍隧道平均設(shè)計(jì)埋深40 m，地表鉆孔的深度約50.9 m，注漿等邊三角形2 m×2 m間距設(shè)置。使用剛性袖閥管作為注漿材料，后退式注漿工藝操作。如圖6～9所示。

（2）鉆孔：根據(jù)地層特性，鉆孔套管跟進(jìn)鉆孔工藝，孔徑為150 mm。采用干鉆法，嚴(yán)禁采用水鉆工藝。

（3）剛性袖閥管：外徑為76 m、壁厚3.5 mm，其加工示意圖如下頁(yè)圖10所示。

（4）注漿材料同上，終注壓力范圍為4～6 MPa。

4.2方案二：洞內(nèi)帷幕注漿+管棚加固方案

4.2.1方案概述

采用洞內(nèi)帷幕注漿+大管棚綜合處理方案。計(jì)劃施工3個(gè)循環(huán)，大管棚在第2、第3循環(huán)帷幕注漿中施作。第1循環(huán)加固長(zhǎng)度為27 m，開(kāi)挖22 m；第2循環(huán)注漿加固長(zhǎng)度為25 m，開(kāi)挖長(zhǎng)度20 m；第3循環(huán)注漿加固長(zhǎng)度暫定為20 m，根據(jù)探孔情況調(diào)整加固長(zhǎng)度。

4.2.2止?jié){墻及鉆機(jī)操作平臺(tái)

第1循環(huán)止?jié){墻采用C30混凝土現(xiàn)澆，高7.5 m、厚2 m，鉆機(jī)操作平臺(tái)頂面距拱頂6.0 m。第2、第3循環(huán)止?jié){墻厚度為2.0 m，高度為6.5 m，鉆機(jī)操作平臺(tái)頂面距拱頂6.0 m，其他措施同方案一。

4.2.3帷幕注漿方案

（1）第1循環(huán)同方案一。

（2）第2循環(huán)縱向注漿加固長(zhǎng)度為25 m，開(kāi)挖長(zhǎng)度為20 m，搭接5 m，第3循環(huán)縱向注漿加固長(zhǎng)度暫定為20 m，根據(jù)探孔情況確定加固的深度。注漿加固范圍：徑向加固拱墻開(kāi)挖面和隧道開(kāi)挖輪廓線外8 m，底部伸至仰拱底。注漿孔漿液擴(kuò)散半徑為2.0 m，終孔間距＜3.2 m。共設(shè)置82個(gè)注漿孔。施工時(shí)根據(jù)實(shí)際注漿情況對(duì)薄弱位置進(jìn)行補(bǔ)充。

（3）注漿材料及終止壓力同剛性袖閥管。如圖11～13所示。

4.2.4管棚方案

管棚在第2、第3循環(huán)帷幕注漿施作。帷幕注漿完成后在隧道拱頂120°范圍內(nèi)施加管棚支護(hù)，環(huán)向間距為33 cm，外插角為5°，每一循環(huán)加固的長(zhǎng)度即為管棚設(shè)置長(zhǎng)度，一個(gè)循環(huán)共41根。管棚材料為89 mm、壁厚5 mm，單節(jié)長(zhǎng)度3 m，管棚焊接材料使用40 cm長(zhǎng)、76 mm、壁厚4.5 mm的鋼管兩頭焊接，管棚前段呈錐形，管壁之間每50 cm設(shè)置兩處溢漿孔（10 mm）。管棚注漿材料和配比同帷幕注漿要求，注漿壓力＜3 MPa范圍內(nèi)，如圖14所示。管棚施工完成后視施工情況確定是否打設(shè)泄水孔。

4.3注漿工藝及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

4.3.1帷幕注漿工藝

如圖15～16所示，結(jié)合前進(jìn)式分段注漿及鉆桿后退式分段注漿施工工法，通過(guò)對(duì)剛性袖閥管加工，可先鉆孔達(dá)到終孔深度，隨后孔內(nèi)插入2～3根25 mm的水平袖閥管，可有效保證分層注漿的效果。注漿之前可對(duì)隧道掌子面前方巖層進(jìn)行取樣判定，數(shù)量控制在3～5個(gè)注漿孔。

4.3.2地表注漿工藝

采用地表定向大口徑深孔注漿工藝（DDD工法），地表注漿工序如圖17所示。

4.3.3注漿材料

注漿材料為雙液漿（水玻璃+水泥）及摻入HPC外加劑的普通水泥漿液，普通水泥使用標(biāo)號(hào)P.O42.5硅酸鹽水泥。

4.3.4注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力表上數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，并保持該數(shù)據(jù)一定時(shí)間，即可驗(yàn)收，確保順利完成注漿。

（2）全斷面結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的注漿孔均能夠滿足設(shè)計(jì)終孔條件，過(guò)程中無(wú)漏漿現(xiàn)象發(fā)生；記錄注漿數(shù)據(jù)，對(duì)注漿效果較差孔重新布設(shè)檢查孔，觀察后續(xù)情況，個(gè)數(shù)控制在總注漿孔的5%范圍內(nèi)。

4.3.5注漿效果檢查

注漿效果評(píng)定是決策路基施工方案的依據(jù)［9-10］。

（1）分析法：注漿采用P-Q-t曲線和漿液填充率分析，漿液填充率在80%以上視為注漿合格。

（2）鉆孔檢查法：取總注漿孔數(shù)量的3%作為檢查孔，遵循均勻布置原則；鉆檢查孔時(shí)沒(méi)有空腔現(xiàn)象即為合格，注漿孔可以兼作檢查孔。

（3）孔內(nèi)成像：洞內(nèi)帷幕注漿檢查孔可采用孔內(nèi)成像的儀器研究注漿分布和成孔情況。

（4）取芯觀察。

5注漿方案實(shí)施性對(duì)比

通過(guò)對(duì)央達(dá)隧道塌方段兩種注漿加固處治方案介紹，從工藝成熟性、人員設(shè)備、施工組織、經(jīng)濟(jì)效益及工期多個(gè)方面進(jìn)行比較，見(jiàn)下頁(yè)表1。

經(jīng)方案實(shí)施性、經(jīng)濟(jì)性、工期、設(shè)備資源對(duì)比，方案一費(fèi)用較方案二略高，但工期較方案二明顯縮短，同時(shí)洞內(nèi)開(kāi)挖人員窩工較少，隱性費(fèi)用較低，因此采用更符合現(xiàn)場(chǎng)需要的方案一。

6結(jié)語(yǔ)

隧道施工過(guò)程中，往往會(huì)穿越各種復(fù)雜地質(zhì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)要求嚴(yán)格。本文以田林至西林（滇桂界高速公路）央達(dá)隧道為依托，討論了該隧道塌方段兩種處治方案的工序及多個(gè)因素對(duì)比，并重點(diǎn)探討了注漿施工的工藝及評(píng)定問(wèn)題。央達(dá)隧道處治措施方案一的成功處治經(jīng)驗(yàn)可為同類工程的施工提供技術(shù)資料和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：吳紹忠（1978—），工程師，主要從事隧道與橋梁專業(yè)工作。