超前導管高壓注漿技術在隧道不良地質段塌方處理中的應用

張國榮 古軍

（1.西安市太平河渠道管理中心 陜西 西安 710007；2.西安市防汛機動搶險隊 陜西 西安 710007）

某大型隧道軸線通過不良地質區域，多次發生不同規模的坍塌，經過仔細分析，最終形成了系統、行之有效的施工措施。現將超前導管高壓注漿技術對不良地質缺陷的處理工序要點總結，與同行共享。

1 工程地質概況

1.1 地層巖性

該工程隧道址區出露地層主要為第四系全新統坡積物、滑坡堆積物，崩積物、千枚巖、片巖夾灰巖。

（1）第四系全新統坡積物

分布于隧址區梁頂斜坡位置，為褐黃色～灰色含碎石亞粘土，干燥，硬塑，碎石成份為千枚巖、灰巖，成棱角狀，頂部含有草根、樹根等。該層主要見于地表，呈不連續的透鏡體狀，揭露厚度約0～40.1m。

（2）第四系全新統滑坡堆積物

主要分布在隧道出口附近沖溝兩側，以含碎石亞粘土為主，土質不均，碎石成分為千枚巖，棱角狀，干燥，硬塑，厚度在10m以上。

（3）第四系崩積物

主要分布于隧道進口端深切溝谷西側。崩積物為塊石、碎石，偶見巨石，成分以石灰巖為主，棱角狀，混少量亞粘土。干燥，松散，混雜堆積，厚度10m～20m。

（4）泥盆系片巖千枚巖、灰巖

區內廣泛分布，為隧址區主要圍巖。主要為淺綠色片巖夾千枚巖、灰巖，呈互層狀，鱗片變晶結構。千枚巖～塊狀構造，表層極易風化，強風化厚度2.3m～40m，風化后呈砂狀、碎石狀，淺部節理裂隙發育，深部巖石致密堅硬。

（5）志留系千枚巖夾灰巖

區內廣泛分布，為隧址區主要圍巖。主要為灰綠色千枚巖夾灰巖，呈互層狀，傾向以南東為主，局部南西，傾角35°～67°，鱗片變晶結構，千枚狀～塊狀構造，表層極易風化，全～強風化厚度30m左右，風化后呈砂狀、碎石狀，淺部節理裂隙發育，深部巖石致密堅硬。上與西岔河組千枚巖呈斷層接觸，下部接觸關系不詳，總厚度大于3000m。

1.2 區域地質構造

隧址區位于華北地塊與揚子地塊碰撞擠壓區內的褶皺帶。區域地質構造主要為白石河—冷水河復式向斜和南羊山區域大斷層。白石河—冷水河復式向斜總體呈北西西向展布，其內部發育一系列次級褶皺，隧址區即在南羊山向斜內。南羊山斷層在遂址區內向北部呈北西西—南東東向展布，傾向 10°～35°，傾角 70°～80°，隧址區位于南羊山斷層下盤。由于受區域構造影響隧址區有一系列斷層。

隧洞進口附近南北向、近東西向兩組節理較為發育，洞口圍巖穩定性較差，對隧道有影響。出口（西）北南兩側有兩個滑坡體且規模較大。滑坡距隧道較遠，對隧道影響較小。

圖1 大管棚注漿示意圖

圖2 小導管注漿示意圖

圖3 小導管制作大樣

1.3 水文條件

隧道進口為一常年流水的沖溝，地表水位標高360m左右，對隧道地下水起排泄作用。

地下水類型主要為風化基巖裂隙孔隙潛水。實際分析時分別采用了大氣降水入滲法、地下徑流模數法、泉水流量法三種方法計算，最終取單洞1500m3/d的涌水量考慮，對隧道開挖有一定影響。此外，還應充分考慮進口段灰巖存在的巖溶水及局部沿斷層破碎帶產生集中涌水的可能。

區域內地表水和地下水對混凝土均無腐蝕性。

2 施工中遭遇的塌方過程

鉆爆施工時圍巖情況發生突變，褶皺發育、裂隙密布，巖石十分松軟，破碎強度極低。出碴完畢（鉆爆施工完成約3小時）后在進行危石清理時，進洞方向右側拱部部分巖石發生失穩，開始剝落，圍巖坍塌情況加劇，大量破碎巖塊自右側拱部墜落，（鉆爆施工完成約3.5小時）出現大規模沙石齊涌的罕見的嚴重干流沙災害，持續0.5小時（鉆爆施工完成約4小時）方開始穩定，此時涌落物已將掌子面和塌穴全部堆滿，流沙體堆積體體積超過600m3。根據過程觀測和流沙體體積換算，初步判斷塌穴尺寸為環向約10m，縱向約8m，深度約7m。流沙體揭示為：深灰色強風化小顆粒狀和粉末狀千枚巖巖屑和碎石土，局部夾雜強風化塊狀千枚巖，表面質感光滑，質地松脆，強度極低，極易破碎，判斷為V～VI級圍巖。

3 塌方處理

分析認為：圍巖塌方主要是由于巖體失穩所引發，從治本的角度考慮，應加強圍巖的自穩能力。通常所采用的方法有：①錨桿法，即利鉆機在圍巖壁上鉆孔安設錨桿對圍巖實施加固。②注漿法。將某些水泥或水泥-水玻璃混合液配置成漿液，用壓送設備將其灌入土層或巖層中，使漿液在高壓作用下沿縫隙擴散，最終實現膠凝固化。③小導管注漿支護。掌子面小導管注漿是沿隧道外輪廓線以一定仰角向掌子面前方打入泄漿孔的小導管，通過注漿來充分填充土體空隙形成一定厚度的結合體。該方法不僅可以達到超前加固圍巖和止水的目的，還能起到超前管棚預支護的作用。④大管棚法，即沿開挖輪廓周線鉆設與隧道軸線平行的鉆孔，而后插入不同直徑的鋼管（鋼管之間留有一定間距）形成鋼管棚架的一種支護方法。

管棚超前導管高壓注漿是近年發展起來的一種在軟弱圍巖中進行隧道掘進的新技術。其最早作為隧道施工的一種輔助方法，在軟巖隧道施工中穿越破碎帶、松散帶、軟弱地層，涌水、涌砂層發揮了重要作用，具有施工快、安全性高、工期短的優點，被認為是隧道施工中解決冒項的最有效最合理的施工方法。本次隧道塌方處理最后定采用的該技術。在軟弱土層中沿著開挖輪廓線和加固輪廓線，按照一定的入射角度，打設一定數量的小導管，用注漿設備把配置好的注漿材料，通過小導管注入到軟弱地層里，使注漿材料在軟弱地層里向四周迅速擴散和固結，并使小導管和土體固結在一起，起到棚護和加固地層的作用。

（1）施作30mφ89大管棚穿越塌體。管棚分兩環施作，搭接長度3m，對塌體進行固結注漿，管棚鋼管間距40cm，數量每環31根，漿液采用水泥漿液，配比為水：水泥=1：1，注漿壓力2.0MPa，同時噴射砼封閉掌子面。

（2）管棚施工完畢后，在未塌方段立4榀鋼拱架作為未塌方段和塌方段的過渡加強段，同時等待掌子面噴射砼上升強度。鋼拱采用I16鋼拱架，間距0.75m/榀，拱部每榀鋼拱架拱腳設8根Φ50鎖腳小鋼管，角度-45°，鋼管長3m內部充填水泥砂漿以增加剛度。系統錨桿采用φ22早強砂漿錨桿，L=400cm，@=100×75cm，拱墻布設；全斷面布設φ8mm×20mm×20mm鋼筋網，噴射混凝土厚22cm。

（3）初期支護穿越塌方段后，在塌方部位施作2根7mΦ200混凝土輸送管，穿越本部初期支護進入塌腔，泵送C25混凝土回填塌穴空腔。

（4）因陷穴部位堆積流砂體松軟自承力低，為避免隧道施工后收斂過大，留下質量隱患，因此對隧道全斷面圍巖進行固結注漿處理，增強圍巖自承力。注漿鋼管采用5.0mΦ50鋼管，環向間距60cm，徑向間距60cm。注漿液采用水泥漿液，配比采用水：水泥 =0.4：1。

（5）將原設計III變更為V級圍巖進行施工，襯砌采用重新設計，同時調整部分支護參數。

4 結論

隧道塌方的原因復雜，形式多樣，處理方法也各異，實際處理中，應根據塌方的位置、大小、施工復雜程序與難度具體對待。本次隧道工程通過不良地質區段時啟動超前導管高壓注漿技術施工工序，使巖層提前固結從而形成整體強度，有效地減少了經濟損失，保證施工安全，達到了預期的施工效果。陜西水利