水下隧道破碎帶地層注漿參數確定方法研究

李 敏 鄭清君

0 引言

隨著經濟和社會的發展，我國水下隧道工程越來越多，破碎帶地層、地質復雜是鉆爆法隧道施工技術發展的方向，而施工中注漿技術關系到整個工程的成敗，特別是在水下破碎地層中鉆爆法隧道施工，給予了我們更嚴峻的挑戰。

關于水下隧道復雜地質條件下注漿技術，文獻[1］～[4］進行了分析研究，本文針對水下隧道破碎帶地層主要注漿參數確定方法進行了研究。

1 注漿主要參數

注漿主要參數包括注漿加固范圍、注漿壓力、漿液擴散半徑、注漿孔終孔間距、注漿量和注漿速度。

2 注漿加固范圍

確定注漿加固范圍主要考慮兩方面:注漿后加固圈的承載力和抗滲性要求。若加固范圍過小，承載力或抗滲性達不到設計要求或預期效果，一般都會影響開挖施工，并造成滲漏水，嚴重時危及施工及環境安全;若加固范圍過大，又浪費材料、增加投資、延長工期，故合理確定隧道注漿加固范圍十分重要，其確定方法主要通過計算并結合有關經驗來確定，一般而言要求注漿后圍巖的承載力達到200 kPa以上，滲透系數小于10-4cm/s。

注漿加固圈厚度的確定方法主要有以下4類。

2.1 工程類比法

據我國水電部門的資料統計，加固注漿厚度一般為0.5倍～2.0倍隧洞半徑;我國煤炭部門巷道注漿加固厚度為2m～3m。前蘇聯在巷道注漿加固帶的厚度取3m～5m。

根據山嶺隧道和海底、水下隧道的施工經驗，假設隧道直徑為D，在一般富水的節理、裂隙地層，注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外(0.5～1.0)D;在高壓富水地區和巖溶特別發育地區，注漿加固范圍為隧道開挖輪廓線外(1.0～2.0)D;日本青函隧道注漿時考慮到海底涌水的危險及地層的不良原因，注漿加固范圍設計為隧道開挖輪廓線外(0.5～1.0)D，廈門翔安海底隧道主洞注漿加固范圍設計為隧道開挖輪廓線外(0.6～0.8)D。

隨著注漿新材料的不斷開發及性能的改進，注漿技術不斷取得進步，注漿質量也不斷提高，現在超前預注漿和徑向注漿加固范圍都有縮小的趨勢，考慮到水底隧道地質條件、施工難度及工程成本，側重于安全考慮，水下隧道超前預注漿加固范圍取開挖輪廓線外(0.5 ～1.0)D。

2.2 通過圍巖松動圈大小確定

對裂隙巖體中的圓形橫斷面隧道，注漿加固圈厚度根據圍巖松動圈厚度確定。圍巖松動圈的厚度通過多點位移計測得，也可用聲波測試儀測得;若無以上兩種資料，可按修正的芬納式進行計算。

其中，Rp為塑性區半徑;a為隧洞半徑;c，φ分別為圍巖的粘聚力和內摩擦角;p為圍巖應力;pb為支護抗力。

在松動圈內注漿會形成一個外殼支護層而具有較大的承載能力，支護層—巖體共同作用，改變加固圈的半徑可使加固巖石環的承載力不小于作用于外殼上的壓力，見式(1)。

其中，RG為注漿加固邊界的半徑;a為隧洞半徑;σG為注漿加固巖石的強度;qG為加固巖石環的承載力。

2.3 通過力學分析確定

采用厚壁圓桶的彈性力學析解方法進行檢算，將隧道看成厚墻圓桶，其外部作用有水壓力P1和土壓力P2，隧道半徑為r0，注漿加固圈半徑為r1，水壓力和土壓力均勻作用于注漿加固圈周圍，忽略重力影響，按厚壁圓桶的彈性力學軸對稱問題進行分析，距離隧道圓心某一距離處的r處的應力表達式如下:

其中，P為外荷載;r0為隧道半徑;r1為注漿加固圈半徑;σr為徑向應力;σφ為切向應力;τrφ為剪應力。

假定注漿加固圈半徑，計算出 σr，σφ，σrφ，通過室內和現場試驗，測試出注漿加固體的物理和力學指標，再通過強度理論或變形理論檢驗注漿加固體厚度是否滿足要求。

2.4 通過隧道允許的滲水量估算

估算隧道注漿后的滲漏水量采用式(5)。

其中，Q為隧道每秒的滲漏水量，m3/s，m;Ki為注漿圈的滲透系數，m/s;K為注漿區外巖體的滲透系數，m/s;h為水頭高度或隧道埋深，m;R為隧道半徑，m;t為注漿圈厚度，m;ζ為與隧道周邊壓力降有關的表面系數，從-4～9變化，一般取2～7。

3 注漿壓力

注漿壓力充當漿液在地層裂隙中擴散、充填、壓實脫水的動能，是注漿設計和施工中主要注漿參數之一，對提高注漿質量和保證注漿效果起較大的影響作用。

若選擇的注漿壓力過小，則漿液不能充滿地層縫隙和進行有效擴散，達不到加固巖層和阻斷地下水的效果，輕則會造成開挖后滲漏水，達不到限制排放和封堵的標準，增加后期處理費用;重則會危及施工安全，釀成施工事故。

若選擇的注漿壓力過大，則容易導致地層縫隙擴大或增加，增大漿液擴散范圍，造成材料浪費，同時還可能因注漿擊穿水底覆蓋巖而造成新的危害。因此水下隧道注漿壓力選擇研究的主要目的是保證漿液有效擴散堵水和加固地層，同時防止注漿擊穿海底覆蓋層而造成新的危害。

注漿壓力主要和隧道埋深、水壓力及地層巖性、結構和構造、注漿材料等因素有關，一般根據經驗和室內試驗選用，并經過現場試驗確定。對于可注性差、水壓力高、節理裂隙不發育、空隙率小的地層，注漿壓力應選大值，擴散半徑應選小值;對于可注性好、水壓力小、節理裂隙發育、空隙率大的地層，注漿壓力應選小值，擴散半徑應選大值。

目前隧道與地下工程注漿施工中，注漿壓力的選擇通常有現場試驗、工程類比法、經驗公式法和數值模擬法等，采用經驗公式確定注漿壓力的方法主要有以下幾種:

1)以靜水壓力為依據，一般情況注漿終壓為靜水壓力的3倍或略大于3倍，而日本青函海底隧道按公式p=(2～4)MPa+p0計算注漿終壓，其中，p0為靜水壓力，MPa。

2)以靜力平衡條件確定，常用于地面預注漿和大壩基巖注漿中壓力的確定，經驗公式如下:

其中，p為注漿壓力，105Pa;γ為巖石密度，g/cm3;D為注漿段止漿巖盤厚度，m;K為系數，一般為1～5。

4 漿液擴散半徑

根據現有理論公式，對于牛頓流體和賓漢姆流體型的兩種漿液，在設計注漿壓力為3mPa～4mPa、注漿孔半徑為5cm和注漿時間為1 800 s～3 600 s時，漿液的擴散半徑為2m～3m。

根據注漿壓力在裂隙內衰減數值分析表明，在注漿壓力3mPa～4mPa下，漿液可擴散至3m～4m的距離，而在多裂隙條件下，可擴散至2m～3m的距離。

對多個隧道進行試驗表明，漿液的擴散距離和鉆孔所揭穿的裂隙開度、裂隙稠密度、裂隙迂曲度等有關，當裂隙發育時，漿液擴散距離較遠，基本上都能達到2m，個別孔漿液甚至能擴散到3m～4m的地方。

通過以上分析可以確定，在設計壓力下，根據地質情況，漿液擴散半徑可取2m～3m。

第三、銀器“收驚”習俗。收驚，屬于道教儀式之一，儒教、齋教或佛教亦有相近儀式。90年代左右，收驚仍散見于閩東鄉村之中，已成為民間傳統療法之一，民間還流傳著《收驚文》、《收驚咒》等。明中后期以來，閩東白銀礦區左近部分收驚需借助于銀器。主要作法如下：第一、小孩收驚之法。夜晚，用清水煮熟鮮雞蛋，刨成兩塊，將蛋黃挖出，然后將一枚銀戒子置于蛋黃處綁于受驚孩子肚臍眼處，可以起到“收驚”之效。第二、大人收驚之法。到市場上買一個豬心，洗凈；選擇7口井，每口井取水若干，稱為“七星井水”；把銀鐲子套在豬心之上，用“七星井水”燉吃，可起到收驚之效。如果用“穢銀”的戒子和鐲子則收驚的效果更佳。

圖1 注漿孔布置方式圖

5 注漿孔終孔間距及布置

5.1 按行排列布置

當采用按行排列方式時，為滿足要求，至少使A1=2A2，A1為矩形ABCD的面積，A2為矩形ABCD內各注漿孔的注漿擴散面積，見圖1，有，R為每一注漿孔的擴散半徑，其大小與巖體的破碎程度、滲透系數、漿液的粘度、可注性和注漿壓力等因素有關。

根據模擬和試驗，R=2m～4m。設孔間距為d，則A1=2Rd，故有，此時

5.2 按等邊三角形布置

5.3 注漿孔終孔間距

據注漿加固交圈理論，注漿后應能形成嚴密的注漿帷幕。在注漿終孔斷面上，根據注漿擴散半徑進行注漿設計時，不應有注漿盲區存在，同時注漿孔盡量均勻布置，并且有利于鉆孔，這樣，在進行注漿設計時，多排孔的情況下，一般按梅花形布孔，以獲得較佳的注漿加固體厚度，減少注漿盲區。

根據計算，注漿孔按排方式時，注漿孔間距為2.36m～4.71m;注漿孔按等邊三角形布置時，注漿間距為3.54m～5.31m，實際應用時可根據地層情況，進行分區布置，提高針對性。由于擴散半徑僅是作為注漿設計時的概念參數，對于裂隙巖體注漿，設計時可按擴散半徑設置終孔位置，而施工可按探水注漿模式實施，即在壓注過程中，如果一環的鉆孔完成后，按照注漿標準不需要壓注的孔(涌水量在0.2 L/min/m以下)連續出現，則其間的奇數孔(偶數孔)可以省略，不需鉆孔。

6 注漿量及注漿速度

6.1 破碎帶核心部位

破碎帶核心部位以擠密和劈裂注漿為主，主要包括擠密注漿量和劈裂注漿量，在劈裂注漿過程中，將長度、寬度、高度相近的漿脈稱為同一級漿脈，單孔單段的注漿量計算公式如下:

其中，Q為單孔單段注漿量，m3;r1為注漿孔擴大后半徑，m;L為注漿段，m;β為漿液損失率，一般取0.1～0.2;α為漿液填充率，與擠密區形狀有關，一般取0.8～1.0;n，m分別為一級漿脈、二級漿脈的條數;Bi，Bj分別為一級、二級漿脈的寬度;Hi，Hj分別為一級、二級漿脈的高度;Li，Lj分別為一級、二級漿脈的長度;δi，ξj分別為一級、二級漿脈的形狀系數，一般取0.9～1.1。

6.2 裂隙發育段

裂隙發育段注漿以滲透填充注漿為主，注漿量主要與巖層的空隙率有關，其單孔單段注漿量如下:

其中，Q為單孔單段注漿量，m3;R為漿液擴散半徑，m;L為漿液填充的注漿段長，m;n為地層裂隙度或空隙率;α為漿液填充率，一般取0.8 ～1.0;β 為漿液損失率，一般取0.1 ～0.2。

裂隙發育段的注漿速度，前期注漿速度應控制在30 L/min～50 L/min，后期注漿速度應控制在5 L/min～30 L/min，注漿結束時，注漿速度應小于5 L/min。

7 實施效果

在多項大斷面公路隧道穿越水下破碎帶地層施工中，根據以上注漿參數確定方法得出針對性的注漿參數，滿足施工各項要求。

[1]王 乾.青島膠州灣海底隧道圍巖注漿加固技術[J］.巖石力學與工程學報，2011(4):790-802.

[2]黃明利.大斷面海底隧道軟弱地層施工方法研究[J］.中國工程科學，2009(7):35-38.

[3]游 旭.廈門翔安海底隧道中風化槽地段施工工法[J］.中國市政工程，2009(3):81-83，94.

[4]孟維孝.廈門海底隧道穿越F3風化深槽施工技術[J］.現代隧道技術，2009(3):71-80.