分階段注漿圍巖加固技術在炭質頁巖隧道施工中的應用

任永強

(甘肅省遠大路業集團有限公司,甘肅蘭州 730000)

分階段注漿圍巖加固技術在炭質頁巖隧道施工中的應用

任永強

(甘肅省遠大路業集團有限公司,甘肅蘭州 730000)

由于炭質頁巖具有膨脹性、崩解性、風化性等物理特性,在這種地質條件下的隧道施工,極易出現襯砌混凝土開裂、襯砌侵限、鋼架扭曲變形等情況。所以,有效控制炭質頁巖地質條件下隧道圍巖變形成了隧道施工過程中的一大難題,筆者將通過在該地質條件下從事隧道施工的一些體會,闡述在炭質頁巖地質條件下,采用分階段注漿對控制隧道圍巖變形的重要作用,為今后相似地質條件下隧道施工提供依據。

分階段注漿 炭質頁巖 隧道 施工 應用 研究

目前，在炭質頁巖地質條件下進行隧道施工時，通常采用充分預留變形量進行強支護和注漿加固圍巖等施工方法。采古隧道是我們從事隧道施工以來，第一次遇見炭質頁巖。在采古隧道施工過程中，我們結合隧道監控量測技術，利用監控量測數據確定各階段注漿時間和注漿方案，取得了一定效果。現結合采古隧道施工現場實際情況，將炭質頁巖地質條件下，如何采用分階段注漿加固圍巖的控制要點做一簡要介紹。

1 工程概況

1.1 工程建設概況

采古隧道位于甘肅省甘南藏族自治州迭部縣，省道313線(宕迭線)，臘子河下游東岸。進口位于迭部縣洛大鄉貢尖村，出口位于迭部縣才古村，隧道里程樁號K56+904～K58+282，隧道長度1378m，隧道設計圍巖為IV級、V級兩種等級，其中IV級圍巖600米，V級圍巖778米，V級圍巖占隧道總長的65%。

1.2 采古隧道炭質頁巖段掌子面描述

掌子面為黑色微風化薄層炭質頁巖夾炭質灰巖，并見少量頁巖弱變質成的板巖，屬于軟—硬互層產出，軟巖為主。圍巖巖層傾向北偏東，走向基本與進口段軸向一致。地應力較大，開挖后左側(北側)拱腰處落塊，圍巖塑性變形極大，自穩能力很差。

1.3 采古隧道炭質頁巖段變形情況

通過對K56+935斷面進行監控量測分析，隧道左側總變形量為750mm，右側累計變形量小于左側，為500mm。

2 炭質頁巖變形機理

炭質頁巖主要由固結較弱的粘土在地殼運動中經過擠壓、脫水、重結晶和膠結作用形成。

2.1 炭質頁巖膨脹性

炭質頁巖的膨脹性以其自由膨脹率的大小來反映，其主要影響因素有含水量、環境濕度(初始含水量)、含水率、巖石的結構、巖石的干密度及孔隙率。

2.2 炭質頁巖崩解性

炭質頁巖的成分以粘土礦物為主，同時巖體內大多均含先存裂隙及微裂縫。在炭質頁巖中，由于伊利石、高嶺石等粘土礦物顆粒較小，親水性很強，當水灌入巖石的孔隙、裂隙時，細小巖粒的吸附水膜便會增厚，引起巖石體積的膨脹，而不均勻的體積膨脹在巖石內部就產生不均勻應力，部分膠結物會被稀釋、軟化或溶解，從而導致巖石顆粒的碎裂解體，從而形成崩解。

圖1 上臺階分階段注漿示意圖

2.3 炭質頁巖層理結構與隧道穩定性分析

在炭質頁巖中開挖隧道后，一方面開挖輪廓周邊高擠密性的炭質頁巖層理體具有恢復其原狀的臨空面，另一方面炭質頁巖暴露于空氣中崩解膨脹，從而釋放出很大的地應力作用于支護結構，容易造成支護結構的開裂和大變形。

隧道開挖后，炭質頁巖沿著傾斜層理方向膨脹，層理結構對穩定性影響與巖層傾向有關，采古隧道巖層由北(左)傾向東(右)，所以層理結構對隧道左側邊墻和拱腰的穩定性不利，而右側和拱頂相對穩定。

3 采古隧道炭質頁巖段施工方案

從圍巖變形情況可見，此類圍巖變形大，需預留的變形量左側為750mm，右側為500mm。且施做二襯前初期支護變形未穩定，在這種情況下施做二襯，隧道施工質量和運營安全很難保證，對此，我們通過對變形規律的分析和總結，制定出了此類圍巖的支護方案。

3.1 洞身開挖

為減小施工周期和總變形量，每循環進尺不易太小，確定為1.5米(3榀拱架)。

3.2 初期支護

此類圍巖開挖后通常形成約5米松動圈，所以在初期支護完成后交錯梅花狀布設4米和5米長的Φ42注漿小導管，間距為50cm*50cm，前兩階段采用4米長導管，最后一階段用5米長導管。垂直襯砌打入，分階段進行導管注漿。

3.3 分階段注漿

對完成初期支護的斷面進行量測，以量測數據為依據，把圍巖變形分成若干階段，在每個階段進行注漿。在第一階段注漿時，只是某些結構層間出現裂隙，漿液只能在出現裂隙的結構層中滲透。完成注漿后其余結構層還會出現裂隙，導致圍巖繼續變形，所以要反復進行注漿，直到圍巖變形穩定為止，這樣可使漿液更充分的滲入圍巖，在圍巖松動圈內形成一個大約5米厚的殼體，以增強對圍巖的支護能力。當累計變形量達到10厘米時，進行I階段導管注漿；當累計變形量達到15厘米時，進行II階段導管注漿；累計變形達到20厘米時，進行III階段注漿。采古隧道炭質頁巖段當進行三階段注漿后，圍巖變形基本穩定。每階段具體注漿導管順序見圖1。

(1)注漿參數。1)水泥漿水灰比1：1；2)水玻璃摻量為水泥用量的5%(質量)，水玻璃深度35玻美度，模數2.4；3)注漿壓力控制在0.5～1.0MPa。

(2)注漿工藝要求。1)注漿順序為從拱腳到拱頂順序進行。2)注漿結束后鋼花管尾部出露部分應采取切割方式處理并敷以砂漿，以防刺破防水板。3)鋼花管注漿過程中應隔孔進行，以提高漿液的擴散性和凝固性。

3.4 仰拱施工

對完成上述三個階段注漿的段落，及時進行下臺階和仰拱施工，仰拱必須全幅澆注，每循環長度不能大于5米。

3.5 二襯施工

通過監控量測，初襯變形速率趨于穩定后，進行二襯砼澆注。二襯距掌子面距離控制在50米之內。

4 采古隧道分階段注漿段施工總結

通過對分階段注漿段K57+080斷面進行量測發現，左側最終累計變形500mm(較以前變形量750mm減少了250mm)，拱頂與右側累計變形為350mm(較以前變形量500mm減少了150mm)，且二襯施做前圍巖變形已趨于穩定，進行分階段注漿，注漿更充分，效果更明顯，累計變形量小，二襯施工前變形趨于穩定，證明此方案是成功的。在實際應用中為提高注漿效果，還要注意以下幾個方面的問題。

(1)監控量測為分階段注漿提供數據支持，所以采取本方案施工時，要嚴格制定監控量測方案，確保量測數據準確；(2)采用分階段注漿的方法加固圍巖，要掌握最佳的注漿時機，確定兩個注漿階段間科學合理的時間間隔。間隔太短，注漿量很難保證，注漿周期太長，影響施工效率。間隔太長，圍巖結構層間空隙太大，注漿加固效果不明顯；(3)漿液水灰比的控制也是分階段注漿的成功與否的關鍵。由于炭質頁巖具有遇水膨脹的特性，所以如果水灰比過大，漿液中的自由水也就增多，影響圍巖穩定，水灰比太大，漿液不易在圍巖中擴散。

5 結語

通過對采古隧道監控量測數據的分析，對炭質頁巖隧道變形規律有了一定的認識。在施工過程中，我們通過對多種圍巖加固方案的對比，發現進行分階段注漿方法是一種對炭質頁巖隧道行之有效的施工方案，通過此方法的應用，使隧道變形得到了有效控制，不但加快了工程進度，保證了工程質量，而且也取得了良好的經濟效益。

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