隧道高地應力軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術

羅衡

【摘 要】新建成都至蘭州鐵路松潘隧道屬傍山隧道，隧道最大埋深約270 m，為高地應力軟質圍巖隧道，施工期間隧道頻繁出現初期支護變形破壞、侵限等問題。因原始圍巖的壓實程度高，采取常規注漿加固的效果并不理想。根據隧道的圍巖特性、初期支護變形及破壞特性，針對性地提出了隧道高地應力軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術，有效地控制了高地應力軟巖進一步蠕變，防止圍巖過度變形。

【關鍵詞】鐵路隧道；軟弱圍巖；高地應力；適度蠕變；注漿

【中圖分類號】U45 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）02-0087-03

0 前言

近年來，隨著國家基礎建設的迅速發展，高速鐵路穿越我國西北部高海拔、高地應力山脈的情況越來越多，使得隧道施工過程中所遇到的圍巖地質情況也更加復雜。成蘭鐵路松潘隧道最大埋深約270 m，隧道開挖揭示圍巖主要為三疊系上統新都橋組（T3x）炭質板巖，巖質軟弱、巖體擠壓破碎嚴重，節理裂隙發育且結構面結合很差（如圖1所示）。由于隧道埋深大、地應力大，圍巖雖破碎，但在未進行開挖擾動時壓實程度高，現有的注漿施工技術對圍巖變形的控制效果并不理想，從而導致隧道初期支護頻繁出現變形、侵限的現象。

為了確保隧道圍巖穩定，必須進行圍巖軟巖的處理，同時需進行施工工藝及技術創新，創造性地采用新技術，以處治軟弱圍巖的過度變形，確保隧道初期支護結構的穩定，加快施工效率。

1 采用的創造性施工技術要點及特點

1.1 技術原理

因隧道埋深大、地應力高，圍巖在未開挖前結構密實，采取常規的注漿技術的處理效果非常有限，圍巖在完成初期支護后，圍巖持續發生大變形，造成初期支護大變形、開裂及超限等問題。

在對隧道高應力軟巖的地質情況進行了充分研究的基礎上，經多次現場試驗、分析及研究，創造性地提出了高地應力軟巖隧道圍巖適度蠕變后滲透注漿的施工技術，既在圍巖開挖后，立即施工初期支護，圍巖在初期支護的約束下，因受開挖擾動及應力重分布發生蠕變，所以圍巖由緊密狀態向松弛狀態變化，洞周圍巖產生松動圈，再適時對洞周松動圈一定范圍內的圍巖進行壓漿加固。注漿的時機要求如下：①圍巖松弛達到一定程度，可以注入足夠的漿液固結、加固松弛圍巖；②軟弱圍巖不過度松弛，避免引起初期支護過度變形破壞，甚至完全失效。具體施工技術如下。

采用管身鉆注漿孔的φ42/t=3.5 mm無縫熱軋鋼管作為滲透注漿的引流管，在初期支護完成后鉆孔，將引流管送達松散圍巖中。利用注漿機將1∶1水泥漿通過引流管壓入松散巖體中，充填、固結松散圍巖裂隙及充填初期背后間隙，一是使得圍巖不因孔隙裂隙壓密及蠕變過程而導致圍巖松動圈外擴；二是提高圍巖強度和承載能力，減小圍巖對初期支護的作用力；三是使初期支護與洞周圍巖密貼，使得初期支護和圍巖形成一個整體受力支護體系。

1.2 技術特點

（1）在軟弱圍巖適度變形松散后進行注漿固結，充分利用了松散圍巖自身殘余強度，增強了圍巖的自穩定性，有效阻止了由于隧道松散圍巖蠕變而使松動圈擴大導致初期支護變形、侵限的現象。

（2）初期支護施作后再注漿，水泥漿能夠填充初期支護與圍巖之間的間隙，使初期支護與圍巖形成更為牢固的結構承載整體，并使鋼架對圍巖有一定的主動支撐力，加強了初期支護的支撐能力，防止圍巖進一步失穩。

（3）利用高壓水泥漿液凝固迅速黏結松散圍巖、填充圍巖節理裂隙及受開挖爆破影響而產生的裂隙，提高圍巖強度。

（4）注漿加固操作簡單、工藝方便、使用機械簡便、節能環保、工程造價低，不影響施工循環進度。

（5）安全可靠，大大降低了高地應力軟巖隧道初期支護的換拱。

1.3 適用范圍

適用于各種高地應力軟弱、強風化圍巖隧道施工。同時，在高原黃土、松散全風化圍巖隧道施工上可參考使用。

2 注漿時機的研究

為了達到注漿處理加固的效果，注漿時機的選擇非常重要，如果注漿時間過早，圍巖松散程度不足，漿液注入困難，不能充分填充圍巖裂縫，其圍巖加固效果不佳；如果注漿時間過晚，則圍巖變形過大，注漿后持續的部分變形導致初期支護變形破壞或超限。

經對本隧道圍巖變形規律進行研究，以拱腰處水平收斂為參考參數，典型斷面變形曲線如圖2所示。

研究表明，當水平收斂超過450 mm時，初期支護結構出現裂縫或是破壞現象或是變形超限等現象，故需在水平收斂不超過450 mm前進行注漿。同時試驗結果表明，當水平收斂變形處于350～450 mm區間，初期支護后壓漿雖能有效降低圍巖變形量，但壓漿前變形量+后續殘余變形量還是容易使初期支護產生變形超限或是破壞的作用。故將壓漿的水平收斂上限值定為350 mm。

當水平收斂小于150 mm時，壓注入的水泥漿液少，壓漿后的變形量與完全沒注漿斷面相差不大，效果太理想，故將壓漿的水平收斂下限值定為150 mm。

在本隧道施工中，進行高地應力軟巖隧道圍巖適度蠕變后滲透注漿時的水平收斂值為150～350 mm。

3 施工關鍵技術及操作要點

3.1 進行監控量測，確定注漿時機

開挖后，及時進行初期支護鋼架架立及噴錨等施工，初期支護完成后，立即進行監控量測，當水平收斂達到150～350 mm區間時，開始進行注漿。

如果初期支護不能及時完成，或是施作時間過長，導致開始進行水平收斂量測的時間延后，則根據具體情況調整注漿時的水平收斂值。

3.2 操作要點

3.2.1 施工前準備

檢查壓力表是否正常，注漿管是否通暢。進行注漿機清水試驗，觀察注漿機運轉及出水量情況是否正常。

因本隧道圍巖蠕變松散圈厚度為300～500 cm，注漿范圍要穿過松散區。故注漿管采用φ42/t=3.5 mm無縫熱軋鋼管，單根長500 cm。鋼管前端加工為錐形，尾部設置φ8 mm鋼筋加勁箍。管身鉆注漿孔，孔徑為6～8 mm，孔間距為15～20 cm，注漿孔呈梅花形布置，尾部留不小于100 cm不鉆孔為止漿段。注漿管構造如圖3所示。

3.2.2 測量放樣

在噴射混凝土完成后，現場測量員在矮邊墻以上部位對上一循環噴混凝土表面進行孔位標識，孔位間距為120 cm×100 cm（環×縱），呈梅花形布置，孔位放樣允許偏差2 cm，并與原設計系統錨桿位置交錯布置，有水的地段加密布置。

3.2.3 鉆孔及注漿管安裝

噴射混凝土完成后，進行注漿管的孔位布置、成孔及安設。注漿管的安設為先鑿巖機成孔，再送入注漿管。

鑿巖機成孔過程中控制其與初期支護面垂直，注漿孔一次成孔；鉆孔深度大于注漿管長度10 cm；注漿管孔距在允許偏差范圍內。當鉆孔遇到鋼筋網片而無法鉆進時，可在測量點旁邊重新鉆孔。

在鉆孔完成后，進行吹孔檢查，檢查確定無塌孔、阻孔石的情況下才可送管。且注漿管外露長度不大于10 cm，并在端頭焊接止漿閥，以保證注漿完畢后漿液不從注漿管回流。

3.2.4 注漿管注漿

利用噴射混凝土對本循環施作的注漿管孔口進行封堵形成止漿盤（厚約5 cm），防止注漿過程中漿液從注漿管周圍溢出而達不到壓漿效果。

同時調制1∶1水泥凈漿，采用注漿機對上一循環施作的注漿管進行壓漿作業（如圖4所示）。

注漿前先對注漿機進行清水試驗，檢查設備的運轉情況。在一切正常后對圍巖進行注漿。注漿壓力一般為0.5～0.7 MPa，注漿順序為先下后上，先疏后密，先周邊后中間，注漿方式為先稀后濃，先低壓后高壓。注漿開始時，要先開進漿閥，再關閉泄漿閥；注漿結束時，要先打開泄漿閥，再關閉進漿閥。避免2個閥門同時關閉，防止壓力突然升高，產生危險。

當注漿完畢后，利用清水對攪拌桶、注漿機、注漿管、壓力表進行清洗干凈，防止注漿漿液污染、堵死施工設備。做好現場文明施工。

4 質量控制

軟巖隧道同步注漿施工質量控制要點主要為進場材料、注漿管加工及安設、注漿機注漿效果的質量控制。

4.1 鋼管及水泥進場質量控制

注漿管所用鋼管必須按批抽取試件作力學性能和工藝性能試驗，其質量必須符合國家有關規定及設計要求。檢驗數量：以同牌號、同爐罐號、同規格、同交貨狀態的鋼管，每60 t為一批，不足60 t按一批計。

注漿所用普通硅酸鹽水泥現場對每廠家、每編號核查供應商提供的質量證明文件。同時對每批抽樣試驗一次。檢查數量：以同廠家、同編號、同出廠日期且連續進場的散裝水泥每500 t（袋裝水泥每200 t）為一批，不足上述數量時也按一批計。

4.2 注漿管加工及安設質量控制

注漿管的加工在洞外鋼筋棚內集中進行，對作業人員進行專門培訓并由專人負責。同時，技術員隨機抽樣檢查溢漿孔的數量間距大小是否符合要求，如果不符合要求應及時要求返工處理。檢查方法：尺量、觀察法。

在測量放樣時，注漿管安設點允許偏差2 cm，標識點清晰明了。在鑿巖機成孔時，孔距允許偏差15 cm；成孔方向與初期支護面垂直，允許偏差為2°；成孔后對孔深進行檢查，鉆孔深度大于注漿管10 cm；并檢查孔內是否通暢，有無塌孔現象。再送入注漿管，沿成孔方向順利一次送入，切勿偏移角度使得注漿管損壞。

4.3 注漿機注漿效果質量控制

在注漿過程中，安排專人負責觀察注漿壓力值，注漿壓力一般控制為0.5～0.7 MPa，同時觀察注漿管之間的串漿情況。如果注漿壓力值上升很快，注漿量很小，表明圍巖密實或注漿管孔被泥砂堵死，當注漿壓力到達設計值時停止對此注漿管注漿。如果注漿壓力按一定規律上升，且注漿流量變化不大，表明注漿滲透效果較好，當注漿壓力達到設計要求且注漿流量逐漸減小時停止對此注漿管注漿。如果注漿壓力過程中注漿壓力迅速下降，且注漿流量增大時及時停止注漿，觀察周邊是否有漏漿現象，并及時對其進行處理。

5 結語

通過綜合研究分析松潘隧道圍巖的結構特性、初期支護的變形破壞特性和變形成因，掌握其變形發展的規律，進而針對性地在松潘隧道高地應力軟弱圍巖段采用軟弱圍巖適度蠕變后滲透注漿加固技術，并合理地進行施工組織和嚴格施工工序質量的控制，不斷完善、優化和改進施工工藝，有效控制了初期支護體系的變形破壞，確保了松潘隧道的施工安全和提高了施工效率，取得了良好的社會和經濟效益。

參 考 文 獻

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