隧道斷層破碎帶超前帷幕注漿加固技術研究

王 文 章

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

斷層破碎帶地層具有膠結強度低、穩定性差的特點，隧道施工穿越斷層破碎帶易發生塌方、突水突泥等地質災害，嚴重威脅施工安全[1,2]。超前帷幕注漿加固是治理斷層破碎帶的有效手段，通過注漿可有效提高斷層破碎帶巖體間的膠結強度，提高被注地層的力學性能、穩定性和抗滲性能，形成隔水帷幕，保障隧道工程施工安全。

國內外科技工作者對注漿加固進行了大量的研究與實踐，張偉杰[3]從注漿加固機理入手，對斷層破碎帶圍巖直接加固與間接加固進行現場試驗，試驗結果表明直接加固具有改變巖體破壞方式、延緩巖體破壞的效果，間接加固能提升圍巖內部的結合力。張慶松、李鵬[4]對斷層泥注漿加固機制進行室內模擬實驗，結果顯示注漿后斷層泥絮狀結構轉變為密實整體狀態。張頂立、陳鐵林采用顆粒流軟件模擬了富水砂層的復合注漿施工過程，提出了復合注漿加固模式，針對不良地質及水壓力條件下提出了控制漿脈成型的方法，并將堵水率、加固體強度和整體穩定性作為評價注漿效果的標準[5,6]。劉泉聲、盧超波[7]在斷層破碎帶深部區域采用分段—間斷—重復注漿方法，實現了對目標區域充填密實度的最大化，有效遏制了泥巖漸進泥化的趨勢，斷層破碎帶注漿后膠結體呈現出類似混凝土特征。張民慶、黃鴻健[8]針對齊岳山隧道斷層采用循環注漿堵水措施，研究了注漿后不同尺寸掌子面在高壓富水條件下的整體穩定性。

目前，國內外對注漿擴散機理的研究取得了較大進展，但在注漿加固計算方法與注漿效果評價標準等方面還需進一步研究和完善。通過對某隧道斷層破碎帶進行注漿加固工程實踐，采用數值模擬和現場圍巖變形實測驗證了注漿加固效果，以期為后續復雜地質條件下安全施工提供參考。

1 工程概況

某高速鐵路隧道全長12.975 km，設計為雙車道斷面，最大埋深為630 m，最大坡度為7.1%，采用無軌運輸。隧道處于富水區，最大涌水量達到74 422 m3/d，同時隧道穿越多處不良地質，圍巖承載能力較差，對施工安全提出了很高的要求。隧道共設有4座斜井，1號斜井水平投影長度為667 m，1號左側導洞施工需穿越斷層破碎帶，導洞斷面尺寸為7.5 m×6.2 m，地層巖性主要為全風化花崗巖及粗面巖，圍巖較破碎，巖層有間斷，軟弱夾層分布不均勻，施工難度較大。

2 斷層破碎帶地質特征

1號左側導洞施工至DK0+039時，左側邊墻出現橫向深度為3 m的垮塌，坍塌腔內及掌子面有滲、滴水，部分段落有線狀流水，開挖面揭示圍巖為粗面巖。為進一步掌握隧道前方地質情況，采用MK-5地質鉆機實施不取芯超前水平鉆探，使用φ108跟管鉆孔在掌子面施作3個超前水平鉆孔。鉆探結果顯示DK0+039～DK0+045段為塌腔，DK0+045～DK0+052為松散碎石，強風化，節理裂隙發育，巖體較破碎，DK0+043～DK0+049段地下水發育，DK0+045附近出現涌水，探測結果表明破碎帶沿斜井縱向長度為15.7 m，破碎帶起止樁號為DK0+039～DK0+054.7。鉆孔結束后經測定3個鉆孔涌水量為440 m3/d。DK0+039～DK0+054.7段地下水賦存于節理、裂隙中，涌水量較大，考慮到地下水的影響，確定該段圍巖等級為Ⅴ級。綜合多種因素確定DK0+039～DK0+054.7段為斷層破碎帶，需進行超前帷幕注漿。

3 超前帷幕注漿

3.1 注漿設計

超前帷幕注漿共設置4環30個注漿孔，孔底間距3 m，注漿范圍為開挖輪廓線頂部以外4 m，邊墻以外3 m，注漿長度為27 m一循環,如圖1所示。注漿孔施工采用后退式分段注漿，鉆孔達到設計深度后，每次后退3 m～5 m進行一次注漿，每一個循環注漿結束后開挖長度為22 m，為下一循環注漿施工保留5 m的止漿巖盤，必要時考慮設置混凝土止漿墻。

3.2 注漿材料

依據斷層破碎帶節理裂隙發育及出水情況，本次注漿采用普通水泥—水玻璃雙液漿與普通水泥單液漿進行注漿加固施工，為保證最終加固質量，施工過程中需密切關注注漿效果及時進行動態調整。注漿材料配比表如表1所示。

3.3 注漿施工

1)超前帷幕注漿采用履帶式全液壓鉆機進行施工，為使漿液充分充填目標區域節理裂隙，鉆孔和注漿采用由低到高，由外向內，同一環間隔跳孔，先灌注斜孔，后灌水平孔的順序，內外圈采用長短結合的梅花形的排列方式，以期達到注漿不遺留死角的效果。

2)注漿孔開孔直徑不小于110 mm，終孔直徑不小于91 mm，孔口管采用φ108 mm、壁厚5 mm的熱軋無縫鋼管，管長5 m，孔口管應埋設牢固，應設有良好的止漿措施。

3)注漿孔施工采用深淺孔—鉆桿后退式分段注漿方式，巖層破碎易造成塌孔時，采用前進式注漿，否則采用后退式注漿，在鉆進過程中遇涌水或巖體破碎造成卡鉆時，應停止鉆進，進行注漿掃孔后再行鉆進。

表1 注漿材料配比表

3.4 注漿結束標準

單孔注漿壓力達到設計要求值0.5 MPa～1.0 MPa，持續注漿10 min，進漿速度為開始進漿速度的1/4或者進漿量達到設計進漿量的80%及以上時注漿方可結束。注漿結束進行壓水試驗，在標準壓力條件下，進水量不應大于2 L/(m·min)。待漿液與破碎帶膠結固化，隧道方可進行開挖施工。

3.5 注漿孔最大注漿量計算

為保證漿液能嵌入到隧道開挖輪廓線外的圍巖裂隙中，需要足量的漿液才能獲得較好的擴散效果。壓入的漿液量Q可由破碎帶孔隙率以及擴散半徑范圍進行計算:

Q=Anα(1+β)

；

A=πr2L

。

其中，Q為注漿量,m3；A為注漿范圍巖層體積,m3；n為地層裂隙度，據鉆探結果取30%；α為漿液填充系數，取0.7，范圍0.7～0.9；β為漿液損失率，取0.2，范圍0.1～0.3；r為注漿擴散半徑，取2 m；L為注漿長度，取27 m；

取nα(1+β)為25.2%(破碎帶)，計算得每米為3.16 m3。

3.6 注漿效果評定

為查看注漿段在注漿前后巖體的滲透性與注漿孔透水率變化，需現場進行壓水試驗，試驗段長度保持與注漿長度一致，壓水時間為20 min，試驗壓力為注漿壓力的80%，經測試在該壓力下進水量為1.3 L/min，低于規定2 L/(m·min)，說明漿液較好地填充了斷層破碎帶裂隙通道。

4 注漿效果分析與驗證

4.1 數值模擬分析

模擬段洞室凈空尺寸為6.5 m寬×6.5 m高，基于隧道開挖影響范圍為3倍洞徑，計算19.5+19.5+6.5=45.5 m，取整46 m，建立三維計算坐標。依據注漿前后鉆探結果確定各實體單元參數表如表2所示，隧道計算模型如圖2所示，Y軸方向與隧道走向平行，取一個注漿循環27 m，建立模型X，Y，Z方向尺寸46 m×27 m×46 m，模型頂部按埋深200 m計算，施加豎向應力4 MPa，水面線取地面以下20 m施加水壓。

表2 實體單元參數表

注漿必然會引起圍巖應力發生改變，其中圍巖在垂直與水平方向上的位移變形量是評價圍巖穩定的重要依據。如圖3，圖4所示，注漿加固段斷面位移云圖與最大應力云圖所示，隧道水平收斂與縱向沉降呈基本對稱效果，隨著與隧道輪廓線距離的增大，圍巖位移變化量逐漸減小。拱頂下沉累計值為13.4 mm，水平收斂累計值23.4 mm。注漿前后圍巖內部最大應力影響范圍變小，如圖5所示，注漿對塑性區的發展起到限制作用，證明斷層破碎帶注漿加固達到預期效果。

4.2 監控量測數據分析

監控量測是最直觀有效的位移變形監測手段，注漿施工過程對圍巖穩定性影響較大，需要時刻關注隧道圍巖位移變形[10]。監測頻率按照2次/d進行觀測，擬注漿段圍巖等級為Ⅴ級，拱頂沉降及周邊收斂累計變化值控制標準為50 mm。

本次選擇注漿典型斷面DK0+045部分監測結果進行回歸擬合分析，如圖6所示，監測結果表明，斷層破碎帶在注漿施工前拱頂下沉最大位移量為6.3 mm，周邊收斂最大位移量為10.6 mm，注漿施工后監測值發生突變，拱頂下沉產生的最大位移量為13.4 mm，周邊收斂最大位移量為23.4 mm，而后拱頂下沉與周邊收斂的累計變化位移量趨于穩定，圍巖達到穩定狀態，且累計最大值均未超過控制標準，進一步證明注漿加固達到預期的效果。

5 結語

1)通過對隧道斷層破碎帶進行超前帷幕注漿，依據超前水平鉆探結果選擇注漿方式，使漿液充分嵌入到斷層破碎帶的節理裂隙中，實現注漿范圍內密實度的最大化，形成一個致密完整的防水結構，起到較好的加固堵水效果;

2)采用數值模擬驗證注漿加固效果，發現注漿限制了塑性區的發展，注漿前后圍巖內部最大應力影響范圍變小，說明注漿加固后圍巖穩定性達到預期;

3)分析監控量測數據，發現注漿會增大圍巖位移變形量，注漿結束后圍巖變形趨于穩定，進一步表明注漿加固起到了良好的效果；

4)依據超前水平鉆探進行注漿設計，對注漿過程進行定量計算，采用數值模擬與回歸分析從不同角度驗證注漿加固效果，證明超前帷幕注漿對斷層破碎帶進行注漿加固取得了較好的效果，為后續類似工程提供借鑒。