淺埋偏壓全風化花崗巖富水隧道綜合注漿加固施工關鍵技術研究

何開偉

摘 要：廣東省東北部山區分布著大量的花崗巖地層，部分洞身處于淺埋偏壓的不利狀態下，全風化花崗巖富水隧道的穩定性差，開挖過程中掌子面難以自穩，注漿加固是保證隧道開挖安全的重要手段。本文以梅汕鐵路大嶺隧道溜塌段為研究對象，通過分析該段全風化花崗巖的成分及崩解特性，得到溜塌的原因，采用前進式（或后退式）注漿+多管注漿及后期地表注漿聯合加固技術。隧道施作效果表明，該綜合加固施工措施有效解決了全風化花崗巖段透水性強、遇水軟化、掌子面難以自穩、初期支護變形大的難題。

關鍵詞：全風化花崗巖;富水隧道;淺埋偏壓;帷幕注漿;地表注漿

中圖分類號：U455.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）05-0096-04

Abstract： A large number of granite strata are distributed in the northeast mountainous area of Guangdong Province. The tunnel portal sections are often in the unfavorable state of shallow buried bias pressure. The stability of fully weathered granite water rich tunnel is poor， and the tunnel face is difficult to be stable during excavation. Grouting reinforcement is an important measure to ensure the safety of tunnel excavation. This paper took Daling tunnel of Meizhou-Shantou railway as the research object. Based on the analysis of the composition and disintegration characteristics of the completely weathered granite in this section， the causes of the collapse were obtained. This paper analyzed and introduced the combined reinforcement technology of forward （or backward） grouting， multi pipe grouting and later surface grouting. The final tunnel construction results show that the comprehensive reinforcement measures effectively solve the problems of strong water permeability， softening in water， difficult to stabilize the face， and large deformation in the initial support.

Keywords： completely weathered granite;enriched water tunnel;shallow buried bias;curtain grouting;surface grouting

隨著我國交通基礎工程的進一步完善，越來越多的鐵路、公路向地質條件更加復雜的山區延展，淺埋偏壓隧道工程在丘陵山區斜坡地段公路、鐵路建設過程中往往不可避免，而淺埋偏壓隧道開挖引起的圍巖擾動較深埋隧道更加復雜，而且遇到全風化花崗巖這類軟弱圍巖時，隧道的穩定性問題就成為施工中巨大的挑戰，歷來都是研究的熱點問題[1-2]。針對淺埋隧道掌子面的問題，國外眾多學者[3]從二維、三維的角度進行了一定分析，在破壞模型、滑移機理、彈塑性區域的應力分布規律、地表沉降規律及分布特征等方面取得了大量研究成果。全風化花崗巖往往呈現出散體的形態，整體工程特性表現為孔隙率大、膠結性差、崩解性顯著、含水率高時呈流塑性及施工時易被擾動，開挖過程中掌子面常出現滑塌，初期支護變形量大，二次襯砌施作后也易開裂。對偏壓淺埋全風化花崗巖進行隧道開挖施作，工程界已經達成了共識：對圍巖進行加固是保障隧道掌子面最有力的措施[4-5]。

梅汕鐵路大嶺隧道淺埋偏壓段為全風化花崗巖，地下水發育、含水率高，開挖過程中出現了掌子面滑塌，并波及地表，施工難度大?；诖?，本文從大嶺隧道全風化花崗巖特性研究入手，對具體的注漿加固措施進行深入分析，得到該段施工的具體參數，并應用于該段的施工，取得了良好的效果。

1 工程背景

梅汕鐵路大嶺隧道全長1 172 m。隧址為剝蝕丘陵區及丘間谷地區，丘坡地形起伏，自然坡度為20°～50°。隧道最大埋深約50 m。開挖揭示，全隧道均位于全風化花崗巖巖層內，且部分風化不完全，存在球狀風化物（孤石），巖層透水性強。

施工從進出口兩端向中間開挖，采用三臺階臨時仰拱工法。當全隧開挖近中部僅剩該段9 m時出口開挖面發生溜塌，長度10 m，并有水滲出，坍體中出現多塊體積為1～2 m3的球狀風化物，夾帶大量土石;地表勘查發現多條橫向裂縫，橫跨洞身范圍，裂縫寬度為10～20 cm，并向大里程方向滑移沉陷。洞內初支出現多處環向裂縫。

該段采用Vb型襯砌，開挖工法為三臺階七步法。

2 圍巖特性及溜塌原因分析

根據《土工試驗規程》（SL 237—1999），對現場取的土樣進行一系列基本物理性質試驗，包括比重試驗、含水率試驗、界限含水率試驗、礦物成分分析試驗以及化學成分分析試驗，得到其基本物理性質指標如表1所示。

采用D8 Advance多晶X射線衍射儀對土樣進行礦物成分分析，土樣的礦物成分以石英和高嶺石為主，其他礦物含量較少。經分析，得出石英含量約占全土的17.86%，高嶺石含量約占80.03%，其他礦物約占2.11%。這意味著長石、黑云母等礦物己絕大部分風化為高嶺石，進一步說明土樣的風化程度較高。

全風化花崗巖中主要為遇水膨脹的高嶺石礦物，且顆粒間孔隙、裂隙連通性好使土體在水作用下體現出宏觀的軟化崩解特性。為探討不同狀態下全風化花崗巖的崩解性，對大嶺隧道原狀全風化花崗巖試樣進行崩解試驗。記錄完全崩解時間、崩解現象、各時刻浮筒讀數值，根據各時刻浮筒讀數值繪制試樣崩解率曲線圖、崩解速率曲線圖，比較不同狀態下試樣的崩解特性。大嶺隧道的全風化花崗巖崩解過程分為3個階段：崩解速率最大的為第二階段，該階段試樣在水作用下，顆粒離散速度快;其次為第一階段，該階段試樣剛開始與水接觸，崩解速率較小;第三階段的崩解速率最慢，由于經前兩個崩解階段，試樣剩余的少量連結力較強的顆粒難于崩解。

該段全風化花崗巖透水性強，遇水易崩解，開挖揭示地下水豐富，圍巖存在不同程度的滲水。掌子面上方球狀風化物周圍的全風化花崗巖受地下水的影響逐漸流失、掏空，在重力作用下，球狀風化物突然墜落，沖擊初期支護致其失穩，引起溜塌、地表開裂等災害。

3 總體處治及施工方案

根據現場出現的溜塌及揭示圍巖情況，溜塌段主要采用超前帷幕注漿結合超前管棚支護加固處治。隧道溜塌段處治方案見圖1。

注漿前在兩端優先設置止漿墻，由塌方端采用超前帷幕注漿，另一端采用超前管棚注漿加固。

4 綜合注漿加固技術

4.1 止漿墻施工

進口方向未擾動，在靠近掌子面上臺階處設置止漿墻。出口端在中臺階溜塌體坡腳處設置止漿墻。止漿墻澆筑前在止漿墻底部的兩端及中間分別埋設3根Φ108排水管，以將掌子面的水引排。止漿墻厚度為2 m，采用C30混凝土，澆筑時每次按1.5 m的高度分層澆筑。止漿墻周邊采用兩環Φ32鋼筋與周邊初支連接錨固，錨固鋼筋長3.0 m，環向間距1.5 m，伸入止漿墻和初支各1.5 m。在止漿墻頂部位置埋設Φ42注漿小導管注漿封堵止漿墻與初支間縫隙。為防止全斷面注漿過程中漿液回流擠裂掌子面后方初支，在出口端止漿墻后方10 m范圍初支施作徑向注漿。小導管采用Φ42鋼管制作，長度4.5 m，插入輪廓線外4 m，間距2 m×2 m呈梅花型布置。注漿壓力0.5～1.0 MPa。

4.2 超前帷幕注漿

4.2.1 注漿孔的布置。在進口上臺階5 m高度的范圍內布置3環注漿孔，共57個。根據隧址區全風化與強風化花崗巖層分界面位于隧道仰拱底部區域的地質情況，結合外環注漿壓力低、內環壓力高的帷幕注漿工藝特點，注漿孔設計為外環注漿孔，布置編號為A、B的周邊注漿孔各19個，A、B孔等間距交錯布置，拱部孔間距為55 cm，底部排孔間距為135 cm，A孔深度為18 m，B孔深度為27 m，孔眼底部均位于開挖輪廓線外5 m的輪廓上;布置編號為C的二圈孔12個，拱部間距140 cm，底部水平孔間距345 cm，孔深度27 m;編號為D的內圈孔7個，孔間距250 cm，孔深度27 m;要求C、D孔孔底基本均勻分布在B孔孔底范圍內，確保注漿均勻。

在止漿墻澆筑完成、混凝土強度達7.5 MPa后，盡早采用地質鉆機開孔。

4.2.2 注漿方法。注漿采用鉆桿后退式分段注漿、分段前進式注漿及多管注漿三種注漿工藝相結合的注漿方案。為提高注漿效率，同時采用前進式（或后退式）注漿+多管注漿的方式。前進式（后退式）注漿利用鉆機鉆孔作為注漿管時，應拆除最外一段鉆桿，然后在鉆桿上套上止漿塞。

4.2.2.1 后退式分段注漿。后退式分段注漿利用鉆機鉆孔，將氣囊（水囊）式止漿塞置入注漿鉆孔內，通過輸水（氣）設備，使止漿塞膨脹，和巖壁形成止漿系統，滿足分段后退式注漿的要求。

4.2.2.2 前進式分段注漿。前進式注漿是鉆進一段注漿一段，在孔口段先行注漿封堵形成止漿墻后，逐段鉆孔注漿推進，已注漿完成段持續為后續注漿段提供止漿墻功能。同時，注意逐步加壓提高注漿量，確保注漿質量。前進式注漿一般按照3～5 m分段實施，適用于易坍孔或不易成孔的情況。

4.2.2.3 多管分段注漿。在注漿孔內埋入3根長度分別為24、18、12 m的DN25無縫小鋼管，每根小鋼管前端封閉。小鋼管梅花型設置溢漿孔，兩根相鄰長度的小鋼管重疊段不重復設置溢漿孔，溢漿孔直徑為10 mm，并采用橡膠皮包裹作為單向注漿閥。單孔注漿采取分段后退式注漿工藝，即在注漿段內先長管進行注漿，分段步距6 m，再中管注漿，最后短管注漿。先采用雙液漿注長管，壓力頂開橡膠皮后，雙液漿將小鋼管與整個注漿孔之間的空隙填滿并逐步凝結（為小鋼管周邊提供套殼料的作用），實現分段注漿的效果。單根小鋼管注漿需連續進行，中斷時間過長，雙液漿凝結后將堵塞小鋼管。如注漿量大、注漿壓力仍未達到時，調整漿液膠凝時間，使注漿壓力達到設計值。這種注漿方法用于B、C等深孔高壓注漿。多管分段注漿如圖2所示。

4.2.3 注漿順序和控制。帷幕注漿順序為先外圈、后內圈，即注漿順序A-B-C-D，同一圈由上而下間隔施作。外圈注漿主要為填塞式高壓注漿，注漿終孔壓力為3～5 MPa。內圈采用高壓注漿，注漿壓力為6～8 MPa。注漿時，記錄每孔注漿時間、注漿漿液量、注漿終孔壓力等參數。

鉆孔順序與注漿順序一致，先鉆外圈孔，再鉆內圈孔，同一圈鉆孔注漿順序可由拱頂向兩側邊墻，同時結合鉆孔設備停放方便確定。孔底位于同一截面的鉆孔“跳一鉆一”。注漿結束標準根據注漿壓力和注漿量來控制，一般采用定壓注漿。當達到設計終壓并繼續注漿10 min以上，進漿量小于初始進漿量的1/4，檢查孔涌水量小于0.2 L/min，可結束本孔注漿。全段注漿結束標準：所有注漿孔均符合單孔結束條件，注漿后隧道預測涌水量小于1 m3/（d·m），可結束本循環段注漿。

4.2.4 注漿效果檢查。全部注漿結束后，各類深度孔應設置注漿檢查孔。注漿檢查孔數量應不小于設計鉆孔數量的5%，且應根據鉆孔、注漿過程綜合分析，確定將注漿效果比較差的孔位作為檢查孔。對于效果檢查，一般采用鉆孔取芯直觀判定、測量孔內涌水量、進行壓水試驗等判定方法。若不滿足設計要求，則要進行補注漿。

4.3 超前管棚支護

出口段外圈A、B兩類帷幕注漿孔拱頂上中斷面全部施工完成后，在進口段施作超前管棚。施作范圍為拱部120°，管棚開孔環向間距35 cm，單根長27 m，共41根。管棚采用Φ89無縫鋼管制作，節長3 m，每兩節管棚采用40 cm長的Φ108鋼管作為套管進行焊接連接，管棚前端加工成錐形封閉，沿管壁每50 cm鉆設一對Φ10 mm溢漿孔。

最外節鋼管外漏段不設溢漿孔，并設置麻絲纏繞，混凝土填塞封閉鋼管與止漿墻間空隙。管棚注漿采用后退式注漿工藝，漿液采用早強硫鋁酸鹽水泥單液漿，注漿壓力為2～3 MPa。

管棚施工完成后，在管棚尾端增設3榀臨時護拱作為管棚尾端受力支撐點，護拱間距按照60 cm設置，每兩榀間設置聯系托梁。當開挖至管棚位于開挖輪廓外，且立架支護完成后，才開始逐榀拆除護拱，切割侵入輪廓內管棚，置換侵線初支。

4.4 地表袖閥管注漿

為了防止地表水進入地下，持續軟化圍巖，并形成貫通水柱，增大拱頂水土壓力，引起隧道整體下層或襯砌薄弱環節開裂，影響后期營運安全，侍溜塌段的初支及二襯完成后，在地表采用注漿的方式加固地層，同時封堵地表裂縫，防止地表水下滲。

地表采用大口徑定向深孔注漿技術進行注漿加固，隧道注漿加固高度為超前帷幕注漿加固區域上5 m，寬度為洞身兩側最大跨位置向外5 m。

注漿孔布置：注漿孔采用梅花型布置;孔位間距按照1.5 m×1.5 m設置。袖閥鋼管采用Φ76 mm、壁厚6 mm無縫鋼管加工，節段間采用外套管連接，配套水囊式止漿塞。

地表因裂縫存在，為了避免漿液流失，采用反復后退式的注漿方式，注漿壓力為4～8 MPa;注漿材料采用硫鋁酸鹽水泥漿或水泥～水玻璃雙液漿兩種，以硫鋁酸鹽水泥漿為主。

鉆孔順序為先鉆外圈、后鉆內圈，與注漿加固順序相同;鉆孔采用“跳一鉆一”的方式。中間間隔孔待注漿完成后，再鉆孔注漿。

4.5 施工效果分析

帷幕注漿加固處理后，土體天然含水率由15%～22%降低至10%左右，基地承載能力由120 kPa提高到220 kPa以上，加固效果明顯。

同時，加固后每循環（進尺0.6 m）開挖支護時間顯著降低，由18～27 h降低到8～13 h，施工效率提高了1倍多，同時初支變形顯著減少，杜絕了換拱施工，安全風險顯著降低。

5 結論

本文針對大嶺隧道溜塌段的處治及施工方法進行了研究，得到了如下結論。

①該段全風化花崗巖透水性強，遇水易崩解，掌子面上方球狀風化物周圍的全風化花崗巖受地下水的影響逐漸流失、掏空，在重力作用下，球狀風化物突然墜落，沖擊初期支護致其失穩，是引起溜塌的主要原因。

②單一地采用多管注漿的方式難以保證效果，為此，可將多管注漿與前進式（后退式）注漿結合使用。

③隧道內超前帷幕和超前管棚注漿聯合加固支護是透水性強、遇水軟化全風化花崗富水圍巖地層隧道施工的行之有效的方法。

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