復雜地質條件下隧道超前注漿技術探討

祁 海 生， 劉 科

(中國水利水電第十工程局有限公司；四川 都江堰 611830)

1 概 述

云南省紅河州建水(個舊)元陽高速公路項目他白依隧道為分離式長隧道，隧道全長2 615 m, 最大埋深297 m，屬深埋長隧道。隧道揭露的圍巖均為全～強風化板巖、炭質灰巖，圍巖破碎、松散，巖體完整性差，以碎裂狀松散結構為主，強度低，抗風化能力弱、遇水易軟化，有千枚化現象[1]；同時，隧道圍巖受龍岔河區域斷裂及F14構造分布影響，斷層及節理發育，整體穩定性差。

他白依隧道施工過程中持續存在軟巖大變形問題，異常的沉降變形導致侵限處理及坍塌、現場工字鋼扭曲、初支開裂現象頻發。截止目前，他白依隧道進口端累計發生坍塌18次、涌水突泥3次，反復出現異常沉降變形累計長度達515 m，且累計發生侵限處理長度達403 m，侵限處理嚴重影響到施工進度。在他白依隧道施工過程中，圍巖穩定性和結構變形的控制不能滿足隧道施工和環境安全的要求，必須采取輔助施工方法對其進行處理。注漿作為地下軟弱圍巖和地下水處理的一項關鍵技術已經成為他白依隧道施工技術的重要組成部分[2]。他白依隧道主要針對掌子面前方開挖輪廓線外5 m范圍內的圍巖實施超前預固結注漿。為防止掌子面拱頂溜塌，采用了φ76 mm超前管棚技術；當后期圍巖變形超出預警值時，采取徑向注漿技術等綜合注漿措施起到了一定效果，保證了隧道的正常掘進。闡述了對復雜地質條件下的隧道實施的超前注漿技術。

2 圍巖注漿加固施工方案

2.1 上臺階全斷面注漿施工模式

他白依隧道左幅樁號Z5K63+470～Z5K63+534段圍巖級別為V級。受區域斷裂帶影響，巖體破碎-極破碎，軟弱夾層發育，開挖揭露其抗風化能力差，具有遇水軟化特性，開挖后，掌子面不斷溜塌，圍巖極不穩定，項目部對此段上臺階掌子面前方進行了超前注漿預固結處理，具體參數為：長度L為25 m，共設置4環，環距1 m，孔間距1 m，共計40個孔，角度上仰10°～15°，孔口設置φ108 mm×6 mm鋼管，L=1 m，環向搭接8 m，上臺階全斷面注漿情況見圖1。

圖1 上臺階全斷面注漿立面圖

(1)縱向加固長度為25 m(不含止漿墻)，開挖長度為17 m,預留8 m作為穩定巖盤，拱部及邊墻、仰拱均加固至開挖輪廓線外5 m，注漿孔漿液擴撒半徑為2 m，終孔間距不大于3.3 m，單循環設10 m補充斷面，施工時如遇薄弱位置需適當補孔。

(2)止漿墻采用C30混凝土澆筑，厚3 m，高4.5 m。止漿墻周邊采用兩環φ32 mm鋼筋與初支連接錨固，錨固鋼筋環向間距1.5 m，長2 m，嵌入止漿墻和初支各1 m。鉆機操作平臺長10 m，采用C15混凝土澆筑15 cm厚。平臺兩側靠近止漿墻0.5 m施做排水溝。

(3)為防止注漿過程中漿液沿初支回流、壓力傳遞引起初支變形，待止漿墻及鉆機操作平臺施工完成后，在止漿墻后方10 m范圍內進行徑向注漿，小導管外露長度為20 cm，長度為4.5 m，環縱向間距為2 m×2 m，梅花型布置。徑向注漿材料采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為：水灰比(0.8～1)∶1。HPC摻量為12%～15%，注漿壓力為0.5～1 MPa。

(4)注漿工藝：結合他白依隧道圍巖特點，采用鉆桿后退式分段注漿與水平袖閥管束分段相結合的施工工藝，鉆桿后退式注漿分段長度為2～4 m，水平袖閥管注漿工藝為先鉆孔至終孔，然后在孔內埋設3根φ25 mm水平袖閥管，采用分段注漿方式，水平閥管兼做錨桿。注漿前鉆設3～5個超前探孔對掌子面前方的圍巖進行判別并確定注漿工藝。

(5)注漿材料采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為：水灰比(0.8～1)∶1。HPC摻量為12%～15%，注漿壓力為8～10 MPa，注漿順序為由外向內、自下而上、間隔跳孔進行[3]。注漿結束后，鉆設4個檢查孔進行注漿效果檢查，檢查標準為不塌孔、不涌泥。

上臺階全斷面注漿預固結加固遵從“注漿一段、開挖一段、余留一段，段段推進、穩扎穩打”的施工理念，他白依隧道樁號K63+170～235段實施現場注漿后效果明顯，初期支護的最終沉降值均在200 mm以內，塌方次數相應減少，取得的效果為：

a.通過上半斷面開孔實現全斷面注漿加固，使圍巖更容易形成自然拱，受力更加合理(上臺階全斷面注漿預固結前后最終沉降值曲線見圖2)，初期支護的最大沉降量由560 mm下降至200 mm以內，從而有利于軟弱地層安全風險的控制；

圖2 上臺階全斷面注漿預固結前后最終沉降值曲線圖

b.通過上臺階全斷面注漿預固結，使其最大沉降量處于可控狀態，減少了初支侵限的處置時間，形成了有效進尺，相比三臺階開挖，兩臺階開挖減少了工序轉換，節省了工期；

c.根據第一循環的注漿質量，8 m的止漿巖盤在下一循環超前預注漿施工時已能夠滿足抵抗注漿過程中的注漿壓力，第二循環以后的止漿墻可以不做，從而節省了止漿墻澆筑所占用的時間。

2.2 超前管棚的施工

他白依隧道V級圍巖及軟弱破碎段采用φ76 mm×6 mm超前管棚支護，支護角度為120°，長9 m，環向間距30 cm，縱向搭接長度為3 m，每環45根。

為滿足鉆孔設備工作要求，傳統管棚的施工必須沿開挖輪廓線擴大60～80 cm作為管棚施工工作間，且在需要大管棚超前支護的軟弱地層擴大斷面開挖，風險性極高，并給后續二襯混凝土施工等帶來較多的不利影響，傳統的、具有施工空間的管棚施工示意圖見圖3。

圖3 傳統的、具有施工空間的管棚施工示意圖

為減少開挖斷面、減少二襯混凝土的澆筑方量，降低開挖難度，他白依隧道采用無管棚施作工作空間技術，管棚沿開挖輪廓線內50 cm拱部布設，環向間距40 cm，外插角度為3°～6°。對于管棚侵限位置，采用自制的頂進器將管棚送入孔底，侵限位置利用上循環管棚形成有效搭接。

2.3 徑向注漿加固

2.3.1 注漿加固的目的

對初期支護的背后徑向充填注漿，采用水泥漿液填充初期支護與圍巖之間的空隙，在不改變地層組成的情況下，注漿使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固化，注漿使該土層中的黏結力、內摩擦角值增大，從而使松動圈的圍巖強度增加，加強了圍巖的整體穩定性。加固圍巖與初期支護共同作用形成共同承載拱，改善了傳力條件，增強了初期支護與圍巖的密貼程度，提高了圍巖和初期支護的承載力和自穩力，進而控制了沉降和變形。這種注漿不改變原土結構，但充填其原有空間為密實連續體，改善了原有圍巖三相結構的受力條件，進而有效地改善了土體的受力結構，同時控制了地層水的滲入，有效控制了沉降[4]。

2.3.2 注漿加固的適用條件

根據監控量測位移管理等級，若在已經采取增設鎖腳錨管、護拱等加強支護措施后仍然出現變形無法控制的情況(當初支累計位移變形量大于設計極限位移值的2/3時)，即進入一級管理狀態，應立即停止斷面施工，對掌子面進行封閉，對超限變形部位采取徑向注漿加固措施，同時立即上報、制定進一步強化處理措施。

2.3.3 注漿施工方案

(1)工藝流程。注漿過程的工藝流程主要為：隧道軟弱破碎圍巖段開挖→鉆孔→裝設注漿管→配置漿液→注漿→效果檢查→補孔注漿→結束。

(2)注漿參數。徑向注漿按照圍巖加固和堵水兩方面作用考慮。注漿參數應根據加固圍巖的地質特性進行計算，經現場試驗達到要求后作為施工注漿的控制參數，并在施工中根據實際圍巖類型不斷調整參數[5]。

a、注漿范圍的確定。本次注漿的目的是為加固隧道周邊的圍巖。現場揭露的圍巖為破碎、軟弱的圍巖，其注入加固范圍包括松動圈并進入圍巖的彈塑性區。本次注漿范圍為隧道開挖輪廓線外4.5 m。徑向注漿情況見圖4。

b、注漿孔間距的取值。經現場試驗檢查注漿效果后可對其進行調整。現場揭露圍巖為強風化千枚巖，裂隙間夾泥，綜合注漿目的、前期注漿效果的總結等因素，本次注漿孔間距取1.2 m。本次注漿孔的布置采用梅花形以充分發揮注漿孔的擴散潛能，獲得最佳的注漿效果，減少鉆孔數量。

c、注漿管的選型。注漿管采用Φ42 mm、長4.5 m的注漿鋼花管。將注漿管前端加工成圓錐狀并封死，花管部分長3.5 m，在花管段上沿縱向間隔20 cm、環向間隔120°按梅花形布設Φ6 mm的溢漿孔，管尾部分采用兩道Φ6 mm鋼筋焊箍，其中一道用于連接注漿芯管，另一道纏上棉紗后用于止漿。注漿孔采用風鉆鉆孔，成孔直徑為50 mm，成孔后下入Φ42 mm注漿管。

d、注漿材料。采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為水灰比(0.8～1)∶1。HPC的摻量為12%～15%，注漿壓力為0.8～1.2 MPa，水泥不得有結塊現象。

e、注漿速度。根據隧道圍巖的地質情況、破碎和夾泥程度，將注漿速度取為20～40 L/min。破碎程度嚴重時取大值，夾泥程度嚴重時取小值。

f、注漿終壓。當注漿部位無地下水滲出時，注漿的主要目的為加固圍巖。綜合考慮注漿壓力對初支的影響，將注漿終壓定為1.2 MPa。當注漿部位有地下水滲出時，注漿終壓取大值。

樁號ZK63+535～ZK63+560段徑向注漿完成后，通過對初支變形的監控量測，發現其拱頂下沉速率比未采取注漿措施的樁號ZK63+505斷面小，連續監測14 d后，拱頂累計沉降量比未注漿斷面減少了30%，徑向注漿后初支變形對比曲線圖見圖5。說明在隧道初支背后進行徑向注漿能夠增強其與圍巖的密貼程度、提高圍巖的承載力和自穩力、能夠在一定程度上控制隧道初期支護結構的沉降和變形。

圖5 徑向注漿后初支變形對比曲線圖

3 結 語

在施工過程中，工程技術人員一直試圖尋找到超前預處理過程中的工期要求和處理效果、處理效果和造價投入的平衡點，但隧道內的圍巖隨時在變化，需要施工方不斷總結經驗、做出正確的決策，才能最大限度地接近平衡點。

他白依隧道通過合理、適宜地注漿設計、引進專業化的注漿隊伍、采用先進的注漿設備和材料，對一系列注漿施工方法進行改進創新，實現了鉆孔注漿的快速施工，為隧道的快速掘進創造了條件，最大限度地接近了工期要求和處理效果、處理效果和造價投入的平衡點，所取得的成果已得到參建各方的認可。