穿越山谷破碎地層淺埋隧道施工技術

菅永明

(貴州紫望高速公路建設有限公司，貴州 安順 560800)

我國交通基礎設施迅猛發展，但交通隧道工程數量快速增加的同時，也遇到各種不良地質條件下的高施工難度和風險的挑戰。隧道淺埋地段一般多出現在進出口段，但受山區連綿起伏的山地形貌及環境保護的限制，在隧道的設計中穿越地形較為平坦的山谷地帶也并不鮮見[1]。由于山谷地帶屬于兩側山體坡腳的交會處，降雨沿兩側山坡流至山谷平緩地帶而漫流，因而此地段的地層除了軟弱破碎，而且還含水量較大。由于山谷淺埋段地層松軟破碎，含水量大，因而圍巖穩定性極差，在隧道施工過程中極易出現圍巖失穩坍塌至地表。為保證施工安全，必須從洞內、洞外對軟弱圍巖進行加固，加強支護，采用合理工法進行施工。

1 工程概況

貴州省紫望高速紫云隧道位于安順市紫云縣境內，為雙向四車道分離式隧道。紫云隧道左、右洞長分別為2 159 m和2 120 m，左、右洞最大埋深分別為262.1 m和255.2 m。紫云隧道工程區屬溶蝕峰林谷地及低中山地貌，山體自然坡度30～65°，植被發育。

紫云隧道左洞山谷平地左洞ZK7+928—ZK7+976段落橫向坡度較緩，平均埋深約16.8 m。該段隧道圍巖為Ⅴ級，開挖跨度為12.86 m，開挖高度10.24 m(含預留變形量)，見圖1。地層巖性主要為粉質黏土、全風化頁巖、強風化頁巖及強風化泥質灰巖夾燧石巖，含水量較大。強風化巖節理裂隙發育，圍巖自穩能力差，拱部開挖時易坍塌至地表，側壁易失穩。由于此段落地表為山間過水通道，地勢較為平坦，集中降雨狀態下隧道開挖后可能呈淋雨狀出水。

圖1 山谷淺埋段設計斷面(單位：cm)

根據山谷段隧道埋深較淺、圍巖破碎且含水量較大的特點，決定采用地表注漿方式對地層進行加固，以提高圍巖穩定性。地表注漿與洞內施工平行作業，從而避免了洞內注漿對洞內隧道正常施工的干擾，對加快隧道施工進度有利。

2 地表注漿加固

2.1 加固范圍的確定

地表注漿采用袖閥管滲透注漿方式加固地層。注漿加固地層是在一定注漿壓力的作用下將漿液通過鋼花管壁上的注漿孔壓入滲透到地層，填充地層中的裂隙或孔洞并凝結硬化，與破碎圍巖一起形成固體。所形成的固結體的力學性能比原地層力學性能有顯著改善，從而有效提高地層的穩定性，促使隧道開挖后在圍巖中形成穩定承載拱。

根據山谷淺埋破碎段圍巖的特點，注漿加固范圍為淺埋段隧道斷面兩側輪廓外8 m、隧道拱頂以上10 m和仰拱以下2 m范圍，地表以下6.5 m范圍作為止漿段，如圖2所示。

圖2 注漿加固范圍(單位：m)

2.2 注漿技術參數

依據所注漿加固技術的功能性、適用性、經濟性和可實施性來制定地表注漿加固方案。紫云隧道山谷淺埋段圍巖主要為強風化和全風化地層，節理裂隙發育，圍巖破碎，因而地表鉆孔直徑90 mm，縱橫間距為1.2 m×1.2 m，注漿孔梅花形布置，擴散半徑0.75 m。左洞地表注漿鉆孔位置如圖3所示。

圖3 地表注漿孔布置

漿液采用滲透性好、穩定性強、價格便宜的水泥基漿液。注漿范圍周邊孔的注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙漿液，在加固范圍外圍形成約束，避免漿液擴散到地層加固區以外，內部孔采用單水泥漿。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽，水玻璃模數不小于3.0，波美度不低于40 Be'，注漿時稀釋成15～20 Be'。水泥漿水灰比1∶0.8～1∶1，水泥漿與水玻璃雙漿液的體積比為1∶1，雙漿液的漿液初凝時間為90～110 s。地層孔隙率0.35～0.45，孔隙填充率取0.6，則預估單孔注漿漿液量為8.2～11.8 m3。注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa。

2.3 注漿方案實施

袖閥管注漿是在注漿壓力作用下把漿液壓入裂隙地層，利用注漿芯管上的阻塞器可以實現分層或分段注漿，可根據地層破碎特性或注漿實際需要來確定鉆孔注漿區段或注漿范圍，實現分段注漿。采用袖閥管分段注漿工藝，可以有效解決普通靜壓注漿工藝注漿加固范圍難以控制的問題。

袖閥管主要由袖閥注漿管、管外套殼料和注漿內套管組成[2]。袖閥注漿管由鋼質內管和鈣塑聚丙烯塑質的塑料外管組成，外管內徑68 mm、內管外徑48 mm，內外管壁上均鉆設直徑8 mm的溢漿孔，如圖4。在外管溢漿孔處外套耐橡膠套，注漿時，漿液在壓力作用下通過出漿孔被壓入地層，而圍巖中的裂隙水或土顆粒不能進入注漿管中，也即溢漿孔具有單向閥的作用。鉆孔管壁與袖閥管外管之間充滿水泥-粘土漿液的套殼料。

圖4 袖閥管構造

注漿順序采用先注加固范圍的周邊孔，然后從外向內依次推進完成所有內部孔注漿。對每排注漿孔采用從兩端到中間的順序灌注，以盡量降低冒漿的可能性。為保證注漿加固效果，采用從下向上分段注漿方式，分段長度0.6 m。隨著注漿的進行，漿液流量逐漸減小，而壓力逐漸增大。當流量降低至6 L/min以下，壓力也逐漸增大，當注漿壓力穩定在2.0 MPa持續10 min后結束本段注漿。

2.4 鉆孔取芯檢查

為了搞清楚袖閥管注漿對淺埋段破碎圍巖的加固效果，對注漿固結體取芯，檢查裂隙圍巖-漿液固結體的整體性，測試固結體強度。在隧道中線及開挖輪廓兩側共取芯3處。取芯檢查結果表明，注漿孔周邊圍巖中的裂隙幾乎全部被漿液填充。對固結體巖芯進行養生，測得其無側限抗壓強度6.7～12.2 MPa，平均值為10.2 MPa，滿足規范中28 d抗壓強度不低于5.8 MPa的要求。

3 地表注漿加固效果分析

為驗證地表袖閥管注漿對地層的加固效果，采用FLAC3D軟件建立三維數值模型對隧道施工過程中圍巖的穩定性及支護結構的力學性態進行分析。

3.1 計算模型

將地層及注漿加固區均視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料，初期支護視為均勻的理想彈性材料，提高初期支護材料的彈模來間接考慮鋼拱架的作用。超前小導管注漿加固效果等效為加固區來考慮。地層和初支均用六面體實體單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。通過提高注漿加固區的力學參數來考慮地層注漿加固效果。數值計算模型如圖5所示。

圖5 三維數值計算模型

3.2 材料計算參數

地層的力學參數依據地質勘查資料確定，注漿加固區的力學參數依據經驗值確定，支護結構力學參數根據規范確定，模型計算參數如表1所示。

表1 模型計算參數

3.3 計算結果分析

計算模擬臺階法施工，開挖進尺0.6 m，上下臺階開挖面錯開4.2 m，上臺階開挖超18 m后開始施作仰拱，每次施作2.4 m。以模型中部截面為研究對象，分析隧道施工引起的變形及支護受力特點，判斷注漿加固效果是否滿足施工要求。

3.3.1 變形

圖6為施工過程斷面拱頂上方地表沉降、拱頂沉降及水平收斂曲線。可以看出，隧道拱頂沉降和水平收斂均是在開挖面到達時變化速率最大，隨后隨著開挖面離開監測斷面距離的增大，變形逐漸趨于穩定，地表沉降變化較為緩和。隧道拱頂沉降和地表沉降最大值分別為14.9 mm和7.2 mm，水平收斂最大值為20.5 mm。圍巖經過注漿加固后，有效控制了圍巖變形。

圖6 隧道施工過程中變形曲線

3.3.2 支護受力

圖7為初支噴層的最大主應力和最小主應力云圖。支護結構最大拉應力為1.42 MPa，小于C25噴混凝土的極限抗拉強度；最大壓應力為4.8 MPa，遠小于其抗壓強度，因而支護受力是安全的。

圖7 支護結構主應力云圖(單位：Pa)

3.3.3 錨桿應力

圖8為模擬施工完成后錨桿的軸力分布云圖。兩側邊墻處的錨桿中部應力最大，最大拉應力為44.8 MPa，遠小于錨桿的抗拉強度。

圖8 錨桿應力云圖(單位：Pa)

3.3.4 圍巖塑性區分布

從圖9隧道周邊圍巖塑性區分布可以看出，由于注漿加固后地層穩定性明顯提高，隧道開挖后圍巖塑性區厚度較小。在超前支護保護下，拱部塑性區厚度小于兩側邊墻處的厚度。錨桿也穿透了圍巖塑性區，進入彈性區穩定地層。

圖9 圍巖塑性區分布

從以上對數值計算結果的分析可以看出，經過地表袖閥管注漿對地層進行加固，隧道圍巖穩定性得到顯著提升，可以保證施工安全，因而，此山谷淺埋段隧道可以采用工序簡單的臺階法施工。

4 開挖及支護

4.1 超前加固

由于在地表對淺埋段隧道破碎圍巖進行了袖閥管注漿加固，鉆孔取芯結果表明圍巖裂隙被漿液充滿，凝固漿液與裂隙巖體形成了具有較好力學性能的固結體，圍巖穩定性得到顯著改善。因而，隧道超前支護可以采用剛度和強度相對較為適中的超前注漿小導管。

小導管布置在拱部120°范圍，長4 m，直徑42 mm，環向間距3根/m，外插角10～15°，每循環開挖2.4 m，前后相鄰兩個循環搭接1.5 m。注漿漿液采用0.8∶1～1∶1的水泥漿，必要時可采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。超前小導管尾端固定在鋼拱架上。

4.2 開挖工法及支護方案

原破碎圍巖經過袖閥管注漿加固后，地層穩定性得到顯著提升，因而選擇施工工序較為簡單的臺階法施工，必要時上臺階可以預留核心土支擋開挖面。用小炮配合機械開挖，掘進進尺為0.6 m。

隧道上臺階開挖之前先施作注漿小導管超前支護。每部開挖后及時掛?6.5 mm鋼筋網，分次噴射C25噴混凝土初期支護，噴層厚度26 cm，架設I20b鋼拱架，間距0.6 m，相鄰兩榀鋼架之間用間距1 m的?22 mm螺紋鋼連接。在拱架兩側底端各打設長3 m ?42 mm的注漿鎖腳錨管2根，并與鋼架連接牢靠。打設上臺階系統錨桿，拱部錨桿采用長3.5 m的?25 mm中空注漿錨桿，其它部位采用砂漿錨桿。錨桿間距0.6 m×1.2 m(環×縱)，梅花形布置。依次開挖支護下臺階及仰拱，實現仰拱封閉。在開挖過程中出現局部滲水滴水現象，但未發現有股狀流水。

4.3 變形監測

在隧道施工過程中進行了拱頂沉降現場監測。監測斷面拱頂沉降值分別為13.4 mm和12.0 mm，略小于模擬計算結果的14.9 mm。

5 結論

(1)基于紫云隧道山谷緩坡地段隧道埋深淺、圍巖破碎、地下水豐富等不利地質條件導致隧道開挖后穩定性差的工程實際情況，采用地表袖閥管注漿技術對隧道周邊圍巖進行注漿加固，從而降低圍巖滲透性，有效提升圍巖穩定性，保證隧道施工安全。

(2)為檢查地表袖閥管注漿對地層的加固效果，利用地質鉆機對注漿加固范圍內取芯并進行抗壓強度試驗，28 d無側限抗壓強度平均值達到10.2 MPa，滿足規范要求。隧道開挖過程中雖然出現了局部滲水滴水的情況，但未發現股狀流水。

(3)建立三維數值模型，對注漿加固后圍巖在隧道施工過程中的力學性態進行分析。從地表沉降、隧道變形、初期支護噴層應力、錨桿應力和圍巖塑性區特征來看，采用袖閥管注漿對地層進行加固后，圍巖穩定性得到有效提升，能夠保證隧道施工安全。數值計算結果和隧道施工中拱頂沉降位移現場實測結果表明了注漿加固效果的有效性。