炭質頁巖隧道循環式高壓注漿預加固技術

杜傳球

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

隨著我國西南部交通建設的不斷發展，隧道工程中遇到的軟弱破碎圍巖不斷增多[1]，當隧道施工中遇到自穩性差的圍巖時，其安全和質量難以控制，需要采用加固措施才能順利開挖[2]。高壓注漿加固[3－4]技術工藝簡單，在軟弱破碎地層加固中被廣泛采用。

上世紀五十年代，注漿技術出現在國內的礦井堵水中。到八十年代，注漿技術開始應用于鐵路工程。2017年11月熊谷組宣布開發出隧道注漿可視化系統[5]，可以根據施工數據自動生成三維模型，不僅能從三維上掌握隧道周邊的地質狀況和注漿狀況，而且能夠高效自動設置注漿孔的位置。

雖然注漿技術經歷了很長時間的發展，取得了豐富的研究成果，但注漿效果受到圍巖條件，地下水條件等多種因素的影響，對于炭質頁巖隧道的注漿加固技術開展針對性研究的相關文獻較少。本文以羅家山隧道為例，針對層狀炭質頁巖軟弱圍巖隧道的加固問題，提出了一種循環式高壓注漿超前預加固技術[6－7]，并進行了工程實踐驗證，取得了良好的預加固效果，可為類似工程施工提供參考。

2 工程概況

羅家山隧道為Ⅰ級風險隧道，位于保康至神農架區間，中心里程DK519＋500，全長10 640 m，最大埋深約470 m。進口洞口上方為粗角礫土，灰黃色，潮濕，稍密，碎石成分為頁巖、砂巖質，呈尖棱角狀，厚度4～8 m。DK514＋180～DK516＋395里程段穿越地層為志留系下統新灘組頁巖夾砂巖，灰色、灰黑色，炭質結構，層理清晰，薄層狀。強風化帶厚1～6 m，以下為弱風化帶。地下水主要為堆積層孔隙水、巖層構造裂隙水和巖溶水。全隧的一般涌水量約為41 047 m3/d，最大涌水量約為116 910 m3/d。隧道進口段圍巖軟弱破碎，開挖后風化快、易崩解且受裂隙水影響易軟化，為了確保隧道施工質量及安全，控制開挖變形，有必要對圍巖進行高壓灌漿加固。

3 注漿方法的確定

高壓注漿加固的原理是使注射漿液壓力超過圍巖巖體的啟裂壓力，巖體內逐漸形成裂縫，漿液充填裂縫，在鉆孔附近形成網狀漿脈，利用漿液擠壓巖體和漿液的骨架作用加固巖體[8]。純壓式注漿和循環式注漿是目前常用的兩種高壓注漿方式。其中純壓式注漿是指漿液通過管路注入孔段內和巖體裂隙中，不再返回的注漿方式。而循環式注漿是指漿液通過射漿管注入孔段內，部分漿液滲入到巖體裂隙中，部分漿液通過回漿管返回，保持孔段內的漿液呈循環流動狀態的注漿方式[9]，如圖1所示。

圖1 循環式高壓注漿原理示意

為選擇最合適的注漿方式，本文從優缺點、適用范圍這三個方面對注漿方式進行了綜合對比，結果如表1所示。考慮到羅家山隧道施工段圍巖為遇水易軟化的炭質頁巖，若采用純壓式濃漿灌注，因層狀頁巖間存在一定粘結力，極可能無法對圍巖進行劈裂，使得加固范圍局限在注漿孔周圍，加固效果將大打折扣。若采用純壓式稀漿灌注，則會導致圍巖吸收漿液中過多的水分而軟化，降低了圍巖原本的承載力，加固措施可能適得其反。而循環式注漿因孔內漿液與孔外相互連通，施工時可先利用稀漿液的穿透能力進行劈裂，而后用孔外濃漿液循環進孔內代替稀漿液進行劈裂間隙的填充。只要控制好稀漿液的滯留時間，則該方案解決了濃漿無法劈裂、稀漿過分軟化圍巖的問題，注漿質量高，因此選用高壓循環式注漿方案。

表1 純壓式與循環式灌漿綜合對比[10]

4 注漿試驗

4.1 試驗設計

選取隧道里程DK514＋388附近為試驗段，設置4個獨立試驗區(水平鉆孔)及1個綜合試驗區(外插10°鉆孔)。其中4個獨立試驗區分別研究注漿壓力、漿液水灰比、封孔器以及孔深對注漿效果的影響。綜合試驗區主要試驗內容為拱頂高壓注漿的可行性，漿液劈裂參數，劈裂、擴散情況以及對巖層的加固效果。試驗鉆孔孔位布置如圖2所示，孔位詳細參數如表2所示。

圖2 試驗鉆孔分區及布置(單位:cm)

表2 試驗分區及鉆孔孔位布置參數

4.2 試驗結果及分析

(1)注漿壓力試驗(Ⅰ區)

原計劃進行水灰比0.5∶1條件下的3 MPa和5 MPa的注漿試驗，然而當壓力接近3 MPa后兩孔均出現了不同程度的漏漿現象，導致試驗失敗。分析原因可能是上臺階開挖卸荷后暴露的時間較長，導致地層分層現象嚴重，因此無法滿足3 MPa及以上灌漿壓力對其的靜壓。

(2)漿液水灰比試驗(Ⅱ區)

水灰比為3∶1的水泥凈漿流動性較強，在壓力達到1 MPa時便發生劈裂漏漿。而水灰比為0.5∶1的水泥凈漿在該地層中雖具有一定的流動性，但當灌注壓力為3 MPa時，仍無法將地層劈裂。因此，施工時可先用3∶1的稀漿對地層進行劈裂注漿，擴大漿液擴散半徑，隨后再用0.5∶1濃漿進行灌注以充填稀漿劈裂的空間，最終達到增強圍巖強度及抗滲能力的目的。

(3)封孔器承壓能力試驗(Ⅲ區)

試驗表明三種封孔器均能承受3 MPa的灌漿壓力。膨脹式橡膠注水封孔器和機械式擠壓塞為保證取出封孔器不漏漿，需在灌注結束后待凝2 h以上，而此時封孔器內管和內外管的間隙已經被漿液固化封堵，導致封孔器報廢，增加了施工成本。相比之下，模袋封孔裝置在注漿后無需拔出，提高了施工的便捷性。此外，模袋封孔裝置具有成本低、可根據需要任意調整封孔長度以及與圍巖貼合密實不易漏漿等優點。

(4)孔深試驗(Ⅳ區)

試驗表明，當孔深4.5 m、封孔裝置深度2.6 m、灌漿壓力在0.67 MPa時，就會出現大面積漏漿。當孔深5.9 m、阻塞深度2 m時，灌漿壓力在3.06 MPa，該孔上方20 cm處開始就出現冒漿。因此，不同鉆孔深度與注漿效果基本無相關性。

(5)綜合試驗情況(V1區、V2區)

綜合試驗區采用的模袋孔口封閉裝置能夠承受所采用的注漿壓力，孔口封閉牢固且孔口管與鉆孔之間的縫隙不漏漿。開挖情況揭示漿液所到之處的部分圍巖出現了一定程度的軟化，因此施工時應盡量減少稀漿灌注時間，避免圍巖過多吸水，并應加入減水劑增加漿液流動性。灌漿結束壓力穩定控制在3 MPa左右，如圖3所示，其中劈裂進漿壓力離散性較大，大部分在2 MPa左右。

圖3 灌漿壓力統計

綜合試驗區鉆孔內單位長度灌漿量如圖4所示，從圖中可得到以下兩方面信息:

圖4 單位長度灌漿量

①對于同是奇數孔或偶數孔，V1分區的注漿量都明顯大于V2區，表明單位注漿量隨注漿距離增加而減少，試驗數據可靠。

②對比相同分區的奇數孔與偶數孔，可看出先施工的奇數孔灌漿量明顯大于后施工的偶數孔，這表明在試驗壓力下漿液擴散能力好，后灌漿的漿液擴散至先灌漿影響范圍處，先后灌漿有搭接，為提高圍巖強度及抗滲性打好了基礎。因V1區及V2區注漿搭接情況均良好，但考慮到施工效率，建議采用間距較大的V1區參數。

4.3 試驗結論

根據上述試驗情況，針對層狀炭質頁巖地層，建議選用如下施工方法:采用配備模袋式孔口封閉裝置的循環式注漿方式進行高壓注漿。注漿孔設置在拱圈部分，內外兩排交錯布置。按照外插10°進行鉆孔，孔深設置為6 m。注漿過程中先采用水灰比3∶1的稀漿液在2 MPa注漿壓力下對地層進行劈裂注漿，而后采用0.5∶1的濃漿液對稀漿劈裂的間隙進行填充，結束時注漿壓力控制在3 MPa左右。

5 工程應用

根據上述試驗結果及灌漿后開挖情況，針對羅家山隧道層狀炭質頁巖，采用孔口封閉、孔內循環的灌漿方法進行超前預加固。通過回漿管路上設置的壓力表和高壓閥門來調節灌漿壓力和流量。注漿過程中采用如圖5所示的多路注漿記錄儀自動采集注漿壓力、流量、密度，還可以根據預設自動調節注漿壓力。

圖5 多路注漿自動記錄儀

5.1 施工過程

(1)鉆孔

采用全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔施工，注漿孔在隧洞頂拱150°范圍按照隧道上斷面圓心8°(相鄰兩孔孔位間距約1 m)梅花形布置兩環鉆孔，兩環鉆孔環向間距為80 cm，孔徑φ75 mm。根據試驗結果，孔深與注漿效果關系不大，因此為加快施工進度，鉆孔孔深取15 m。

(2)清孔

傳統的循環式灌漿方法在灌漿前多采用清水進行清孔以及裂隙的沖洗。然而羅家山隧道地層為層理明顯的炭質頁巖，遇水會軟化，會降低圍巖強度。因此，本工程采用高壓風脈動進行清孔并沖洗裂隙，以利于漿液的擴散。

(3)安裝檢查注漿管

鉆孔完成后檢查孔位是否符合要求，確認無誤后，安裝注漿管、回漿管，塞入循環式止漿塞，防止注漿過程中漏漿，同時檢查注漿管路是否牢固可靠[11]。

(4)漿液配置

為減少水對圍巖的軟化，在漿液中摻加1%高效早強減水劑。為保證漿液質量以及方便交通，注漿采用“集中制漿”，配制0.5∶1的純水泥漿液，借助高壓送漿泵通過管路送至工作面，并在工作面配制所需比級的漿液。為防止漿液含有顆粒，在攪拌桶和儲漿桶之間加濾網，儲漿桶加攪拌設備以保證漿液的流動性。

(5)注漿

遵循“稀漿劈裂、濃漿灌注”的原則進行注漿。其中稀漿水灰比為3∶1，濃漿水灰比為0.5∶1。考慮到炭質頁巖遇水軟化的特性，宜少灌稀漿，多灌濃漿。采用3臺三缸柱塞式灌漿泵對相鄰呈三角形布置的三孔進行并灌，以有利于相關聯孔的劈裂貫穿。過程中三泵壓力保持一致，逐級升壓至設計壓力。當灌漿孔稀漿量不大于1 L/min，繼續灌注30 min后結束注漿[12]。

5.2 灌漿效果

現場開挖后揭露的灌漿情況如圖6、圖7所示，其中漿液劈裂路徑以沿水平層面劈裂居多，漿液擴散距離較遠。從圖6可見漿液對水平層理面進行了很好的填充，說明漿液對軟弱結構面進行了加固，提高了圍巖強度。從圖7還可以看出漿脈已經擴散并形成了高強度的結石，表明所采用的注漿方式及注漿參數很好地滿足了施工要求，超前預加固效果顯著。

圖6 水平層狀漿脈

圖7 擴散開的漿脈

6 結論

(1)針對炭質頁巖軟弱層狀地層中隧道開挖后風化快、易崩解且受裂隙水影響易軟化的特點，通過比選分析，確定采用高壓循環式灌漿方法對地層進行加固。與純壓式注漿方法相比，循環式注漿方法可先利用稀漿液的穿透能力進行劈裂，而后用濃漿液填充劈裂間隙，解決了純壓式注漿采用單一注漿濃度的局限，注漿質量好。

(2)進行了多工況的現場試驗，針對炭質頁巖地層，可采用如下注漿參數:注漿孔應在拱圈部位內外兩排交錯布置，外插角為10°，孔深設置為6 m。注漿過程中先采用水灰比3∶1的稀漿液在2 MPa注漿壓力下對地層進行劈裂注漿，而后采用0.5∶1的濃漿液對稀漿劈裂的間隙進行填充，結束時注漿壓力控制在3 MPa左右。

(3)針對炭質頁巖遇水易軟化的特點，宜嚴格控制稀漿灌注的時間；優先采用高壓風脈動清孔；配置漿液時應添加減水劑以減少漿液用水量。