劈裂注漿改良傾斜基巖上第四系沉積地層注漿效果研究

劉雪冬

(中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

我國幅員遼闊，地質構造復雜，在隧道施工過程中，經常遭遇軟弱破碎圍巖地質條件等地質情況相對較差的地層，尤其是第四系與第三系巖層斜交地層，地質條件復雜，施工難度大，是近年來修建隧道過程中遇到的一個新的難題，給施工過程帶來許多困難。地下工程預加固注漿主要由地表垂直注漿與洞內超前全斷面注漿2種，根據不同的條件進行合理選擇，綜合成孔難度、注漿工藝操作性、注漿可靠性以及對洞內開挖的影響等因素看，地表注漿更加具有優勢，推廣的價值更高。

2 工程背景

依托東北高寒地區哈牡客專工程愛民隧道，位于黑龍江省牡丹江市，全長2940m，為雙線隧道。隧道埋深較淺，暗挖最大埋深60m，最小覆土厚度8m。地表地質情況為表覆第四系松散沉積層，下伏第三系砂泥巖、玄武巖及燕山期花崗巖，接觸關系復雜，黏性土具有弱～中等膨脹性，含水量較大，隧道穿行于土石界面中，地質條件復雜，圍巖穩定性差，地表注漿段埋深8~20m。屬于鐵路總公司“地質條件復雜、淺埋、大跨、偏壓、富水、高寒”的極高風險隧道。對該段實施地表劈裂注漿處理，提高圍巖強度，降低圍巖的透水性能，加強隧道成拱作用，確保隧道施工安全。

圖1 地表注漿區地質縱斷面圖

3 注漿方案

3.1 作用機理

在注漿壓力作用下，漿液克服了地層的初始應力和抗拉強度，使地層沿垂直于小主應力的平面上發生劈裂，漿液進入劈裂地層形成脈狀漿液固結體。脈狀漿液固結體、由于漿液與地層顆粒的化學作用以及因漿液脈狀滲透的注漿壓力而擠密的地層、未受注漿影響的原始地層一起組成一種復合地基，可共同承受外部荷載。劈裂注漿通過形成網狀劈裂脈，使土體的力學性質及透水性得以改善，在層狀軟巖中則產生水平劈裂裂隙。

3.2 實施方案

3.2.1 加固范圍

加固寬度為隧道兩側最大跨處向外6m，加固深度為自隧底下1m加固至拱頂上6m范圍，加固總寬度為25.82m，鉆孔最深為30.5m，單孔注漿加固長度為18.9m。如圖所示。

圖2 斷面加固范圍

3.2.2 孔位布置

現場選取50m作為試驗段，采用地表徑向大孔徑深孔注漿工法，確定注漿的擴散半徑1.5m，注漿孔間距2.0m，等邊三角形布置，鉆孔直徑108mm，注漿管采用外徑76mm、壁厚5mm，定向注漿管，采用氣囊式止漿塞。接頭采用φ89 mm、壁厚5mm外套管滿焊連接，在注漿管底部加悶蓋。

黏土孔隙率：黏土在勘探過程中，鉆探口徑及鉆具規格符合現代國家標準的規定，成孔口徑滿足取樣、測試以及鉆進工藝的要求，勘察施工按照《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）執行；標貫試驗采用Φ42mm鉆桿作為觸探桿，自由落錘，并按規范定試驗。勘探結果數據為：標貫試驗數據平均值N=4.4，孔隙比平均值e=0.74。孔隙率η=e/(1+e)=0.425。

注漿量計算過程：根據勘察報告及相關地質資料每米孔深注入水泥漿量公式按Q=1000vηβα。Q-每米注漿量（m3）；v-預加固土體積（m3）；η-土的孔隙率；β-漿液填充系數；α-漿液損耗系數一般取1.1～1.3。

通過計算Q=3.421×0.425×0.3×1.2=0.523m3/m。

3.2.3 注漿材料

隧道開挖輪廓線外兩側主要采用普通水泥-水玻璃雙液漿形成擋墻，輪廓線內主要采用普通水泥漿單液漿。當內部地下水豐富，地下水活動較強，吸漿量大，注漿壓力不上升的情況下內外均采用雙液漿。并根據施工需要適當摻入外加劑調整漿液的流動性，最終確定使用P.O42.5水泥，水玻璃采用出廠濃度45Be‘，模數2.4～3.4水玻璃。

經現場試驗，終配比為：外圈雙液漿封孔采用水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比為1:1，水玻璃使用時根據現場情況調整到35Be‘，凝膠時間60s。套殼料配比（水:灰:膨潤土）=1.6:1:1，注漿速率10～90L/min。

3.2.4 注漿次序及壓力控制

注漿順序選擇應從外圍達到“圍、堵、截”的目的，在內部應達到“填、壓、擠”的目的。劈裂注漿過程是重復注漿的過程，隨著注漿次數的增加，首先將大的地層空隙充填，逐漸壓密，最后劈裂，注漿壓力也會隨著次數的增多而增大。單管注漿壓力控制順序：注漿采用單孔分段定量控制→提升注漿管（維持終壓穩壓5～10min）→單管單次注漿結束→洗孔→復注，直至升壓至終壓為止，為保證擠密～劈裂效果，終壓定為4～6MPa。

4 注漿效果分析

現場實測分析如下。

4.1 掌子面開挖揭示對比

通過觀察掌子面開挖后的揭示，注漿前掌子面滲水，膠結較差，含水率較低，承載力低，開挖擾動后拱頂多發生坍塌現象，變形嚴重；注漿后掌子面漿脈明顯，壓密~劈裂的效果非常明顯，直立穩定性明顯增加。

圖3 注漿前掌子面土體剝落初支開裂變形

圖5 注漿后鉆芯取樣

4.2 取芯情況

采用取芯鉆機在地表向下取芯，夾雜碎石的黏土地層注漿后取芯呈圓柱形態，通過觀察，可見漿液擴散厚度和填充情況，證明開挖后能夠保證掌子面的穩定，圍巖密實程度增加。

4.3 注漿填充率

注漿周邊孔在注漿過程以注漿量進行控制，表現為先序孔填充地層空隙，在達到設計注漿量后，壓力不上升，調整漿液凝膠時間，以達到設計注漿壓力。內部孔注漿過程中以注漿壓力主控，對地層剩余空隙進行填充，壓力上升較快。

通過發散-約束型注漿，對注漿過程控制標準進一步加強，在地層空隙被填充后，經內部注漿孔補充填充并形成劈裂注漿，進一步提升了地層的承載力，符合地層加固規律，達到設計注漿目的和效果。分析所有地表注漿段落注漿量情況，得知平均單孔延米注漿量0.87m3/m，漿液填充率達到15%～33%，局部段落的填充率達到驚人的46%，主要由地層松散導致注漿壓力上升十分緩慢引起。

4.4 變形監測

在隧道拱頂布置拱頂沉降觀測點，在各臺階底腳上部30～50cm布置收斂變形點進行觀測。掌子面施工至DK293+195.6里程處，對DK293+195.6～212里程段的累計變形數值進行統計。

監測發現，該類黏土地層雖然分布在傾斜基巖上，但側向收斂變形并不大，變形主要由沉降變形引起，由于開挖臨空段落不長，仰拱、二襯跟進及時，應力能夠快速平衡，確保整個隧道結構的長久穩定。

各個關鍵部位注漿后的位移值和增大速率明顯小于注漿之前。注漿前的拱頂、拱腰和邊墻的最大位移值分別為48cm、35cm、20cm，注漿后的拱頂、拱腰和邊墻的最大位移值分別為10cm、7cm、13cm，雖然得出的結果較現場實踐偏小，分析原因是現場施工增加了諸多不穩定性因素，但從結果對比可以看出，全斷面注漿改善了圍巖性質，可以有效減小圍巖變形。

5 結語

（1）針對傾斜基巖面上的第四系沉積地層的注漿效果分析十分有限，效果分析應該以地質情況、工藝過程情況、解決方案、實際監測數據綜合分析對比進行，輔以理論預測核對。

（2）不同地層的物理力學參數差異較大，該種地段，應盡量縮小注漿區域，保證注漿效果均勻，注漿過程中要采用單孔分段定量控制→提升注漿管→單管單次注漿結束→洗孔→復注，直至升壓至終壓為止。出現壓力持續不上升的情況下，應及時調整漿液凝膠時間，達到定向控域的效果。

（3）重視過程分析及效果驗證，隨著注漿的結束，土體發生壓縮和變形，致使土顆粒間產生互相“楔緊”的作用，在一定范圍土層中產生“拱效應”，使密貼在圍巖下的初期支護承載應力降低，隧道變形得到有效抑制，最大圍巖變形由50cm降低至10cm，隧道關鍵部位的圍巖位移值減小了50%以上，圍巖層間裂隙水被有效排出，空隙被漿液填充，對改善圍巖性質有很好的效果。

（4）注漿參數對于地層力學結構改變有較大的差異，由于注漿的成本較高，既要達到現場施工安全可控又要達到經濟合理，需要不斷實踐總結。