太谷隧道不良地質(zhì)段地表注漿效果評(píng)定研究

馮存志， 楊朝帥， 孫浩琿

（1.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201；2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511458；3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710061）

0 引言

近年來，鐵路隧道修建過程中，經(jīng)常會(huì)穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工擾動(dòng)的影響下，極易發(fā)生潰砂、塌方、地表塌陷等災(zāi)害，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。注漿具有堵水、提高巖體強(qiáng)度以及增強(qiáng)巖體抗變形的作用。目前，針對(duì)地鐵穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的治理通常采用超前預(yù)注漿的方式，而如何合理的設(shè)計(jì)注漿參數(shù)和選擇注漿材料，關(guān)系到斷層破碎帶等不良地質(zhì)體治理的成敗。通過超前預(yù)注漿，充填破碎巖體，形成完整的注漿加固圈，可有效保證地鐵隧道開挖過程中的安全性和穩(wěn)定性。

近年來，學(xué)者們對(duì)于淺埋隧道注漿加固頗有研究。閆成偉等［1］通過青島地鐵4號(hào)線F1斷層破碎帶超前預(yù)注漿工程實(shí)踐，開展淺埋大斷面地鐵隧道穿越斷層破碎帶預(yù)注漿加固治理技術(shù)研究，探索治理淺埋大斷面地鐵隧道穿越斷層破碎帶的有效手段。劉世杰等［2］基于梅汕鐵路大嶺隧道工程實(shí)例，對(duì)比了洞內(nèi)和地表注漿加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并開展了地表深孔注漿加固地層的工藝試驗(yàn)研究。田忠［3］以愛民隧道進(jìn)口地表注漿施工為例，結(jié)合工程特點(diǎn)，從注漿孔的布設(shè)、注漿工藝、注漿效果等方面論述了哈牡客專愛民隧道采用DDZ管地表注漿加固技術(shù)，控制隧道區(qū)地表沉陷，解決拱頂下沉過快、掌子面坍塌的問題。孟凡濤［4］結(jié)合隧道施工實(shí)例，對(duì)軟弱圍巖段地表注漿技術(shù)中袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行了闡述。何開偉［5］以梅汕鐵路大嶺隧道溜塌段為研究對(duì)象，采用前進(jìn)式（或后退式）注漿+多管注漿及后期地表注漿聯(lián)合加固技術(shù)，有效解決了全風(fēng)化花崗巖段透水性強(qiáng)、遇水軟化、掌子面難以自穩(wěn)、初期支護(hù)變形大的難題。邱堅(jiān)等［6］結(jié)合某隧道工程實(shí)例，應(yīng)用MIDAS/GTSNX對(duì)管棚注漿、地表注漿加固圍巖進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，確定了地表注漿效果優(yōu)于管棚注漿效果。張校甫等［7］對(duì)新大力寺隧道下穿水庫(kù)淺埋段復(fù)雜地質(zhì)，采用袖閥管注漿加固技術(shù)進(jìn)行地表加固，結(jié)合工程特點(diǎn)，采用約束-發(fā)散模式，將注漿區(qū)域劃分成若干個(gè)小的注漿區(qū)，先周邊孔、后內(nèi)部孔分塊分步的注漿順序。

通過對(duì)漿液材料、配比、凝固時(shí)間等工藝參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，總結(jié)得出周邊孔采用添加AlCl3外加劑的雙液漿，內(nèi)部孔采用普通水泥漿，有效的提高隧道洞身的整體性與穩(wěn)定性。陳陽(yáng)［8］以衢寧鐵路福建段芳源隧道洞口為研究背景，研究采用袖閥管二次超細(xì)水泥漿注漿方案解決地表注漿質(zhì)量問題，同時(shí)洞身采用優(yōu)化的6步CD法解決CRD法施工工藝存在的缺陷，通過兩種施工工藝的組合，確保了地表注漿加固效果，有效抑制了洞身變形下沉。季建慶等［9］結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某大跨隧道洞口淺埋段松散土體采用袖閥管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，對(duì)注漿參數(shù)和注漿加固效果進(jìn)行了分析。

1 工程概況

太焦鐵路太谷隧道位于山西省晉中市太谷縣境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)11497m，最大埋深383.41m，工程地質(zhì)斷面見圖1。隧道1#斜井與正洞交匯里程為DK57+000，斜井長(zhǎng)度575m。隧道進(jìn)口至1#斜井的正洞段長(zhǎng)度為400m，隧道穿越地層為上第三系（N2）粉質(zhì)黏土和粉砂相互夾雜，弱-中等膠結(jié)，土層軟硬不均且含水量高，易受外界擾動(dòng)、遇水軟化等特性顯著，工程性質(zhì)極差。

圖1 地質(zhì)斷面圖

太谷隧道在開挖過程中，局部出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象，開挖支護(hù)后由于土體穩(wěn)定性差，土壓力較大導(dǎo)致初支侵限，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，進(jìn)度緩慢。根據(jù)地質(zhì)狀況及工程現(xiàn)狀采用動(dòng)態(tài)定向注漿（DDD）工法，通過地表超前預(yù)注漿加固方式對(duì)太谷隧道進(jìn)口至1#斜井剩余未開挖段進(jìn)行注漿加固，封閉圍巖列隙，減少地下水對(duì)開挖面及周邊一定范圍地層的軟化，改善周邊巖土體力學(xué)性能，控制隧道結(jié)構(gòu)變形。

2 注漿施工方案

2.1 注漿方案

針對(duì)施工中存在的問題，現(xiàn)場(chǎng)采用動(dòng)態(tài)定向注漿（DDD）工法進(jìn)行加固，隧道加固段地表埋深127～85m，地表最大鉆孔深度140m。

原注漿方案，注漿孔位采用正方形設(shè)計(jì)，孔間距2m，擴(kuò)散半徑1.4m，鉆孔數(shù)量1184個(gè)。由于鉆孔數(shù)量多，注漿方量大，對(duì)注漿方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的注漿方案見圖2圖～4圖，注漿參數(shù)見表1。

表1 地表注漿參數(shù)

圖2 注漿孔平面布置（單位：cm）

2.2 注漿工藝

（1） 鉆孔：采用全站儀、鋼尺等工具按設(shè)計(jì)要求定出注漿孔孔位，然后采用地質(zhì)鉆機(jī)按標(biāo)出的孔位垂直于地面進(jìn)行鉆孔，鉆孔孔位水平偏差≤5cm，鉆孔垂直度誤差≤1/150。

（2） 安設(shè)DDD注漿管、注套殼料：鉆孔完成后先退鉆桿，分節(jié)下放外徑76mm無(wú)縫鋼管至孔底，注漿段采用設(shè)有溢漿孔的DDD注漿管，非注漿段下入無(wú)溢漿孔DDD注漿管，管節(jié)采用40cm長(zhǎng)89mm外套管滿焊連接。在管壁與孔壁間注入套殼料。

圖3 注漿交圈（單位：cm）

圖4 地表注漿斷面（單位：cm）

（3） 注漿：采取后退式分段注漿工藝，即在注漿段內(nèi)由孔底進(jìn)行注漿，分段步距1m，注完第一注漿段后，后退注漿芯管，進(jìn)行第二注漿段的注漿，以此循環(huán)，直至完成注漿段注漿。注漿過程中應(yīng)做好詳細(xì)的注漿記錄，確保注漿加固效果。

DDD工法注漿工序流程圖如圖5所示，施工現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

圖5 DDD工法注漿流程

圖6 注漿芯管安裝現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 注漿材料及配比

套殼料采用膨潤(rùn)土-水泥漿，水：水泥：膨潤(rùn)土=2：1：1。

注漿材料以摻HPC外加劑普通水泥漿液為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，單液漿配比（W：C）=0.8：1；普通水泥-水玻璃雙液漿配比（W：C）=（0.8～1）：1，C：S=1：1，普通水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，水玻璃波美度40Be'，模數(shù)2.4～2.8，具體如表2所示。

表2 漿液配比參數(shù)

2.4 注漿順序

分區(qū)段施工，按發(fā)散-約束型注漿采取“先外后內(nèi)，間隔跳孔”原則進(jìn)行。即先跳孔施工周邊注漿孔，形成約束圈后，再按由外圈向內(nèi)圈注漿原則，間隔跳孔施工。

2.5 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1） 單孔單段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)注漿終壓4～6MPa，并維持5～10min，即可結(jié)束該孔注漿；注漿過程當(dāng)實(shí)際注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量1.5倍，壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)終壓，可調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間，使得壓力到達(dá)設(shè)計(jì)終壓，結(jié)束注漿。

（2） 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。單孔每個(gè)注漿段均達(dá)到單孔單段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 全段結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。所有注漿孔均已符合單孔結(jié)束條件，無(wú)漏注現(xiàn)象。

2.6 注漿施工注意事項(xiàng)

注漿鉆孔采用鉆機(jī)成孔，鉆機(jī)需安裝牢固，定位穩(wěn)妥、牢固。注漿孔應(yīng)跳孔施鉆，不應(yīng)全部鉆孔完成后再注漿，以免孔位串漿，增加難度及清孔工作量。

各類設(shè)備應(yīng)就近安裝固定管線，不宜過長(zhǎng)，以防壓力和流量消耗。

鉆機(jī)成孔插入注漿管后及時(shí)封堵孔口和附近的地面裂縫，以防冒漿。

3 注漿效果評(píng)價(jià)

地表注漿效果評(píng)定采用分析法，包括注漿量分析、漿液填充率分析、注漿P-q-t曲線分析、取芯檢查孔法、地層含水率對(duì)比、開挖觀察。

3.1 注漿量分析

注漿結(jié)束后，根據(jù)過程數(shù)據(jù)對(duì)注漿效果進(jìn)行分析見圖7，注漿加固段注漿孔均達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力，均按設(shè)計(jì)工藝要求施工完成。

圖7 注漿量平面分布

（1） 注漿量22024.2m3，平均隧道延米注漿量125.85m3，平均單孔延米注漿量0.83m3/m。

主要采用摻HPC外加劑普通水泥單液漿為主，以普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，對(duì)注漿區(qū)域地層進(jìn)行控制注漿區(qū)域注漿，在地層逐漸被填充密實(shí)后，控制注漿范圍，劈裂擠密加固地層。

（2） 地層吸漿量隨時(shí)間變化注漿量明顯減小，孔隙率逐漸減小，地層逐漸密實(shí)，達(dá)到充填裂隙，固結(jié)圍巖的作用。

3.2 漿液填充率分析

（1） 漿液填充率計(jì)算。注漿段需加固體積119538.9m3，設(shè)計(jì)地層孔隙率20%，根據(jù)其他類似地層施工經(jīng)驗(yàn)，地層孔隙率取值一般為15%～45%，實(shí)際注漿過程中注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)量后注漿壓力未達(dá)到設(shè)計(jì)值的注漿孔，繼續(xù)注漿至1.5倍注漿量后，調(diào)節(jié)漿液凝膠時(shí)間，使注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，停止注漿。

（2） 為確保注漿效果，取其孔隙率值20%，據(jù)此計(jì)算漿液填充率為87.7%，漿液充填率高于80%，達(dá)到設(shè)計(jì)方案要求，滿足注漿加固目的，可以滿足開挖要求。

通過發(fā)散-約束型注漿，注漿孔均達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力，地層空隙已被有效填充，并形成劈裂注漿，進(jìn)一步提升了地層的承載力，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿目的。

3.3 典型注漿P-q-t曲線分析

圖8為塌方段地表注漿施工過程表現(xiàn)出來的P-q-t曲線。塌方段注漿孔注漿過程中，前期因地層松散孔隙率較大，注漿時(shí)壓力上升較慢，隨著注漿的進(jìn)行，地層逐漸密實(shí)，地層吸漿能力減弱，當(dāng)?shù)貙颖粩D壓到一定密實(shí)度后，壓力上升注漿流量下降形成劈裂效果對(duì)地層進(jìn)一步擠密，劈開后壓力下降注漿流量上升，地層空隙被填充完成后，注漿流量隨注漿壓力上升迅速減小，注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值結(jié)束注漿。

圖8 注漿P-q-t曲線（塌方段）

圖9為原巖段地表注漿施工過程表現(xiàn)出來的P-q-t曲線。原巖段地層較為密實(shí)，壓縮空間較小吸漿能力較塌方段小，注漿過程中壓力上升較快，對(duì)地層形成劈裂擠密，表現(xiàn)為注漿壓力短時(shí)間內(nèi)壓力上升、下降、上升，注漿流量下降、上升、下降，最終注漿壓力上升至6MPa后趨于穩(wěn)定，結(jié)束注漿。

圖9 注漿P-q-t曲線（原巖段）

通過上述注漿P-q-t曲線變化情況得出，隨著注漿工作的進(jìn)行，地層由填充密實(shí)至反復(fù)劈裂擠密，壓力上升過程逐漸縮短，地層無(wú)繼續(xù)壓縮空間，注漿效果達(dá)到要求。

3.4 取芯檢查

地表注漿施工結(jié)束后進(jìn)行取芯檢查。地表注漿施工完成后進(jìn)行鉆芯取樣，取出的芯樣較完整見圖10，可見明顯漿液凝膠體填充痕跡和劈裂形成的漿脈，芯樣完整性較好，取芯率91%，芯樣平均抗壓強(qiáng)度為4.376MPa（共計(jì)10組試驗(yàn)）見表3，符合地層加固效果，滿足開挖需求。

圖10 芯樣照片

表3 芯樣單軸強(qiáng)度 MPa

3.5 注漿前后地層含水率對(duì)比

地表注漿施工前地層含水率為23%～43%，開挖過程中出現(xiàn)掉塊、涌水、溜塌情況，開挖進(jìn)度緩慢，開挖安全性低，工期不可控。

注漿完成后實(shí)測(cè)地層含水率11%～13%，與注漿前數(shù)據(jù)對(duì)比，注漿后地層含水率明顯降低見表4，開挖面密實(shí)穩(wěn)定，開挖安全性得到極大提升，注漿效果達(dá)到加固地層的目的，符合安全開挖要求。

表4 注漿后地層含水率試驗(yàn)

3.6 開挖觀察

1#井小里程塌方段地層松散孔隙率較大，漿脈較多、厚，漿液填充、劈裂效果明顯，掌子面巖體穩(wěn)定性得到提高。

1#井小里程原巖段地層稍密，開挖面地層為砂質(zhì)土層，漿脈較多，漿液劈裂效果明顯，掌子面無(wú)水，掌圍巖整體穩(wěn)定性較好見圖11。

圖11 1#井小里程原巖段開挖效果

進(jìn)口端開挖揭示圍巖為泥巖，漿脈表現(xiàn)為自泥巖縫隙填充、劈裂，封堵水路，掌子面巖體穩(wěn)定性好見圖12。

圖12 進(jìn)口端開挖效果

4 結(jié)語(yǔ)

文中注漿施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)注漿方案進(jìn)行施工，通過分析法對(duì)注漿效果進(jìn)行分析評(píng)定，綜合注漿效果評(píng)定方法分析，得出以下結(jié)論：

（1） 注漿量區(qū)域分布及單延米注漿量變化符合地層填充擠密規(guī)律，注漿孔均能達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力的4～6MPa，終孔流量均小于5L/min，地層得到有效加固，達(dá)到了注漿加固的目的，滿足開挖施工要求。

（2） 注漿P-q-t曲線規(guī)律符合地層加固機(jī)理，滿足開挖需求。

（3） 地層含水率試驗(yàn)表明經(jīng)注漿加固后地層含水率較加固前得到很大改善，通過開挖觀察開挖面穩(wěn)定無(wú)水，滿足開挖要求。