于都一號隧道Ⅵ級圍巖深孔固結地層關鍵技術

左季康

向莆鐵路股份有限公司，福州 350000

在隧道設計及施工過程中經常會遇到軟弱破碎圍巖、巖溶發育、淺埋偏壓現象顯著等技術難題，處理不當則出現涌水突泥，地表塌陷、支護結構變形破壞甚至圍巖硐室坍塌等事故［1-2］。上述類型的隧道工程中，圍巖等級通常劃定為Ⅴ級，圍巖破碎且完整性較差。為保證施工安全及施工進度，須要提前采取預加固措施［3-6］。目前常用方法有超前小導管法、管棚注漿法、帷幕注漿法、水平旋噴注漿法以及預切槽和凍結施工等［7-8］。賴金星等［9］通過有限元手段模擬了圍巖條件較差情況下采用水平旋噴樁和超前管棚組合加固，并重點分析了淺埋暗挖隧道中的管棚注漿法支護效果。秦長坤等［10］等以軟弱圍巖隧道為研究對象，通過有限差分軟件模擬了超前小導管加固技術。研究了其加固承載機理和支護效果評價。鄭青［11］以超細水泥為基料，研究了含有緩凝劑磷酸氫二鈉、水玻璃等添加劑的雙漿液在Ⅴ級富水軟弱地層中的注漿止水效果。岳洪武等［12］等采用MIDAS/GTS 建立了管棚預注漿支護模型，研究了Ⅴ級圍巖下超前支護對地表沉降的控制效果。

以往的研究表明國內關于施工超前注漿技術的研究主要集中在Ⅴ級圍巖地層中，且多采用的是數值模擬及室內試驗，實際的現場注漿效果及特殊環境下施工注漿技術體系鮮有介紹。隨著國內鐵路隧道工程中遇到的Ⅵ級圍巖特殊地層工況越來越多，部分專家學者也展開了一定研究，但針對Ⅵ級圍巖超前預加固技術的系統性實踐成果仍較少。傳統的隧道超前預加固技術如帷幕注漿法、水平旋噴樁法等洞內實施的工法具有施工程序復雜，預加固剛度和強度難以控制、進度慢、安全性差等問題。因此，本文以于都一號隧道Ⅵ級圍巖段為研究對象，綜合采用現場測試及數值模擬等手段，研究了深孔固結地層法在Ⅵ級圍巖特殊地層中的應用，總結了Ⅵ級圍巖條件下深孔固結法關鍵技術。同時，從不同角度開展了地層固結質量的現場驗證，進一步分析深孔固結地層法在該類特殊地層實施過程中存在的問題和取得的效果，為類似隧道工程提供參考。

1 工程概況

于都一號隧道位于江西省贛州市興國縣和于都縣交界處，全長6 285 m，為設計時速160 km/h 的單洞單線隧道，最大埋深約281 m。如1 所示，Ⅵ級圍巖段長155 m（D1K30+975—D1K31+130），位于溝谷，隧道埋深39～58 m，采用臺階法施工。該段為區域性壓扭大斷裂，屬于樟木構造，線位附近走向為N28°E，擠壓現象明顯，斷層兩側片理化、糜棱巖化甚為發育，該斷層傾向南東，傾角65°～85°。現場鉆孔勘測查明，破碎帶巖層為砂土夾碎塊石，無膠結，結構松散。隧區地表水主要為季節性溝谷流水。受構造運動的影響，基巖中裂隙發育。特別是在節理密集帶或斷裂破碎帶附近地下水富集。

圖1 Ⅵ級圍巖段平面布置

2 深孔固結地層加固設計及施工工藝

2.1 地表加固范圍

在D1K30+975—D1K31+130（長度155 m）范圍內地表采用剛性袖閥管注漿加固，橫向加固范圍為隧道中線左右兩側各9.475 m；徑向加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m。地表注漿加固范圍見圖2。

圖2 地表注漿加固范圍（單位：cm）

2.2 注漿參數

地表注漿段埋深39～58 m，鉆孔深度大于50 m，地質條件差，鉆孔易塌孔，難度較大。故注漿固結區采用單向溢漿孔袖閥管，袖閥管與巖體固結形成微復合樁效應。固結區外采用無溢漿孔袖閥管；袖閥管標準節長度3 m/節（孔口處為非標準節），最底部加工成錐形封閉，每兩節采用φ89 mm（壁厚5 mm），長50 cm外套管滿焊連接。單向溢漿孔袖閥管每隔60 cm 設1 個溢漿孔斷面，每個斷面布置4 個φ8 mm 單向溢漿孔，溢漿孔上下各5 cm 部位安裝φ10 mm 鋼筋套環，防止袖閥管下管過程中橡膠套碰撞管壁受損。

施工材料中套殼料采用膨潤土-水泥漿，周邊注漿孔以普通水泥-水玻璃雙液漿為主，全孔長注漿形成止水帷幕；中間孔注漿以普通水泥單液漿為主；普通水泥采用P·O 42.5 硅酸鹽水泥，試驗比配見如表1。漿液擴散半徑為1.2 m；注漿速度10～70 L/min；注漿壓力5～7 MPa。采用后退式分段注漿工藝。

表1 漿液配比

2.3 注漿工藝流程

2.3.1 孔位布設

鉆孔間距為1.75 m × 1.75 m，呈等邊三角形布置。鉆機就位于整平穩固的地基之上，以確保鉆孔平穩。在避免互相影響的情況下，采用多臺鉆機同時施工。就位時使鉆機準確對位于已測量的點位之上，孔位水平偏差控制在±5 cm范圍內。

2.3.2 鉆孔和清孔

鉆孔順序按“由上至下、先周邊后中間、分段分片、跳孔施鉆”的原則進行，主要防止砂石地層鉆孔過程中高壓風影響臨近孔套殼料的施工。鉆孔過程同步檢查鉆孔的垂直度，并及時糾偏。鉆孔孔深根據前期鉆孔沉渣檢測情況，在設計基礎上加深30 cm，以確保袖閥管孔底標高滿足設計要求。檢查孔深、垂直度符合要求后，采用高壓風從孔底向孔口清理鉆渣，清渣完成后先退內部鉆桿，利用鉆機臂安裝完袖閥管后，再退外部套管，防止安裝袖閥管前出現塌孔。

2.3.3 袖閥管安裝

袖閥管由鋼筋加工廠集中加工，在鉆孔、清孔完成后鉆機外套管取出前安裝。分節下放φ76 mm 剛性袖閥管至孔底，袖閥管采用φ89 mm 外套管接頭滿焊連接，安裝過程必須進行垂直度測量，確保袖閥管垂直度偏差不大于1/150，袖閥管深度下至孔底后，孔口部位外露不小于50 cm。安裝完成后確保袖閥管位于孔位正中，做好袖閥管孔口臨時堵塞，防止異物不慎掉入袖閥管，影響注漿。

2.3.4 套殼料填隙

袖閥管安裝完成后，在袖閥管與孔壁間隙利用φ22 mm 高壓軟管，采用反孔灌漿的方式將袖閥管與孔壁間隙充填密實，防止注漿過程漿液上竄。套殼料填滿全孔孔隙后方可退出鉆機外部跟管，套殼料達到強度后進行注漿作業。

2.3.5 注漿

注漿順序如圖3 所示，注漿順序按“分段分片、先周邊后中間、隔孔跳注”原則推進。周邊孔按先上游后兩側再下游進行注漿；中間孔按紅色連線孔→紫色連線孔→藍色連線孔的順序，先上游（線左）后下游（線右）進行注漿。

圖3 分段注漿步序

周邊帷幕孔注漿方法：待雙液止漿塞給壓定位完成后，先接通水泥漿液管路進行注漿沖壓。當水泥漿液沖破袖閥管外皮后，再接通水玻璃管路，然后2根管路同時注漿，當注漿壓力達到試驗終壓，注漿流量小于10 L/min 并維持10 min 以上時，先暫停水玻璃管路的輸送，水泥漿管路繼續送漿3 min，避免管路堵塞。結束該段注漿，釋放止漿塞內壓力，使止漿塞膨脹恢復，后退止漿塞一個注漿步距至第二段注漿。

中間孔注漿方法：將止漿塞與注漿管配套下入袖閥管中，并進行止漿塞初始定位；利用止漿塞給壓裝置向止漿塞內注水，使其膨脹密貼管壁（試驗所得膨脹壓力7～8 MPa）；接通管路進行注漿施工，注漿壓力達到試驗終壓，注漿流量小于10 L/min，并維持10 min 以上，可結束該段注漿；釋放止漿塞內壓力，使止漿塞膨脹恢復，后退止漿塞一個注漿步距至第二段注漿。按以上順序循環，直至將所有注漿孔注漿完成。

3 數值模擬

3.1 數值模型及參數

結合工程現場注漿及施工方法，為簡化計算，將地面深孔固結注漿影響區定為開挖輪廓線外5 m 范圍。為消除邊界效應的影響，左右兩側取3 ～5倍的洞涇，埋深定為50 m。整個模型長為90 m，高為105 m，縱向取10 m。模型底部進行全約束，四周采用法向約束。初始應力場僅考慮重力場。巖土體采用摩爾庫倫本構模型，初期支護采用線彈性本構模型。模型參數根據巖土體現場實測及室內試驗取值，見表2。

表2 模型參數取值

3.2 模擬結果分析

3.2.1 應力變化規律

注漿加固前后圍巖應力分布具有較大差異，見圖4。開挖后注漿前最小主應力在0.25 ～4.16 MPa。注漿后砂土地層黏聚力和整體性顯著增加，通過黏結周邊碎塊石，進一步完善了巖土體孔隙結構，完整性和強度均顯著提高。圍巖應力增幅約20%～25%。洞周附近最大剪應力由1.17 MPa 增加到1.66 MPa。表明注漿加固后的巖體承擔更多開挖引起的巖體塌落荷載及變形。

圖4 圍巖-支護結構應力變化（單位：Pa）

在未注漿條件下，襯砌拱頂及拱底的豎向應力均較大，最大達到0.35 MPa。邊墻和拱腰處較小。注漿后，襯砌頂部和拱底豎向應力降低50% ～70%。這表明深孔固結地層加固可有效減小圍巖對支護結構產生的外部荷載。

3.2.2 位移變化規律

施工后由于進行了及時支護，在未注漿條件下隧道開挖引起的拱頂下沉和地表隆起量分別約為8 mm和6.5 mm（見圖5）。在注漿加固下，豎向變形量降低了約35% ～50%。水平位移結果顯示，開挖引起了明顯的洞周收斂。其中未注漿條件下變形收縮量平均約5.7 mm。注漿加固后水平位移僅2.68 mm。施工前進行地層固結注漿能有效降低開挖對圍巖穩定性和變形的影響。

圖5 圍巖變形及塑性區分布（單位：m）

3.2.3 圍巖塑性區變化規律

圍巖的力學性狀能通過塑性區的大小和分布特點來反映，開挖引起的塑性區主要分布在拱頂及兩側邊墻處。對比常規開挖和地層固結后開挖兩種條件可以看出，注漿加固后再開挖兩側塑性區減少了約1.5 m，表明圍巖注漿加固后其穩定性得到了顯著提升。

4 地表預加固效果檢驗

4.1 壓力P-流量Q-時間t曲線

根據地質特征、注漿設備性能、注漿參數等對P‐Q‐t曲線（見圖6）進行分析，從而對注漿效果進行評判。當注漿施工中P‐t曲線呈上升趨勢，Q‐t曲線呈下降趨勢，注漿結束時，注漿壓力達到設計終壓，注漿速度達到設計速度（常取5～10 L/min）則滿足效果檢查要求。隨著注漿的進行，流量由大變小，壓力由小變大，過程中地層被漿液充填密實，注漿壓力上升，注漿流量減小，符合填充、劈裂加固的機理，地層取得較好的改良效果。

圖6 P‐Q‐t曲線

4.2 取芯驗證

為對比注漿初固效果，在注漿區域按注漿孔數的3%進行取芯［13］。取芯點位選擇在注漿孔擴散薄弱部位（即注漿孔三角中心）。現場在同區域，采用相同取芯工藝，通過注漿前后的芯樣對比進行注漿效果分析，如圖7所示。注漿前芯樣所處區域地下水富集，芯樣完整性較差，基本不成型；在經過周邊孔帷幕注漿止水和中間孔固結注漿后，在芯樣中能明顯看到水泥漿液與泥漿的混合凝結塊，側面反映了該段通過注漿加固地層得到較大改良，從而為洞內施工創造了良好條件。

圖7 注漿前后的鉆孔芯樣

4.3 施工揭露觀察

4.3.1 超前鉆孔

洞內掌子面掘進至D1K31+131 部位（距加固段1 m），現場利用高清孔內成像技術，通過超前水平探孔進行了洞內掌子面前方地層加固的孔內成像，見圖8。孔內有較多的水泥與巖體膠結跡象，反映了地表注漿對巖體固結效果較明顯。

圖8 洞內探孔內成像

4.3.2 洞內涌水測量

D1K31+110 —D1K31+130 試驗段于 5 月 20 日開展地表注漿工作，7 月28 日注漿完成。隨著注漿的逐步推進，掌子面前方抽排水量由注漿前的432 m3/d 減至144 m3/d，印證了地表注漿對孔隙的封堵有較為明顯的效果。

4.3.3 掌子面圍巖

從出口掘進至加固區域后，掌子面可見明顯水泥漿液膠結，無裂隙水，自穩性較好（圖9）。巖性為弱風化砂泥巖，節理裂隙較發育，地下水不發育，泥漿充填，巖體完整性較好。

圖9 掌子面開挖情況

5 結論

1）對于Ⅵ級圍巖隧道開挖而言，可采用深孔固結地層法進行預加固，其中套殼料施工質量是袖閥管注漿成功與否的關鍵，要防止封孔套殼料被水稀釋。

2）“由上至下、先周邊后中間”的鉆孔注漿原則是為了形成隔水帷幕，防止周邊水系對固結區干擾并確保加固區漿液的充填性。“分段分片、跳孔施鉆”主要是根據鉆孔對地層的影響范圍，合理調整片區分布和鉆孔間距。注漿施工時可通過間歇式注漿控制擴散范圍或通過灌注水泥-水玻璃雙液漿控制漿液凝結時間，從而有效加固地層。

3）模擬結果表明，對于Ⅵ級圍巖地層進行深孔固結后可有效減少開挖對圍巖穩定性的影響，改善圍巖應力分布并有效控制圍巖塑性區的發展，同時也降低支護結構承受的外部荷載。

4）對隧道Ⅵ級圍巖進行超前預加固，采用地表超深孔袖閥管注漿，一次將隧道周圍5 m 范圍地層進行固結。實踐證明，注漿后地層較為致密，注漿加固效果達到了于都一號隧道Ⅵ級圍巖段洞內安全開挖目的，同時也進一步提高了整體固結質量，降低了后期運營質量隱患。