遼西隧道工程軟弱圍巖注漿加固方案的設(shè)計與研究

孫鐵軼

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

軟弱圍巖對隧道沉降變形影響巨大，為了保障隧道的施工質(zhì)量、安全性能以及經(jīng)濟效益，應(yīng)當(dāng)加強對軟弱圍巖的處理，總結(jié)在施工過程中可能遇到的各種危害，并明確相應(yīng)施工技術(shù)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對整個施工過程進行控制，從而保證施工質(zhì)量嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)。隧道施工過程中應(yīng)盡可能地降低軟弱圍巖帶來的危害，注漿加固措施是提高隧道圍巖穩(wěn)定性的有效方法，可以降低隧道沉降變形，保證隧道施工安全。鑒于此，基于注漿理論，針對遼西隧道3#斜井出現(xiàn)圍巖軟化變形的不良狀況，開展注漿加固方案設(shè)計，并對注漿材料的選擇進行分析和試驗，通過注漿的方式改善圍巖條件，使其達到施工條件。本文就注漿加固措施在該工程應(yīng)用的技術(shù)、物資、試驗及施工方案的設(shè)計進行介紹。

1 注漿加固理論

在隧道施工過程中，最常見的兩個問題是富水區(qū)域的堵漏治水和軟弱圍巖的加固支護問題，針對這兩個問題的施工方法也在不斷完善。其中注漿加固逐漸成為隧道施工過程中治理軟弱圍巖的首選措施，注漿法并輔助其他綜合處治技術(shù)在大量的工程實踐中得到了成功應(yīng)用。

注漿法是指利用液壓或氣壓等方法，通過注漿孔將漿液填充在巖土體中，從而改善巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的方法，漿液與周圍巖土體凝結(jié)固化后形成新的結(jié)構(gòu)體，起到加固、堵塞的作用。漿液的固結(jié)及加固作用使得巖土體具有較高的強度，降低其滲透性能，達到提高巖土體強度、隔絕地下水、治理地質(zhì)災(zāi)害的目的[1]。

按照漿液在地層中不同的填充及擴散形式，一般可將注漿分為滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿[2]。滲透注漿是指注漿材料以滲透的方式在填充體中運動擴散，排擠出土體中的孔隙或裂隙中的水，原則上不改變土的結(jié)構(gòu)。劈裂注漿指的是在軟弱土層中，在一定注漿壓力作用下，漿液劈裂土體，形成漿脈，固結(jié)旁邊的土體，從而增強土體強度及穩(wěn)定性。壓密注漿是指用黏稠的漿液擠向土體，在注漿處形成漿泡，使得土的密度明顯增加。根據(jù)注漿要求選擇合適的注漿方法，在同一時刻的注漿過程中，這三種注漿形式可以同時存在，共同工作。

滲透注漿理論研究了漿液黏度的時變性、空間分布不均及流變性能的差異性對漿液擴散距離的影響，并應(yīng)用到實際工程中。一般認為，滿足滲透注漿的必要條件是滿足可注條件。粒狀介質(zhì)的可注條件可用可注比來表示。

式中：D15和D10——分別為地層土顆粒在顆分曲線上15%、10%對應(yīng)的直徑；

G85、G95——分別為注漿材料在顆分曲線上85%、95%對應(yīng)的直徑。

若不考慮時間的影響，按漿液流變性能的不同，可將漿液分為牛頓流體和非牛頓流體，而在非牛頓流體中，又以賓漢流體最為常見。已有的研究表明，當(dāng)漿液水灰比＞1時，漿液為牛頓流體，當(dāng)水灰比＜1時，漿液為賓漢流體。

1938年Maag推導(dǎo)出牛頓流體在砂土中滲透的理論公式，至今仍被廣泛采用，其數(shù)學(xué)模型如下：

式中：r——漿液的擴散半徑；

t——注漿時間；

k——砂層滲透系數(shù)；

?——漿液黏度對水的黏度比；

h1——注漿壓力水頭，cm；

r0——注漿管半徑，cm;

n——砂土的孔隙率。

賓漢流體的擴散按其形狀分可劃分為柱面擴散和球面擴散，其中，較為常用的是柱面擴散公式，其滲透理論半徑R表達式如式（4），注漿擴散某點的壓力計算如式（5）。

式中：Q——注漿流量；

N——孔隙率；

A——注漿線源長度，m；

T——注漿時間，s。

式中：A——常數(shù)，由試驗確定；

Μ——塑性黏度，Pa·s；

B——常數(shù)，B=τ0/μ，τ0為初始剪切應(yīng)力；

C——由介質(zhì)幾何參數(shù)決定的常數(shù)；

r0——注漿管直徑，mm。

同時也得出賓漢流體的球面擴散公式為：

目前對注漿理論的認識主要還是從室內(nèi)及現(xiàn)場試驗的研究結(jié)果中總結(jié)規(guī)律，并聯(lián)系流體力學(xué)和彈塑性力學(xué)理論進行總結(jié)與歸納，對注漿理論的研究依然滯后于工程實際的應(yīng)用。

2 工程概況

遼西隧道3#斜井負責(zé)正洞北京方向施工任務(wù)1056m，里程為DK310+380～DK309+324；負責(zé)正洞沈陽方向施工任務(wù)630m，里程為DK310+380～DK311+010。合同工期2017年4月20日貫通，2017年6月20日附屬工程完成。

施工過程中監(jiān)控量測結(jié)果顯示，在不同位置出現(xiàn)不同幅度的沉降，最大沉降處發(fā)生在DK310+325里程處，累計沉降達650mm；其余位置也出現(xiàn)了不同幅度的沉降，在70～300mm不等。對于工程設(shè)計要求而言，部分施工位置的沉降幅度已經(jīng)大于安全值。而且?guī)r體因斷層活動影響，受擠壓嚴(yán)重，節(jié)理裂隙面擠壓擦痕明顯，巖石呈糜棱狀、鱗片狀，掌子面有串珠狀滴水、小股狀滲流水，圍巖開挖后易軟化、崩解，自穩(wěn)能力極差，并出現(xiàn)蠕滑現(xiàn)象。

對于已經(jīng)出現(xiàn)的圍巖不良狀況，急需通過注漿、錨固等加固手段進行支護，從而提升圍巖穩(wěn)定性，保證工程的安全性。

3 注漿材料

3.1 注漿管材料選擇

玻璃纖維注漿管是一種由玻璃纖維、增強劑等聚合物構(gòu)成的特殊材料，由于玻璃纖維在加工過程中體現(xiàn)出的優(yōu)越性，可以滿足不同工程要求，其工作性能主要取決于玻璃纖維和聚合物類型及錨桿橫斷面形狀等參數(shù)[3]。玻璃纖維注漿管具有以下特點：

（1）可挖除當(dāng)需要拆除時，通過開挖機械可直接開挖破除加固區(qū)，可避免爆破拆除的不穩(wěn)定性；

（2）玻璃纖維錨桿內(nèi)部包含注漿管，既可以作為錨桿提供錨固力，又可以作為注漿管注入漿體材料；

（3）強度高、重量輕。高性能玻璃纖維錨桿的抗拉強度是相同直徑鋼質(zhì)錨桿的1.5倍，重量卻僅為同種鋼錨桿的1/5；

（4）安全性好。具有抗腐蝕、耐酸堿、耐低溫等優(yōu)點；滿足地下工程、礦山工程和隧道工程安全生產(chǎn)的要求。

玻璃纖維錨管主要由兩個部分組成[4]：第一部分是玻璃纖維材料的錨固構(gòu)件，第二部分是注漿管路構(gòu)件，注漿管內(nèi)可套入止?jié){塞進行定向定域注漿，如圖1所示。

圖1 玻璃纖維錨管結(jié)構(gòu)剖面圖

3.2 注漿漿液選擇

目前隧道加固注漿漿液類型一般有兩種，即普通水泥單液漿和水泥-水玻璃雙液漿?？紤]到不同水泥生產(chǎn)商、不同批次生產(chǎn)的材料屬性有所差異，在注漿施工之前分別對兩種漿液進行系統(tǒng)試驗。試驗設(shè)計普通水泥單液漿水灰比為0.8∶1～1∶1，設(shè)計水泥-水玻璃雙液漿水灰比為0.8∶1、配合比為1∶1，以優(yōu)化確定合適的注漿材料。水泥各項屬性指標(biāo)如表1所示。

表1 P·O42．5級水泥性能指標(biāo)

水泥漿的強度一般以抗壓強度和抗折強度作為主要的評定指標(biāo)[5]。本次試驗中，抗壓試驗參考《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70—2009）進行，試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm，抗折試驗參考《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》（GB/T17671—1999）進行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm。試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 試樣抗壓強度

圖3 試樣抗折強度

從圖2中可以看出，水泥漿的抗壓強度隨養(yǎng)護天數(shù)的增長而增長，在28d時最大抗壓強度為27.1MPa，水泥漿的抗壓強度具有比較明顯的時間效應(yīng)，但其在7d后強度增長速度放緩，在7～28d這段時間內(nèi)只增長了4MPa。而水泥-水玻璃漿液由于其早強性，在第一天的養(yǎng)護過程中就基本完成所有的強度增長，在后面的養(yǎng)護過程中抗壓強度基本沒有增長，其最大抗壓強度只有16.3MPa。

圖3 為兩種試樣的抗折強度試驗結(jié)果，從圖中可以看出，水泥漿的抗折強度隨養(yǎng)護天數(shù)的增長而變化，在3d時強度為2.7MPa，14d時為4.9MPa，28d時最大抗折強度為5.3MPa，水泥漿的抗折強度與抗壓強度一樣具有比較明顯的時間效應(yīng)，在7d后強度增長速度放緩，在7～28d這段時間內(nèi)只增長了1.2MPa。水泥-水玻璃漿液依然體現(xiàn)出早強性，第一天抗折強度就達2.1MPa，之后強度變化不再明顯，其最大抗折強度只有2.8MPa。

綜合分析試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)水灰比1∶1的水泥漿液在抗壓強度和抗折強度的表現(xiàn)上明顯優(yōu)于水泥-水玻璃砂漿。其中水泥漿最終抗壓強度能達到27.1MPa，而水泥-水玻璃漿液的抗壓強度只能達到16.3MPa。水泥-水玻璃漿液只是在早期凝結(jié)效率上占有一定優(yōu)勢，在其他方面的優(yōu)勢并不明顯。所以如果施工項目在施工進度上要求不高，水泥漿液是最佳選擇。

項目設(shè)計單位提出注漿漿液強度等級不應(yīng)低于M20，而且未對時效性進行明確指示。在合理設(shè)計施工組織的前提下，采用水灰比為1∶1的水泥漿作為注漿材料，可以保證良好的注漿漿液強度。

4 注漿錨固施工方案

（1）注漿工藝采用前進式分段注漿和后退式注漿相結(jié)合的超前預(yù)注漿工藝。當(dāng)?shù)貙邮┿@不能成孔時，采用鉆注一體的后退式注漿，在地層穩(wěn)固后采用前進式分段注漿工藝。前進式注漿的分段長度原則為：鉆機成孔較好時分段長度為10m，鉆機成孔緩慢時（6～10m/h）分段長度為5m，卡鉆或較大涌水量時立即停止鉆進，實施注漿。

（2）隧道開挖后及時施作系統(tǒng)錨桿，進行徑向注漿，系統(tǒng)錨桿長4.5m，直徑42mm，尾部外露部分不超過0.2m。施工過程中對水量大、卡鉆的孔進行重點檢查，補孔加強注漿。

（3）注漿參數(shù)：采用普通水泥單液漿，水灰比為1∶1，孔口封閉密實，注漿壓力為2MPa。注漿循環(huán)長度25m（含止?jié){墻28m），開挖20m，搭接5m；注漿加固范圍沿開挖輪廓線布設(shè)2～3圈孔，外圈終孔在開挖輪廓線外5m。后退式注漿結(jié)束壓力不小于4MPa，前進式注漿結(jié)束壓力不小于6MPa。擴散半徑不小于2.0m，終孔間距不大于3.0m，共設(shè)2個終孔斷面，合計注漿孔33個，管棚孔31個。

（4）注漿順序：先進行穩(wěn)定孔注漿施工，同時結(jié)合發(fā)散-約束型注漿原則進行，由外向內(nèi)、由上到下、間隔跳孔進行注漿施工作業(yè)，具體步驟如為：

第一步：進行A序5個拱頂穩(wěn)定孔注漿，分別為A2、A4、A6、A8、A10；

第二步：進行作B序內(nèi)圈4個一序注漿孔注漿，分別為B2、B4、B6、B8；

第三步：進行A序6個二序注漿孔注漿，分別為：A1、A3、A5、A7、A9、A11；

第四步：進行B序4個二序注漿孔注漿，分別為：B1、B3、B5、B7；

第五步：施作2-2斷面的短孔（E序號），跳孔注漿；

第六步：依次進行補孔、檢查孔、管棚孔注漿。

（5）效果評價：每循環(huán)選擇注漿孔孔數(shù)的10%作為檢查孔（4個，長20m），檢查孔需布置在注漿過程中發(fā)現(xiàn)的地層薄弱部位。效果檢查需要同時滿足相應(yīng)的檢驗指標(biāo)，在不滿足要求的檢查孔附近重新按環(huán)繞梅花型布置補充注漿孔，直至檢查孔檢查效果滿足設(shè)計要求為止。

在注漿施工時，用錨固支護予以輔助支護，采用鋼筋網(wǎng)、鋼架、錨桿等工具進行加固防護，在完成支護工具安裝后對圍巖噴混凝土。

5 結(jié)束語

基于注漿理論和監(jiān)控量測結(jié)果，針對遼西隧道3#斜井出現(xiàn)圍巖軟弱易塌陷的情況，對3#斜井進行了注漿加固的試驗研究，研究結(jié)論如下如下：

（1）對比了不同注漿材料的抗折強度和抗壓強度，獲取注漿材料不同齡期下的基本力學(xué)特征，為后續(xù)注漿工作提供技術(shù)保證；

（2）根據(jù)設(shè)計要求和現(xiàn)場圍巖情況設(shè)計注漿方案，包括注漿工藝、注漿順序、注漿參數(shù)和循環(huán)方式，并設(shè)立了檢查孔布置方案，以便于驗證注漿效果；

（3）不同隧道地質(zhì)情況不同，包括埋深、圍巖、地下水等情況，遇到需要進行注漿加固的隧道，要選擇合適的注漿方式并進行試驗，選擇適合的漿液配合比，以達到理想的注漿效果。