鐵路隧道Ⅵ級圍巖砂化斷層帶地表注漿技術(shù)

摘要：通過對Ⅵ級圍巖砂化斷層帶段采用剛性袖閥管地表深孔注漿固結(jié)地層技術(shù)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：周邊注漿孔采用水泥-水玻璃雙液漿形成止水帷幕、中間孔采用普通水泥單液漿對隧道穿越富水砂化斷層帶段隧底以上隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m地層進(jìn)行地層加固，止水、加固效果明顯，達(dá)到了地表注漿加固地層的目的，確保了施工安全和工期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道； Ⅵ級圍巖；砂化斷層； 地表深孔注漿； 施工技術(shù)

中國分類號：U455.49B

［定稿日期］2022-03-31

［作者簡介］彭明忠（1967—），男，本科，高級工程師，主要從事隧道工程施工技術(shù)研究工作。

0 引言

隨著隧道工程建設(shè)向更深、更長、更快發(fā)展，注漿技術(shù)已逐漸成為高風(fēng)險不良地質(zhì)隧道不可或缺的核心施工環(huán)節(jié)之一［1］。隧道止水和加固地層注漿通常采用洞內(nèi)超前帷幕注漿、超前水平旋噴及地表注漿等方案。但在洞內(nèi)實(shí)施預(yù)注漿、水平旋噴樁等要采用“分段注漿、分段開挖、預(yù)留搭接長度”的施工程序，往往會對工期造成極大的影響，而采用地表注漿可以使預(yù)加固圍巖與隧道開挖作業(yè)平行、同步實(shí)施，是加快施工進(jìn)度的很好選擇［2］。袖閥管注漿技術(shù)具有定深、定量、分度、分段、間隙、重復(fù)等注漿特點(diǎn)，并集中劈裂注漿、壓（擠）密注漿和滲透注漿的優(yōu)點(diǎn)，適用于地質(zhì)條件復(fù)雜、斷層破碎地帶、富水地層地段及場地狹窄情況下的地基加固［3］。

基于此，本文通過興泉鐵路于都一號隧道Ⅵ級圍巖砂化斷層帶段采用剛性袖閥管地表深孔注漿固結(jié)地層技術(shù)的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步分析該技術(shù)在富水砂化斷層帶實(shí)施過程中存在的問題和取得的效果，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

興泉鐵路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（DK25+665～D1K31+950），為設(shè)計時速160 km/h的單洞單線隧道，隧道最大埋深約281 m。

1.1 地形地貌

Ⅵ級圍巖段長155 m（D1K30+975～D1K31+130），地處溝谷，地表分布人工棄渣，以碎石土為主（厚10～29 m），隧道整體埋深39～58 m。D1K31+080處地表有一溝壑，常年有水，水量約5 000 m3/d。Ⅵ級圍巖段地形地貌，見圖1。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

Ⅵ級圍巖段位于樟木壓扭性斷裂帶，破碎帶巖層為砂土夾碎塊石，以砂土為主，夾20%～30%碎塊石，無膠結(jié)，結(jié)構(gòu)松散，地表及地下水發(fā)育。斷層下盤（小里程端）為泥盆系上統(tǒng)峽山組（D3C1X）砂巖夾頁巖，斷層上盤（大里程端）為石炭系下統(tǒng)紫山組（C1Z）炭質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r、砂巖夾煤線。Ⅵ級圍巖段地質(zhì)縱斷面，見圖2。

2 預(yù)加固方案選定

于都一號隧道Ⅵ級圍巖段地質(zhì)條件極差，地表存在較厚棄渣，施工存在坍塌變形和突涌水（泥）及可能存在構(gòu)造地應(yīng)力發(fā)生大變形等風(fēng)險，施工安全風(fēng)險高且處于控制工期的關(guān)鍵線路上。該段原設(shè)計采用洞內(nèi)超前帷幕注漿加固方案，若按此方案施工，經(jīng)分析隧道完工工期將滯后鋪軌紅線工期1.5～2個月。

基于上述因素，由業(yè)主召開了Ⅵ級圍巖段技術(shù)方案專家論證會，與會人員經(jīng)現(xiàn)場踏勘、研討、比選，最終選擇地表注漿預(yù)加固方案，該方案較洞內(nèi)帷幕注漿加固方案預(yù)計工期提前2～3月，不可預(yù)見性風(fēng)險小，利于工期控制及保障施工安全。洞內(nèi)超前帷幕注漿和地表注漿預(yù)加固方案比選，見表1。

3 地表袖閥管注漿加固方案設(shè)計

根據(jù)設(shè)計文件及規(guī)范，選取具有代表性的平均埋深最大段D1K31+110～+130（長20 m）及平均埋深最小段D1K31+050～+060（長10 m；該段位于溝壑，地表富水）進(jìn)行鉆孔取芯補(bǔ)勘和地表注漿工藝試驗(yàn)，以核實(shí)注漿段地質(zhì)、地下水分布情況（結(jié)果與設(shè)計相符），并通過試驗(yàn)確定和優(yōu)化相關(guān)鉆孔、注漿設(shè)計參數(shù)、驗(yàn)注漿效果，以指導(dǎo)隧道Ⅵ級圍巖段地表注漿的施工。通過地表袖閥管深孔注漿工藝試驗(yàn)，最終確定采用剛性袖閥管分段后退式分段注漿的地表注漿加固方案。

3.1 地表注漿加固范圍

在D1K30+975～D1K31+130（長度155 m）范圍內(nèi)地表采用剛性袖閥管注漿加固，加固范圍為隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m。地表注漿加固橫斷面，見圖3。

3.2 地表注漿孔布置

注漿孔間距1.75 m，等邊三角形布置，即沿隧道縱向注漿孔間距1.75 m，垂直線路方向排距為1.52 m。地表注漿孔平面布置，見圖4。

3.3 袖閥管材料選擇

當(dāng)隧道埋深大、注漿壓力大時，應(yīng)采用剛性袖閥管，采用水囊式止?jié){塞，否則無法達(dá)到止?jié){效果［4］。于都一號隧道Ⅵ級圍巖段埋深39～58 m，埋深較大，袖閥管材料采用剛性大、不易彎曲的剛性袖閥管（直徑76 mm、壁厚5 mm的無縫鋼管），連接套管采用89 mm、壁厚5 mm的無縫鋼管。

施工技術(shù)與測量技術(shù)彭明忠： 鐵路隧道Ⅵ級圍巖砂化斷層帶地表注漿技術(shù)

3.4 注漿參數(shù)

（1）鉆孔孔徑：150 mm。

（2）漿液擴(kuò)散半徑：1.2 m。

（3）注漿速度：10～70 L/min。

（4）袖閥管加工標(biāo)準(zhǔn)。外徑76 mm無縫鋼管（壁厚5 mm），注漿固結(jié)區(qū)采用單向溢漿孔袖閥管，固結(jié)區(qū)外采用無溢漿孔袖閥管；袖閥管標(biāo)準(zhǔn)長度3 m/節(jié)（孔口處非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)除外），最底部加工成錐形封閉，每2節(jié)連接采用89 mm（壁厚5 mm）外套管接頭滿焊連接。

（5）剛性袖閥管溢漿孔孔徑及布置。單向溢漿孔袖閥管每隔60 cm設(shè)1個溢漿孔斷面，每個斷面布置4個8 mm單向溢漿孔（外裹單向溢漿橡膠套），溢漿孔上下各5 cm部位安裝10 mm鋼筋套環(huán)，防止袖閥管下管過程中橡膠套碰撞管壁受損。

（6）注漿壓力：5～7 MPa。

（7）注漿工藝：單孔注漿方式采用后退式分段注漿工藝，后退步距帷幕孔0.6 m、中間孔1.2 m。

3.5 注漿材料及注漿順序

（1）封孔套殼料。采用膨潤土-水泥漿，漿液配比：水∶水泥∶膨潤土=1.8∶1∶1。

（2）注漿材料。周邊注漿孔采用普通水泥-水玻璃雙液漿，全孔注漿形成止水帷幕，雙液漿配比：W∶C=（0.8～1）∶l、C∶S=1∶1；中間孔注漿采用普通水泥單液漿，單液漿配比：W∶C=（0.8～1）∶1；水泥采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度不小于35 Be′。漿液施工配比及結(jié)果，見表2。

（3）注漿順序。周邊孔按照先上游后兩側(cè)再下游，中間孔按照先上游后下游的原則，采取“分段、分片，先周邊后中間，由外向內(nèi)，間隔跳孔”的順序進(jìn)行注漿。

3.6 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力達(dá)到設(shè)計終壓時，注漿速度小于10 L/min，并穩(wěn)壓10 min后結(jié)束注漿。

（2）全段注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：所有注漿孔均達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無漏注現(xiàn)象。

4 地表袖閥管注漿加固關(guān)鍵技術(shù)

4.1 鉆孔、清孔

由于Ⅵ圍巖砂化斷層帶地層破碎，成孔較難，采用跟管鉆成孔工藝。鉆機(jī)選擇QS-260內(nèi)燃鉆機(jī)，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)沖擊式動力頭直徑110 mm、鉆桿直徑76 mm；外跟管鉆桿和鉆頭直徑均為145 mm，開鉆時低速低壓，鉆孔過程作好鉆桿垂直度測量，待鉆進(jìn)一定深度時，根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整鉆速，鉆進(jìn)時鉆孔速度保持均勻。

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，防止砂石地層鉆孔過程中，在高壓空氣作用下，影響臨近孔套殼料的施工與待強(qiáng)，同時根據(jù)鉆進(jìn)工效、鉆渣及富水情況等，初步分析并判斷地層特性，調(diào)整鉆孔順序、指導(dǎo)下步注漿工作。鉆孔過程同步檢查鉆孔的垂直度，并及時進(jìn)行糾偏。鉆孔孔深根據(jù)試驗(yàn)鉆孔沉渣檢測情況，在設(shè)計要求上加深鉆孔30 cm，以確保袖閥管孔底標(biāo)高滿足設(shè)計要求。檢查設(shè)計孔深、垂直度符合要求后，采用高壓空氣從孔底向孔口清理鉆渣，清渣完成后先退內(nèi)部鉆桿，利用鉆機(jī)臂安裝完成袖閥管后，再退外部套管，防止安裝袖閥管前坍孔。

4.2 袖閥管安裝

剛性袖閥管由鋼筋加工場集中加工并編號，在鉆孔、清孔完成后、鉆機(jī)外套管取出前安裝。根據(jù)編號分節(jié)下放76 mm剛性袖閥管至孔底，袖閥管采用89 mm外套管接頭滿焊連接（每節(jié)連接套管長20 cm，一端提前焊至袖閥管上，一端現(xiàn)場焊接），安裝過程必須進(jìn)行下放長度和垂直度測量，確保袖閥管下放至設(shè)計標(biāo)高、垂直度偏差不大于1/150；袖閥管下至孔底設(shè)計標(biāo)高后，孔口部位外露不少于50 cm，安裝完成后確保袖閥管位于孔位正中，袖閥管孔口部位采用速凝水泥砂漿填充，防止注漿時返漿，影響注漿質(zhì)量。

4.3 套殼料填隙

套殼料漿液配制完成后，進(jìn)行比重檢測，確保配比滿足要求。袖閥鋼管安裝完成后，在袖閥管與孔壁間隙利用22 mm高壓軟管（與第一節(jié)錐形袖閥管綁扎，隨袖閥管安裝下入孔底），采后退式注漿工藝，將袖閥管與孔壁間隙充填密實(shí)，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(jī)外部跟管，套殼料達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行注漿作業(yè)。

4.4 袖閥管注漿

單孔注漿采用后退式分段注漿工藝，即在注漿段由孔底進(jìn)行注漿，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，以此下去，直至完成注漿段注漿。

4.4.1 周邊帷幕孔注漿

將雙液止?jié){塞給壓定位完成后，先接通水泥漿液管路進(jìn)行注漿沖壓，當(dāng)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(dāng)注漿壓力達(dá)到試驗(yàn)終壓、注漿流量小于10 L/min、并穩(wěn)壓10 min以上時，先暫停水玻璃管路的輸送，水泥漿管路繼續(xù)送漿3 min，避免管路堵塞。結(jié)束該段注漿，釋放止?jié){塞內(nèi)壓力，使止?jié){塞膨脹恢復(fù)，后退止?jié){塞一個注漿步距至第二段注漿。

4.4.2 中間孔注漿

（1）將止?jié){塞與注漿管配套下入袖閥管中，并進(jìn)行止?jié){塞初始定位。

（2）利用止?jié){塞給壓裝置向止?jié){塞內(nèi)注水，使其止?jié){塞膨脹密貼管壁（試驗(yàn)所得膨脹壓力7～8 MPa）。

（3）接通管路進(jìn)行注漿施工，注漿壓力達(dá)到試驗(yàn)終壓、注漿流量小于10 L/min，并穩(wěn)壓10 min以上，結(jié)束該段注漿。

（4）釋放止?jié){塞內(nèi)壓力，使止?jié){塞膨脹恢復(fù)，后退止?jié){塞一個注漿步距至第二段注漿。

按上述順序循環(huán)，直至將整個注漿孔注漿完成。

4.4.3 注漿質(zhì)量控制

注漿工序主要控制注漿流量（L）和注漿壓力（P），整個注漿過程控制實(shí)行人工記錄和自動灌漿記錄器具雙控；流量控制通過攪拌記錄和灌漿記錄儀記錄雙重控制；壓力控制通過孔口機(jī)械油壓表和灌漿記錄儀雙控。在壓力、流量均滿足要求、穩(wěn)壓10 min以上，結(jié)束孔內(nèi)注漿段注漿，若壓力不上升，可采取調(diào)整漿液配比縮短凝膠時間或進(jìn)行間歇注漿等措施使注漿壓力達(dá)到試驗(yàn)終壓，穩(wěn)壓10 min以上結(jié)束注漿。

5 地表注漿效果評定

地表注漿一般采用注漿量分析、鉆孔檢查、開挖觀察等方法進(jìn)行注漿效果評定［5-6］。

5.1 注漿量分析法

通過D1K31+110～+130（埋深最大段）、D1K31+050～+060（埋深最小、富水段）2段地表注漿加固典型區(qū)段分析，分析結(jié)果為：

（1）D1K31+110～+130段。

需加固地層體積6 323.5 m3，中間孔注漿量981.8 m3，計算得出地層漿液填充率為15.5%。漿液損耗系數(shù)取0.1，計算地層孔隙率為981.8÷1.1÷6323.5×100%=14.1%；為確保注漿效果，取其孔隙率為16%，計算漿液填充率為981.8÷1.1÷（6323.5×16%）=88.2%。

（2）D1K31+050～+060段。

需加固地層體積3 161.7 m3，中間孔注漿量671.7 m3，計算得出地層漿液填充率為15.5%。漿液損耗系數(shù)取0.1，計算地層孔隙率為671.7÷1.1÷3161.7×100%=19.3%；為確保注漿效果，取其孔隙率為21%，計算漿液填充率為671.7÷1.1÷（3161.7×21%）=92%。

分析結(jié)果表明2段地表注漿漿液充填系數(shù)均高于85%，達(dá)到了注漿加固地層的目的，可保證開挖安全。

5.2 鉆孔孔內(nèi)攝像法

洞內(nèi)掌子面掘進(jìn)至D1K31+131（距加固段1 m），現(xiàn)場利用高清孔內(nèi)成像技術(shù)，通過超前水平探孔進(jìn)行了洞內(nèi)掌子面前方地層加固的孔內(nèi)成像，成像結(jié)果顯示，孔內(nèi)有較多的水泥與地層膠結(jié)跡象、無滲水，表明地表注漿對巖體固結(jié)效果較為明顯。探孔孔內(nèi)成像，見圖5。

5.3 開挖觀察法

地表深孔注漿加固后，隧道開挖掌子面水泥漿脈明顯、無滲漏水、開挖面穩(wěn)定，達(dá)到了地表注漿止水和加固地層的目的。注漿加固后隧道開挖掌子面效果見圖6。

5.4 壓水試驗(yàn)法

在同區(qū)域內(nèi)通過注漿前后壓水量（1 MPa壓力下穩(wěn)壓30 min）試驗(yàn)，判斷加固區(qū)域漿液止水情況，結(jié)果表明：注漿后地層吸水量大幅減少，達(dá)到了注漿止水效果，極大地降低了隧道施工和運(yùn)營安全隱患。注漿前后壓水試驗(yàn)對比見表3。

6 結(jié)束語

本文通過興泉鐵路于都一號隧道Ⅵ級圍巖砂化斷層帶段采用剛性袖閥管地表深孔注漿固結(jié)地層技術(shù)的試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：

（1）采用剛性袖閥管地表深孔注漿，一次性對隧道開挖面及開挖輪廓線外5 m進(jìn)行加固，注漿后開挖面無滲水、穩(wěn)定性好，地層止水、加固效果明顯，達(dá)到了地表注漿加固地層的目的；同時，袖閥管與地層固結(jié)形成微復(fù)合樁效應(yīng)，進(jìn)一步提高了地層的整體穩(wěn)定性。

（2）周邊孔采用水泥-水玻璃雙液漿全孔注漿，能有效阻隔地下水，防止中間孔注漿過程中漿液外竄，達(dá)到了止水帷幕的效果；中間注漿孔建議采用結(jié)石強(qiáng)度高、造價低廉、漿液配制方便、操作簡單的普通硅酸鹽水泥單液漿。

（3）根據(jù)不同漿液、相同配比、相同壓力條件下，不同后退步距試驗(yàn)及取芯效果分析，1.2 m步距與0.6 m步距芯樣差異不大，中間注漿孔采用1.2 m后退步距工效較高。

（4）富水地層地段，采用5～7 MPa注漿壓力注漿，芯樣膠結(jié)效果較設(shè)計3～5 MPa注漿壓力好；地層含水較少地段，芯樣膠結(jié)效果2種注漿壓力差異較小。

（5）試驗(yàn)段注漿固結(jié)地層完成后，按注漿孔數(shù)的3%進(jìn)行取芯，芯樣結(jié)果表明：注漿加固后地層芯樣完整率有很大提高，且芯樣中有較明顯水泥漿液凝結(jié)塊；但取出滿足注漿效果評定的芯樣非常困難，本工程通過洞內(nèi)鉆孔孔內(nèi)攝像法結(jié)合多種方法進(jìn)行效果評定，結(jié)果可行，滿足安全施工要求。

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