基于WSS 注漿加固技術的花崗巖山嶺隧道塌方處治方案

王揚WANG Yang

（中交四航局第一工程有限公司，廣州 510000）

0 引言

研究表明，強風化花崗巖含水率超過塑限后，由于內部孔隙貫通，導致內摩擦角急劇降低，抗剪強度變差。因強風化花崗巖的工程特性以及地下水作用的影響，花崗巖地區的隧道在施工過程中，如若不重視超前地質預報并采取超前注漿加固措施，往往會在穿越強風化花崗巖段落時發生隧道圍巖塌方，甚至冒頂[2]。本文以某高速公路隧道為實例，闡述了基于WSS 注漿加固技術的花崗巖山嶺隧道塌方處治措施，為類似的隧道塌方處治提供參考。

1 工程概況

某高速公路隧道位于廣州市北部山區，設計為分離式長隧道，左線起訖里程為ZK7+820～ZK9+620，隧道長1800m，右線起訖里程K7+840～K9+755，隧道長1915.0m。隧道處于構造剝蝕丘陵地貌區，溝塹發育，地形起伏較大，植被發育，覆蓋層為薄層坡殘積礫質黏性土，下伏基巖為燕山期中粗粒黑云母花崗巖。施工圖設計階段的物探推測隧址區K8+520～K8+660、K8+820～K8+950 段存在破碎區，深度較淺，判斷是由表層全強風化層引起。

隧址區地表水不發育，但有發育溪流在進口及K8+700 處沖溝內，在遭遇強降雨氣候條件下，對坡面有強烈的沖刷作用，受大氣降水及基巖裂隙水出滲補給，有較大水量。松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水為主要的地下水類型，地形控制其流向，地形上的分水嶺和地下水的分水嶺一樣，總體流向基本與現代水系的地表水流向一致，排泄于地形低洼處為主要的滲水形式。

2 隧道塌方情況及原因分析

隧道在上臺階掘進至掌子面K9+310 時，開始出現掉塊及圍巖塌落于未支護段K9+313-K9+310 面向掌子面左側面，塌方總計約80 方，塌方體主要為強風化花崗巖，K9+316～K9+313 處3 榀鋼拱架出現變形，K9+334 附近的初支有開裂現象并滲出地下水，經測量發現K9+340-313段初支侵限，地下水在K9+332-K9+317 段初支位置滲出。經現場地表踏勘，未見地表開裂現象。由于施工方未采取有效措施便開挖塌方體，約一個月后，受到強降雨的影響，圍巖塌方逐步擴大，直至出現冒頂，塌方體內有水流出。地表塌陷區面積170m2，沿隧道縱向長度為13.5m，橫向15.5m，中間深度11.4m，周邊深度5.8～12.1m。

超前地質預報和掌子面素描（如圖1）顯示，隧道通過的區段為地表沖溝位置，掌子面圍巖的風化程度不均，其右側花崗巖為中風化程度，顏色為灰白，為巖體完整的堅硬巖，較少節理裂隙，地下水未見滲出。其左側花崗巖為全～強風化程度，顏色為灰白夾黃褐色，節理裂隙發育，巖體較破碎，巖石強度較低，基巖裂隙水較發育，巖面潮濕，地下水呈點滴狀滲出。根據該段圍巖水文地質情況，推測隧道圍巖塌方的主要原因為：持續的強降雨改變了地表和塌腔內土體的物理力學性能，塌坑處地表部分土體因為急劇增大的土壓力滑塌至塌腔內，塌腔內土體在未得到有效支護的情況下突然滑塌，較大的重力勢能轉化為對拱頂的沖擊荷載，導致結構破壞失穩。

3 處治方案

3.1 總體施工順序

為保證施工安全，順利穿越隧道破碎帶，采取了超前管棚支護、WSS 超前注漿加固、徑向小導管注漿等措施，處治方案的總體施工順序如下：監控量測與地表處理→洞內未塌方段加固→洞內回填并施工止漿墻→管棚支護→超前注漿加固→主洞開挖支護→二襯施工→塌方牽引區換拱。

3.2 監控量測與地表處理

為判斷初支的穩定性、使人員安全有保障，進行塌方處治前于斷面上進行拱頂下沉點、周邊位移點的布設，其間距為2-3m，監控量測頻率為2 次/日，拱頂下沉值連續三日低于5mm 就可視為初支結構基本穩定，可進行后續加固處置[3]。

同時，設置臨時截水溝于冒頂處周圍地表，截水溝距離塌方邊緣不得小于2m，利用M30 水泥砂漿進行封閉。在塌腔范圍布設規格為60mm×4mm 的梅花形注漿鋼花管，長為40m，間距120cm×120cm，如圖2 所示，地表注漿采用水灰比1∶1 的水泥漿，注漿壓力0.5～1MPa。在完成注漿工作后，地表塌腔采用摻5%水泥碎石土回填至原地表，并鋪設一層EVA 防水板，其上設置砂漿保護層，厚度為5cm，并覆蓋50cm厚粘土層，滿足順坡排水需求。

圖2 地表塌腔注漿平面布置圖

3.3 洞內未塌方段加固

為保證作業安全，需在洞內未塌方段（K9+340～K9+316 段）設置18 工字鋼護拱，且要使護拱縱向間距和原初支鋼拱架間距相同，即120cm，鋼拱架要和原初支結構密貼，如圖3 所示。K9+340～K9+316 段左半斷面徑向注漿加固，注漿采用鋼花管規格為4.5m長φ42，間距為1.5m×1.5m，采用梅花形布置，漿液采用水灰比1∶1水泥漿，初壓0.5MPa，終壓1.0MPa。

圖3 洞內未塌方段加固設計圖

上述鋼花管注漿結束標準如下：①注漿壓力逐步提升，當達到設計終壓并繼續注漿10min 以上；②有一定的注入量，與設計的注入量大致相近，注漿結束時的進漿量一般在20～30L/min 以下。

3.4 止漿墻施工

隧道K9+316～K9+307 段為塌方段，采用碎石土回填反壓，穩定工作面，并在工作面處設置止漿墻，以保證較高的超前加固注漿壓力，使得漿液在壓力作用下能夠沿塌方體周邊裂隙順利擴散，同時防止漿液或裂隙水從注漿面反滲出來。

平面型止漿墻厚度按以下公式進行計算：

式中：K 為安全系數，取1.5；P 為注漿壓力，取2.0MPa；S 為止漿墻面積，取80.426m2；b 為止漿墻寬度，取上臺階寬度17.5m；h 為隧道注漿工作面高度，根據上臺階高度取6.2m；[σ]為混凝土允許抗壓強度，為25MPa。

經計算可得，注漿壓力最大值為2.0MPa 時，所需止漿墻厚度為4.52m。因此，止漿墻利用洞內塌方體和回填土固結而成的堅實圍巖，表面噴射30cm 厚C25 混凝土作為止漿層。松散土體固結采用4.5m 長φ42 小導管注漿，小導管間距為1.5m×1.5m，梅花形布置，設置單層φ8 鋼筋網片，網片間距為25cm×25cm。

3.5 超前管棚支護

位于K9+319～K9+301 段左半斷面超前支護管棚規格為φ108*6mm，管棚施工進行管棚工作室開挖，工作室范圍為K9+319～K9+323.5，其縱向為4.5m 長，深度為0.7m。在完成管棚工作室開挖工作以后，采用鋼拱架-鋼筋網噴射混凝土支護，具體參數為：鋼拱架采用工22 工字鋼，設置雙層φ8 鋼筋網片，縱向間距75cm，噴射28cm 厚C25混凝土。后續施工應注意工作室初支與相臨初支結構噴射平順，以便防水板的鋪設。待超前管棚完成施工以后，再用二襯C40 混凝土對工作室進行回填。

在K9+316～K9+319 段設置管棚套拱，以支撐管棚后端。套拱利用原來初支結構，并在其內側設置工22b 鋼架護拱，縱向間距50cm，并噴射28cm 厚C25 混凝土作為護拱，護拱內設置雙層φ8 鋼筋網片，采用φ22 縱向連接鋼筋將鋼拱架連接為整體。下臺階施工時，應把護拱逐榀接到下臺階落底，待塌方段二襯施工完成后再拆除換拱。管棚前端插入中風化花崗巖的深度不小于3m。

管棚采用水灰比1∶1 水泥漿進行注漿以增加強度和剛度，注漿初壓為0.5MPa，終壓為2.0MPa。注漿結束標準與鋼花管注漿基本一致，但設計終壓調整為2.0MPa。

3.6 WSS 超前注漿加固

3.6.1WSS 注漿加固技術簡介

WSS 注漿加固技術，也叫二重管無收縮雙液注漿技術，是通過二重管鉆機將孔鉆至預定深度后，再通過同步雙液注漿機進行注漿，AB（水玻璃與磷酸混合液）、AC（水玻璃與水泥漿混合液）兩種漿液通過一定的壓力注入到需要加固的地層中，將地層土顆粒之間的水擠出，使得顆粒間充滿漿液并產生固結，從而使土層性狀得到改良、使土體物理性質得到改善[4]。WSS 注漿加固技術注漿過程分為瞬結性一次噴射和浸透性二次噴射，注漿過程可控制性強，具有易成孔、打設深度大、噪聲低、無污染等優點。

該隧道的花崗巖破碎帶含水量大、含砂率高、空隙較發育，施工期正值雨季，連續降雨會使得強風化花崗巖吸水飽和而重量急劇增長，而且地下水的作用會降低土體與周邊巖層的摩擦力，可能導致土體瞬間滑塌。為防范隧道拱部長管棚受土體瞬間滑塌的直接沖擊荷載，綜合考慮水文地質情況、病害特征、工程進度、施工成本等因素，決定采用WSS 注漿加固技術對拱部上方土體進行超前加固，形成不小于5m 厚的良好的注漿固結層，以緩沖沖擊荷載的作用。

3.6.2漿液配比選定

AB 混合液水玻璃∶磷酸（體積比）=50∶1，AC 混合液水玻璃:水泥漿（體積比）=1∶1，水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃濃度為40Be°。

3.6.3WSS 注漿加固施工方案及質量檢測

先在止漿墻施打兩環注漿加固孔，第一環注漿加固長度9m，外插角55°，環向間距120cm；第二環注漿加固長度11m，外插角45°，環向間距110cm。再在既有初支施打兩環注漿加固孔，第一環注漿加固長度7m，外插角70°，環向間距120cm；第二環注漿加固長度7m，外插角60°，環向間距100cm。當掌子面施工至K9+313 時，先進行超前加固再開挖施工，超前加固和開挖施工交替進行直至穿越斷層破碎帶，后續的注漿加固長度7m，外插角45°，環向間距120cm。注漿壓力2.0MPa，擴散半徑1.0～1.2m。鉆孔和注漿由下向上進行，同一環注漿加固孔間隔施工。

WSS 超前加固注漿后，在止漿墻上設三個抽芯檢測孔，取芯檢測注漿質量，通過觀察漿液充填情況，反算出漿液充填率不小于85%，試驗檢測得到無側限抗壓強度為1.0～1.2MPa，滲透系數＜1.0×10cm/s，注漿效果較好。

3.7 洞內開挖與支護

隧道主洞開挖方式采用三臺階預留核心土法，各段落支護型式如表1 所示。

表1 洞內支護型式一覽表

4 結論

①采用WSS 注漿加固技術在隧道花崗巖破碎帶富水地層進行超前加固注漿，可取得良好的注漿效果，從而提高隧道圍巖強度。②案例中的隧道在穿越強風化花崗巖破碎帶時，未能有效實施超前支護措施，在強降雨的影響下，出現了洞內塌方、地表塌陷的問題，本文提出了基于WSS超前注漿加固的長管棚超前支護處治措施，可為類似的隧道塌方問題處治提供借鑒。