付杰科

廣東省高速公路有限公司，廣東廣州 510100

1 工程及地質(zhì)概況

某隧道為雙向六車道，隧道平面布置為分岔式結(jié)構(gòu)，即由連拱隧道、小凈距隧道組成，設(shè)計縱坡為-2.44%，其中ZK7+915.072～ZK8+050為小凈距隧道，線路正上方有3層～6層的居民樓房14棟，房屋一般為磚混結(jié)構(gòu)，獨立或擴大條形基礎(chǔ)。該段隧道埋深32.3m～37.3m。地下水埋深3.5m～6.0m。隧道洞頂圍巖以全風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖為主，洞頂5m以內(nèi)為碎塊狀強風(fēng)化花崗巖，其上為5m左右的全風(fēng)化～砂礫狀強風(fēng)化花崗巖。隧道主要從碎塊狀強風(fēng)化或弱風(fēng)化巖體中通過，巖體較破碎，巖質(zhì)軟硬不等且有含泥砂礫狀風(fēng)化夾層；地下水壓力約為0.3MPa，地下水對圍巖強度影響較大；本段圍巖級別主要為Ⅳ級，局部為Ⅲ級，跨度大于5m時，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日～數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小塌方，進而可發(fā)展為中～大塌方。

2 涌水情況及裂隙參數(shù)估算

2.1 涌水情況

斜井工區(qū)左線隧道進入Ⅳ級圍巖施工后，采用CD法開挖，施工分四部進行，該段左上部施工至里程ZK7+962.2進行超前小導(dǎo)管支護時，位于拱頂左側(cè)一根小導(dǎo)管鉆至3m左右時，出現(xiàn)了涌水，實測涌水量達6m3/h～8m3/h，涌水為清水，見圖1。隧道內(nèi)涌水后，地表水位觀測孔水位下降明顯，最大時水位下降達6m，地表房屋沉降達3mm/d。為了探明前方地質(zhì)情況，現(xiàn)場施作了兩個探水孔，探孔涌水量達4m3/h～5m3/h，探明前方圍巖存在全強風(fēng)化圍巖互層，部分地段圍巖軟弱，存在多處裂隙水。

為了防止繼續(xù)開挖導(dǎo)致地下水大量流失，引起地表沉降，影響地表建筑物的安全，須對隧道超前預(yù)注漿，以封堵地下水。

圖1 鉆孔出水圖

圖2 水流計算圖

2.2 裂隙寬度的估算

現(xiàn)場對小導(dǎo)管涌水噴射距離及高度進行了量測，見圖2，實測結(jié)果為水平距離x=1.2m，垂直距離y=1.8m。根據(jù)物理學(xué)知識可知鉆孔水流在水平方向的流速為，計算得鉆孔水流的速度為1.98m/s。

根據(jù)裂隙寬度經(jīng)驗公式[1]，見式(1)

式中：δ=裂隙寬度（mm）；R=鉆孔半徑（mm）；v=鉆孔中水的流速（m/s）；g=重力加速度（m/s2）；H=靜水壓力（水柱）（m）。

已知鉆孔半徑R=19mm，v=1.98m/s，靜水壓力H=0.3Mpa=30m水柱，代入公式（4），計算得裂隙寬度δ=0.78mm。

2.3 裂隙率的估算

根據(jù)賓德曼關(guān)系式[2]

得裂隙率計算公式

壓水試驗表明，該段透水率為20～40lu，將上述數(shù)據(jù)。代入公式（3），計算得 m= 0.7%～1.3%。

3 注漿設(shè)計與施工

3.1 注漿方案及參數(shù)的確定

3.1.1 注漿方案及孔位布置

根據(jù)地質(zhì)報告和超前鉆探情況，該段圍巖主要以微風(fēng)化和強風(fēng)化花崗巖為主，掌子面圍巖具有自穩(wěn)能力，隧道涌水主要來自拱頂上方的裂隙水，且裂隙發(fā)育范圍主要在隧道掌子面前方30m左右，因此根據(jù)設(shè)計文件及地質(zhì)條件確定采取局部周邊帷幕注漿方式。注漿按三個斷面進行加固，其孔位布置見圖2、3。

圖3 周邊帷幕注漿鉆孔布置圖

圖4 周邊帷幕注漿鉆孔平面圖

3.1.2 注漿參數(shù)的確定

1）注漿壓力

注漿壓力是漿液在地層中擴散、充填、壓密的能量，漿液在裂隙中擴散、充填的過程就是克服流動阻力的過程，注漿壓力的選擇不僅要考慮靜水壓力的大小，而且還要考慮裂隙的大小。裂隙大，漿液擴散阻力就小，裂隙小，漿液就不易擴散。根據(jù)該處隧道埋深和涌水壓力結(jié)合裂隙寬度等因素綜合考慮確定注漿壓力為1 MPa～1.5MPa。

2）終孔間距

在動水壓力下注漿時，注漿孔按行排列時注漿孔間距有以下公式[]d = 1.57R( P泵?P水)/P泵，根據(jù)試驗 ，該地層漿液擴散半徑在2m～2.5m，則計算得注漿孔間距為2.51m～3.14m，設(shè)計時取2.8m。

3）工藝選擇

為了減小工程量和提高工作效率，施工中采取遇水即注的注漿堵水工藝，即當(dāng)鉆孔過程中遇到涌水時即開始注漿，在涌水地段，采取前進式分段注漿工藝，分段長度5m，鉆孔過程若水量較小或無水時可增加鉆孔段長。

4）注漿參數(shù)

根據(jù)以上分析及相關(guān)工程經(jīng)驗，確定注漿參數(shù)見表1。

表1 注漿參數(shù)表

3.2 注漿材料選擇

漿液進入巖體裂隙的能力主要取決于裂隙寬度、漿液顆粒粒徑和灌漿壓力等因素[]，這與巖體可注性有關(guān)，裂隙巖體的可注性可由Mitchell公式[2]確定。

式中Df-巖體裂隙寬度；D95-漿液材料在粒度分析曲線上占95%的對應(yīng)直徑。

對于巖體裂隙介質(zhì)，當(dāng)GR＞5時，才能保證注漿成功，因此漿液粒徑D95應(yīng)小于Df/5，這樣對本工程來說D95應(yīng)小于0.16mm。而普通硅酸鹽水泥的粒徑D95多小于80μm[2]，能夠保證注漿成功，因此注漿材料主要采取42.5R普通硅酸鹽水泥單液漿及普通水泥—水玻璃雙液漿，漿液配比為W:C=（0.8～1）:1，C:S=1: （0.6～1），水玻璃濃度35Be’～50Be’。

3.3 注漿順序

鉆孔注漿按兩序孔采取間隔跳孔、先外后內(nèi)、先上后下的方式進行，實施擠密注漿。

3.4 注漿施工

1）止?jié){墻施作。隧道開挖工作面至注漿設(shè)計里程后，在工作面掛Φ6.5，間距20*20鋼筋網(wǎng)并噴射C20混凝土封閉掌子面，噴射厚50cm，止?jié){墻必須滿足設(shè)計要求，以保證注漿效果。注漿過程若止?jié){墻出現(xiàn)開裂，跑漿等現(xiàn)象影響注漿效果，則必須進行補噴；2）基底鋪墊。由于礦研鉆機對路面平整度要求較高，需要采用碎石渣進行鋪墊，并在兩邊預(yù)留排水溝；3）孔位標(biāo)定。按設(shè)計在掌子面上將開孔位置用紅油漆標(biāo)出。采用羅盤確定注漿外插角，調(diào)整鉆機滿足設(shè)計鉆孔方向要求；4）鉆孔作業(yè)。鉆機采用低壓力、慢鉆速，采用Φ110mm的鉆頭開孔，鉆深1.8m，退出鉆桿，安裝孔口管；5）安裝孔口管。在孔口管距法蘭盤端部30cm處纏繞麻絲，成紡錘形狀，纏繞長度不少于50cm，鉆孔內(nèi)放入錨固劑或快凝水泥砂漿，將孔口管頂入孔內(nèi)；6）注漿。鉆孔至設(shè)計位置后按照注漿方式和注漿工藝流程進行注漿作業(yè)。

4 注漿效果檢查與分析

4.1 鉆孔涌水情況

左側(cè)導(dǎo)洞在鉆設(shè)注漿孔時，前期鉆孔不同程度的有出水現(xiàn)象，其中最大單孔出水量為5m3/h， 隨著注漿施工的進行后期出水量逐漸減小，涌水量基本為清水。鉆孔涌水的孔主要集中在隧道拱腰部位，從鉆孔可看出，所鉆孔的水力聯(lián)系不大，表明該段地下水主要為基巖裂隙水，從水量來看，裂隙寬度不大，從鉆孔難易程度來看，該段圍巖相對還是較硬，主要為弱風(fēng)化花崗巖。

4.2 注漿量分布特征時空效應(yīng)法

對左側(cè)導(dǎo)洞注漿孔注漿量進行統(tǒng)計。見圖5

圖5 左側(cè)導(dǎo)洞注漿量分布圖

由注漿量分布來看：

1）注漿量分布比較均勻， 注漿量大的孔主要為C圈孔上，A、B圈孔注漿量明顯較少，注漿量與鉆孔深度有明顯關(guān)系。注漿量最大為C2孔，單孔注漿量為8.63m3；2）雖然地層裂隙較發(fā)育，但裂隙較小，因而吸漿能力差，鉆孔貫穿裂隙小或貫穿裂隙較少時，雖然注漿壓力較大，但注漿量仍很小，很難注進，壓力上升較快；3）注漿量較大的孔基本上是鉆孔過程中水量較大的孔，說明漿液主要是沿原有的出水路對透水裂隙進行充填，由于采用的是普通水泥單液漿和雙液漿，漿液在細小的裂隙內(nèi)很難擴散，注漿量也不是很大，對基巖微細裂隙水封堵效果不很理想。

4.3 注漿壓力分布特征

統(tǒng)計分析注漿過程中左右導(dǎo)洞各注漿孔注漿終壓，見圖6，見圖7。

圖6 左側(cè)導(dǎo)洞各孔注漿壓力分布圖

圖7 右側(cè)導(dǎo)洞各孔注漿壓力分布圖

由注漿壓力來看：

1）各孔注漿壓力都達到或超過設(shè)計的注漿壓力；2）對比注漿量和注漿壓力柱狀圖可以看出，注漿壓力大的孔注漿量相對較小，注漿量大的孔注漿壓力也不是很大，說明對于該地層中的裂隙水封堵，漿液主要是通過充填擠密的機理；3）對于地層中微小滲水裂隙，采用普通水泥漿或普通水泥－水玻璃單液漿較難達到不漏水的理想效果，即使通過提高注漿壓力，效果也不是很明顯。

4.4 P-Q-t曲線分析法

注漿P-Q-t曲線如圖8所示，由圖8可以看出，開始注漿壓力比較小，注漿速度基本保持不變?yōu)?0L/min，這主要是漿液充填注漿孔和地層中裂隙的過程，而后注漿壓力迅速增大，注漿速度迅速減小，這表明漿液已將地層中的裂隙填充滿，無法在繼續(xù)注入。故漿液在這種地層主要是充填巖石裂隙。

圖8 斜井左線左側(cè)導(dǎo)洞注漿P-Q-t曲線圖

4.5 檢查孔情況分析

根據(jù)效果檢查標(biāo)準(zhǔn)，在注漿的薄弱區(qū)域進行鉆孔檢查，左側(cè)導(dǎo)洞共鉆設(shè)檢查孔4個，鉆孔深度25m。前兩個檢查孔鉆孔結(jié)束后出水量分別為0.7m3/h和0.9m3/h，從檢查孔鉆設(shè)過程中推斷地層巖石較硬，強度高，整體性也較好。檢查孔鉆設(shè)結(jié)束后鑒于孔內(nèi)水量較大，對檢查孔進行了補充注漿，兩檢查孔注漿量分別為0.27m3和0.4m3，注漿量較小，說明檢查孔區(qū)域地層裂隙發(fā)育不明顯，地層吸漿能力較差。在后續(xù)鉆設(shè)的兩檢查孔出水量分別為0.15m3/h和0.4m3/h，水量較小，注漿堵水效果比較明顯。檢查孔主要出水范圍均在21.5m后較明顯。

4.6 開挖觀察

開挖時左側(cè)導(dǎo)洞掌子面基本無水，個別地方有少量滲水，開挖以后已經(jīng)進行初支的拱部有水，原因在于開挖時的爆破對圍巖產(chǎn)生擾動，使圍巖中的細小的裂隙增大使已經(jīng)被充填的裂隙開裂，從而形成滲水通道，導(dǎo)致局部出水。

5 結(jié)論與建議

1）通過帷幕注漿和檢查孔補充注漿，涌水量明顯減小，堵水效果明顯；2）因該段地層為強風(fēng)化地層，裂隙較發(fā)育，但裂隙較小，出水主要是基巖裂隙水，注漿主要是通過充填擠密的機理封堵裂隙水，而普通水泥漿由于顆粒較粗，通過提高注漿壓力后地層吸漿量增加也不是很明顯，漿液擴散范圍有限，為了進一步提高堵效果，建議部分采用超細水泥，提高對細小裂隙的填充封堵率，保證堵水效果；3）由于裂隙寬度較小，可通過增加鉆孔數(shù)量和擴大注漿加固范圍，來提高對裂隙水的封堵效果，減少或避免因地下水的流失而引起地表沉降。

[1]曾榮秀.注漿技術(shù)經(jīng)驗匯編[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1988.

[2]孫釗.大壩基巖灌漿[M].北京：中國水利水電出版社，2004.