楊成忠,楊 鵬,王 威,王淑芳

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330000)

軟巖隧道洞口段常面臨有淺埋、偏壓、富水等不利于圍巖穩(wěn)定的因素,隧道施工過(guò)程中圍巖會(huì)多次受到擾動(dòng),圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變得復(fù)雜,這對(duì)隧道穩(wěn)定特別是對(duì)紅層軟巖隧道高破碎程度圍巖的穩(wěn)定帶來(lái)了不確定性風(fēng)險(xiǎn),如果施工和設(shè)計(jì)處理不當(dāng),隧道圍巖和襯砌會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)大變形和滲漏水問(wèn)題。因此對(duì)于實(shí)際工程,采取有效的注漿和支護(hù)等措施來(lái)加固圍巖、堵水和防滲,是保證隧道穩(wěn)定和施工安全的關(guān)鍵。對(duì)于隧道的注漿加固,許多專家學(xué)者做了大量的研究,這些研究主要集中在注漿施工技術(shù)[1～3]和理論分析確定注漿的相關(guān)參數(shù)上[4～5],楊賽舟等[6]和華福才等[7]的研究主要側(cè)重于理論分析和數(shù)值模擬,研究了注漿圈相關(guān)參數(shù)的改變對(duì)隧道涌水和內(nèi)部水壓力的影響。此外,一些學(xué)者針對(duì)注漿試驗(yàn)也展開(kāi)了相關(guān)研究[8～9]。目前的研究很少通過(guò)有效的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)價(jià)注漿的效果[10～11]。張成平等[12]依據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果,分析確定了合理的注漿參數(shù),通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了注漿效果。王迪等[13]依據(jù)理論公式確定了加固圈厚度,在考慮施工爆破的基礎(chǔ)上,確定了最佳的注漿加固方案,此外通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)揭露觀察,對(duì)比了注漿前后掌子面和圍巖情況,并對(duì)注漿的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這些研究涉及到了通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)注漿效果的評(píng)價(jià),但對(duì)于具體的工程,研究并不完善。

本文針對(duì)江西某分離式隧道進(jìn)口段復(fù)雜工程地質(zhì)特性,在考慮施工條件、工程重難點(diǎn)和工程實(shí)際的基礎(chǔ)上,確定以開(kāi)挖前的小導(dǎo)管預(yù)注漿和開(kāi)挖后的全斷面徑向注漿為主的注漿堵水加固方案,依據(jù)第四強(qiáng)度理論和經(jīng)驗(yàn)公式確定了相關(guān)的注漿參數(shù),通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)觀察法和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)比法,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)注漿的質(zhì)量和效果進(jìn)行綜合的評(píng)判。研究結(jié)果可以為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

隧道為分離式隧道,隧道長(zhǎng)度為445 m。進(jìn)口段屬淺埋偏壓地段,地下水發(fā)育,自然坡角25°～35°,進(jìn)口地質(zhì)結(jié)構(gòu)層0～1.20 m為軟塑—硬塑狀粉質(zhì)黏土,1.20～6.00 m為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,硬塑狀,6.00～14.00 m為強(qiáng)風(fēng)化砂巖,14.00 m以下為中風(fēng)化砂巖。隧址區(qū)域的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為線性褶皺和斷裂帶,褶皺軸部走向東西,傾向南東,多以倒轉(zhuǎn)形態(tài)呈現(xiàn),傾角較陡；斷裂為主,總體走向30°～50°,以壓性為主,壓扭性、張性次之,斷裂傾向南東。隧道圍巖體主要為青白口系泥質(zhì)砂巖,風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體破碎,巖性軟,呈紅褐色(圖1)。隧道穿越段埋藏深度較大,巖體完整性差異較大,施工時(shí)圍巖穩(wěn)定性較差。隧址區(qū)雨量充沛,多年年平均降水量1 980.9 mm,最大年降水量2 898.2 mm,降雨量主要集中于3～8月份,約占全年雨量的74%,隧道施工時(shí),正值6月,隧道受地下水影響大。

圖1 隧道右線地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of tunnel right line

2 方案設(shè)計(jì)

該隧道進(jìn)口段的圍巖強(qiáng)度低,在地下水的滲流作用下,洞口圍巖在隧道開(kāi)挖之后變形迅速,拱頂沉降和周邊位移量比較大,鉆探施工對(duì)隧道圍巖和襯砌的穩(wěn)定性非常不利,而對(duì)高破碎程度圍巖的穩(wěn)定更加不利。因此,采取注漿加固的措施來(lái)加固圍巖、堵水和防滲。在考慮施工條件、工程重難點(diǎn)和工程實(shí)際的基礎(chǔ)上,確定以開(kāi)挖前的小導(dǎo)管預(yù)注漿和開(kāi)挖后的全斷面徑向注漿為主的注漿堵水加固方案,并結(jié)合錨噴和鋼筋網(wǎng)片加固圍巖。

2.1 注漿參數(shù)的確定

工程上確定注漿加固范圍主要依靠規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),注漿厚度的確定需要對(duì)圍巖強(qiáng)度等級(jí)、隧址區(qū)的地質(zhì)情況、地層承載力、工程實(shí)際、工期及成本等綜合考慮。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)情況,在結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上確定超前小導(dǎo)管預(yù)注漿[14]和全斷面徑向注漿的厚度。

B=(2～3D)

(1)

B1=(B-D)/2

(2)

式中：B——小導(dǎo)管預(yù)注漿的范圍/m；

B1——小導(dǎo)管預(yù)注漿的厚度/m；

D——隧道開(kāi)挖直徑/m。

徑向注漿加固圈的厚度可依據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算確定,將隧道看成厚壁圓筒進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,理論公式為[15]：

(3)

式中：B2——徑向注漿加固圈厚度/m；

σ——圍巖加固體允許抗壓強(qiáng)度/MPa；

PW——圍巖最大靜水壓力/MPa。

依據(jù)地下水平衡理論和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式,確定地下水平衡時(shí)所需的注漿體滲透系數(shù)[16]：

(4)

式中：H——水位至隧道底部的高度；

r0——隧道的半徑；

h——含水體部分的厚度；

W——隧址區(qū)的年平均降雨量；

H′——隧址區(qū)地表徑流深度；

E——隧址區(qū)的年地表蒸發(fā)量；

F——隧址區(qū)的地表水流域面積；

k——安全系數(shù),取2.5。

根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式并結(jié)合工程資料和隧道施工情況,確定出設(shè)計(jì)注漿加固圈的相關(guān)系數(shù),見(jiàn)表1。

表1 注漿參數(shù)Table 1 Grouting parameters

2.2 注漿材料的選擇

隧道洞口工程段為不良的地質(zhì)段,易發(fā)生圍巖和支護(hù)大變形、滲涌水等情況。因此,注漿加固是防止出現(xiàn)工程問(wèn)題的關(guān)鍵,而注漿材料的選擇又是注漿工序的重點(diǎn)。工程上對(duì)注漿材料的選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)成本、漿液的可行程度、施工的難易程度等。結(jié)合以往工程注漿堵水經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及上述理論分析的結(jié)果,確定此次注漿以水泥—水玻璃雙漿液為主。隧道在注漿施工過(guò)程中,漿液的初凝時(shí)間需要長(zhǎng)一點(diǎn)，而終凝時(shí)間短一點(diǎn),這樣有利于漿液的擴(kuò)散和施工操作,同時(shí)較短的終凝時(shí)間不會(huì)造成漿液的浪費(fèi)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室結(jié)果,當(dāng)W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5時(shí),水泥—水玻璃1 d的強(qiáng)度為4.5 MPa,28 d強(qiáng)度為8.9 MPa,同時(shí)它的初凝時(shí)間為19.4 s,終凝時(shí)間為36.8 s。該種材料的配比較合適工程實(shí)際,為此選擇此種配比作為該隧道的注漿配比。

2.3 超前預(yù)注漿

超前小導(dǎo)管預(yù)注漿對(duì)進(jìn)口段拱頂位置的破碎圍巖起到穩(wěn)定抗?jié)B的作用,可以降低地下水滲流造成的圍巖強(qiáng)度損失。小導(dǎo)管采用φ42,長(zhǎng)度為7.5 m,軸向×環(huán)向?yàn)?.5 m×0.4 m,外插角為10°,水泥—水玻璃注漿液配比為W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注漿速度為8～15 L/min,注漿壓力為1.5 MPa。小導(dǎo)管環(huán)向布置和軸向布置見(jiàn)圖2,注漿參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 小導(dǎo)管預(yù)注漿布置Fig.2 Small catheter pre-grouting arrangement

表2 小導(dǎo)管注漿參數(shù)Table 2 Small catheter grouting parameters

2.4 徑向注漿

在鉆孔和爆破施工過(guò)程中圍巖擾動(dòng)比較大,開(kāi)挖區(qū)域周圍的圍巖產(chǎn)生較多裂隙。全斷面的徑向注漿對(duì)于修復(fù)裂隙、提高圍巖強(qiáng)度、減小圍巖松動(dòng)圈的厚度、降低圍巖和支護(hù)的收斂位移等非常有利。此次全斷面徑向注漿選用中空錨桿φ25,長(zhǎng)度為4.5 m,環(huán)向×軸向?yàn)?.2 m×0.7 m。中空錨桿的布置方向垂直于隧道開(kāi)挖輪廓線,水泥—水玻璃注漿液配比為W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注漿速度為10～30 L/min,注漿壓力為3 MPa。徑向注漿設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖3,注漿參數(shù)見(jiàn)表3。

為了讓先注入的漿液對(duì)后注入的漿液起到約束擠壓作用,施工采用的方法是先從拱腳處注漿,而后往上注漿。

圖3 徑向注漿設(shè)計(jì)圖Fig.3 Radial grouting design

表3 徑向注漿參數(shù)Table 3 Radial grouting parameters

3 效果評(píng)價(jià)

采用現(xiàn)場(chǎng)觀察法和地質(zhì)雷達(dá)對(duì)比法,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)注漿的質(zhì)量和效果進(jìn)行綜合評(píng)判。

3.1 揭露面觀察法

在隧道開(kāi)挖前實(shí)施超前的小導(dǎo)管預(yù)注漿后,掌子面開(kāi)挖過(guò)程中滲流水狀況明顯減弱,由流線狀變?yōu)榕紶柕牡蚊八?部分區(qū)域僅表現(xiàn)為潮濕,掌子面上方的巖石掉塊現(xiàn)象基本沒(méi)有。開(kāi)挖后的現(xiàn)場(chǎng)情況表明,預(yù)注漿提高了加固區(qū)的圍巖強(qiáng)度,限制了圍巖變形和遇水的強(qiáng)度損失,同時(shí)減小了圍巖的滲透系數(shù),阻礙了地下水的滲透流動(dòng)。

在隧道開(kāi)挖后,對(duì)已開(kāi)挖區(qū)實(shí)施全斷面的徑向注漿,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)察看,部分區(qū)域的圍巖裂隙有漿液擴(kuò)散,在充分注漿的前提下,表明漿液對(duì)裂隙進(jìn)行了充分的填充；隧道邊墻較為干燥,拱頂、拱肩等位置由注漿前的滴漏水變?yōu)槌睗窕蛘吒稍?隧道開(kāi)挖后的圍巖整體沒(méi)有出現(xiàn)較大變形,這表明全斷面的徑向注漿在襯砌外部形成了較為穩(wěn)定的注漿圈,承擔(dān)了部分外荷載提高了圍巖的強(qiáng)度,同時(shí)減小了圍巖的滲透系數(shù),起到了很好的防水堵水作用。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)具有精度高和效率好的特點(diǎn)，且不會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生破壞和擾動(dòng),因此工程上經(jīng)常使用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)是通過(guò)發(fā)射天線對(duì)物體發(fā)射一種窄頻脈沖電磁波,利用電磁波在不同地下介質(zhì)的傳播特性來(lái)探察不同介質(zhì)分界面的結(jié)構(gòu)、電性和空間位置。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和工程經(jīng)驗(yàn),數(shù)據(jù)的采集選用MALA/GPR第三代數(shù)字式主機(jī)(ProEx)系統(tǒng)和500 MHz天線頻率。

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)全斷面徑向注漿的探測(cè)范圍為距離洞口30～48 m,共18 m,現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)位置見(jiàn)圖4,在兩邊墻和拱頂位置各布置1條測(cè)線。注漿前后的探測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面Fig.4 Field monitoring section

從圖5a可以看出,左邊墻在徑向注漿前有地下水發(fā)育、部分圍巖松動(dòng)范圍較大等特征,0～0.9 m和15～18 m內(nèi)徑向圍巖較為破碎且含水比較多,在0～3 m內(nèi)圍巖地下水較其他位置明顯更多。

從圖5b可以看出,0～0.9 m和15～18 m內(nèi)徑向圍巖在注漿后圍巖完整性明顯較好,含水量也較低,在0～3 m內(nèi)圍巖的結(jié)構(gòu)面和裂隙被漿液很好地填充。整體上,注漿后圍巖松動(dòng)圈得到限制、地下水含量降低,表明注漿的效果良好。

從圖5c可以看出,右邊墻在徑向注漿前有地下水發(fā)育、部分圍巖松動(dòng)范圍較大等特征,0～1.6 m徑向和15～18 m軸向圍巖較為破碎且含水比較多,在0～3 m內(nèi)圍巖地下水較其他位置明顯更多。

從圖5d可以看出,0～1.6 m和0～3 m內(nèi)徑向圍巖在注漿后圍巖完整性明顯較好,含水量也較低,15～18 m內(nèi)軸向圍巖的地下水反射信號(hào)較少,表明含水量降低了,同時(shí)破碎圍巖也得到加固。注漿前后的雷達(dá)圖像變化,反映出在整體上,右邊墻得到很好的加固,在局部薄弱位置圍巖變形穩(wěn)定,加固圈的作用明顯。

從圖5e可以看出,拱頂在徑向注漿前0～0.8 m和0～3 m內(nèi)徑向圍巖都比較破碎且含水量較高,在20～22 m內(nèi)軸向圍巖明顯比其他位置區(qū)域的完整性差,這表明對(duì)該位置的注漿加固非常有必要。

從圖5f可以看出,0～0.8 m和0～3 m徑向圍巖在注漿后圍巖的含水量下降了，但仍然比較多,圍巖的結(jié)構(gòu)面和裂隙填充度不高,圍巖完整性提高的較少,該區(qū)域的圍巖強(qiáng)度有待加強(qiáng),相比下在20～22 m內(nèi)軸向圍巖得到了很好的加固,圍巖完整性好。

圖5 不同部位雷達(dá)探測(cè)圖像Fig.5 Radar image of different parts

通過(guò)對(duì)拱頂注漿前后雷達(dá)圖像的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)淖{效果較左邊墻明顯降低,在整體上拱頂圍巖得到了加固,但部分區(qū)域位置的注漿效果不理想?？紤]到各個(gè)注漿位置的施工方法一致,問(wèn)題產(chǎn)生的可能原因是：拱頂在注漿過(guò)程中,工人需要從下往上進(jìn)行注漿,這樣易出現(xiàn)注漿位置上的偏差導(dǎo)致跑漿和裂隙填充度較低；徑向注漿的注漿壓力并沒(méi)有適當(dāng)?shù)奶岣?由于重力的作用,造成滲透路徑短,從而導(dǎo)致裂隙填充度低。

依據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的結(jié)果,進(jìn)口段30～48 m內(nèi)的圍巖整體注漿效果較好,圍巖結(jié)構(gòu)面和裂隙得到很好的填充,注漿提高了圍巖完整性,降低了地下水的含量。同時(shí)探測(cè)發(fā)現(xiàn),右邊墻一側(cè)的圍巖破碎程度和松動(dòng)圈范圍較左邊墻的大,易出現(xiàn)變形和開(kāi)挖時(shí)的巖體掉塊,因此需要及時(shí)采取加固和支護(hù)。此外,拱頂局部區(qū)域的注漿效果不理想,建議在開(kāi)挖過(guò)后,應(yīng)盡快噴錨支護(hù)形成封閉圈抑制拱頂圍巖松動(dòng)圈發(fā)展和拱頂沉降。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以了解圍巖和襯砌在開(kāi)挖后內(nèi)力和變形隨時(shí)間的變化情況,有利于掌握圍巖和襯砌的受力特征和變形的內(nèi)在規(guī)律。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,選取的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為拱頂沉降和洞周水平收斂,監(jiān)測(cè)斷面見(jiàn)圖4,圖6為左洞不同部位監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線。

由圖6可以看出,在開(kāi)挖后10 d以內(nèi)左洞拱頂沉降呈線性的增加,在20 d左右,沉降位移趨于收斂,三段的沉降速率在前20 d有降有升,但整體的趨勢(shì)是下降的，并在20 d后趨于0。A斷面最終的收斂位移為50 mm左右,而B(niǎo)和C斷面的收斂位移分別為40 mm和38 mm,這說(shuō)明三段的注漿效果存在一點(diǎn)差異,但整體上注漿保證了拱頂?shù)膰鷰r穩(wěn)定。

由圖6還可以看出,左洞水平位移同拱頂類似,收斂位移在20 d后收斂穩(wěn)定,收斂速度也在20 d后趨于0,同時(shí)A斷面的水平位移最終為45 mm,B和C斷面分別為30 mm和32 mm。進(jìn)一步分析得出,注漿開(kāi)挖后左洞圍巖在10 d以內(nèi)變形增長(zhǎng)迅速,變形速率的變化呈振蕩減小,在20 d以后圍巖變形收斂穩(wěn)定,說(shuō)明左洞的注漿效果較好,漿液加固了圍巖,限制了圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展。

由圖7可以看出,右洞的拱頂位移和周邊收斂隨時(shí)間變化情況同左洞的類似,都在前10 d呈線性增加,20 d左右趨于收斂,右洞A段拱頂沉降和周邊收斂位移最終分別為38 mm和26 mm,這比左洞的A段相比減少了24%和42.2%,B段的拱頂和洞周最終收斂位移分別為34 mm和28 mm,相比左洞B段減少15%和6.67%,C段情況和B段類似，相應(yīng)減少7.9%和6.25%。整體上注漿對(duì)左、右洞的圍巖變形都起到了很好的限制作用,左洞的變形位移比右洞大,建議施工加強(qiáng)對(duì)左洞圍巖的支護(hù)和監(jiān)測(cè)并及時(shí)施加二襯。

圖6 左洞不同部位位移監(jiān)測(cè)情況Fig.6 Displacement monitoring of different parts of the left tunnel

圖7 右洞不同部位位移監(jiān)測(cè)情況Fig.7 Horizontal displacement monitoring of different parts of the right tunnel

4 結(jié)論

(1)注漿在襯砌外部形成了較為穩(wěn)定的注漿圈,降低了圍巖的遇水軟化程度，提高了圍巖的強(qiáng)度,同時(shí)減小了圍巖的滲透系數(shù),起到了很好的防水堵水作用。

(2)高破碎圍巖注漿后地下水的反射信號(hào)較少,局部薄弱位置圍巖完整性得到提高,注漿效果良好,但在拱頂?shù)牟糠治恢米{效果欠佳,建議適當(dāng)提高該位置的注漿壓力,改善注漿工藝。

(3)隧道注漿開(kāi)挖后圍巖變形一開(kāi)始增長(zhǎng)迅速,變形速率的變化呈振蕩減小,最終圍巖變形收斂穩(wěn)定,注漿效果較好,限制了圍巖松動(dòng)圈的發(fā)展。

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