馮國森

(中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一，在隧道選線時(shí)應(yīng)盡量避開巖溶發(fā)育地區(qū)，但是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通基礎(chǔ)設(shè)施需求的不斷提高，越來越多的隧道工程將不可避免地穿越山區(qū)巖溶地層，這必將遇到更多大(巨)型巖溶問題。工程實(shí)例表明，穿越巖溶區(qū)隧道跨越段采用路基回填處置方案施工簡單、成本小，但對于高位穿越巨型溶洞時(shí)，巨型溶洞回填體量大，回填體壓縮沉降顯著，對回填體進(jìn)行注漿可以填充碎石孔隙，降低工后沉降[1-4]。

李元海等[5]采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，研究了溶洞對于隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并對隧道開挖穿越溶洞地層采取的充填與注漿加固方案進(jìn)行了比較分析，研究結(jié)果表明溶洞回填和注漿加固可改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，減小圍巖變形與塑性區(qū)范圍；張祥等[6]基于成貴鐵路玉京山隧道工程現(xiàn)場，提出采用袖閥管注漿法進(jìn)行回填體加固的總體思路，在溶洞回填后對隧道側(cè)向回填體進(jìn)行超前注漿加固，隧道開挖后對基底回填體進(jìn)行注漿加固，保證基底承載力滿足規(guī)范要求，取得了良好的工程效果；顧偉[7]以云桂鐵路營盤山隧道穿越巨型溶洞為依托，依據(jù)隧道和溶洞不同斷面分布的特點(diǎn)，采用隧道基礎(chǔ)范圍溶洞回填處理方案有施工速度快、安全性高、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，為其他類似工程提供了參考；周婷[8]結(jié)合滬昆客專杭長段醴陵特大橋巖溶發(fā)育區(qū)樁基穿越大型溶洞施工實(shí)踐，詳細(xì)介紹了采用片石、黏土、碎石及化工材料回填溶腔，使用CZ-8型沖擊式鉆機(jī)沖擊成孔，輔以加強(qiáng)型泥漿、注漿等技術(shù)措施，成功穿越了大型重疊串珠式溶洞等不良地質(zhì)；肖伯強(qiáng)等[9]通過"加強(qiáng)支護(hù)、回填夯實(shí)、超前小導(dǎo)管注漿、疏排巖溶水"等施工技術(shù)，結(jié)合監(jiān)控量測等信息反饋手段，動(dòng)態(tài)指導(dǎo)施工，成功解決了溶洞冒頂突泥、大型溶洞及隧道坍塌等施工難題，順利完成了隧道施工；宋國壯[10]基于黔張常鐵路巖溶地基注漿加固工程現(xiàn)場地質(zhì)資料，結(jié)合有關(guān)注漿材料性能控制及其裂隙注漿擴(kuò)散特征、堵水機(jī)制的研究結(jié)論，提出了針對復(fù)雜巖溶發(fā)育地基處理的復(fù)合注漿強(qiáng)化加固關(guān)鍵技術(shù)，并通過多種注漿效果檢測手段驗(yàn)證了該技術(shù)體系的工程適用性；劉巖江[11]通過對深圳地鐵14號線穿越的巖溶區(qū)現(xiàn)場地質(zhì)資料結(jié)合溶洞注漿試驗(yàn)進(jìn)行研究，確定了相應(yīng)的巖溶處理原則和注漿工藝，并設(shè)置不同的水灰比、注漿壓力及巖溶填充物，分析了不同條件下注漿試塊的抗壓強(qiáng)度及注漿量。

以上文獻(xiàn)對隧道穿越溶洞回填體注漿加固處理方面具有良好的借鑒意義，但是在隧道高位斜穿巨型溶洞回填后的超厚回填體中注漿，特別是僅在回填體上部一定范圍內(nèi)控制注漿的相關(guān)研究基本沒有。本文以黔張常鐵路高山隧道巨型溶洞為研究對象，對溶洞超厚回填體注漿設(shè)計(jì)、注漿方法、漿液控制及注漿效果進(jìn)行綜合分析，提出深厚回填體注漿固結(jié)技術(shù)。

1 工程概況

黔張常鐵路西起重慶市黔江區(qū)，東至湖南省常德市，線路總長為339.42 km，全線新建隧道100座，位于湖北咸豐-來鳳區(qū)間的高山隧道是黔張常鐵路全線6座 Ⅰ 級風(fēng)險(xiǎn)隧道之一。高山隧道進(jìn)口里程為DIK51+328，出口里程為DIK55+286.2，全長為3 958.2 m；隧道為縱向坡度-12‰、-17.4‰的單面下坡，進(jìn)口軌面高程為799.158 m，出口軌面高程為732.973 m；最大埋深約365 m；隧道開挖斷面寬度為15.2 m，高度為12.4 m；高山隧道采用曲墻有仰拱復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，噴混凝土采用濕噴工藝。隧道地處鄂西南構(gòu)造侵蝕、溶蝕中低山區(qū)，通過地層主要是寒武系上統(tǒng)耗子群灰?guī)r夾白云巖、道陀組灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)大灣組灰?guī)r夾泥灰?guī)r，奧陶系下統(tǒng)南津關(guān)組、紅花園組、分鄉(xiāng)組灰?guī)r夾頁巖。隧道地處咸豐斜歪背斜的南東翼，表現(xiàn)為單斜構(gòu)造。高山隧道縱斷面如圖1所示。

圖1 高山隧道縱斷面圖

高山隧道開挖至DIK53+678處揭示巨型溶洞，溶洞由廳堂狀廊道、主溶裂隙通道、支洞3部分組成，主溶洞伴生有2號支洞。廳堂狀廊道長度為124 m，寬度為32～63 m，高度為46～65 m。巨型溶洞形態(tài)規(guī)模示意如圖2所示。隧道正洞跨越溶洞長度約為71 m，影響長度為124 m，隧道路肩以上溶洞空腔高度約為16 m，隧道軌面以下空腔深度為30～55 m，拱頂以上溶洞最高處約為2 m。溶洞地下水主要補(bǔ)給源為大氣降水下滲補(bǔ)給，降水主要通過主溶蝕裂隙徑流補(bǔ)給至溶洞，主溶蝕裂隙發(fā)育成熟，補(bǔ)徑排通暢。溶洞地下水及局部的滲水均通過裂隙排泄，整體表現(xiàn)為干溶洞。溶洞發(fā)育規(guī)模較為巨大，給后期施工帶來了極大的不便。

巨型溶洞揭示后采用地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探以及三維激光掃描等手段進(jìn)行了地質(zhì)勘查，獲得了溶洞的詳細(xì)地質(zhì)資料，根據(jù)溶洞的特征、地質(zhì)資料以及溶洞與隧道的空間位置關(guān)系，結(jié)合國內(nèi)工程實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，提出線路調(diào)整、橋梁跨越及路基回填3類共11種處置方案。通過對3類處置方案進(jìn)行評價(jià)對比，最終選用了路基回填中的"洞砟回填+上部注漿"方案[12-13]。巨型溶洞回填示意如圖3所示。

圖2 巨型溶洞形態(tài)規(guī)模示意圖

圖3 巨型溶洞回填示意圖

溶洞采用加工洞砟進(jìn)行回填，回填至730 m高程和750 m高程時(shí)分別做止?jié){層。溶洞回填深度最大約47 m，洞砟回填厚度大，且回填過程中無法壓實(shí)。在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，為了提高回填體的整體性及控制回填沉降，對回填體上部20 m、隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)21 m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固處理。回填洞砟注漿完成后在上部繼續(xù)回填約5 m厚摻5%水泥級配碎石，再施工3 m厚鋼筋混凝土路基板至主動(dòng)底板高程。隧道中心線左側(cè)廳堂狀廊道回填至洞壁，隧道中心線右側(cè)主溶蝕裂隙通道按照1∶1.5的坡度進(jìn)行放坡回填。依據(jù)處置方案，巨型溶洞回填體厚度為30～55 m，加上溶洞底部原始堆積體總厚度達(dá)到67～121 m，如此超厚回填體在后期隧道運(yùn)營時(shí)將產(chǎn)生較大的壓縮沉降量，影響隧道運(yùn)營。注漿加固技術(shù)作為處理回填體沉降的一個(gè)重要手段，其設(shè)計(jì)方案和施工技術(shù)研究不可或缺。

2 注漿加固設(shè)計(jì)

高山隧道巨型溶洞采用回填的方式進(jìn)行處理，回填后的回填體厚度較大，加工洞砟在回填時(shí)采用拋填的方式進(jìn)行回填，而且回填洞砟未經(jīng)分層壓實(shí)，容易產(chǎn)生沉降。為防止后期隧道運(yùn)營時(shí)回填體出現(xiàn)沉降對上部結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響，需要對回填體上部加工洞砟進(jìn)行注漿加固，來提高回填體整體穩(wěn)定性，減小沉降。

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

溶洞體量巨大，已探測到空間超過100萬m3，填筑空間將近50萬m3，按照30%孔隙率預(yù)算，回填體全部注漿的漿液量要達(dá)到15萬m3，漿液量過大。根據(jù)分析[14]，回填體下部受上部回填體及其他荷載壓實(shí)，較為密實(shí)，工后沉降以蠕變沉降為主，沉降量小，而上部回填體受荷載小，壓實(shí)率低，存在較多孔隙，如若不處理，工后壓密沉降較大，對隧道運(yùn)營影響大；同時(shí)，運(yùn)營后在列車動(dòng)荷載擾動(dòng)作用下上部回填體孔隙也會出現(xiàn)壓密，同樣造成較大工后沉降。因此，可以采用回填體上部注漿代替全部注漿，注漿范圍為隧道主洞兩側(cè)沉降影響區(qū)，處在廳堂狀廊道內(nèi)。高山隧道巨型溶洞為多分支溶洞，僅廳堂狀廊道填筑體積就達(dá)到35萬m3。為保證注漿量和注漿效果，應(yīng)將漿液控制在廳堂狀廊道的一定平面范圍內(nèi)。為達(dá)到控制范圍內(nèi)注漿，還應(yīng)采用措施，構(gòu)筑周邊漿液封堵區(qū)，防止?jié){液流失。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，現(xiàn)將注漿區(qū)域設(shè)計(jì)為DIK53+645～+725段加工洞砟回填體上部20 m厚度(即標(biāo)高730～750 m)范圍，垂直于線路方向的注漿區(qū)域?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)外側(cè)21 m，不足21 m時(shí)至洞壁。注漿區(qū)域設(shè)計(jì)如圖4所示。為了減少漿液流失，加快施工速度，在洞砟回填時(shí)施工2道止?jié){層來防止?jié){液擴(kuò)散?；靥钪翗?biāo)高730 m時(shí)，用M10水泥砂漿施工1道50 cm厚水泥砂漿止?jié){層；回填至標(biāo)高750 m時(shí)，在隧道中心線兩側(cè)各25 m范圍內(nèi)用C20混凝土施工1道40 cm厚鋼筋混凝土止?jié){層。

注漿區(qū)域分為注漿中間區(qū)和周邊加密區(qū)，注漿中間區(qū)注漿孔間距為3 m×3 m，注漿中間區(qū)周邊3 m范圍設(shè)計(jì)為注漿加密區(qū)，注漿孔間距為1.5 m×1.5 m。根據(jù)設(shè)計(jì)，注漿鉆孔的直徑為110 mm，注漿管采用直徑為89 mm的鋼花管。周邊加密區(qū)注漿所用漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，其中水泥漿∶水玻璃(體積比)為1∶0.6，普通水泥漿的水灰質(zhì)量比為0.6∶1～0.8∶1，水泥-水玻璃雙液漿的凝膠時(shí)間約為5 min；注漿中間區(qū)注漿采用普通水泥單液漿，水泥漿的水灰質(zhì)量比為0.6∶1～0.8∶1。注漿所應(yīng)達(dá)到的具體技術(shù)要求應(yīng)符合規(guī)范要求，即注漿后鉆芯驗(yàn)證注漿合格率不小于90%。

(a) 深度范圍

(b) 平面范圍

3 注漿作用數(shù)值模擬分析

利用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立超厚回填體數(shù)值計(jì)算模型，分析回填洞砟上部有無注漿對工后沉降的影響，驗(yàn)證回填體上部注漿作用。

3.1 模型建立

選取線路里程DIK53+660～+710區(qū)段進(jìn)行模擬，建立隧道-路基三維計(jì)算分析模型。其中路基部分模擬范圍為隧道中心線兩側(cè)各50 m、隧道底板以下90 m，根據(jù)實(shí)際充填材料劃分溶腔區(qū)域，建立溶洞填充模型。溶腔回填模型示意如圖5所示。進(jìn)一步建立隧道-路基三維有限元數(shù)值計(jì)算模型，如圖6所示。以有無回填體上部注漿和工后靜動(dòng)荷載作用為變量，考察工程結(jié)束后隧道路面沉降量。

計(jì)算時(shí)將隧道施工期各構(gòu)筑物建造及道砟鋪設(shè)階段以結(jié)構(gòu)荷載形式施加于路基板表面，其中邊墻荷載為190 kN/m2，邊墻兩側(cè)洞砟回填荷載為102 kN/m2，隧道初期型鋼支護(hù)荷載為100 kN/m2，隧道仰拱及二次襯砌混凝土荷載為105 kN/m2，仰拱上層碎石道砟荷載為16 kN/m2，每項(xiàng)荷載分階段施加于路基板表面范圍內(nèi)，荷載施加范圍符合實(shí)際構(gòu)筑物建造所占面積，用于模擬路基上部隧道階段施工。計(jì)算分析采用Mohr-Coulomb模型模擬各地層的本構(gòu)關(guān)系，模型的頂部和橫向兩側(cè)為自由邊界條件；縱向兩側(cè)設(shè)置法向約束，限制模型的水平位移。因?yàn)閹r體的剛度大，變形極小，所以假定底部為固定約束來限制其水平方向和垂直方向的位移，不計(jì)入底板以下的變形，研究對象為底板巖體以上的超厚填筑體(回填體和原始堆積體)的壓縮變形。注漿和不注漿的沉降區(qū)間是整個(gè)填筑體的范圍，只考慮上部20 m注漿范圍內(nèi)的注漿與不注漿造成的沉降差異。材料參數(shù)如表1所示。

圖5 溶腔回填模型示意圖

圖6 三維計(jì)算分析模型

表1 材料參數(shù)

3.2 靜載作用下工后沉降分析

如圖6所示，在堆積體底部建立坐標(biāo)系，特征點(diǎn)為級配碎石層頂面中心點(diǎn)，坐標(biāo)為(0,30,95)。過此特征點(diǎn)沿隧道縱向和橫向提取2個(gè)截面，橫向提取長度為24 m(即路基板寬度)，縱向提取長度為60 m(即模型中路基板長度)，分別研究填筑體在施工荷載作用下沿橫向或縱向的沉降差異變化。2種模型的沉降變形如圖7所示?？梢钥闯? 1)采用相同回填方式和施工步序，沒有回填體上部注漿時(shí)，工后隧道路面沉降達(dá)到286 mm； 2)有回填體上部注漿時(shí)，工后隧道路面沉降為208 mm，回填體上部注漿作用下工后沉降減少了78 mm，效果明顯; 3)注漿在充填碎石孔隙提高整體穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，也作為新增荷載，對下部回填體起到了堆載預(yù)壓作用。

(a) 未注漿

(b) 注漿后

3.3 列車動(dòng)載作用下工后沉降分析

模擬列車為和諧號CRH380AL型列車，軸重為150 kN，列車總長為403 m，車速為200 km/h，雙向行駛。取1趟列車經(jīng)過后，隧道路面沉降和列車動(dòng)應(yīng)力傳遞過程為考察對象。動(dòng)荷載的大小取列車軸重的大小，動(dòng)載施加是通過定點(diǎn)豎向加載的方式，參考《鐵路荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》，通過對線路上不同節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交替加載來模擬列車移動(dòng)過程。計(jì)算時(shí)模型土體部分采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，路基其余部分則選用彈性本構(gòu)模型，分析時(shí)只考慮材料的彈性模量、泊松比以及容重；在計(jì)算時(shí)模型四周選用黏彈性局部人工邊界，底部使用固定邊界，頂部設(shè)置為自由面。

軌下不同深度最大動(dòng)位移曲線如圖8所示?？梢钥闯觯?1)動(dòng)荷載作用下節(jié)點(diǎn)下部最大豎向變形量隨深度增大逐漸減?。?2)上部道砟層(0～0.8 m)豎向變形最為明顯，該層頂部變形量達(dá)到約0.581 mm； 3)隧道結(jié)構(gòu)層及鋼筋混凝土路基板層(-0.8～5.7 m)表現(xiàn)為整體豎向變形，層間幾乎無壓縮； 4)摻5%水泥級配碎石層內(nèi)最大豎向變形量繼續(xù)隨深度增加呈下降趨勢，至洞砟注漿層底面(-30 m)處衰減為約0.015 mm。

圖8 軌下不同深度最大動(dòng)位移曲線

以時(shí)速200 km為例，列車動(dòng)應(yīng)力至路基板底面衰減近94%，至洞砟注漿層底面已趨近于0，列車動(dòng)應(yīng)力為σz。鐵路斷面右側(cè)軌下位置監(jiān)測點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力沿深度方向變化的曲線如圖9所示?？梢钥闯觯?1)動(dòng)應(yīng)力沿深度方向衰減很快，由于3 m厚鋼筋混凝土路基板和20 m厚注漿層的隔振作用，列車運(yùn)行時(shí)動(dòng)荷載對于溶洞下部回填體幾乎不會產(chǎn)生影響； 2)動(dòng)荷載下超厚回填體沉降數(shù)值模擬分析表明，回填洞砟上部注漿設(shè)計(jì)方案是合理的，工后沉降滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 列車動(dòng)應(yīng)力沿深度方向變化曲線

4 注漿工藝性試驗(yàn)、調(diào)整優(yōu)化及效果檢測

4.1 注漿施工準(zhǔn)備

注漿施工準(zhǔn)備包括： 標(biāo)高730 m止?jié){層施工-洞砟填筑-標(biāo)高750 m止?jié){層施工。

為了減少漿液流失，加快施工速度，在洞砟回填時(shí)施工2道止?jié){層來約束漿液擴(kuò)散?；靥钪翗?biāo)高730 m時(shí)用M10水泥砂漿施工1道50 cm厚水泥砂漿止?jié){層；回填至標(biāo)高750 m時(shí)，隧道中線兩側(cè)各25 m范圍內(nèi)用C20混凝土施工1道40 cm厚鋼筋混凝土止?jié){層。鋼筋混凝土止?jié){層施工如圖10所示。

圖10 鋼筋混凝土止?jié){層施工

4.2 注漿施工工藝過程

注漿施工時(shí)首先應(yīng)對注漿區(qū)域進(jìn)行放線，然后施工注漿孔。在施工回填體時(shí)采用拋填的方式進(jìn)行回填，而且沒有進(jìn)行分層壓實(shí)，這樣會導(dǎo)致回填體在鉆孔時(shí)容易產(chǎn)生塌孔、卡鉆的現(xiàn)象，不容易成孔。為了保證順利成孔，鉆孔采用地質(zhì)取芯機(jī)跟管施工，鉆孔直徑為110 mm，鉆孔時(shí)要定期對鉆機(jī)進(jìn)行水平校正和垂直校正，要求鉆孔過程中垂直度偏差小于1%，鉆至孔底時(shí)要注意不要破壞底部止?jié){層。跟管鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，插入注漿鋼花管，然后通過鉆孔臺架上的手拉葫蘆分節(jié)拔出鋼套管，并做好孔口的保護(hù)。注漿孔施工完成后即可制備注漿漿液，注漿所用漿液為普通水泥單液漿，漿液水灰質(zhì)量比為0.6∶1～0.8∶1。

注漿施工時(shí)的順序設(shè)計(jì)為先周邊、后中間，跳孔分序進(jìn)行，先對注漿區(qū)域周邊孔進(jìn)行注漿，周邊孔注漿完成后再對中間孔注漿。注漿前將注漿孔進(jìn)行編號，并將單號注漿孔設(shè)為一序孔，雙號注漿孔設(shè)為二序孔。一序孔達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿量后即可完成注漿；二序孔達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿壓力后即可完成注漿，不受注漿量的約束。二序孔進(jìn)行定壓注漿，從而提高注漿加固密實(shí)度，注漿終壓為0.5～1 MPa，注漿速度為10～100 L/min。

一序孔注漿量

Q=πR2h·n·α·(1+β)。

(1)

式中：R為漿液擴(kuò)散半徑,取1.5 m；h為注漿分段深度,m；n為地層空隙率，取0.3；α為地層漿液填充率,取90%；β為漿液損失率,取20%。

注漿深度為20 m，代入式(1)，可得單孔注漿量為45.8 m3，按照設(shè)計(jì)注漿平面估算，總注漿量約為7 700 m3。

在所有注漿孔都完成注漿且無漏漿現(xiàn)象,即可結(jié)束注漿工作。

4.3 注漿工藝性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題分析

注漿是提高回填體整體性、減少工后沉降的重要工藝，注漿質(zhì)量優(yōu)劣直接關(guān)系到工后沉降的發(fā)展，嚴(yán)格的工后沉降要求要有較高的注漿合格率。規(guī)范要求注漿結(jié)束后要對注漿效果進(jìn)行檢測，現(xiàn)場采用取芯法驗(yàn)證注漿效果，要求注漿鉆孔結(jié)石率大于90%，并抽取注漿芯體加工成標(biāo)準(zhǔn)巖石試件，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，試件強(qiáng)度等級不低于C20。為保證注漿可靠性，首先進(jìn)行了注漿工藝性試驗(yàn)研究。

4.3.1 注漿工藝性試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題

在回填厚度為47 m的洞砟層上部20 m、隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)21 m范圍進(jìn)行注漿，存在周邊區(qū)域跑漿、不易形成止?jié){墻等問題，導(dǎo)致注漿工藝性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了諸多問題，注漿鉆孔結(jié)石率大于90%的合格點(diǎn)僅達(dá)到80.7%。通過取芯驗(yàn)證和基礎(chǔ)承載力試驗(yàn)檢測發(fā)現(xiàn)主要缺陷問題，各注漿缺陷頻率如表2所示。

表2 各注漿缺陷頻率表

由表2可以看出： 注漿工藝性試驗(yàn)中累計(jì)發(fā)現(xiàn)注漿缺陷60處，其中空洞缺陷46處，占總數(shù)的76.7%，是最主要的缺陷問題。為了進(jìn)一步把握問題現(xiàn)狀，找出問題癥結(jié)，將注漿范圍分為不同注漿區(qū)域，其中周邊區(qū)域?qū)挾葹? m，次周邊區(qū)域?qū)挾葹? m。注漿范圍分區(qū)示意如圖11所示。對注漿空洞缺陷按照不同區(qū)域邊線的距離進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯?周邊區(qū)域注漿空洞缺陷發(fā)生41次，占總?cè)毕輸?shù)的89.1%。

圖11 注漿范圍分區(qū)示意圖

表3 注漿空洞分布位置統(tǒng)計(jì)表

4.3.2 注漿缺陷原因分析

由表3可以看出： 空洞主要出現(xiàn)在周邊注漿區(qū)域，由此可以得出影響注漿合格率的主要缺陷為周邊區(qū)域空洞。針對注漿施工過程深入分析，找出了造成周邊孔注漿空洞的8條根本原因： 施工控制技術(shù)差、注漿泵額定壓力小、未摻加緩凝型減水劑、水泥品種選擇不合適、周邊止?jié){墻成型差、注漿孔間距大、注漿管出漿孔間距大、單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)不正確。通過逐一要因確認(rèn)發(fā)現(xiàn)，周邊止?jié){墻成型差是造成缺陷的最主要原因。周邊止?jié){墻之所以成型差，是因?yàn)樽{區(qū)的開敞范圍較大，隧道主洞左側(cè)至洞壁存在較大距離，注漿液凝固不及時(shí)將會向外擴(kuò)散，導(dǎo)致空洞出現(xiàn)，而隧道主洞右側(cè)為主溶蝕通道開口區(qū)，跑漿量更大，更難形成封閉止?jié){墻。

4.4 注漿材料及注漿工藝優(yōu)化調(diào)整

針對周邊止?jié){墻成型差提出2條解決方案： 1)區(qū)域周邊開挖澆筑混凝土止?jié){墻； 2)區(qū)域周邊注漿形成止?jié){墻。因注漿深度較大，回填體均為洞砟回填，較小尺寸開挖難以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)分析討論最終選擇區(qū)域周邊注漿形成止?jié){墻的方案，對注漿材料及注漿工藝進(jìn)行調(diào)整，并制定了以下解決措施。

4.4.1 改進(jìn)注漿漿液類型，加快漿液凝固，減少擴(kuò)散

普通水泥單液漿凝固時(shí)間為50 min，較長的凝固時(shí)間意味著較大的擴(kuò)散半徑，加快漿液凝固速度，減少漿液擴(kuò)散即可用較少的漿液更快更好地形成止?jié){墻?，F(xiàn)將注漿材料由水泥單液漿優(yōu)化為水泥-水玻璃雙液漿，水玻璃可促使水泥早凝，避免沉淀、析水，保證漿液的和易性和可注性，這樣可以加快漿液凝固速度，減少漿液流失。根據(jù)漿液配合比試驗(yàn)確定水泥漿∶水玻璃(體積比)為1∶0.6時(shí)，水泥-水玻璃雙液漿后漿液初凝時(shí)間均在5 min以內(nèi)，這樣不僅使?jié){液的凝固時(shí)間縮短,而且水玻璃的用量也大大減少。

4.4.2 優(yōu)化注漿工藝，多次注漿形成止?jié){墻

傳統(tǒng)的鋼花管注漿工藝在一次注漿后鋼花管將被注漿漿液填滿，不能進(jìn)行二次注漿，若再次注漿則必須重新鉆孔[15]。袖閥管注漿工藝通過孔內(nèi)封閉泥漿、單向密封袖閥管、注漿芯管上的上下雙向密封裝置減小了不同注漿段之間的相互干擾，降低了注漿時(shí)冒漿、串漿的可能性，能較好地控制注漿范圍和注漿壓力，而且還可進(jìn)行同一注漿段的重復(fù)注漿。

根據(jù)施工現(xiàn)場要求，周邊加密區(qū)止?jié){墻注漿孔深20 m，單孔袖閥管注漿分3次進(jìn)行。第1次注漿： 按照每注漿段50 m3漿液定量注入。第2次注漿： 每段注漿量達(dá)到50 m3或注漿機(jī)出口壓力達(dá)到0.5 MPa停止注漿。第3次注漿： 注漿機(jī)出口壓力達(dá)到1 MPa且注漿速度不大于10 L/min時(shí)說明周圍密實(shí)，即可結(jié)束注漿。

4.4.3 優(yōu)化注漿流程，多孔同時(shí)注漿減少漿液流失

由于回填體為加工回填洞砟，回填體內(nèi)部孔隙較大，注漿所用時(shí)間過長將會導(dǎo)致漿液擴(kuò)散流失過多，影響注漿效果。針對回填體孔隙大的問題，采用多孔同時(shí)注漿的方法，這樣可以使?jié){液在短時(shí)間內(nèi)充滿孔隙，減少漿液擴(kuò)散流失。

4.4.4 改進(jìn)袖閥管出漿口布置，定向注漿

在回填體注漿加固時(shí)，止?jié){墻的作用是圍住注漿區(qū)域，防止?jié){液向外擴(kuò)散，所以止?jié){墻并不需要太厚，只需要將中間注漿孔的漿液約束在注漿范圍內(nèi)即可。傳統(tǒng)的袖閥管出漿孔是朝向各個(gè)方向的，這樣就會導(dǎo)致注漿時(shí)厚度方向的漿液過多，影響止?jié){墻的施工速度。

根據(jù)現(xiàn)場需要，將傳統(tǒng)袖閥管進(jìn)行改進(jìn)，取消厚度方向出漿孔，只保留長度方向出漿孔，厚度方向只靠漿液擴(kuò)散即可滿足止?jié){墻需要，這樣可以提高止?jié){墻形成的速度和質(zhì)量，加快施工進(jìn)度。

4.5 最終注漿效果檢測評定

經(jīng)過以上注漿工藝優(yōu)化后，洞砟層上部20 m、隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)21 m范圍內(nèi)注漿合格率大幅提升，注漿結(jié)束后采用地質(zhì)雷達(dá)[16]結(jié)合取芯法同時(shí)進(jìn)行檢測驗(yàn)證。取芯孔數(shù)按不小于注漿孔數(shù)的5%進(jìn)行鉆孔檢查。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)分析及芯樣漿液充填情況直觀判斷注漿效果。共檢查注漿孔210點(diǎn)，鉆孔結(jié)石率超過90%的注漿孔195點(diǎn)，合格率為92.9%，遠(yuǎn)大于80.7%。不合格的鉆孔仍多發(fā)生在周邊注漿區(qū)，對此進(jìn)行了二次補(bǔ)漿處理，直至全部合格。通過抽檢部分取芯的試件看，試件單軸抗壓強(qiáng)度普遍高于25 MPa，基本達(dá)到C20強(qiáng)度要求。通過現(xiàn)場的注漿效果證明，采取上述注漿優(yōu)化工藝方案是可行的。

5 超厚回填體沉降監(jiān)測

高山隧道巨型溶洞超厚回填路基上部注漿施工完成后，隨著時(shí)間的延長與后期施工的作用，常會出現(xiàn)路基的整體沉陷與局部沉陷，特別是填挖方接頭處路基沉陷尤為突出。對于高山隧洞巨型溶洞，洞砟路基厚度為30～55 m，底部堆積體為37～66 m，工后沉降將十分明顯。為保證溶洞處理后鐵路運(yùn)營正常，本項(xiàng)目在后期的施工過程中對回填體表層沉降進(jìn)行在線監(jiān)測，表層沉降值為隧道中線沉降、級配層上邊線沉降和級配層下邊線沉降的平均值。匯總2017年9月1日至2019年1月1日回填體表層累計(jì)沉降數(shù)值，結(jié)果如圖12所示。

圖12 回填體表層累計(jì)沉降曲線

將圖12監(jiān)測曲線分為2018年8月前(回填期)和2018年8月后(結(jié)構(gòu)施作期)2部分，分別對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線回歸，結(jié)果如圖13所示?；靥铙w表層在2018年8月前(回填期)內(nèi)受級配碎石層和回填體注漿加固的施工影響，沉降在緩慢增加，但是沉降速率在逐步下降；到了2018年8月后(結(jié)構(gòu)施作期)，回填體表層沉降逐漸趨于穩(wěn)定。自溶洞回填體級配碎石層完成后至2018年8月，回填期內(nèi)平均沉降量為-211.68 mm；2018年9月隧道二次襯砌封頂后至2019年1月，結(jié)構(gòu)施作期內(nèi)隧道底板平均沉降量為-9.7 mm。通過回填體表層沉降趨勢圖并預(yù)算回填體最終沉降量小于250 mm，表明采用"洞砟回填+上部注漿"加固方式處理溶洞技術(shù)可行，沉降可控。

(a) 2018年8月前沉降趨勢圖

(b) 2018年8月后沉降趨勢圖

6 結(jié)論與體會

1)黔張常鐵路高山隧道高位斜穿巨型溶洞，溶洞體積超過100萬m3，綜合比選后采用"回填洞砟+上部注漿"加固的溶洞處置方案。溶洞空腔回填深度最大約47 m，洞砟回填厚度大，且回填過程中無法壓實(shí)，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，為了提高回填體整體性及控制回填沉降，回填至標(biāo)高750 m時(shí)對回填體上部20 m、隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)21 m范圍進(jìn)行注漿加固處理。

2)針對如何實(shí)現(xiàn)超厚回填體上部注漿加固問題，在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了上部回填體注漿加固設(shè)計(jì)，周邊加密區(qū)采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿中間區(qū)采用普通水泥單液漿，注漿時(shí)按照先周邊、后中間，跳孔分序進(jìn)行的順序進(jìn)行注漿，注漿時(shí)按照定量、定壓相結(jié)合的原則進(jìn)行注漿控制。通過數(shù)值模擬分析了注漿效果，分析表明注漿體一方面通過填充回填洞砟孔隙增加了上部荷載，起到了堆載壓密效果；另一方面有效隔離了列車動(dòng)載向下傳遞，防止回填體工后擾動(dòng)沉降。

3)在注漿施工檢測過程中發(fā)現(xiàn)注漿加固存在缺陷，針對注漿施工過程深入分析、排查發(fā)現(xiàn)周邊止?jié){墻成型差是造成注漿缺陷的最主要原因。經(jīng)討論選擇區(qū)域周邊注漿形成止?jié){墻為主要解決方案，并通過改善水泥漿類型、優(yōu)化注漿工藝和流程、改進(jìn)袖閥管出漿口布置等措施實(shí)現(xiàn)了封閉范圍內(nèi)密實(shí)注漿加固，最后采用地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合取芯法同時(shí)進(jìn)行檢測，表明注漿效果良好。深厚回填體上部注漿施工完成后在回填體表層進(jìn)行了沉降在線監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明采用"洞砟回填+上部注漿"加固方式處理溶洞技術(shù)可行，沉降可控。