菅永明

(貴州紫望高速公路建設(shè)有限公司，貴州 安順 560800)

我國交通基礎(chǔ)設(shè)施迅猛發(fā)展，但交通隧道工程數(shù)量快速增加的同時，也遇到各種不良地質(zhì)條件下的高施工難度和風(fēng)險的挑戰(zhàn)。隧道淺埋地段一般多出現(xiàn)在進(jìn)出口段，但受山區(qū)連綿起伏的山地形貌及環(huán)境保護(hù)的限制，在隧道的設(shè)計中穿越地形較為平坦的山谷地帶也并不鮮見[1]。由于山谷地帶屬于兩側(cè)山體坡腳的交會處，降雨沿兩側(cè)山坡流至山谷平緩地帶而漫流，因而此地段的地層除了軟弱破碎，而且還含水量較大。由于山谷淺埋段地層松軟破碎，含水量大，因而圍巖穩(wěn)定性極差，在隧道施工過程中極易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)坍塌至地表。為保證施工安全，必須從洞內(nèi)、洞外對軟弱圍巖進(jìn)行加固，加強支護(hù)，采用合理工法進(jìn)行施工。

1 工程概況

貴州省紫望高速紫云隧道位于安順市紫云縣境內(nèi)，為雙向四車道分離式隧道。紫云隧道左、右洞長分別為2 159 m和2 120 m，左、右洞最大埋深分別為262.1 m和255.2 m。紫云隧道工程區(qū)屬溶蝕峰林谷地及低中山地貌，山體自然坡度30～65°，植被發(fā)育。

紫云隧道左洞山谷平地左洞ZK7+928—ZK7+976段落橫向坡度較緩，平均埋深約16.8 m。該段隧道圍巖為Ⅴ級，開挖跨度為12.86 m，開挖高度10.24 m(含預(yù)留變形量)，見圖1。地層巖性主要為粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化頁巖、強風(fēng)化頁巖及強風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r夾燧石巖，含水量較大。強風(fēng)化巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，拱部開挖時易坍塌至地表，側(cè)壁易失穩(wěn)。由于此段落地表為山間過水通道，地勢較為平坦，集中降雨狀態(tài)下隧道開挖后可能呈淋雨狀出水。

圖1 山谷淺埋段設(shè)計斷面(單位：cm)

根據(jù)山谷段隧道埋深較淺、圍巖破碎且含水量較大的特點，決定采用地表注漿方式對地層進(jìn)行加固，以提高圍巖穩(wěn)定性。地表注漿與洞內(nèi)施工平行作業(yè)，從而避免了洞內(nèi)注漿對洞內(nèi)隧道正常施工的干擾，對加快隧道施工進(jìn)度有利。

2 地表注漿加固

2.1 加固范圍的確定

地表注漿采用袖閥管滲透注漿方式加固地層。注漿加固地層是在一定注漿壓力的作用下將漿液通過鋼花管壁上的注漿孔壓入滲透到地層，填充地層中的裂隙或孔洞并凝結(jié)硬化，與破碎圍巖一起形成固體。所形成的固結(jié)體的力學(xué)性能比原地層力學(xué)性能有顯著改善，從而有效提高地層的穩(wěn)定性，促使隧道開挖后在圍巖中形成穩(wěn)定承載拱。

根據(jù)山谷淺埋破碎段圍巖的特點，注漿加固范圍為淺埋段隧道斷面兩側(cè)輪廓外8 m、隧道拱頂以上10 m和仰拱以下2 m范圍，地表以下6.5 m范圍作為止?jié){段，如圖2所示。

圖2 注漿加固范圍(單位：m)

2.2 注漿技術(shù)參數(shù)

依據(jù)所注漿加固技術(shù)的功能性、適用性、經(jīng)濟性和可實施性來制定地表注漿加固方案。紫云隧道山谷淺埋段圍巖主要為強風(fēng)化和全風(fēng)化地層，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，因而地表鉆孔直徑90 mm，縱橫間距為1.2 m×1.2 m，注漿孔梅花形布置，擴散半徑0.75 m。左洞地表注漿鉆孔位置如圖3所示。

圖3 地表注漿孔布置

漿液采用滲透性好、穩(wěn)定性強、價格便宜的水泥基漿液。注漿范圍周邊孔的注漿漿液采用水泥漿-水玻璃雙漿液，在加固范圍外圍形成約束，避免漿液擴散到地層加固區(qū)以外，內(nèi)部孔采用單水泥漿。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽，水玻璃模數(shù)不小于3.0，波美度不低于40 Be'，注漿時稀釋成15～20 Be'。水泥漿水灰比1∶0.8～1∶1，水泥漿與水玻璃雙漿液的體積比為1∶1，雙漿液的漿液初凝時間為90～110 s。地層孔隙率0.35～0.45，孔隙填充率取0.6，則預(yù)估單孔注漿漿液量為8.2～11.8 m3。注漿壓力控制在0.5～2.0 MPa。

2.3 注漿方案實施

袖閥管注漿是在注漿壓力作用下把漿液壓入裂隙地層，利用注漿芯管上的阻塞器可以實現(xiàn)分層或分段注漿，可根據(jù)地層破碎特性或注漿實際需要來確定鉆孔注漿區(qū)段或注漿范圍，實現(xiàn)分段注漿。采用袖閥管分段注漿工藝，可以有效解決普通靜壓注漿工藝注漿加固范圍難以控制的問題。

袖閥管主要由袖閥注漿管、管外套殼料和注漿內(nèi)套管組成[2]。袖閥注漿管由鋼質(zhì)內(nèi)管和鈣塑聚丙烯塑質(zhì)的塑料外管組成，外管內(nèi)徑68 mm、內(nèi)管外徑48 mm，內(nèi)外管壁上均鉆設(shè)直徑8 mm的溢漿孔，如圖4。在外管溢漿孔處外套耐橡膠套，注漿時，漿液在壓力作用下通過出漿孔被壓入地層，而圍巖中的裂隙水或土顆粒不能進(jìn)入注漿管中，也即溢漿孔具有單向閥的作用。鉆孔管壁與袖閥管外管之間充滿水泥-粘土漿液的套殼料。

圖4 袖閥管構(gòu)造

注漿順序采用先注加固范圍的周邊孔，然后從外向內(nèi)依次推進(jìn)完成所有內(nèi)部孔注漿。對每排注漿孔采用從兩端到中間的順序灌注，以盡量降低冒漿的可能性。為保證注漿加固效果，采用從下向上分段注漿方式，分段長度0.6 m。隨著注漿的進(jìn)行，漿液流量逐漸減小，而壓力逐漸增大。當(dāng)流量降低至6 L/min以下，壓力也逐漸增大，當(dāng)注漿壓力穩(wěn)定在2.0 MPa持續(xù)10 min后結(jié)束本段注漿。

2.4 鉆孔取芯檢查

為了搞清楚袖閥管注漿對淺埋段破碎圍巖的加固效果，對注漿固結(jié)體取芯，檢查裂隙圍巖-漿液固結(jié)體的整體性，測試固結(jié)體強度。在隧道中線及開挖輪廓兩側(cè)共取芯3處。取芯檢查結(jié)果表明，注漿孔周邊圍巖中的裂隙幾乎全部被漿液填充。對固結(jié)體巖芯進(jìn)行養(yǎng)生，測得其無側(cè)限抗壓強度6.7～12.2 MPa，平均值為10.2 MPa，滿足規(guī)范中28 d抗壓強度不低于5.8 MPa的要求。

3 地表注漿加固效果分析

為驗證地表袖閥管注漿對地層的加固效果，采用FLAC3D軟件建立三維數(shù)值模型對隧道施工過程中圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行分析。

3.1 計算模型

將地層及注漿加固區(qū)均視為摩爾-庫侖理想彈塑性材料，初期支護(hù)視為均勻的理想彈性材料，提高初期支護(hù)材料的彈模來間接考慮鋼拱架的作用。超前小導(dǎo)管注漿加固效果等效為加固區(qū)來考慮。地層和初支均用六面體實體單元模擬，錨桿采用cable單元模擬。通過提高注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)來考慮地層注漿加固效果。數(shù)值計算模型如圖5所示。

圖5 三維數(shù)值計算模型

3.2 材料計算參數(shù)

地層的力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查資料確定，注漿加固區(qū)的力學(xué)參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗值確定，支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)根據(jù)規(guī)范確定，模型計算參數(shù)如表1所示。

表1 模型計算參數(shù)

3.3 計算結(jié)果分析

計算模擬臺階法施工，開挖進(jìn)尺0.6 m，上下臺階開挖面錯開4.2 m，上臺階開挖超18 m后開始施作仰拱，每次施作2.4 m。以模型中部截面為研究對象，分析隧道施工引起的變形及支護(hù)受力特點，判斷注漿加固效果是否滿足施工要求。

3.3.1 變形

圖6為施工過程斷面拱頂上方地表沉降、拱頂沉降及水平收斂曲線?？梢钥闯?，隧道拱頂沉降和水平收斂均是在開挖面到達(dá)時變化速率最大，隨后隨著開挖面離開監(jiān)測斷面距離的增大，變形逐漸趨于穩(wěn)定，地表沉降變化較為緩和。隧道拱頂沉降和地表沉降最大值分別為14.9 mm和7.2 mm，水平收斂最大值為20.5 mm。圍巖經(jīng)過注漿加固后，有效控制了圍巖變形。

圖6 隧道施工過程中變形曲線

3.3.2 支護(hù)受力

圖7為初支噴層的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖。支護(hù)結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1.42 MPa，小于C25噴混凝土的極限抗拉強度；最大壓應(yīng)力為4.8 MPa，遠(yuǎn)小于其抗壓強度，因而支護(hù)受力是安全的。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)主應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.3.3 錨桿應(yīng)力

圖8為模擬施工完成后錨桿的軸力分布云圖。兩側(cè)邊墻處的錨桿中部應(yīng)力最大，最大拉應(yīng)力為44.8 MPa，遠(yuǎn)小于錨桿的抗拉強度。

圖8 錨桿應(yīng)力云圖(單位：Pa)

3.3.4 圍巖塑性區(qū)分布

從圖9隧道周邊圍巖塑性區(qū)分布可以看出，由于注漿加固后地層穩(wěn)定性明顯提高，隧道開挖后圍巖塑性區(qū)厚度較小。在超前支護(hù)保護(hù)下，拱部塑性區(qū)厚度小于兩側(cè)邊墻處的厚度。錨桿也穿透了圍巖塑性區(qū)，進(jìn)入彈性區(qū)穩(wěn)定地層。

圖9 圍巖塑性區(qū)分布

從以上對數(shù)值計算結(jié)果的分析可以看出，經(jīng)過地表袖閥管注漿對地層進(jìn)行加固，隧道圍巖穩(wěn)定性得到顯著提升，可以保證施工安全，因而，此山谷淺埋段隧道可以采用工序簡單的臺階法施工。

4 開挖及支護(hù)

4.1 超前加固

由于在地表對淺埋段隧道破碎圍巖進(jìn)行了袖閥管注漿加固，鉆孔取芯結(jié)果表明圍巖裂隙被漿液充滿，凝固漿液與裂隙巖體形成了具有較好力學(xué)性能的固結(jié)體，圍巖穩(wěn)定性得到顯著改善。因而，隧道超前支護(hù)可以采用剛度和強度相對較為適中的超前注漿小導(dǎo)管。

小導(dǎo)管布置在拱部120°范圍，長4 m，直徑42 mm，環(huán)向間距3根/m，外插角10～15°，每循環(huán)開挖2.4 m，前后相鄰兩個循環(huán)搭接1.5 m。注漿漿液采用0.8∶1～1∶1的水泥漿，必要時可采用水泥-水玻璃雙漿液，注漿壓力控制在0.5～1.0 MPa。超前小導(dǎo)管尾端固定在鋼拱架上。

4.2 開挖工法及支護(hù)方案

原破碎圍巖經(jīng)過袖閥管注漿加固后，地層穩(wěn)定性得到顯著提升，因而選擇施工工序較為簡單的臺階法施工，必要時上臺階可以預(yù)留核心土支擋開挖面。用小炮配合機械開挖，掘進(jìn)進(jìn)尺為0.6 m。

隧道上臺階開挖之前先施作注漿小導(dǎo)管超前支護(hù)。每部開挖后及時掛?6.5 mm鋼筋網(wǎng)，分次噴射C25噴混凝土初期支護(hù)，噴層厚度26 cm，架設(shè)I20b鋼拱架，間距0.6 m，相鄰兩榀鋼架之間用間距1 m的?22 mm螺紋鋼連接。在拱架兩側(cè)底端各打設(shè)長3 m ?42 mm的注漿鎖腳錨管2根，并與鋼架連接牢靠。打設(shè)上臺階系統(tǒng)錨桿，拱部錨桿采用長3.5 m的?25 mm中空注漿錨桿，其它部位采用砂漿錨桿。錨桿間距0.6 m×1.2 m(環(huán)×縱)，梅花形布置。依次開挖支護(hù)下臺階及仰拱，實現(xiàn)仰拱封閉。在開挖過程中出現(xiàn)局部滲水滴水現(xiàn)象，但未發(fā)現(xiàn)有股狀流水。

4.3 變形監(jiān)測

在隧道施工過程中進(jìn)行了拱頂沉降現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測斷面拱頂沉降值分別為13.4 mm和12.0 mm，略小于模擬計算結(jié)果的14.9 mm。

5 結(jié)論

(1)基于紫云隧道山谷緩坡地段隧道埋深淺、圍巖破碎、地下水豐富等不利地質(zhì)條件導(dǎo)致隧道開挖后穩(wěn)定性差的工程實際情況，采用地表袖閥管注漿技術(shù)對隧道周邊圍巖進(jìn)行注漿加固，從而降低圍巖滲透性，有效提升圍巖穩(wěn)定性，保證隧道施工安全。

(2)為檢查地表袖閥管注漿對地層的加固效果，利用地質(zhì)鉆機對注漿加固范圍內(nèi)取芯并進(jìn)行抗壓強度試驗，28 d無側(cè)限抗壓強度平均值達(dá)到10.2 MPa，滿足規(guī)范要求。隧道開挖過程中雖然出現(xiàn)了局部滲水滴水的情況，但未發(fā)現(xiàn)股狀流水。

(3)建立三維數(shù)值模型，對注漿加固后圍巖在隧道施工過程中的力學(xué)性態(tài)進(jìn)行分析。從地表沉降、隧道變形、初期支護(hù)噴層應(yīng)力、錨桿應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)特征來看，采用袖閥管注漿對地層進(jìn)行加固后，圍巖穩(wěn)定性得到有效提升，能夠保證隧道施工安全。數(shù)值計算結(jié)果和隧道施工中拱頂沉降位移現(xiàn)場實測結(jié)果表明了注漿加固效果的有效性。