陳 燕

(四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 成都 610047)

目前，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方面文獻(xiàn)[1-4]通過(guò)應(yīng)用各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)得出了巖溶地層和地下水體的分布規(guī)律，并為注漿加固設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。文獻(xiàn)提出了外堵內(nèi)固注漿法的設(shè)計(jì)新理念，并在宜萬(wàn)鐵路建設(shè)中得到成功實(shí)踐，同時(shí)總結(jié)了高壓富水巖溶地層注漿效果評(píng)定方法及標(biāo)準(zhǔn)。 李慎奎等[5]以武漢地鐵隧道工程為依托，根據(jù)巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型分類(lèi)總結(jié)了注漿填充、巖層注漿帷幕、土層隔離、旋噴加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)入巖等處理措施。李治國(guó)等[6]結(jié)合具體工程實(shí)例，提出了巖溶處理的原則，探討了不同巖溶類(lèi)型的處理方法。羅三等[7]結(jié)合具體工程項(xiàng)目，有針對(duì)性地提出了巖溶隧道施工處理方案。

隧道及地下工程地層注漿目的是加固和防水，注漿方式包括預(yù)注漿與后注漿。預(yù)注漿有地表注漿、全斷面超前預(yù)注漿、超前帷幕注漿、超前局部注漿等方法。后注漿有徑向系統(tǒng)注漿、徑向局部注漿、徑向隨機(jī)注漿方法，后注漿是預(yù)注漿的補(bǔ)充，對(duì)地層做進(jìn)一步的加固，封堵滲漏水點(diǎn)，隧道工程注漿常根據(jù)地層巖性及地質(zhì)、水位條件，采用多種注漿方式相結(jié)合來(lái)加固地層，封堵地下水滲流路徑。

1 工程概況及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

白楊林隧道是成貴高速鐵路站前工程15標(biāo)段高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，全長(zhǎng)1 780 m，隧區(qū)以喀斯特地貌溶蝕地層為主，地形起伏不大，周邊地層溶蝕明顯。根據(jù)隧道地勘報(bào)告，預(yù)測(cè)在DK473+170-DK473+420，DK473+540-DK473+570，DK473+740-DK473+780，DK473+380-DK473+550范圍可能存在斷層破碎帶、可溶巖與非可溶巖接觸帶、熔腔、溶槽及其填充物、煤層與采空區(qū)，因此，施工行為有可能改變地下水徑流線(xiàn)路，導(dǎo)致地表水位變化，影響周邊居民用水。

鑒于隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，不良地質(zhì)體類(lèi)型多，為了確保超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，決定建立以地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，多種物探方法相結(jié)合的方式進(jìn)行比較分析，地質(zhì)素描以地勘報(bào)告為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、掌子面地質(zhì)素描，預(yù)測(cè)掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造變化。

物探采用地震波法(TSP)、電磁波法(地質(zhì)雷達(dá))相結(jié)合的方式進(jìn)行，開(kāi)展長(zhǎng)距離、短距離位置的不良地質(zhì)體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并相互驗(yàn)證，同時(shí)結(jié)合紅外線(xiàn)探水，進(jìn)一步探明巖體富水的情況。為了進(jìn)一步驗(yàn)證不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置、空間形態(tài)，采用超前鉆孔，做進(jìn)一步探測(cè)，掌握不良地質(zhì)體準(zhǔn)確信息，包括斷層破碎帶寬度、破碎程度，熔腔溶槽填充物的類(lèi)別、滲透性、土顆粒的組成、孔隙率、飽和度，地下水量、水壓和水質(zhì)等物理化學(xué)性質(zhì)，并以此為依據(jù)確定注漿方式、擬定注漿參數(shù)、推測(cè)注漿效果。

2 全斷面超前預(yù)注漿方案及注漿要求

2.1 超前預(yù)注漿方案及漿液配比

根據(jù)白楊林隧道施工里程樁號(hào)DK473+765開(kāi)挖上臺(tái)階掌子面的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提示，前方8～10 m出現(xiàn)富水軟弱帶，長(zhǎng)度約50 m，且本段設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)V級(jí)。隧道斷面DK473+760鉆進(jìn)過(guò)程中有黃褐色股狀泥漿水吹出，有砂礫沉淀，鉆桿無(wú)冒進(jìn)、卡鉆現(xiàn)象，鉆孔深度為35 m，結(jié)合圍巖設(shè)計(jì)等級(jí)、物探、鉆探，推測(cè)掌子面前方為溶槽填充物。經(jīng)建設(shè)、監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工四方現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，決定在DK473+760-710范圍采用超前全斷面預(yù)注漿工藝。

注漿范圍為隧道開(kāi)挖線(xiàn)外5 m，每循環(huán)注漿段長(zhǎng)30 m，開(kāi)挖25 m，預(yù)留5 m作為止?jié){巖盤(pán)，首環(huán)注漿加固方案見(jiàn)圖1[8]，當(dāng)采用臺(tái)階法開(kāi)挖施工時(shí)，按上下臺(tái)階范圍內(nèi)注漿孔分上、下臺(tái)階超前預(yù)注漿。

圖1 全斷面(帷幕)超前注漿示意圖(尺寸單位：m)

2.2 注漿參數(shù)與漿材要求

1) 注漿壓力。巖石地層注漿壓力宜比靜水壓力大0.5～1.5 MPa，當(dāng)靜水壓力較大時(shí)，宜為靜水壓力的3～5倍[9-10]；注漿泵的壓力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的1.3～1.5倍。

2) 單孔注漿量計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。

Q=πR2Hηαβ

(1)

式中：R為注漿加固半徑，R=(0.6～0.7)L；H為注漿段長(zhǎng)度；η為巖體空隙率；α為漿液有效填充系數(shù)，一般取0.8～0.9；β為漿液損耗系數(shù)，為1.15。

3) 注漿加固范圍。注漿區(qū)域按圍巖止水的有效范圍進(jìn)行計(jì)算，全斷面帷幕預(yù)注漿范圍為開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外5 m。

4) 注漿孔布置。全斷面帷幕注漿孔間距一般為注漿擴(kuò)散半徑的1.5～1.75倍，可根據(jù)注漿加固范圍、注漿擴(kuò)散半徑均勻布置注漿孔。

5) 注漿材料性能參數(shù)要求

水泥：周邊三圈帷幕孔采用雙液漿材，其余內(nèi)圈孔間隔采用硫鋁酸鹽水泥漿材、普通水泥漿材，水泥強(qiáng)度等級(jí)不低于R42.5號(hào)，細(xì)度要求為通過(guò)80μm方孔篩的篩余量不宜大于5%。

砂：質(zhì)地堅(jiān)硬的天然砂或人工砂，細(xì)度模數(shù)不大于2.0，最大粒徑不大于2.5 mm，含泥量小于3%，有機(jī)物含量小于3%。

水玻璃：模數(shù)2.4～3.0，波美度(濃度)30～40 Be。

緩凝劑：磷酸二氫鈉，純度>98%。

6) 漿液配合比與功能指標(biāo)要求。根據(jù)斷層破碎帶破碎程度、富水情況、滲水壓力與流量、范圍等按表1確定的配合比先行開(kāi)展單孔注漿試驗(yàn)，并根據(jù)注漿量、注漿壓力、持續(xù)時(shí)間，調(diào)整漿材配合比，特別在節(jié)理裂隙發(fā)育地層，注漿量持續(xù)不降、壓力不增加情況下，需提高漿液稠度、添加河沙或惰性材料。各種漿材的功能性指標(biāo)見(jiàn)表2～表4。

表1 注漿初始配合比

表2 普通硅酸鹽水泥漿液配比及功能指標(biāo)表

表3 注漿初始配合比

表4 雙液注漿配比及功能指標(biāo)表

3 白楊林隧道超前注漿加固技術(shù)

3.1 注漿前處理

采用帶止水裝置的RPD150C(鉆孔深度≥100 m)地質(zhì)鉆機(jī)作為鉆孔設(shè)備；KBY50/60注漿機(jī)作為主要注漿設(shè)備。鉆孔過(guò)程中，觀察地層巖性、鉆進(jìn)狀態(tài)、地下水滲漏狀態(tài)及流量。從外圈向內(nèi)圈每環(huán)間隔注漿，先奇數(shù)編號(hào)孔，然后偶數(shù)編號(hào)孔，后續(xù)鉆孔過(guò)程中，可通過(guò)觀察鉆碴膠結(jié)情況和顏色檢查前序孔漿液滲透效果。

采用前進(jìn)式分段注漿，注漿孔口段安裝直徑100 mm孔口管，后續(xù)注漿段采用直徑76 mm鉆頭成孔。通過(guò)孔口管鉆進(jìn)5 m后，停止鉆孔，進(jìn)行注漿施工，之后每鉆進(jìn)5～7 m，再注漿，如此循環(huán)完成單孔循環(huán)注漿，分段前進(jìn)式注漿步序見(jiàn)圖2。

圖2 前進(jìn)式注漿步序示意圖

3.2 漿液制備與注漿工藝控制

注漿方法有2種，分別為周邊帷幕孔注漿法與中間孔注漿法。周邊帷幕孔注漿法采用雙液漿，每注漿段先行安裝止?jié){塞，接通水泥漿液管路，調(diào)試設(shè)備，低壓開(kāi)機(jī)，當(dāng)注漿壓力達(dá)到試壓漿要求值,注漿流量小于10 L/min,并維持10 min以上后，采用單液漿繼續(xù)送漿3 min，避免管路堵塞。結(jié)束該段注漿，釋放止?jié){塞內(nèi)壓力，后退止?jié){塞一個(gè)注漿步距進(jìn)行第二段注漿，雙液漿注漿工藝流程見(jiàn)圖3。中間孔注漿法是指內(nèi)圈孔自第二圈開(kāi)始向內(nèi)，交替采用普通硅酸鹽水泥單液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿。各圈按周邊孔順序逐孔分段注漿，注漿要求與周邊帷幕孔相同。

圖3 雙液漿注漿流程示意圖

注漿管路連接完畢后，壓水檢查注漿管路的密閉性和各連接接頭的牢固性，以防止注漿過(guò)程中脫節(jié)傷人。注漿開(kāi)始時(shí)，先打開(kāi)進(jìn)漿閥，再關(guān)閉泄?jié){閥，注漿結(jié)束時(shí)，先打開(kāi)泄?jié){閥，再關(guān)閉進(jìn)漿閥，待泄壓后拆卸注漿管路。注漿過(guò)程中，若地層吸漿量大，注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間不上升，應(yīng)調(diào)整漿液配合比，縮短漿液凝膠時(shí)間或調(diào)整漿液比重，以達(dá)到控制注漿范圍的目的。若注漿壓力突然上升，立即停止注漿泵工作，打開(kāi)泄?jié){閥卸壓，找明原因后再?zèng)Q定該孔是否繼續(xù)注漿，如系管路堵塞，清除故障后繼續(xù)注漿，否則結(jié)束該孔注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)注漿效果驗(yàn)證

注漿效果的評(píng)價(jià)方法有單孔p-Q-t曲線(xiàn)分析評(píng)價(jià)法、鉆孔取芯檢查檢查法與掌子面開(kāi)挖后觀察法，通過(guò)分析單孔注漿p-Q-t曲線(xiàn)，判斷單孔注漿效果，當(dāng)p-t曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)，Q-t曲線(xiàn)呈下降趨勢(shì)，且注漿壓力不小于3 MPa，進(jìn)漿速度小于8 L/min時(shí)，可視為注漿效果滿(mǎn)足要求，單孔可停止注漿。鉆孔取芯檢查檢查法是在全斷面預(yù)注漿，共設(shè)置130個(gè)注漿孔，按規(guī)范要求3%抽簽率，取芯檢查孔不少于4個(gè)，若采用臺(tái)階法施工，則上下臺(tái)階各取2個(gè)檢查孔。通過(guò)對(duì)比注漿前后取芯率、芯樣變化、完整芯樣的強(qiáng)度，判斷注漿效果，且取芯率大于70%，芯樣強(qiáng)度不小于0.2 MPa，鉆孔涌水量小于0.1 L/(min·m)或單點(diǎn)涌水量小于1.5 L/min，孔內(nèi)無(wú)涌砂涌泥現(xiàn)象，則注漿效果滿(mǎn)足要求。掌子面開(kāi)挖后觀察法則主要是主要觀察掌子面地層漿液的充填情況、自穩(wěn)定情況、滲漏水情況。本次全斷面預(yù)注漿為上臺(tái)階注漿，周邊三圈孔共58個(gè)，采用雙液漿，總注漿量2 064.5 m3，平均單孔注漿量35.6 m3；內(nèi)圈孔共22個(gè)，分別采用普通硅酸鹽水泥單液漿、硫鋁酸鹽水泥單液漿進(jìn)行了試驗(yàn)性注漿，總注漿量347.6 m3，單孔注漿量15.8 m3，單孔注漿記錄曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 p-Q-t曲線(xiàn)圖

分別在距拱頂0.5 m位置、注漿斷面中心以下0.6 m位置，鉆孔檢查注漿效果，測(cè)算取芯率、芯樣強(qiáng)度，注漿前后芯樣對(duì)比見(jiàn)圖5與圖6。

圖6 斷面中心部位注漿前后芯樣比較

掌子面的注漿效果與取芯孔內(nèi)成像與掌子面的注漿效果見(jiàn)圖7，根據(jù)取芯孔采用孔內(nèi)成像儀觀察地層漿液滲透情況，可以看出漿液與土層充分膠結(jié)，觀察掌子面穩(wěn)定與漿液、土層膠結(jié)效果明顯。而注漿前掌子面滲漏水達(dá)到485 m3/d，注漿后基本未見(jiàn)明顯滲水，且開(kāi)挖洞壁穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)到的收斂變形與拱頂下沉速度均小于控制值。

圖7 取芯孔內(nèi)成像與掌子面注漿效果

5 結(jié)論

通過(guò)白楊林隧道巖溶地層超前預(yù)注漿技術(shù)應(yīng)用及注漿效果相關(guān)研究，本文得出如下主要結(jié)論。

1) 白楊林隧道第一環(huán)全斷面預(yù)制漿實(shí)踐，內(nèi)環(huán)孔采用了2種漿液，目的在于充分利用硫鋁酸鹽水泥早強(qiáng)特點(diǎn)，及時(shí)加固圍巖、加快開(kāi)挖進(jìn)度，但硫鋁酸鹽水泥漿液注漿效果不及普通硅酸鹽水泥單液漿注漿效果好，同時(shí)采用2種水泥漿液交替使用，頻繁變更材料，導(dǎo)致注漿進(jìn)度更慢，且硫鋁酸鹽水泥漿凝結(jié)時(shí)間短，需要參加緩凝劑才能延長(zhǎng)初凝時(shí)間，否則易出現(xiàn)堵管，增加注漿成本。

2) 漿液配比是基于地質(zhì)、水文條件、注漿目的擬定的基準(zhǔn)配比，并在注漿過(guò)程中，需要根據(jù)注漿狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整，特別要注意水灰比大小、水玻璃摻量多少對(duì)可注性、膠凝材料的強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間的影響，據(jù)此控制注漿范圍，實(shí)現(xiàn)注漿目的。從實(shí)施效果看，周邊帷幕孔采用雙液漿，防堵水效果明顯。

3) 全斷面超前預(yù)注漿是隧道軟弱地層加固、防水的重要關(guān)鍵手段，同時(shí)技術(shù)要求高，實(shí)踐性很強(qiáng)，沒(méi)有豐富的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，需針對(duì)項(xiàng)目具體的地質(zhì)、水文條件、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及時(shí)調(diào)整注漿參數(shù)和漿材特性，否則難于達(dá)到預(yù)期目的，故及時(shí)總結(jié)并積累經(jīng)驗(yàn)十分必要。