劉雪冬

(中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 引言

我國幅員遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在隧道施工過程中，經(jīng)常遭遇軟弱破碎圍巖地質(zhì)條件等地質(zhì)情況相對較差的地層，尤其是第四系與第三系巖層斜交地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，是近年來修建隧道過程中遇到的一個(gè)新的難題，給施工過程帶來許多困難。地下工程預(yù)加固注漿主要由地表垂直注漿與洞內(nèi)超前全斷面注漿2種，根據(jù)不同的條件進(jìn)行合理選擇，綜合成孔難度、注漿工藝操作性、注漿可靠性以及對洞內(nèi)開挖的影響等因素看，地表注漿更加具有優(yōu)勢，推廣的價(jià)值更高。

2 工程背景

依托東北高寒地區(qū)哈牡客專工程愛民隧道，位于黑龍江省牡丹江市，全長2940m，為雙線隧道。隧道埋深較淺，暗挖最大埋深60m，最小覆土厚度8m。地表地質(zhì)情況為表覆第四系松散沉積層，下伏第三系砂泥巖、玄武巖及燕山期花崗巖，接觸關(guān)系復(fù)雜，黏性土具有弱～中等膨脹性，含水量較大，隧道穿行于土石界面中，地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖穩(wěn)定性差，地表注漿段埋深8~20m。屬于鐵路總公司“地質(zhì)條件復(fù)雜、淺埋、大跨、偏壓、富水、高寒”的極高風(fēng)險(xiǎn)隧道。對該段實(shí)施地表劈裂注漿處理，提高圍巖強(qiáng)度，降低圍巖的透水性能，加強(qiáng)隧道成拱作用，確保隧道施工安全。

圖1 地表注漿區(qū)地質(zhì)縱斷面圖

3 注漿方案

3.1 作用機(jī)理

在注漿壓力作用下，漿液克服了地層的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，使地層沿垂直于小主應(yīng)力的平面上發(fā)生劈裂，漿液進(jìn)入劈裂地層形成脈狀漿液固結(jié)體。脈狀漿液固結(jié)體、由于漿液與地層顆粒的化學(xué)作用以及因漿液脈狀滲透的注漿壓力而擠密的地層、未受注漿影響的原始地層一起組成一種復(fù)合地基，可共同承受外部荷載。劈裂注漿通過形成網(wǎng)狀劈裂脈，使土體的力學(xué)性質(zhì)及透水性得以改善，在層狀軟巖中則產(chǎn)生水平劈裂裂隙。

3.2 實(shí)施方案

3.2.1 加固范圍

加固寬度為隧道兩側(cè)最大跨處向外6m，加固深度為自隧底下1m加固至拱頂上6m范圍，加固總寬度為25.82m，鉆孔最深為30.5m，單孔注漿加固長度為18.9m。如圖所示。

圖2 斷面加固范圍

3.2.2 孔位布置

現(xiàn)場選取50m作為試驗(yàn)段，采用地表徑向大孔徑深孔注漿工法，確定注漿的擴(kuò)散半徑1.5m，注漿孔間距2.0m，等邊三角形布置，鉆孔直徑108mm，注漿管采用外徑76mm、壁厚5mm，定向注漿管，采用氣囊式止?jié){塞。接頭采用φ89 mm、壁厚5mm外套管滿焊連接，在注漿管底部加悶蓋。

黏土孔隙率：黏土在勘探過程中，鉆探口徑及鉆具規(guī)格符合現(xiàn)代國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，成孔口徑滿足取樣、測試以及鉆進(jìn)工藝的要求，勘察施工按照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）執(zhí)行；標(biāo)貫試驗(yàn)采用Φ42mm鉆桿作為觸探桿，自由落錘，并按規(guī)范定試驗(yàn)?？碧浇Y(jié)果數(shù)據(jù)為：標(biāo)貫試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值N=4.4，孔隙比平均值e=0.74?？紫堵师?e/(1+e)=0.425。

注漿量計(jì)算過程：根據(jù)勘察報(bào)告及相關(guān)地質(zhì)資料每米孔深注入水泥漿量公式按Q=1000vηβα。Q-每米注漿量（m3）；v-預(yù)加固土體積（m3）；η-土的孔隙率；β-漿液填充系數(shù)；α-漿液損耗系數(shù)一般取1.1～1.3。

通過計(jì)算Q=3.421×0.425×0.3×1.2=0.523m3/m。

3.2.3 注漿材料

隧道開挖輪廓線外兩側(cè)主要采用普通水泥-水玻璃雙液漿形成擋墻，輪廓線內(nèi)主要采用普通水泥漿單液漿。當(dāng)內(nèi)部地下水豐富，地下水活動(dòng)較強(qiáng)，吸漿量大，注漿壓力不上升的情況下內(nèi)外均采用雙液漿。并根據(jù)施工需要適當(dāng)摻入外加劑調(diào)整漿液的流動(dòng)性，最終確定使用P.O42.5水泥，水玻璃采用出廠濃度45Be‘，模數(shù)2.4～3.4水玻璃。

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)，終配比為：外圈雙液漿封孔采用水灰比為1:1，水泥漿與水玻璃體積比為1:1，水玻璃使用時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整到35Be‘，凝膠時(shí)間60s。套殼料配比（水:灰:膨潤土）=1.6:1:1，注漿速率10～90L/min。

3.2.4 注漿次序及壓力控制

注漿順序選擇應(yīng)從外圍達(dá)到“圍、堵、截”的目的，在內(nèi)部應(yīng)達(dá)到“填、壓、擠”的目的。劈裂注漿過程是重復(fù)注漿的過程，隨著注漿次數(shù)的增加，首先將大的地層空隙充填，逐漸壓密，最后劈裂，注漿壓力也會(huì)隨著次數(shù)的增多而增大。單管注漿壓力控制順序：注漿采用單孔分段定量控制→提升注漿管（維持終壓穩(wěn)壓5～10min）→單管單次注漿結(jié)束→洗孔→復(fù)注，直至升壓至終壓為止，為保證擠密～劈裂效果，終壓定為4～6MPa。

4 注漿效果分析

現(xiàn)場實(shí)測分析如下。

4.1 掌子面開挖揭示對比

通過觀察掌子面開挖后的揭示，注漿前掌子面滲水，膠結(jié)較差，含水率較低，承載力低，開挖擾動(dòng)后拱頂多發(fā)生坍塌現(xiàn)象，變形嚴(yán)重；注漿后掌子面漿脈明顯，壓密~劈裂的效果非常明顯，直立穩(wěn)定性明顯增加。

圖3 注漿前掌子面土體剝落初支開裂變形

圖5 注漿后鉆芯取樣

4.2 取芯情況

采用取芯鉆機(jī)在地表向下取芯，夾雜碎石的黏土地層注漿后取芯呈圓柱形態(tài)，通過觀察，可見漿液擴(kuò)散厚度和填充情況，證明開挖后能夠保證掌子面的穩(wěn)定，圍巖密實(shí)程度增加。

4.3 注漿填充率

注漿周邊孔在注漿過程以注漿量進(jìn)行控制，表現(xiàn)為先序孔填充地層空隙，在達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量后，壓力不上升，調(diào)整漿液凝膠時(shí)間，以達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力。內(nèi)部孔注漿過程中以注漿壓力主控，對地層剩余空隙進(jìn)行填充，壓力上升較快。

通過發(fā)散-約束型注漿，對注漿過程控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步加強(qiáng)，在地層空隙被填充后，經(jīng)內(nèi)部注漿孔補(bǔ)充填充并形成劈裂注漿，進(jìn)一步提升了地層的承載力，符合地層加固規(guī)律，達(dá)到設(shè)計(jì)注漿目的和效果。分析所有地表注漿段落注漿量情況，得知平均單孔延米注漿量0.87m3/m，漿液填充率達(dá)到15%～33%，局部段落的填充率達(dá)到驚人的46%，主要由地層松散導(dǎo)致注漿壓力上升十分緩慢引起。

4.4 變形監(jiān)測

在隧道拱頂布置拱頂沉降觀測點(diǎn)，在各臺(tái)階底腳上部30～50cm布置收斂變形點(diǎn)進(jìn)行觀測。掌子面施工至DK293+195.6里程處，對DK293+195.6～212里程段的累計(jì)變形數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該類黏土地層雖然分布在傾斜基巖上，但側(cè)向收斂變形并不大，變形主要由沉降變形引起，由于開挖臨空段落不長，仰拱、二襯跟進(jìn)及時(shí)，應(yīng)力能夠快速平衡，確保整個(gè)隧道結(jié)構(gòu)的長久穩(wěn)定。

各個(gè)關(guān)鍵部位注漿后的位移值和增大速率明顯小于注漿之前。注漿前的拱頂、拱腰和邊墻的最大位移值分別為48cm、35cm、20cm，注漿后的拱頂、拱腰和邊墻的最大位移值分別為10cm、7cm、13cm，雖然得出的結(jié)果較現(xiàn)場實(shí)踐偏小，分析原因是現(xiàn)場施工增加了諸多不穩(wěn)定性因素，但從結(jié)果對比可以看出，全斷面注漿改善了圍巖性質(zhì)，可以有效減小圍巖變形。

5 結(jié)語

（1）針對傾斜基巖面上的第四系沉積地層的注漿效果分析十分有限，效果分析應(yīng)該以地質(zhì)情況、工藝過程情況、解決方案、實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析對比進(jìn)行，輔以理論預(yù)測核對。

（2）不同地層的物理力學(xué)參數(shù)差異較大，該種地段，應(yīng)盡量縮小注漿區(qū)域，保證注漿效果均勻，注漿過程中要采用單孔分段定量控制→提升注漿管→單管單次注漿結(jié)束→洗孔→復(fù)注，直至升壓至終壓為止。出現(xiàn)壓力持續(xù)不上升的情況下，應(yīng)及時(shí)調(diào)整漿液凝膠時(shí)間，達(dá)到定向控域的效果。

（3）重視過程分析及效果驗(yàn)證，隨著注漿的結(jié)束，土體發(fā)生壓縮和變形，致使土顆粒間產(chǎn)生互相“楔緊”的作用，在一定范圍土層中產(chǎn)生“拱效應(yīng)”，使密貼在圍巖下的初期支護(hù)承載應(yīng)力降低，隧道變形得到有效抑制，最大圍巖變形由50cm降低至10cm，隧道關(guān)鍵部位的圍巖位移值減小了50%以上，圍巖層間裂隙水被有效排出，空隙被漿液填充，對改善圍巖性質(zhì)有很好的效果。

（4）注漿參數(shù)對于地層力學(xué)結(jié)構(gòu)改變有較大的差異，由于注漿的成本較高，既要達(dá)到現(xiàn)場施工安全可控又要達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，需要不斷實(shí)踐總結(jié)。