蔡才武

（中鐵建華南建設有限公司 廣州 511458）

0 引言

隧道穿越地層時經(jīng)常會遇到不同的不利巖層，廣州地區(qū)內(nèi)分布著大量的花崗巖全強風化帶，在地下水的作用下易形成花崗巖殘積土?；◢弾r殘積土特殊的工程性質和地下水作用會給施工帶來極大的安全風險，由此引發(fā)的施工事故和損失屢見不鮮［1-2］。注漿法是防治隧道穿越不良地層的有效手段之一［3-4］。如何在全強風化花崗巖地層中進行隧道圍巖注漿加固，已成為目前穿越風化地層隧道工程的重點問題。

目前，國內(nèi)不少學者對全強風化花崗巖隧道注漿加固技術進行了研究。2016 年，袁敬強等人［5］針對全風化花崗巖突水突泥的特點，對注漿加固體的顆粒流失和抗沖刷特性進行了試驗研究，提出了地層注漿量的計算方法及含水量分區(qū)治理的原則；2017 年，王凱等人［6］研究了全風化花崗巖富水地層的變形破壞特性和在巖層中水泥漿液的加固機理；2018 年，楊磊等人［7］采用注漿模擬實驗，研究了不同黏度漿液在全風化花崗巖中的擴散規(guī)律；張健等人［8］對比分析了單-雙液漿在全風化花崗巖地層的加固效果，并針對不同圍巖壓力的加固區(qū)提出了漿液選型方法；周小生等人［9］采用帷幕注漿加固技術對富水花崗巖地層進行處治，并通過現(xiàn)場檢查和P-Q-t曲線法對注漿效果進行了全面評價。

廣州地鐵22 號線暗挖隧道施工中面臨著穿越全強風化花崗巖的工程風險，為此在隧道圍巖穩(wěn)定性分析的基礎上，現(xiàn)場采取了WSS 注漿加固措施，本文主要針對該地層的注漿參數(shù)選取進行了試驗研究，并分析總結了注漿效果和施工工效。

1 工程概況

廣州地鐵22 號線某區(qū)間設計范圍為盾構和礦山法隧道，擬建礦山法隧道1#盾構井～1#豎井長500 m，區(qū)間埋深約28～32 m。其中，1#盾構井向南右線軟弱圍巖段采用淺埋暗挖法施工，長度約80 m，主要設于市政道路下方，局部下穿建筑物。其線路位置如圖1所示。

圖1 工程總平面示意圖Fig.1 General Layout of the Project

該淺埋暗挖區(qū)間范圍內(nèi)的洞身圍巖主要為中、強風化花崗巖，拱頂局部存在全風化地層，巖層整體呈褐黃色，中粗粒結構，巖芯風化呈半巖半土狀，質軟，遇水易軟化崩解。該巖層含沙量較高，篩分含沙量達85%～90%，含泥量10%～15%，屬極軟～軟巖，破碎等級劃分為極破碎～破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，自穩(wěn)能力差。隧道注漿范圍與圍巖地質如圖2所示。

圖2 淺埋暗挖隧道注漿范圍與圍巖地質Fig.2 Grouting Range and Surrounding Rock Geology of Shallow Buried Tunnel

根據(jù)區(qū)間地質情況，結合周邊環(huán)境因素，為確保在城市地鐵復雜施工環(huán)境下，線路沉降滿足幾何尺寸，本工程擬采用WSS注漿對巖層進行加固。

2 WSS注漿方法

WSS 注漿全稱為無收縮雙液注漿，是采用二重管鉆機鉆孔至預定深度后，使用同步雙液注漿機注漿，漿液由AB 液（水玻璃-磷酸）、AC 液（水玻璃-水泥漿）組成。以上兩種漿液在高壓作用下劈裂擠入土體，其方法是先通過AB 液將土層顆粒間存在的水強迫擠出，再注入AC 液填充顆粒間的空隙，并使其固結形成條帶狀漿脈，達到土體改良的目的。

WSS 注漿工藝流程如圖3所示。

圖3 WSS注漿工藝流程Fig.3 WSS Grouting Process Flow Chart

2.1 作用原理

風化花崗巖變形失穩(wěn)可分為內(nèi)外兩方面原因。內(nèi)因主要是花崗巖物理力學性能的下降和節(jié)理裂隙的控制作用；外因則是地下水對土體的滲流破壞作用和人工開挖巖體應力釋放等因素［10］。具體表現(xiàn)為：風化作用和地下水的滲流，使巖石的結構發(fā)生改變，完整性遭到破壞，減小了巖土體的內(nèi)聚力，導致巖石中的節(jié)理裂隙逐步發(fā)展成控制巖層穩(wěn)定的滑動面，人工開挖巖土體后，當圍巖的穩(wěn)定性超過臨界狀態(tài)，在重力的雙重作用下，巖土體發(fā)生失穩(wěn)、塌方。

WSS 注漿的目的是對前方土體進行補強加固的同時起到止水作用，以降低施工安全風險。其作用原理是使土層粘結力?，內(nèi)摩擦角φ值增大，從而使粘結強度及密度增大，起到加固的作用；顆粒間隙中充滿固結的漿液后，土層透水性降低，并形成隔水層［11］。

2.2 注漿試驗

2.2.1 漿液配合比

為確保注漿加固后的巖土體開挖安全，根據(jù)設計要求，設置了WSS注漿試驗段。試驗段采用上半洞斷面注漿，注漿長度5.0 m，使用的漿液配比如表1所示。

表1 WSS注漿漿液配比Tab.1 WSS Grouting Slurry Ratio

2.2.2 土體檢測

注漿試驗結束后對注漿效果進行檢查，在掌子面前方加固范圍內(nèi)鉆孔取芯，進行了含水率和無側限抗壓強度檢測，檢測結果如表2所示。

表2 芯樣檢測結果Tab.2 Test Results of Core Samples

由表2可知，檢測結果在控制值內(nèi)，滿足注漿設計要求，可按照試驗的漿液配比進行隧道注漿施工。

2.2.3 擴散半徑

測量試驗段注漿孔漿液擴散的半徑，并對注漿壓力與漿液擴散的關系進行統(tǒng)計分析，得出結果：當注漿壓力為0.5～1.0 MPa 時，擴散半徑約為0.75～0.85 m；當注漿壓力為1.0～1.5 MPa時，擴散半徑約為1.0～1.2 m。

3 注漿應用

將注漿試驗結果應用于隧道注漿施工中，注漿范圍為上至隧道開挖輪廓線外3.0 m，下至中風化花崗巖0.5 m，每一循環(huán)注漿長度為10.0 m，開挖8.0 m，保留2.0 m 作為下一循環(huán)注漿的止?jié){巖盤，且確保注漿孔漿液擴散相咬合。全斷面WSS注漿布孔如圖4所示。

圖4 單線單洞標準斷面WSS注漿孔布置Fig.4 Layout of WSS Grouting Holes at Standard Section of Single Track Single Tunnel （mm）

根據(jù)注漿試驗結果，現(xiàn)場WSS注漿具體步驟如下：

3.1 鉆孔

⑴布孔：按照施工設計圖布孔并復核；

⑵鉆機定位：應準確，鉆頭點位誤差≤20 mm，鉆桿垂直誤差≤1°；

⑶鉆孔：觀察鉆進尺度和溢出水情況，確認止水效果后方可進行鉆孔。

3.2 注漿

⑴先注AB液，終漿壓力為1.5～2.0 MPa，持續(xù)10 min，待鉆桿外壁無流水溢出，即可停注AB液；

⑵再注AC 液，待注漿壓力達到2MPa 以上提升鉆桿20～30 cm，依次提桿至該孔注漿完畢；

⑶注漿順序：由外向內(nèi)，同一圈孔間隔施工。

3.3 注漿結束標準

⑴注漿量越來越少，達到注漿終壓后壓力驟升，即可停止注漿；

⑵打設檢查孔，孔內(nèi)出水量應小于0.2 L/m·min；

⑶未達到以上標準需補注漿。

為提高注漿效率，現(xiàn)場采用兩臺二重管鉆機和兩臺同步雙液注漿機同時對開挖面進行鉆孔注漿，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場注漿Fig.5 Site Grouting

4 結果分析

4.1 注漿效果分析

根據(jù)注漿試驗及開挖順序要求，對隧道進行連續(xù)掘進，取得了較好的巖土體補強效果，如圖6所示。

由圖6 可知，隧道開挖后的掌子面規(guī)整且保持干燥，清晰可見帶狀漿脈，裂隙填充率達95%以上。說明采用多孔同步注漿后，巖土體加固充分，止水效果明顯，有效降低了原位土體的滲透性能，其抗剪強度得到了整體提升，可保證開挖后圍巖的穩(wěn)定。

圖6 巖體注漿效果Fig.6 Grouting Effect of Rock Mass

一次注漿循環(huán)中，漿液在高壓作用下沿著裂隙擴散，隨著注漿壓力逐漸增大，漿液在全強風化花崗巖內(nèi)劈裂土體，形成劈裂縫并在其中擴散、填充，最終形成條形漿脈。從漿脈的形狀分布可知：相鄰注漿孔間的漿脈擴展方向一致，彼此之間搭接良好，漿脈之間的巖土體得到強力擠壓后，形成一定厚度的擠壓拱，原狀土由松散狀態(tài)轉變?yōu)槊軐嵉恼w結構，土壓應力大大增強，對土體加固和防滲起到了良好的作用。

根據(jù)現(xiàn)場記錄，相鄰開挖循環(huán)銜接處進尺誤差均能控制在±15 cm 以內(nèi)，隧道輪廓線成型效果好，沒有明顯的超欠挖現(xiàn)象；全強風化花崗巖地層通過WSS注漿后，掌子面自穩(wěn)時間在20 h 以上，足以保證后續(xù)初期支護各工序所需時間。

4.2 注漿工效分析

通過對隧道上半斷面WSS 注漿加固技術的應用分析，得到單循環(huán)注漿及開挖的平均工效，技術效果如表3所示。

表3 WSS注漿及開挖施工技術效果Tab.3 Technical Effect of WSS Grouting and Excavation

注漿施工中，注漿量和注漿時間主要由地層特性決定，且多集中在注漿前期，隨著注漿孔前方土體充滿漿液，注漿的速度逐漸增大直至注漿完成，現(xiàn)場單循環(huán)平均注漿時間為7 d。注漿完成后進行隧道開挖施工，單個開挖作業(yè)時間平均為6.5 h，一天可實現(xiàn)2.5次循環(huán)作業(yè)，平均開挖進尺可達1.2 m。該隧道上臺階80.0 m 從注漿試驗到全部初期支護完成，累計有效施工時長共計83 d，相比于類似工程施工，表現(xiàn)出較高的勞動生產(chǎn)率。

因此，在施工工效相對穩(wěn)定且高效的情況下，需在物資人員的調(diào)度管理和工序間的銜接配合等方面加強，以進一步實現(xiàn)軟弱巖層隧道的快速掘進。

4.3 位移監(jiān)測結果

為監(jiān)測隧道開挖過程對圍巖的影響程度，分別在隧道內(nèi)和地表設置位移監(jiān)測點。根據(jù)監(jiān)測記錄，隧道凈空收斂累積變形量最大為-6.5 mm，拱頂下沉累積變形量最大為+5.7 mm，地面沉降累積變形量最大為-27.12 mm，各監(jiān)測點未發(fā)現(xiàn)有異常變形，累積變形量均在控制范圍內(nèi)，說明圍巖加固效果好，地層受力均勻，達到了預期安全目標。

4.4 質量控制

針對復雜不良地質體的加固，除了需要技術人員嚴格按照注漿要求進行施工外，還需要加強注漿的過程控制以及動態(tài)控制，以提高注漿質量與施工安全。

⑴鉆孔前預先打設超前探水孔，觀察出水情況和地質條件，若出水量大則應先分析原因后再進行下一步施工。

⑵隧道圍巖地質隨著開挖掘進相應改變，在循環(huán)注漿中，應時刻關注注漿量和注漿壓力的變化，及時調(diào)整漿液濃度。例如注漿壓力長時間無變化，且注漿量大，則可適當提高AC 液中的水玻璃濃度，以縮短凝結時間，之后再適當提高水泥漿量，同時適當提高注漿壓力。

⑶ WSS 注漿作為隧道開挖的輔助加固技術使用，對圍巖穩(wěn)定性控制有良好的效果，但在開挖中仍需保持謹慎，做到循環(huán)開挖進尺小，掌子面封閉及時，初期支護加強施作。

⑷注漿時應密切關注建（構）筑物沉降數(shù)據(jù)和地表隆起、出水溢漿等情況，同時應加強對隧道和地表的位移監(jiān)測，并及時反饋監(jiān)測結果指導現(xiàn)場施工。

5 總結

本文以廣州地鐵22 號線全強風化花崗巖暗挖隧道開挖為例，采用WSS 注漿加固技術，對其漿液配合比、注漿效果以及位移監(jiān)測進行了分析，結果表明：

⑴采用WSS 多孔同步注漿，開挖面上方不密實地層得到大范圍有效加固，增加周圍土體承載能力，降低了開挖過程前方土體塌落導致的各種施工風險，從而加快了施工進度，保證了施工安全，取得了良好的施工和社會效益。

⑵WSS 注漿效果主要取決于漿脈自身作用和土體壓縮后特性的改變，在軟巖中壓縮模量的提高和滲透系數(shù)的降低主要是漿脈自身的作用，而土體的擠壓作用則增強了巖體的整體性和自穩(wěn)能力。

⑶ 隧道內(nèi)監(jiān)測得到拱頂豎向的最大沉降為+5.7 mm，距開挖區(qū)28 m處地表最大沉降為-27.12 mm，建（構）筑物無損傷破壞?，F(xiàn)場施工和監(jiān)測結果表明，WSS 注漿高效的加固和防滲能力，對城市富水軟弱巖層開挖工程具有獨特優(yōu)勢。