馮存志， 楊朝帥， 孫浩琿

（1.中鐵隧道集團二處有限公司，河北 三河 065201；2.廣東省隧道結構智能監(jiān)控與維護企業(yè)重點實驗室，廣州 511458；3.長安大學公路學院，西安 710061）

0 引言

近年來，鐵路隧道修建過程中，經(jīng)常會穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體，由于地質(zhì)條件復雜，在施工擾動的影響下，極易發(fā)生潰砂、塌方、地表塌陷等災害，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。注漿具有堵水、提高巖體強度以及增強巖體抗變形的作用。目前，針對地鐵穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的治理通常采用超前預注漿的方式，而如何合理的設計注漿參數(shù)和選擇注漿材料，關系到斷層破碎帶等不良地質(zhì)體治理的成敗。通過超前預注漿，充填破碎巖體，形成完整的注漿加固圈，可有效保證地鐵隧道開挖過程中的安全性和穩(wěn)定性。

近年來，學者們對于淺埋隧道注漿加固頗有研究。閆成偉等［1］通過青島地鐵4號線F1斷層破碎帶超前預注漿工程實踐，開展淺埋大斷面地鐵隧道穿越斷層破碎帶預注漿加固治理技術研究，探索治理淺埋大斷面地鐵隧道穿越斷層破碎帶的有效手段。劉世杰等［2］基于梅汕鐵路大嶺隧道工程實例，對比了洞內(nèi)和地表注漿加固方案的優(yōu)缺點，并開展了地表深孔注漿加固地層的工藝試驗研究。田忠［3］以愛民隧道進口地表注漿施工為例，結合工程特點，從注漿孔的布設、注漿工藝、注漿效果等方面論述了哈牡客專愛民隧道采用DDZ管地表注漿加固技術，控制隧道區(qū)地表沉陷，解決拱頂下沉過快、掌子面坍塌的問題。孟凡濤［4］結合隧道施工實例，對軟弱圍巖段地表注漿技術中袖閥管注漿加固技術進行了闡述。何開偉［5］以梅汕鐵路大嶺隧道溜塌段為研究對象，采用前進式（或后退式）注漿+多管注漿及后期地表注漿聯(lián)合加固技術，有效解決了全風化花崗巖段透水性強、遇水軟化、掌子面難以自穩(wěn)、初期支護變形大的難題。邱堅等［6］結合某隧道工程實例，應用MIDAS/GTSNX對管棚注漿、地表注漿加固圍巖進行了數(shù)值模擬計算，確定了地表注漿效果優(yōu)于管棚注漿效果。張校甫等［7］對新大力寺隧道下穿水庫淺埋段復雜地質(zhì)，采用袖閥管注漿加固技術進行地表加固，結合工程特點，采用約束-發(fā)散模式，將注漿區(qū)域劃分成若干個小的注漿區(qū)，先周邊孔、后內(nèi)部孔分塊分步的注漿順序。

通過對漿液材料、配比、凝固時間等工藝參數(shù)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗分析，總結得出周邊孔采用添加AlCl3外加劑的雙液漿，內(nèi)部孔采用普通水泥漿，有效的提高隧道洞身的整體性與穩(wěn)定性。陳陽［8］以衢寧鐵路福建段芳源隧道洞口為研究背景，研究采用袖閥管二次超細水泥漿注漿方案解決地表注漿質(zhì)量問題，同時洞身采用優(yōu)化的6步CD法解決CRD法施工工藝存在的缺陷，通過兩種施工工藝的組合，確保了地表注漿加固效果，有效抑制了洞身變形下沉。季建慶等［9］結合工程實例，對某大跨隧道洞口淺埋段松散土體采用袖閥管進行現(xiàn)場注漿試驗，對注漿參數(shù)和注漿加固效果進行了分析。

1 工程概況

太焦鐵路太谷隧道位于山西省晉中市太谷縣境內(nèi)，隧道全長11497m，最大埋深383.41m，工程地質(zhì)斷面見圖1。隧道1#斜井與正洞交匯里程為DK57+000，斜井長度575m。隧道進口至1#斜井的正洞段長度為400m，隧道穿越地層為上第三系（N2）粉質(zhì)黏土和粉砂相互夾雜，弱-中等膠結，土層軟硬不均且含水量高，易受外界擾動、遇水軟化等特性顯著，工程性質(zhì)極差。

圖1 地質(zhì)斷面圖

太谷隧道在開挖過程中，局部出現(xiàn)滲流水現(xiàn)象，開挖支護后由于土體穩(wěn)定性差，土壓力較大導致初支侵限，施工安全風險高，進度緩慢。根據(jù)地質(zhì)狀況及工程現(xiàn)狀采用動態(tài)定向注漿（DDD）工法，通過地表超前預注漿加固方式對太谷隧道進口至1#斜井剩余未開挖段進行注漿加固，封閉圍巖列隙，減少地下水對開挖面及周邊一定范圍地層的軟化，改善周邊巖土體力學性能，控制隧道結構變形。

2 注漿施工方案

2.1 注漿方案

針對施工中存在的問題，現(xiàn)場采用動態(tài)定向注漿（DDD）工法進行加固，隧道加固段地表埋深127～85m，地表最大鉆孔深度140m。

原注漿方案，注漿孔位采用正方形設計，孔間距2m，擴散半徑1.4m，鉆孔數(shù)量1184個。由于鉆孔數(shù)量多，注漿方量大，對注漿方案進行優(yōu)化。優(yōu)化后的注漿方案見圖2圖～4圖，注漿參數(shù)見表1。

表1 地表注漿參數(shù)

圖2 注漿孔平面布置（單位：cm）

2.2 注漿工藝

（1） 鉆孔：采用全站儀、鋼尺等工具按設計要求定出注漿孔孔位，然后采用地質(zhì)鉆機按標出的孔位垂直于地面進行鉆孔，鉆孔孔位水平偏差≤5cm，鉆孔垂直度誤差≤1/150。

（2） 安設DDD注漿管、注套殼料：鉆孔完成后先退鉆桿，分節(jié)下放外徑76mm無縫鋼管至孔底，注漿段采用設有溢漿孔的DDD注漿管，非注漿段下入無溢漿孔DDD注漿管，管節(jié)采用40cm長89mm外套管滿焊連接。在管壁與孔壁間注入套殼料。

圖3 注漿交圈（單位：cm）

圖4 地表注漿斷面（單位：cm）

（3） 注漿：采取后退式分段注漿工藝，即在注漿段內(nèi)由孔底進行注漿，分段步距1m，注完第一注漿段后，后退注漿芯管，進行第二注漿段的注漿，以此循環(huán)，直至完成注漿段注漿。注漿過程中應做好詳細的注漿記錄，確保注漿加固效果。

DDD工法注漿工序流程圖如圖5所示，施工現(xiàn)場照片如圖6所示。

圖5 DDD工法注漿流程

圖6 注漿芯管安裝現(xiàn)場照片

2.3 注漿材料及配比

套殼料采用膨潤土-水泥漿，水：水泥：膨潤土=2：1：1。

注漿材料以摻HPC外加劑普通水泥漿液為主，普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，單液漿配比（W：C）=0.8：1；普通水泥-水玻璃雙液漿配比（W：C）=（0.8～1）：1，C：S=1：1，普通水泥采用P.O42.5硅酸鹽水泥，水玻璃波美度40Be'，模數(shù)2.4～2.8，具體如表2所示。

表2 漿液配比參數(shù)

2.4 注漿順序

分區(qū)段施工，按發(fā)散-約束型注漿采取“先外后內(nèi)，間隔跳孔”原則進行。即先跳孔施工周邊注漿孔，形成約束圈后，再按由外圈向內(nèi)圈注漿原則，間隔跳孔施工。

2.5 注漿結束標準

（1） 單孔單段注漿結束標準。注漿壓力達到設計注漿終壓4～6MPa，并維持5～10min，即可結束該孔注漿；注漿過程當實際注漿量達到設計注漿量1.5倍，壓力未達到設計終壓，可調(diào)節(jié)漿液凝結時間，使得壓力到達設計終壓，結束注漿。

（2） 單孔注漿結束標準。單孔每個注漿段均達到單孔單段注漿結束標準。

（3） 全段結束標準。所有注漿孔均已符合單孔結束條件，無漏注現(xiàn)象。

2.6 注漿施工注意事項

注漿鉆孔采用鉆機成孔，鉆機需安裝牢固，定位穩(wěn)妥、牢固。注漿孔應跳孔施鉆，不應全部鉆孔完成后再注漿，以免孔位串漿，增加難度及清孔工作量。

各類設備應就近安裝固定管線，不宜過長，以防壓力和流量消耗。

鉆機成孔插入注漿管后及時封堵孔口和附近的地面裂縫，以防冒漿。

3 注漿效果評價

地表注漿效果評定采用分析法，包括注漿量分析、漿液填充率分析、注漿P-q-t曲線分析、取芯檢查孔法、地層含水率對比、開挖觀察。

3.1 注漿量分析

注漿結束后，根據(jù)過程數(shù)據(jù)對注漿效果進行分析見圖7，注漿加固段注漿孔均達到設計注漿壓力，均按設計工藝要求施工完成。

圖7 注漿量平面分布

（1） 注漿量22024.2m3，平均隧道延米注漿量125.85m3，平均單孔延米注漿量0.83m3/m。

主要采用摻HPC外加劑普通水泥單液漿為主，以普通水泥-水玻璃雙液漿為輔，對注漿區(qū)域地層進行控制注漿區(qū)域注漿，在地層逐漸被填充密實后，控制注漿范圍，劈裂擠密加固地層。

（2） 地層吸漿量隨時間變化注漿量明顯減小，孔隙率逐漸減小，地層逐漸密實，達到充填裂隙，固結圍巖的作用。

3.2 漿液填充率分析

（1） 漿液填充率計算。注漿段需加固體積119538.9m3，設計地層孔隙率20%，根據(jù)其他類似地層施工經(jīng)驗，地層孔隙率取值一般為15%～45%，實際注漿過程中注漿量達到設計量后注漿壓力未達到設計值的注漿孔，繼續(xù)注漿至1.5倍注漿量后，調(diào)節(jié)漿液凝膠時間，使注漿壓力達到設計值，停止注漿。

（2） 為確保注漿效果，取其孔隙率值20%，據(jù)此計算漿液填充率為87.7%，漿液充填率高于80%，達到設計方案要求，滿足注漿加固目的，可以滿足開挖要求。

通過發(fā)散-約束型注漿，注漿孔均達到設計注漿壓力，地層空隙已被有效填充，并形成劈裂注漿，進一步提升了地層的承載力，達到設計注漿目的。

3.3 典型注漿P-q-t曲線分析

圖8為塌方段地表注漿施工過程表現(xiàn)出來的P-q-t曲線。塌方段注漿孔注漿過程中，前期因地層松散孔隙率較大，注漿時壓力上升較慢，隨著注漿的進行，地層逐漸密實，地層吸漿能力減弱，當?shù)貙颖粩D壓到一定密實度后，壓力上升注漿流量下降形成劈裂效果對地層進一步擠密，劈開后壓力下降注漿流量上升，地層空隙被填充完成后，注漿流量隨注漿壓力上升迅速減小，注漿壓力達到設計值結束注漿。

圖8 注漿P-q-t曲線（塌方段）

圖9為原巖段地表注漿施工過程表現(xiàn)出來的P-q-t曲線。原巖段地層較為密實，壓縮空間較小吸漿能力較塌方段小，注漿過程中壓力上升較快，對地層形成劈裂擠密，表現(xiàn)為注漿壓力短時間內(nèi)壓力上升、下降、上升，注漿流量下降、上升、下降，最終注漿壓力上升至6MPa后趨于穩(wěn)定，結束注漿。

圖9 注漿P-q-t曲線（原巖段）

通過上述注漿P-q-t曲線變化情況得出，隨著注漿工作的進行，地層由填充密實至反復劈裂擠密，壓力上升過程逐漸縮短，地層無繼續(xù)壓縮空間，注漿效果達到要求。

3.4 取芯檢查

地表注漿施工結束后進行取芯檢查。地表注漿施工完成后進行鉆芯取樣，取出的芯樣較完整見圖10，可見明顯漿液凝膠體填充痕跡和劈裂形成的漿脈，芯樣完整性較好，取芯率91%，芯樣平均抗壓強度為4.376MPa（共計10組試驗）見表3，符合地層加固效果，滿足開挖需求。

圖10 芯樣照片

表3 芯樣單軸強度 MPa

3.5 注漿前后地層含水率對比

地表注漿施工前地層含水率為23%～43%，開挖過程中出現(xiàn)掉塊、涌水、溜塌情況，開挖進度緩慢，開挖安全性低，工期不可控。

注漿完成后實測地層含水率11%～13%，與注漿前數(shù)據(jù)對比，注漿后地層含水率明顯降低見表4，開挖面密實穩(wěn)定，開挖安全性得到極大提升，注漿效果達到加固地層的目的，符合安全開挖要求。

表4 注漿后地層含水率試驗

3.6 開挖觀察

1#井小里程塌方段地層松散孔隙率較大，漿脈較多、厚，漿液填充、劈裂效果明顯，掌子面巖體穩(wěn)定性得到提高。

1#井小里程原巖段地層稍密，開挖面地層為砂質(zhì)土層，漿脈較多，漿液劈裂效果明顯，掌子面無水，掌圍巖整體穩(wěn)定性較好見圖11。

圖11 1#井小里程原巖段開挖效果

進口端開挖揭示圍巖為泥巖，漿脈表現(xiàn)為自泥巖縫隙填充、劈裂，封堵水路，掌子面巖體穩(wěn)定性好見圖12。

圖12 進口端開挖效果

4 結語

文中注漿施工嚴格按照設計注漿方案進行施工，通過分析法對注漿效果進行分析評定，綜合注漿效果評定方法分析，得出以下結論：

（1） 注漿量區(qū)域分布及單延米注漿量變化符合地層填充擠密規(guī)律，注漿孔均能達到設計注漿壓力的4～6MPa，終孔流量均小于5L/min，地層得到有效加固，達到了注漿加固的目的，滿足開挖施工要求。

（2） 注漿P-q-t曲線規(guī)律符合地層加固機理，滿足開挖需求。

（3） 地層含水率試驗表明經(jīng)注漿加固后地層含水率較加固前得到很大改善，通過開挖觀察開挖面穩(wěn)定無水，滿足開挖要求。