王揚(yáng)WANG Yang

（中交四航局第一工程有限公司，廣州 510000）

0 引言

研究表明，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖含水率超過(guò)塑限后，由于內(nèi)部孔隙貫通，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角急劇降低，抗剪強(qiáng)度變差。因強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的工程特性以及地下水作用的影響，花崗巖地區(qū)的隧道在施工過(guò)程中，如若不重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)并采取超前注漿加固措施，往往會(huì)在穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖段落時(shí)發(fā)生隧道圍巖塌方，甚至冒頂[2]。本文以某高速公路隧道為實(shí)例，闡述了基于WSS 注漿加固技術(shù)的花崗巖山嶺隧道塌方處治措施，為類(lèi)似的隧道塌方處治提供參考。

1 工程概況

某高速公路隧道位于廣州市北部山區(qū)，設(shè)計(jì)為分離式長(zhǎng)隧道，左線起訖里程為ZK7+820～ZK9+620，隧道長(zhǎng)1800m，右線起訖里程K7+840～K9+755，隧道長(zhǎng)1915.0m。隧道處于構(gòu)造剝蝕丘陵地貌區(qū)，溝塹發(fā)育，地形起伏較大，植被發(fā)育，覆蓋層為薄層坡殘積礫質(zhì)黏性土，下伏基巖為燕山期中粗粒黑云母花崗巖。施工圖設(shè)計(jì)階段的物探推測(cè)隧址區(qū)K8+520～K8+660、K8+820～K8+950 段存在破碎區(qū)，深度較淺，判斷是由表層全強(qiáng)風(fēng)化層引起。

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，但有發(fā)育溪流在進(jìn)口及K8+700 處沖溝內(nèi)，在遭遇強(qiáng)降雨氣候條件下，對(duì)坡面有強(qiáng)烈的沖刷作用，受大氣降水及基巖裂隙水出滲補(bǔ)給，有較大水量。松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水為主要的地下水類(lèi)型，地形控制其流向，地形上的分水嶺和地下水的分水嶺一樣，總體流向基本與現(xiàn)代水系的地表水流向一致，排泄于地形低洼處為主要的滲水形式。

2 隧道塌方情況及原因分析

隧道在上臺(tái)階掘進(jìn)至掌子面K9+310 時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)掉塊及圍巖塌落于未支護(hù)段K9+313-K9+310 面向掌子面左側(cè)面，塌方總計(jì)約80 方，塌方體主要為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，K9+316～K9+313 處3 榀鋼拱架出現(xiàn)變形，K9+334 附近的初支有開(kāi)裂現(xiàn)象并滲出地下水，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)K9+340-313段初支侵限，地下水在K9+332-K9+317 段初支位置滲出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)地表踏勘，未見(jiàn)地表開(kāi)裂現(xiàn)象。由于施工方未采取有效措施便開(kāi)挖塌方體，約一個(gè)月后，受到強(qiáng)降雨的影響，圍巖塌方逐步擴(kuò)大，直至出現(xiàn)冒頂，塌方體內(nèi)有水流出。地表塌陷區(qū)面積170m2，沿隧道縱向長(zhǎng)度為13.5m，橫向15.5m，中間深度11.4m，周邊深度5.8～12.1m。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和掌子面素描（如圖1）顯示，隧道通過(guò)的區(qū)段為地表沖溝位置，掌子面圍巖的風(fēng)化程度不均，其右側(cè)花崗巖為中風(fēng)化程度，顏色為灰白，為巖體完整的堅(jiān)硬巖，較少節(jié)理裂隙，地下水未見(jiàn)滲出。其左側(cè)花崗巖為全～強(qiáng)風(fēng)化程度，顏色為灰白夾黃褐色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖石強(qiáng)度較低，基巖裂隙水較發(fā)育，巖面潮濕，地下水呈點(diǎn)滴狀滲出。根據(jù)該段圍巖水文地質(zhì)情況，推測(cè)隧道圍巖塌方的主要原因?yàn)椋撼掷m(xù)的強(qiáng)降雨改變了地表和塌腔內(nèi)土體的物理力學(xué)性能，塌坑處地表部分土體因?yàn)榧眲≡龃蟮耐翂毫了粌?nèi)，塌腔內(nèi)土體在未得到有效支護(hù)的情況下突然滑塌，較大的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為對(duì)拱頂?shù)臎_擊荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)。

3 處治方案

3.1 總體施工順序

為保證施工安全，順利穿越隧道破碎帶，采取了超前管棚支護(hù)、WSS 超前注漿加固、徑向小導(dǎo)管注漿等措施，處治方案的總體施工順序如下：監(jiān)控量測(cè)與地表處理→洞內(nèi)未塌方段加固→洞內(nèi)回填并施工止?jié){墻→管棚支護(hù)→超前注漿加固→主洞開(kāi)挖支護(hù)→二襯施工→塌方牽引區(qū)換拱。

3.2 監(jiān)控量測(cè)與地表處理

為判斷初支的穩(wěn)定性、使人員安全有保障，進(jìn)行塌方處治前于斷面上進(jìn)行拱頂下沉點(diǎn)、周邊位移點(diǎn)的布設(shè)，其間距為2-3m，監(jiān)控量測(cè)頻率為2 次/日，拱頂下沉值連續(xù)三日低于5mm 就可視為初支結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，可進(jìn)行后續(xù)加固處置[3]。

同時(shí)，設(shè)置臨時(shí)截水溝于冒頂處周?chē)乇恚厮疁暇嚯x塌方邊緣不得小于2m，利用M30 水泥砂漿進(jìn)行封閉。在塌腔范圍布設(shè)規(guī)格為60mm×4mm 的梅花形注漿鋼花管，長(zhǎng)為40m，間距120cm×120cm，如圖2 所示，地表注漿采用水灰比1∶1 的水泥漿，注漿壓力0.5～1MPa。在完成注漿工作后，地表塌腔采用摻5%水泥碎石土回填至原地表，并鋪設(shè)一層EVA 防水板，其上設(shè)置砂漿保護(hù)層，厚度為5cm，并覆蓋50cm厚粘土層，滿(mǎn)足順坡排水需求。

圖2 地表塌腔注漿平面布置圖

3.3 洞內(nèi)未塌方段加固

為保證作業(yè)安全，需在洞內(nèi)未塌方段（K9+340～K9+316 段）設(shè)置18 工字鋼護(hù)拱，且要使護(hù)拱縱向間距和原初支鋼拱架間距相同，即120cm，鋼拱架要和原初支結(jié)構(gòu)密貼，如圖3 所示。K9+340～K9+316 段左半斷面徑向注漿加固，注漿采用鋼花管規(guī)格為4.5m長(zhǎng)φ42，間距為1.5m×1.5m，采用梅花形布置，漿液采用水灰比1∶1水泥漿，初壓0.5MPa，終壓1.0MPa。

圖3 洞內(nèi)未塌方段加固設(shè)計(jì)圖

上述鋼花管注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)如下：①注漿壓力逐步提升，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10min 以上；②有一定的注入量，與設(shè)計(jì)的注入量大致相近，注漿結(jié)束時(shí)的進(jìn)漿量一般在20～30L/min 以下。

3.4 止?jié){墻施工

隧道K9+316～K9+307 段為塌方段，采用碎石土回填反壓，穩(wěn)定工作面，并在工作面處設(shè)置止?jié){墻，以保證較高的超前加固注漿壓力，使得漿液在壓力作用下能夠沿塌方體周邊裂隙順利擴(kuò)散，同時(shí)防止?jié){液或裂隙水從注漿面反滲出來(lái)。

平面型止?jié){墻厚度按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：K 為安全系數(shù)，取1.5；P 為注漿壓力，取2.0MPa；S 為止?jié){墻面積，取80.426m2；b 為止?jié){墻寬度，取上臺(tái)階寬度17.5m；h 為隧道注漿工作面高度，根據(jù)上臺(tái)階高度取6.2m；[σ]為混凝土允許抗壓強(qiáng)度，為25MPa。

經(jīng)計(jì)算可得，注漿壓力最大值為2.0MPa 時(shí)，所需止?jié){墻厚度為4.52m。因此，止?jié){墻利用洞內(nèi)塌方體和回填土固結(jié)而成的堅(jiān)實(shí)圍巖，表面噴射30cm 厚C25 混凝土作為止?jié){層。松散土體固結(jié)采用4.5m 長(zhǎng)φ42 小導(dǎo)管注漿，小導(dǎo)管間距為1.5m×1.5m，梅花形布置，設(shè)置單層φ8 鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片間距為25cm×25cm。

3.5 超前管棚支護(hù)

位于K9+319～K9+301 段左半斷面超前支護(hù)管棚規(guī)格為φ108*6mm，管棚施工進(jìn)行管棚工作室開(kāi)挖，工作室范圍為K9+319～K9+323.5，其縱向?yàn)?.5m 長(zhǎng)，深度為0.7m。在完成管棚工作室開(kāi)挖工作以后，采用鋼拱架-鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，具體參數(shù)為：鋼拱架采用工22 工字鋼，設(shè)置雙層φ8 鋼筋網(wǎng)片，縱向間距75cm，噴射28cm 厚C25混凝土。后續(xù)施工應(yīng)注意工作室初支與相臨初支結(jié)構(gòu)噴射平順，以便防水板的鋪設(shè)。待超前管棚完成施工以后，再用二襯C40 混凝土對(duì)工作室進(jìn)行回填。

在K9+316～K9+319 段設(shè)置管棚套拱，以支撐管棚后端。套拱利用原來(lái)初支結(jié)構(gòu)，并在其內(nèi)側(cè)設(shè)置工22b 鋼架護(hù)拱，縱向間距50cm，并噴射28cm 厚C25 混凝土作為護(hù)拱，護(hù)拱內(nèi)設(shè)置雙層φ8 鋼筋網(wǎng)片，采用φ22 縱向連接鋼筋將鋼拱架連接為整體。下臺(tái)階施工時(shí)，應(yīng)把護(hù)拱逐榀接到下臺(tái)階落底，待塌方段二襯施工完成后再拆除換拱。管棚前端插入中風(fēng)化花崗巖的深度不小于3m。

管棚采用水灰比1∶1 水泥漿進(jìn)行注漿以增加強(qiáng)度和剛度，注漿初壓為0.5MPa，終壓為2.0MPa。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)與鋼花管注漿基本一致，但設(shè)計(jì)終壓調(diào)整為2.0MPa。

3.6 WSS 超前注漿加固

3.6.1WSS 注漿加固技術(shù)簡(jiǎn)介

WSS 注漿加固技術(shù)，也叫二重管無(wú)收縮雙液注漿技術(shù)，是通過(guò)二重管鉆機(jī)將孔鉆至預(yù)定深度后，再通過(guò)同步雙液注漿機(jī)進(jìn)行注漿，AB（水玻璃與磷酸混合液）、AC（水玻璃與水泥漿混合液）兩種漿液通過(guò)一定的壓力注入到需要加固的地層中，將地層土顆粒之間的水?dāng)D出，使得顆粒間充滿(mǎn)漿液并產(chǎn)生固結(jié)，從而使土層性狀得到改良、使土體物理性質(zhì)得到改善[4]。WSS 注漿加固技術(shù)注漿過(guò)程分為瞬結(jié)性一次噴射和浸透性二次噴射，注漿過(guò)程可控制性強(qiáng)，具有易成孔、打設(shè)深度大、噪聲低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

該隧道的花崗巖破碎帶含水量大、含砂率高、空隙較發(fā)育，施工期正值雨季，連續(xù)降雨會(huì)使得強(qiáng)風(fēng)化花崗巖吸水飽和而重量急劇增長(zhǎng)，而且地下水的作用會(huì)降低土體與周邊巖層的摩擦力，可能導(dǎo)致土體瞬間滑塌。為防范隧道拱部長(zhǎng)管棚受土體瞬間滑塌的直接沖擊荷載，綜合考慮水文地質(zhì)情況、病害特征、工程進(jìn)度、施工成本等因素，決定采用WSS 注漿加固技術(shù)對(duì)拱部上方土體進(jìn)行超前加固，形成不小于5m 厚的良好的注漿固結(jié)層，以緩沖沖擊荷載的作用。

3.6.2漿液配比選定

AB 混合液水玻璃∶磷酸（體積比）=50∶1，AC 混合液水玻璃:水泥漿（體積比）=1∶1，水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃濃度為40Be°。

3.6.3WSS 注漿加固施工方案及質(zhì)量檢測(cè)

先在止?jié){墻施打兩環(huán)注漿加固孔，第一環(huán)注漿加固長(zhǎng)度9m，外插角55°，環(huán)向間距120cm；第二環(huán)注漿加固長(zhǎng)度11m，外插角45°，環(huán)向間距110cm。再在既有初支施打兩環(huán)注漿加固孔，第一環(huán)注漿加固長(zhǎng)度7m，外插角70°，環(huán)向間距120cm；第二環(huán)注漿加固長(zhǎng)度7m，外插角60°，環(huán)向間距100cm。當(dāng)掌子面施工至K9+313 時(shí)，先進(jìn)行超前加固再開(kāi)挖施工，超前加固和開(kāi)挖施工交替進(jìn)行直至穿越斷層破碎帶，后續(xù)的注漿加固長(zhǎng)度7m，外插角45°，環(huán)向間距120cm。注漿壓力2.0MPa，擴(kuò)散半徑1.0～1.2m。鉆孔和注漿由下向上進(jìn)行，同一環(huán)注漿加固孔間隔施工。

WSS 超前加固注漿后，在止?jié){墻上設(shè)三個(gè)抽芯檢測(cè)孔，取芯檢測(cè)注漿質(zhì)量，通過(guò)觀察漿液充填情況，反算出漿液充填率不小于85%，試驗(yàn)檢測(cè)得到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0～1.2MPa，滲透系數(shù)＜1.0×10cm/s，注漿效果較好。

3.7 洞內(nèi)開(kāi)挖與支護(hù)

隧道主洞開(kāi)挖方式采用三臺(tái)階預(yù)留核心土法，各段落支護(hù)型式如表1 所示。

表1 洞內(nèi)支護(hù)型式一覽表

4 結(jié)論

①采用WSS 注漿加固技術(shù)在隧道花崗巖破碎帶富水地層進(jìn)行超前加固注漿，可取得良好的注漿效果，從而提高隧道圍巖強(qiáng)度。②案例中的隧道在穿越強(qiáng)風(fēng)化花崗巖破碎帶時(shí)，未能有效實(shí)施超前支護(hù)措施，在強(qiáng)降雨的影響下，出現(xiàn)了洞內(nèi)塌方、地表塌陷的問(wèn)題，本文提出了基于WSS超前注漿加固的長(zhǎng)管棚超前支護(hù)處治措施，可為類(lèi)似的隧道塌方問(wèn)題處治提供借鑒。