楊成忠,楊 鵬,王 威,王淑芳

(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330000)

軟巖隧道洞口段常面臨有淺埋、偏壓、富水等不利于圍巖穩(wěn)定的因素,隧道施工過程中圍巖會多次受到擾動,圍巖及支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為變得復(fù)雜,這對隧道穩(wěn)定特別是對紅層軟巖隧道高破碎程度圍巖的穩(wěn)定帶來了不確定性風(fēng)險,如果施工和設(shè)計處理不當(dāng),隧道圍巖和襯砌會經(jīng)常出現(xiàn)大變形和滲漏水問題。因此對于實際工程,采取有效的注漿和支護等措施來加固圍巖、堵水和防滲,是保證隧道穩(wěn)定和施工安全的關(guān)鍵。對于隧道的注漿加固,許多專家學(xué)者做了大量的研究,這些研究主要集中在注漿施工技術(shù)[1～3]和理論分析確定注漿的相關(guān)參數(shù)上[4～5],楊賽舟等[6]和華福才等[7]的研究主要側(cè)重于理論分析和數(shù)值模擬,研究了注漿圈相關(guān)參數(shù)的改變對隧道涌水和內(nèi)部水壓力的影響。此外,一些學(xué)者針對注漿試驗也展開了相關(guān)研究[8～9]。目前的研究很少通過有效的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來評價注漿的效果[10～11]。張成平等[12]依據(jù)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果,分析確定了合理的注漿參數(shù),通過監(jiān)測數(shù)據(jù)評價了注漿效果。王迪等[13]依據(jù)理論公式確定了加固圈厚度,在考慮施工爆破的基礎(chǔ)上,確定了最佳的注漿加固方案,此外通過現(xiàn)場揭露觀察,對比了注漿前后掌子面和圍巖情況,并對注漿的效果進行了評價。這些研究涉及到了通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)來對注漿效果的評價,但對于具體的工程,研究并不完善。

本文針對江西某分離式隧道進口段復(fù)雜工程地質(zhì)特性,在考慮施工條件、工程重難點和工程實際的基礎(chǔ)上,確定以開挖前的小導(dǎo)管預(yù)注漿和開挖后的全斷面徑向注漿為主的注漿堵水加固方案,依據(jù)第四強度理論和經(jīng)驗公式確定了相關(guān)的注漿參數(shù),通過采用現(xiàn)場觀察法和地質(zhì)雷達對比法,同時結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對注漿的質(zhì)量和效果進行綜合的評判。研究結(jié)果可以為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

隧道為分離式隧道,隧道長度為445 m。進口段屬淺埋偏壓地段,地下水發(fā)育,自然坡角25°～35°,進口地質(zhì)結(jié)構(gòu)層0～1.20 m為軟塑—硬塑狀粉質(zhì)黏土,1.20～6.00 m為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖,硬塑狀,6.00～14.00 m為強風(fēng)化砂巖,14.00 m以下為中風(fēng)化砂巖。隧址區(qū)域的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面為線性褶皺和斷裂帶,褶皺軸部走向東西,傾向南東,多以倒轉(zhuǎn)形態(tài)呈現(xiàn),傾角較陡；斷裂為主,總體走向30°～50°,以壓性為主,壓扭性、張性次之,斷裂傾向南東。隧道圍巖體主要為青白口系泥質(zhì)砂巖,風(fēng)化裂隙發(fā)育,巖體破碎,巖性軟,呈紅褐色(圖1)。隧道穿越段埋藏深度較大,巖體完整性差異較大,施工時圍巖穩(wěn)定性較差。隧址區(qū)雨量充沛,多年年平均降水量1 980.9 mm,最大年降水量2 898.2 mm,降雨量主要集中于3～8月份,約占全年雨量的74%,隧道施工時,正值6月,隧道受地下水影響大。

圖1 隧道右線地質(zhì)縱斷面Fig.1 Geological profile of tunnel right line

2 方案設(shè)計

該隧道進口段的圍巖強度低,在地下水的滲流作用下,洞口圍巖在隧道開挖之后變形迅速,拱頂沉降和周邊位移量比較大,鉆探施工對隧道圍巖和襯砌的穩(wěn)定性非常不利,而對高破碎程度圍巖的穩(wěn)定更加不利。因此,采取注漿加固的措施來加固圍巖、堵水和防滲。在考慮施工條件、工程重難點和工程實際的基礎(chǔ)上,確定以開挖前的小導(dǎo)管預(yù)注漿和開挖后的全斷面徑向注漿為主的注漿堵水加固方案,并結(jié)合錨噴和鋼筋網(wǎng)片加固圍巖。

2.1 注漿參數(shù)的確定

工程上確定注漿加固范圍主要依靠規(guī)范和工程經(jīng)驗,注漿厚度的確定需要對圍巖強度等級、隧址區(qū)的地質(zhì)情況、地層承載力、工程實際、工期及成本等綜合考慮。依據(jù)現(xiàn)場的相關(guān)情況,在結(jié)合經(jīng)驗公式的基礎(chǔ)上確定超前小導(dǎo)管預(yù)注漿[14]和全斷面徑向注漿的厚度。

B=(2～3D)

(1)

B1=(B-D)/2

(2)

式中：B——小導(dǎo)管預(yù)注漿的范圍/m；

B1——小導(dǎo)管預(yù)注漿的厚度/m；

D——隧道開挖直徑/m。

徑向注漿加固圈的厚度可依據(jù)第四強度理論計算確定,將隧道看成厚壁圓筒進行簡化計算,理論公式為[15]：

(3)

式中：B2——徑向注漿加固圈厚度/m；

σ——圍巖加固體允許抗壓強度/MPa；

PW——圍巖最大靜水壓力/MPa。

依據(jù)地下水平衡理論和相關(guān)經(jīng)驗公式,確定地下水平衡時所需的注漿體滲透系數(shù)[16]：

(4)

式中：H——水位至隧道底部的高度；

r0——隧道的半徑；

h——含水體部分的厚度；

W——隧址區(qū)的年平均降雨量；

H′——隧址區(qū)地表徑流深度；

E——隧址區(qū)的年地表蒸發(fā)量；

F——隧址區(qū)的地表水流域面積；

k——安全系數(shù),取2.5。

根據(jù)以上經(jīng)驗公式并結(jié)合工程資料和隧道施工情況,確定出設(shè)計注漿加固圈的相關(guān)系數(shù),見表1。

表1 注漿參數(shù)Table 1 Grouting parameters

2.2 注漿材料的選擇

隧道洞口工程段為不良的地質(zhì)段,易發(fā)生圍巖和支護大變形、滲涌水等情況。因此,注漿加固是防止出現(xiàn)工程問題的關(guān)鍵,而注漿材料的選擇又是注漿工序的重點。工程上對注漿材料的選擇主要考慮經(jīng)濟成本、漿液的可行程度、施工的難易程度等。結(jié)合以往工程注漿堵水經(jīng)驗、現(xiàn)場試驗及上述理論分析的結(jié)果,確定此次注漿以水泥—水玻璃雙漿液為主。隧道在注漿施工過程中,漿液的初凝時間需要長一點，而終凝時間短一點,這樣有利于漿液的擴散和施工操作,同時較短的終凝時間不會造成漿液的浪費。依據(jù)實驗室結(jié)果,當(dāng)W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5時,水泥—水玻璃1 d的強度為4.5 MPa,28 d強度為8.9 MPa,同時它的初凝時間為19.4 s,終凝時間為36.8 s。該種材料的配比較合適工程實際,為此選擇此種配比作為該隧道的注漿配比。

2.3 超前預(yù)注漿

超前小導(dǎo)管預(yù)注漿對進口段拱頂位置的破碎圍巖起到穩(wěn)定抗?jié)B的作用,可以降低地下水滲流造成的圍巖強度損失。小導(dǎo)管采用φ42,長度為7.5 m,軸向×環(huán)向為1.5 m×0.4 m,外插角為10°,水泥—水玻璃注漿液配比為W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注漿速度為8～15 L/min,注漿壓力為1.5 MPa。小導(dǎo)管環(huán)向布置和軸向布置見圖2,注漿參數(shù)見表2。

圖2 小導(dǎo)管預(yù)注漿布置Fig.2 Small catheter pre-grouting arrangement

表2 小導(dǎo)管注漿參數(shù)Table 2 Small catheter grouting parameters

2.4 徑向注漿

在鉆孔和爆破施工過程中圍巖擾動比較大,開挖區(qū)域周圍的圍巖產(chǎn)生較多裂隙。全斷面的徑向注漿對于修復(fù)裂隙、提高圍巖強度、減小圍巖松動圈的厚度、降低圍巖和支護的收斂位移等非常有利。此次全斷面徑向注漿選用中空錨桿φ25,長度為4.5 m,環(huán)向×軸向為1.2 m×0.7 m。中空錨桿的布置方向垂直于隧道開挖輪廓線,水泥—水玻璃注漿液配比為W∶C=0.8∶1、C∶S=1∶0.5,注漿速度為10～30 L/min,注漿壓力為3 MPa。徑向注漿設(shè)計圖見圖3,注漿參數(shù)見表3。

為了讓先注入的漿液對后注入的漿液起到約束擠壓作用,施工采用的方法是先從拱腳處注漿,而后往上注漿。

圖3 徑向注漿設(shè)計圖Fig.3 Radial grouting design

表3 徑向注漿參數(shù)Table 3 Radial grouting parameters

3 效果評價

采用現(xiàn)場觀察法和地質(zhì)雷達對比法,同時結(jié)合現(xiàn)場的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)對注漿的質(zhì)量和效果進行綜合評判。

3.1 揭露面觀察法

在隧道開挖前實施超前的小導(dǎo)管預(yù)注漿后,掌子面開挖過程中滲流水狀況明顯減弱,由流線狀變?yōu)榕紶柕牡蚊八?部分區(qū)域僅表現(xiàn)為潮濕,掌子面上方的巖石掉塊現(xiàn)象基本沒有。開挖后的現(xiàn)場情況表明,預(yù)注漿提高了加固區(qū)的圍巖強度,限制了圍巖變形和遇水的強度損失,同時減小了圍巖的滲透系數(shù),阻礙了地下水的滲透流動。

在隧道開挖后,對已開挖區(qū)實施全斷面的徑向注漿,經(jīng)現(xiàn)場察看,部分區(qū)域的圍巖裂隙有漿液擴散,在充分注漿的前提下,表明漿液對裂隙進行了充分的填充；隧道邊墻較為干燥,拱頂、拱肩等位置由注漿前的滴漏水變?yōu)槌睗窕蛘吒稍?隧道開挖后的圍巖整體沒有出現(xiàn)較大變形,這表明全斷面的徑向注漿在襯砌外部形成了較為穩(wěn)定的注漿圈,承擔(dān)了部分外荷載提高了圍巖的強度,同時減小了圍巖的滲透系數(shù),起到了很好的防水堵水作用。

3.2 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達具有精度高和效率好的特點，且不會對圍巖產(chǎn)生破壞和擾動,因此工程上經(jīng)常使用地質(zhì)雷達對注漿質(zhì)量進行檢測。地質(zhì)雷達是通過發(fā)射天線對物體發(fā)射一種窄頻脈沖電磁波,利用電磁波在不同地下介質(zhì)的傳播特性來探察不同介質(zhì)分界面的結(jié)構(gòu)、電性和空間位置。結(jié)合現(xiàn)場實際和工程經(jīng)驗,數(shù)據(jù)的采集選用MALA/GPR第三代數(shù)字式主機(ProEx)系統(tǒng)和500 MHz天線頻率。

地質(zhì)雷達對全斷面徑向注漿的探測范圍為距離洞口30～48 m,共18 m,現(xiàn)場探測位置見圖4,在兩邊墻和拱頂位置各布置1條測線。注漿前后的探測結(jié)果如圖5所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測斷面Fig.4 Field monitoring section

從圖5a可以看出,左邊墻在徑向注漿前有地下水發(fā)育、部分圍巖松動范圍較大等特征,0～0.9 m和15～18 m內(nèi)徑向圍巖較為破碎且含水比較多,在0～3 m內(nèi)圍巖地下水較其他位置明顯更多。

從圖5b可以看出,0～0.9 m和15～18 m內(nèi)徑向圍巖在注漿后圍巖完整性明顯較好,含水量也較低,在0～3 m內(nèi)圍巖的結(jié)構(gòu)面和裂隙被漿液很好地填充。整體上,注漿后圍巖松動圈得到限制、地下水含量降低,表明注漿的效果良好。

從圖5c可以看出,右邊墻在徑向注漿前有地下水發(fā)育、部分圍巖松動范圍較大等特征,0～1.6 m徑向和15～18 m軸向圍巖較為破碎且含水比較多,在0～3 m內(nèi)圍巖地下水較其他位置明顯更多。

從圖5d可以看出,0～1.6 m和0～3 m內(nèi)徑向圍巖在注漿后圍巖完整性明顯較好,含水量也較低,15～18 m內(nèi)軸向圍巖的地下水反射信號較少,表明含水量降低了,同時破碎圍巖也得到加固。注漿前后的雷達圖像變化,反映出在整體上,右邊墻得到很好的加固,在局部薄弱位置圍巖變形穩(wěn)定,加固圈的作用明顯。

從圖5e可以看出,拱頂在徑向注漿前0～0.8 m和0～3 m內(nèi)徑向圍巖都比較破碎且含水量較高,在20～22 m內(nèi)軸向圍巖明顯比其他位置區(qū)域的完整性差,這表明對該位置的注漿加固非常有必要。

從圖5f可以看出,0～0.8 m和0～3 m徑向圍巖在注漿后圍巖的含水量下降了，但仍然比較多,圍巖的結(jié)構(gòu)面和裂隙填充度不高,圍巖完整性提高的較少,該區(qū)域的圍巖強度有待加強,相比下在20～22 m內(nèi)軸向圍巖得到了很好的加固,圍巖完整性好。

圖5 不同部位雷達探測圖像Fig.5 Radar image of different parts

通過對拱頂注漿前后雷達圖像的對比分析,發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)淖{效果較左邊墻明顯降低,在整體上拱頂圍巖得到了加固,但部分區(qū)域位置的注漿效果不理想?？紤]到各個注漿位置的施工方法一致,問題產(chǎn)生的可能原因是：拱頂在注漿過程中,工人需要從下往上進行注漿,這樣易出現(xiàn)注漿位置上的偏差導(dǎo)致跑漿和裂隙填充度較低；徑向注漿的注漿壓力并沒有適當(dāng)?shù)奶岣?由于重力的作用,造成滲透路徑短,從而導(dǎo)致裂隙填充度低。

依據(jù)地質(zhì)雷達探測的結(jié)果,進口段30～48 m內(nèi)的圍巖整體注漿效果較好,圍巖結(jié)構(gòu)面和裂隙得到很好的填充,注漿提高了圍巖完整性,降低了地下水的含量。同時探測發(fā)現(xiàn),右邊墻一側(cè)的圍巖破碎程度和松動圈范圍較左邊墻的大,易出現(xiàn)變形和開挖時的巖體掉塊,因此需要及時采取加固和支護。此外,拱頂局部區(qū)域的注漿效果不理想,建議在開挖過后,應(yīng)盡快噴錨支護形成封閉圈抑制拱頂圍巖松動圈發(fā)展和拱頂沉降。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測可以了解圍巖和襯砌在開挖后內(nèi)力和變形隨時間的變化情況,有利于掌握圍巖和襯砌的受力特征和變形的內(nèi)在規(guī)律。依據(jù)現(xiàn)場實際情況,選取的監(jiān)測項目為拱頂沉降和洞周水平收斂,監(jiān)測斷面見圖4,圖6為左洞不同部位監(jiān)測結(jié)果曲線。

由圖6可以看出,在開挖后10 d以內(nèi)左洞拱頂沉降呈線性的增加,在20 d左右,沉降位移趨于收斂,三段的沉降速率在前20 d有降有升,但整體的趨勢是下降的，并在20 d后趨于0。A斷面最終的收斂位移為50 mm左右,而B和C斷面的收斂位移分別為40 mm和38 mm,這說明三段的注漿效果存在一點差異,但整體上注漿保證了拱頂?shù)膰鷰r穩(wěn)定。

由圖6還可以看出,左洞水平位移同拱頂類似,收斂位移在20 d后收斂穩(wěn)定,收斂速度也在20 d后趨于0,同時A斷面的水平位移最終為45 mm,B和C斷面分別為30 mm和32 mm。進一步分析得出,注漿開挖后左洞圍巖在10 d以內(nèi)變形增長迅速,變形速率的變化呈振蕩減小,在20 d以后圍巖變形收斂穩(wěn)定,說明左洞的注漿效果較好,漿液加固了圍巖,限制了圍巖松動圈的發(fā)展。

由圖7可以看出,右洞的拱頂位移和周邊收斂隨時間變化情況同左洞的類似,都在前10 d呈線性增加,20 d左右趨于收斂,右洞A段拱頂沉降和周邊收斂位移最終分別為38 mm和26 mm,這比左洞的A段相比減少了24%和42.2%,B段的拱頂和洞周最終收斂位移分別為34 mm和28 mm,相比左洞B段減少15%和6.67%,C段情況和B段類似，相應(yīng)減少7.9%和6.25%。整體上注漿對左、右洞的圍巖變形都起到了很好的限制作用,左洞的變形位移比右洞大,建議施工加強對左洞圍巖的支護和監(jiān)測并及時施加二襯。

圖6 左洞不同部位位移監(jiān)測情況Fig.6 Displacement monitoring of different parts of the left tunnel

圖7 右洞不同部位位移監(jiān)測情況Fig.7 Horizontal displacement monitoring of different parts of the right tunnel

4 結(jié)論

(1)注漿在襯砌外部形成了較為穩(wěn)定的注漿圈,降低了圍巖的遇水軟化程度，提高了圍巖的強度,同時減小了圍巖的滲透系數(shù),起到了很好的防水堵水作用。

(2)高破碎圍巖注漿后地下水的反射信號較少,局部薄弱位置圍巖完整性得到提高,注漿效果良好,但在拱頂?shù)牟糠治恢米{效果欠佳,建議適當(dāng)提高該位置的注漿壓力,改善注漿工藝。

(3)隧道注漿開挖后圍巖變形一開始增長迅速,變形速率的變化呈振蕩減小,最終圍巖變形收斂穩(wěn)定,注漿效果較好,限制了圍巖松動圈的發(fā)展。

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