祁 海 生， 劉 科

(中國水利水電第十工程局有限公司；四川 都江堰 611830)

1 概 述

云南省紅河州建水(個(gè)舊)元陽高速公路項(xiàng)目他白依隧道為分離式長隧道，隧道全長2 615 m, 最大埋深297 m，屬深埋長隧道。隧道揭露的圍巖均為全～強(qiáng)風(fēng)化板巖、炭質(zhì)灰?guī)r，圍巖破碎、松散，巖體完整性差，以碎裂狀松散結(jié)構(gòu)為主，強(qiáng)度低，抗風(fēng)化能力弱、遇水易軟化，有千枚化現(xiàn)象[1]；同時(shí)，隧道圍巖受龍岔河區(qū)域斷裂及F14構(gòu)造分布影響，斷層及節(jié)理發(fā)育，整體穩(wěn)定性差。

他白依隧道施工過程中持續(xù)存在軟巖大變形問題，異常的沉降變形導(dǎo)致侵限處理及坍塌、現(xiàn)場(chǎng)工字鋼扭曲、初支開裂現(xiàn)象頻發(fā)。截止目前，他白依隧道進(jìn)口端累計(jì)發(fā)生坍塌18次、涌水突泥3次，反復(fù)出現(xiàn)異常沉降變形累計(jì)長度達(dá)515 m，且累計(jì)發(fā)生侵限處理長度達(dá)403 m，侵限處理嚴(yán)重影響到施工進(jìn)度。在他白依隧道施工過程中，圍巖穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變形的控制不能滿足隧道施工和環(huán)境安全的要求，必須采取輔助施工方法對(duì)其進(jìn)行處理。注漿作為地下軟弱圍巖和地下水處理的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)成為他白依隧道施工技術(shù)的重要組成部分[2]。他白依隧道主要針對(duì)掌子面前方開挖輪廓線外5 m范圍內(nèi)的圍巖實(shí)施超前預(yù)固結(jié)注漿。為防止掌子面拱頂溜塌，采用了φ76 mm超前管棚技術(shù)；當(dāng)后期圍巖變形超出預(yù)警值時(shí)，采取徑向注漿技術(shù)等綜合注漿措施起到了一定效果，保證了隧道的正常掘進(jìn)。闡述了對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道實(shí)施的超前注漿技術(shù)。

2 圍巖注漿加固施工方案

2.1 上臺(tái)階全斷面注漿施工模式

他白依隧道左幅樁號(hào)Z5K63+470～Z5K63+534段圍巖級(jí)別為V級(jí)。受區(qū)域斷裂帶影響，巖體破碎-極破碎，軟弱夾層發(fā)育，開挖揭露其抗風(fēng)化能力差，具有遇水軟化特性，開挖后，掌子面不斷溜塌，圍巖極不穩(wěn)定，項(xiàng)目部對(duì)此段上臺(tái)階掌子面前方進(jìn)行了超前注漿預(yù)固結(jié)處理，具體參數(shù)為：長度L為25 m，共設(shè)置4環(huán)，環(huán)距1 m，孔間距1 m，共計(jì)40個(gè)孔，角度上仰10°～15°，孔口設(shè)置φ108 mm×6 mm鋼管，L=1 m，環(huán)向搭接8 m，上臺(tái)階全斷面注漿情況見圖1。

圖1 上臺(tái)階全斷面注漿立面圖

(1)縱向加固長度為25 m(不含止?jié){墻)，開挖長度為17 m,預(yù)留8 m作為穩(wěn)定巖盤，拱部及邊墻、仰拱均加固至開挖輪廓線外5 m，注漿孔漿液擴(kuò)撒半徑為2 m，終孔間距不大于3.3 m，單循環(huán)設(shè)10 m補(bǔ)充斷面，施工時(shí)如遇薄弱位置需適當(dāng)補(bǔ)孔。

(2)止?jié){墻采用C30混凝土澆筑，厚3 m，高4.5 m。止?jié){墻周邊采用兩環(huán)φ32 mm鋼筋與初支連接錨固，錨固鋼筋環(huán)向間距1.5 m，長2 m，嵌入止?jié){墻和初支各1 m。鉆機(jī)操作平臺(tái)長10 m，采用C15混凝土澆筑15 cm厚。平臺(tái)兩側(cè)靠近止?jié){墻0.5 m施做排水溝。

(3)為防止注漿過程中漿液沿初支回流、壓力傳遞引起初支變形，待止?jié){墻及鉆機(jī)操作平臺(tái)施工完成后，在止?jié){墻后方10 m范圍內(nèi)進(jìn)行徑向注漿，小導(dǎo)管外露長度為20 cm，長度為4.5 m，環(huán)縱向間距為2 m×2 m，梅花型布置。徑向注漿材料采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為：水灰比(0.8～1)∶1。HPC摻量為12%～15%，注漿壓力為0.5～1 MPa。

(4)注漿工藝：結(jié)合他白依隧道圍巖特點(diǎn)，采用鉆桿后退式分段注漿與水平袖閥管束分段相結(jié)合的施工工藝，鉆桿后退式注漿分段長度為2～4 m，水平袖閥管注漿工藝為先鉆孔至終孔，然后在孔內(nèi)埋設(shè)3根φ25 mm水平袖閥管，采用分段注漿方式，水平閥管兼做錨桿。注漿前鉆設(shè)3～5個(gè)超前探孔對(duì)掌子面前方的圍巖進(jìn)行判別并確定注漿工藝。

(5)注漿材料采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為：水灰比(0.8～1)∶1。HPC摻量為12%～15%，注漿壓力為8～10 MPa，注漿順序?yàn)橛赏庀騼?nèi)、自下而上、間隔跳孔進(jìn)行[3]。注漿結(jié)束后，鉆設(shè)4個(gè)檢查孔進(jìn)行注漿效果檢查，檢查標(biāo)準(zhǔn)為不塌孔、不涌泥。

上臺(tái)階全斷面注漿預(yù)固結(jié)加固遵從“注漿一段、開挖一段、余留一段，段段推進(jìn)、穩(wěn)扎穩(wěn)打”的施工理念，他白依隧道樁號(hào)K63+170～235段實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)注漿后效果明顯，初期支護(hù)的最終沉降值均在200 mm以內(nèi)，塌方次數(shù)相應(yīng)減少，取得的效果為：

a.通過上半斷面開孔實(shí)現(xiàn)全斷面注漿加固，使圍巖更容易形成自然拱，受力更加合理(上臺(tái)階全斷面注漿預(yù)固結(jié)前后最終沉降值曲線見圖2)，初期支護(hù)的最大沉降量由560 mm下降至200 mm以內(nèi)，從而有利于軟弱地層安全風(fēng)險(xiǎn)的控制；

圖2 上臺(tái)階全斷面注漿預(yù)固結(jié)前后最終沉降值曲線圖

b.通過上臺(tái)階全斷面注漿預(yù)固結(jié)，使其最大沉降量處于可控狀態(tài)，減少了初支侵限的處置時(shí)間，形成了有效進(jìn)尺，相比三臺(tái)階開挖，兩臺(tái)階開挖減少了工序轉(zhuǎn)換，節(jié)省了工期；

c.根據(jù)第一循環(huán)的注漿質(zhì)量，8 m的止?jié){巖盤在下一循環(huán)超前預(yù)注漿施工時(shí)已能夠滿足抵抗注漿過程中的注漿壓力，第二循環(huán)以后的止?jié){墻可以不做，從而節(jié)省了止?jié){墻澆筑所占用的時(shí)間。

2.2 超前管棚的施工

他白依隧道V級(jí)圍巖及軟弱破碎段采用φ76 mm×6 mm超前管棚支護(hù)，支護(hù)角度為120°，長9 m，環(huán)向間距30 cm，縱向搭接長度為3 m，每環(huán)45根。

為滿足鉆孔設(shè)備工作要求，傳統(tǒng)管棚的施工必須沿開挖輪廓線擴(kuò)大60～80 cm作為管棚施工工作間，且在需要大管棚超前支護(hù)的軟弱地層擴(kuò)大斷面開挖，風(fēng)險(xiǎn)性極高，并給后續(xù)二襯混凝土施工等帶來較多的不利影響，傳統(tǒng)的、具有施工空間的管棚施工示意圖見圖3。

圖3 傳統(tǒng)的、具有施工空間的管棚施工示意圖

為減少開挖斷面、減少二襯混凝土的澆筑方量，降低開挖難度，他白依隧道采用無管棚施作工作空間技術(shù)，管棚沿開挖輪廓線內(nèi)50 cm拱部布設(shè)，環(huán)向間距40 cm，外插角度為3°～6°。對(duì)于管棚侵限位置，采用自制的頂進(jìn)器將管棚送入孔底，侵限位置利用上循環(huán)管棚形成有效搭接。

2.3 徑向注漿加固

2.3.1 注漿加固的目的

對(duì)初期支護(hù)的背后徑向充填注漿，采用水泥漿液填充初期支護(hù)與圍巖之間的空隙，在不改變地層組成的情況下，注漿使顆粒間的空隙充滿漿液并使其固化，注漿使該土層中的黏結(jié)力、內(nèi)摩擦角值增大，從而使松動(dòng)圈的圍巖強(qiáng)度增加，加強(qiáng)了圍巖的整體穩(wěn)定性。加固圍巖與初期支護(hù)共同作用形成共同承載拱，改善了傳力條件，增強(qiáng)了初期支護(hù)與圍巖的密貼程度，提高了圍巖和初期支護(hù)的承載力和自穩(wěn)力，進(jìn)而控制了沉降和變形。這種注漿不改變?cè)两Y(jié)構(gòu)，但充填其原有空間為密實(shí)連續(xù)體，改善了原有圍巖三相結(jié)構(gòu)的受力條件，進(jìn)而有效地改善了土體的受力結(jié)構(gòu)，同時(shí)控制了地層水的滲入，有效控制了沉降[4]。

2.3.2 注漿加固的適用條件

根據(jù)監(jiān)控量測(cè)位移管理等級(jí)，若在已經(jīng)采取增設(shè)鎖腳錨管、護(hù)拱等加強(qiáng)支護(hù)措施后仍然出現(xiàn)變形無法控制的情況(當(dāng)初支累計(jì)位移變形量大于設(shè)計(jì)極限位移值的2/3時(shí))，即進(jìn)入一級(jí)管理狀態(tài)，應(yīng)立即停止斷面施工，對(duì)掌子面進(jìn)行封閉，對(duì)超限變形部位采取徑向注漿加固措施，同時(shí)立即上報(bào)、制定進(jìn)一步強(qiáng)化處理措施。

2.3.3 注漿施工方案

(1)工藝流程。注漿過程的工藝流程主要為：隧道軟弱破碎圍巖段開挖→鉆孔→裝設(shè)注漿管→配置漿液→注漿→效果檢查→補(bǔ)孔注漿→結(jié)束。

(2)注漿參數(shù)。徑向注漿按照圍巖加固和堵水兩方面作用考慮。注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)加固圍巖的地質(zhì)特性進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)達(dá)到要求后作為施工注漿的控制參數(shù)，并在施工中根據(jù)實(shí)際圍巖類型不斷調(diào)整參數(shù)[5]。

a、注漿范圍的確定。本次注漿的目的是為加固隧道周邊的圍巖?，F(xiàn)場(chǎng)揭露的圍巖為破碎、軟弱的圍巖，其注入加固范圍包括松動(dòng)圈并進(jìn)入圍巖的彈塑性區(qū)。本次注漿范圍為隧道開挖輪廓線外4.5 m。徑向注漿情況見圖4。

b、注漿孔間距的取值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢查注漿效果后可對(duì)其進(jìn)行調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)揭露圍巖為強(qiáng)風(fēng)化千枚巖，裂隙間夾泥，綜合注漿目的、前期注漿效果的總結(jié)等因素，本次注漿孔間距取1.2 m。本次注漿孔的布置采用梅花形以充分發(fā)揮注漿孔的擴(kuò)散潛能，獲得最佳的注漿效果，減少鉆孔數(shù)量。

c、注漿管的選型。注漿管采用Φ42 mm、長4.5 m的注漿鋼花管。將注漿管前端加工成圓錐狀并封死，花管部分長3.5 m，在花管段上沿縱向間隔20 cm、環(huán)向間隔120°按梅花形布設(shè)Φ6 mm的溢漿孔，管尾部分采用兩道Φ6 mm鋼筋焊箍，其中一道用于連接注漿芯管，另一道纏上棉紗后用于止?jié){。注漿孔采用風(fēng)鉆鉆孔，成孔直徑為50 mm，成孔后下入Φ42 mm注漿管。

d、注漿材料。采用P.O42.5普通水泥單液漿+HPC注漿外加劑漿液，漿液配比為水灰比(0.8～1)∶1。HPC的摻量為12%～15%，注漿壓力為0.8～1.2 MPa，水泥不得有結(jié)塊現(xiàn)象。

e、注漿速度。根據(jù)隧道圍巖的地質(zhì)情況、破碎和夾泥程度，將注漿速度取為20～40 L/min。破碎程度嚴(yán)重時(shí)取大值，夾泥程度嚴(yán)重時(shí)取小值。

f、注漿終壓。當(dāng)注漿部位無地下水滲出時(shí)，注漿的主要目的為加固圍巖。綜合考慮注漿壓力對(duì)初支的影響，將注漿終壓定為1.2 MPa。當(dāng)注漿部位有地下水滲出時(shí)，注漿終壓取大值。

樁號(hào)ZK63+535～ZK63+560段徑向注漿完成后，通過對(duì)初支變形的監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)其拱頂下沉速率比未采取注漿措施的樁號(hào)ZK63+505斷面小，連續(xù)監(jiān)測(cè)14 d后，拱頂累計(jì)沉降量比未注漿斷面減少了30%，徑向注漿后初支變形對(duì)比曲線圖見圖5。說明在隧道初支背后進(jìn)行徑向注漿能夠增強(qiáng)其與圍巖的密貼程度、提高圍巖的承載力和自穩(wěn)力、能夠在一定程度上控制隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的沉降和變形。

圖5 徑向注漿后初支變形對(duì)比曲線圖

3 結(jié) 語

在施工過程中，工程技術(shù)人員一直試圖尋找到超前預(yù)處理過程中的工期要求和處理效果、處理效果和造價(jià)投入的平衡點(diǎn)，但隧道內(nèi)的圍巖隨時(shí)在變化，需要施工方不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、做出正確的決策，才能最大限度地接近平衡點(diǎn)。

他白依隧道通過合理、適宜地注漿設(shè)計(jì)、引進(jìn)專業(yè)化的注漿隊(duì)伍、采用先進(jìn)的注漿設(shè)備和材料，對(duì)一系列注漿施工方法進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了鉆孔注漿的快速施工，為隧道的快速掘進(jìn)創(chuàng)造了條件，最大限度地接近了工期要求和處理效果、處理效果和造價(jià)投入的平衡點(diǎn)，所取得的成果已得到參建各方的認(rèn)可。