川東北聯絡線通江隧道圍巖破碎帶小導管注漿

蒲高軍 劉 鵬

0 引言

隨著我國長輸管線工程的大發展，越來越多的管線需經過丘陵山地，管線就不可避免的在不良地質地段修建隧道，這極大的增加了設計和施工難度。注漿技術實用性強、應用范圍廣，是隧道工程治理不良地質的重要施工技術。本文結合川東北—川西輸氣管道聯絡線通江隧道工程，對管線隧道圍巖破碎段注漿加固技術的應用進行闡述，可供類似工程借鑒與參考。

1 工程概況

川東北—川西輸氣管道聯絡線通江隧道使管線以江底隧道形式敷設穿越通江。通江隧道全長1 290 m，采用U形線形，兩岸采用斜井形式，江底采用平巷形式。其中江底平巷K0+700～K0+715段長度為15 m，地質揭露該段隧道底板以上20 m范圍內主要為侏羅系上統蓬萊鎮組中風化粉砂質泥巖和微風化粉砂質泥巖組成，以微風化粉砂質泥巖為主，巖體破碎。視電阻率20 Ω·m～30 Ω·m，巖體富水性較強。原設計初襯為100 mm厚噴射C20混凝土+系統錨桿支護，但由于圍巖破碎，巖體富水強，開挖揭露拱頂出現大量淋水，淋水量約為20 m3/h～25 m3/h，噴錨支護無法實施，故考慮預注漿封閉裂隙，堵水加固圍巖。通過對超前小導管、管棚預支護和帷幕注漿等方案的綜合比選，最終確定采用超前小導管注漿形式。

2 小導管注漿

2.1 注漿加固原理

采用圍巖壁內注漿技術，可增強圍巖整體性、控制圍巖變形。其支護機理包括以下幾方面:

1)注漿后的圍巖能有效的閉合原有的節理及裂隙，阻止圍巖節理、裂隙進一步發育，能有效的提高圍巖強度;

2)通過注漿使普通錨桿具備了全長錨固錨桿的優良特性，有利于隧道破碎圍巖的加固;

3)注漿可提高圍巖的殘余強度及內摩擦角，使破碎的巖體再次獲得較高的支撐能力;

4)注漿后圍巖的整體強度提高，縮小了圍巖的松動圈半徑，改善了圍巖的應力圈狀態。

2.2 破碎帶隧道圍巖可注性的調查

圍巖可注性一般由3個因素決定:

1)圍巖裂隙的發育程度及裂隙寬度，根據工程經驗，我國水泥類漿液一般只能注入張開度大于0.2 mm的裂隙;

2)水泥漿液粒徑的大小和粘稠度，當水泥粒徑大于裂隙寬度時會出現不吃漿現象;

3)與注漿的壓力有關，在一定的壓力影響范圍內，隨壓力的增大可注性明顯提高。

在注漿前應詳細調查隧道構造帶的結構面特性。各類圍巖都有其自身的臨界壓力，隧道圍巖中常存在一些易于漿力劈裂的層面和不連續面等，當注漿壓力超過臨界注漿壓力時，巖體就會發生劈裂。

經現場調查并結合圍巖樣本的物理力學實驗得出其圍巖裂隙較發育，平均裂隙張開度達到0.26 mm;注漿壓力達2.5 MPa時還未發生漿力劈裂，可見該破碎帶圍巖滿足小導管注漿條件。

2.3 注漿深度確定

隧道開挖后，破壞了圍巖原有的三向應力平衡狀態，使應力重新分布，產生應力集中。如果集中應力值小于下降后的巖石強度，圍巖將處于彈塑性狀態，圍巖可自穩。如果集中應力值等于下降后的巖石強度，圍巖將發生破裂，這種破裂將從周邊開始逐漸向深部擴展，直至達到另一新的三向應力平衡狀態為止，這個破裂帶稱為圍巖松動圈。松動圈形成過程中的碎脹變形即巖石破裂膨脹變形是隧道支護的主要對象。注漿深度應通過松動圈進入塑性區內。

經過現場超聲波測試，測得松動圈范圍為隧道開挖輪廓線外2 m，因此注漿深度大于2 m進入塑性區內。

2.4 注漿材料

注漿材料大致可分為水泥注漿材料、化學注漿材料、無水泥熟料的綠色注漿材料三大類。三種材料優缺點比較見表1。

表1 注漿材料優缺點比較表

通過對材料來源、環境的影響、經濟型綜合比較，故采用水泥單漿液和水泥—水玻璃雙漿液，具體考慮以下幾方面:

1)通江隧道所處川東北山區，工業稀少，工業廢渣來源不便，不適宜采用綠色注漿材料。

2)通江隧道穿越通江河，隧道底部圍巖裂隙極有可能與河床相通，注漿時有可能污染通江水源，且化學材料費用高，不宜使用化學注漿材料。

3)水泥注漿技術成熟，且該地區水泥材料豐富，材料來源廣泛，運距短，綜合費用低。

4)采用水泥—水玻璃雙漿液可提高漿液穩定性，控制凝結時間，改善單漿液注漿效果。

2.5 注漿壓力的確定

注漿壓力直接影響了注漿加固的效果。注漿壓力的大小受圍巖性質、滲透條件、漿液的流動力學性質、滲透范圍和注漿方式等因素的影響和制約。注漿壓力過小，漿液難以向圍巖中擴散，達不到預期的效果;如果注漿壓力過大，有可能致裂圍巖。前節圍巖可注性已驗證了該段圍巖滿足小導管注漿條件。

根據以往的工程經驗，圍巖嚴重破碎時的注漿壓力為0.5 MPa;圍巖比較破碎時的注漿壓力為1.0 MPa，裂隙較小時的注漿壓力為 1.0 MPa ～2.0 MPa，最高不超過 3.0 MPa，故該段小導管注漿壓力控制在 0.5 MPa～1.0 MPa。

注漿壓力值通過公式(1)進行復核:

其中，p為注漿壓力，MPa;q為漿液流量，m3/h;m為注漿有效段的長度，m;v為漿液的動粘性系數，m2/s;ω為裂隙寬度，m;r0為注漿孔半徑，m;R為漿液擴散半徑，m。

2.6 注漿擴散半徑及注漿量

其中，R為漿液擴散半徑，m;p為注漿壓力，MPa;T為注漿時間，min;b1為巖體裂隙寬度，m;h為注漿有效段的長度，m;η為漿液的動粘性系數，m2/h。

總注漿量根據巖體空隙率及漿液在其中充填率進行估算。可按公式(3)計算:

其中，Q為總注漿量，m3;V為注漿范圍內巖體體積，m3;n為巖體空隙率，%;a為過去時間證明了的充填率，%，其取值為:粘土類20%～30%，砂類40%～60%，礫石類約60%，斷層破碎帶取5%，一般破碎巖層取1%～2%，火成巖類取小于1%。

漿液的擴散半徑是確定注漿孔布置和孔深的重要依據。影響擴散半徑大小的因素很多，但主要取決于注漿壓力、圍巖力學性質、裂隙密度及開度、漿液的流動力學參數及初凝時間等。一般情況下應首先由注漿經驗初步確定，然后由現場施工監測，再作進一步調整。

漿液擴散半徑可以用公式(2)進行計算:

表2 小導管注漿的控制參數表

2.7 注漿參數確定

1)通過對前述注漿內容的調查、分析和計算，確定了小導管注漿的控制參數。具體數值見表2。

2)要求注漿漿液膠凝時間控制在30 s～180 s。固結體強度要求24 h不小于0.2 MPa。在壓力地下水作用下，漿液要具有較好的防水稀釋性能，而且在膠凝時間內要盡量靜置不沉淀、不離析。通過注漿試驗確定漿液的配合比，注漿材料的配合比及性能指標見表3。

表3 水泥—水玻璃漿液配比及性能表

2.8 注漿施作

1)小導管制作。小導管采用外徑42 mm，厚3.5 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長4 m，其加工制作按如圖1所示結構要求進行，在導管的前端量取200 mm加工成圓錐形并封焊嚴實，作為小導管頂部，管身孔徑為10 mm，孔距按300 mm梅花形排列設溢漿孔，后端1 m不設。管尾設一φ6 mm加筋箍。

圖1 小導管示意圖（單位：cm）

2)注漿孔布置。外層鋼管外插角度稍大取30°～45°，保證1 m的水平投影搭接長度。呈梅花形布置。

3)注漿順序。注漿從下部小導管開始按順序向拱頂逐根注漿，嚴禁順序顛倒。

4)注漿結束標準。以定量和定壓雙重標準控制。即:當注漿壓力達到設計終壓或注漿量達到設計值以上時，單孔注漿結束。當所有注漿孔均符合單孔結束條件、無漏注情況時全段注漿結束。

2.9 效果及評價

1)圍巖注漿加固效果。經過現場檢驗，通過注漿能夠把松散破碎的巖體固結成整體，形成了支護殼體，提高了掌子面前方圍巖的強度和剛度，大大減少了開挖引起的圍巖松弛和坍塌，起到了堵水的效果，達到了保證施工安全的目的。

2)沉降控制從施工過程中圍巖變形觀測和洞內監控量測數據分析來看，該破碎帶在小導管注漿支護后，變形控制在5 mm以內，洞內變形符合規范要求。

3 結語

1)小導管操作簡便、靈活，施工中不必投入過大的機具設備，對操作空間沒有過高的要求，對施工空間受限地段有其獨特的優越性。2)是提高其掌子面的自穩能力、降低地層滲水、控制圍巖變形，以保證施工安全的一種有效方法。3)注漿參數的選擇在注漿技術中至關重要。在注漿以前，必須根據實際情況選擇漿液材料和合理的注漿參數。4)注漿施作形式的選擇需根據現場地質情況、災害發生原因、治理目的、實施可行性和經濟性等因素綜合考慮，做到因地制宜，切實可行。

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