隧道穿越富水泥巖斷層破碎帶超前帷幕注漿技術

彭學軍 劉德安 湯 宇 林三國 陽軍生

(1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司 湖南長沙 410117；2.中南大學土木工程學院 湖南長沙 410075)

1 工程概況

新建鄭萬高鐵湖北段巴東隧道全長13 238 m，最大埋深631 m[1]。隧址內屬構造剝蝕-侵蝕中低山地貌，地勢起伏較大，隧道地質以砂巖夾泥巖、粉砂巖夾泥巖、頁巖為主。

其中，隧道D8K612＋700～D8K612＋830段經過沖溝，地表植被茂密，為灌木、喬木覆蓋，溝谷高差較大，常年流水，特別是隧道洞身穿過50 m長斷層破碎帶，該段埋深約85～120 m，圍巖主要為紫紅色泥巖夾砂巖，大多呈薄～中厚層狀或塊狀構造，圍巖質軟，節理裂隙發育。隧道地質縱斷面如圖1所示。

圖1 巴東隧道地質縱斷面

經進一步地質勘察及文獻調研[2-3]，巴東隧道穿越地層巖性主要為三疊系中統巴東組二段(T2b2)紫紅色泥巖，在三峽庫區常被稱為“易滑地層”，并具有一定膨脹性，遇水易崩解，致使一些邊坡防護工程發生變形破壞，對隧道施工造成不利影響。巴東隧道在穿越基巖裂隙水發育的紫紅色泥巖地層過程中，極易發生拱頂掉塊、掌子面局部或大面積坍塌等工程事故，施工風險極高，必須采取有效的防治措施以確保工程建設安全。

帷幕注漿加固在隧道穿越富水軟弱圍巖預加固中有成功應用[4-5]，鄭萬高鐵對隧道大斷面機械化施工技術進行了創新研究，在掌子面超前預加固特別是軟弱圍巖高壓劈裂注漿施工工藝等方面進行了成功探索，達到理想的圍巖加固效果[6]。

結合以上調查結果及現場施工條件，針對富水斷層破碎帶段落，提出帷幕注漿加固方案，并對其設計參數、施工工藝進行詳細研究，以確保大斷面隧道施工安全和效率。

2 超前帷幕注漿加固及管棚施工

為保證隧道開挖及結構安全，按照“注漿擠密、管棚支護”的原則[7]，在隧道開挖輪廓線外形成一定厚度且具有一定抗壓能力的穩定固結體，并通過洞身超前管棚剛性支護，提高固結體的承載能力。總體方案為先在掌子面施作止漿墻，然后施工注漿孔進行超前帷幕注漿，最后進行管棚施工[8-10]。

2.1 超前帷幕注漿加固技術

2.1.1 注漿加固范圍

結合現場地質條件及施工情況，利用已開挖上半斷面進行超前帷幕注漿對地層進行加固處理，注漿范圍為開挖輪廓線外5 m，注漿加固段落縱向長度30 m(含止漿墻)，漿液擴散半徑為1.5 m。

2.1.2 止漿墻設計

止漿墻需能承受最大注漿壓力，并有效防止掌子面漏漿、跑漿，其穩固性對超前帷幕注漿效果影響較大。在掌子面處施作止漿墻，止漿墻采用C25混凝土分3段進行澆筑，厚2.0 m、高6.0 m(根據實際情況進行調整)，嵌入圍巖1.0 m。

施作止漿墻前，為保證拱頂圍巖穩定，須在拱頂打設2排φ42徑向注漿錨桿，環向間距1.0 m、縱向間距0.8 m，長度約2.5 m，其中2 m嵌入圍巖，0.5 m錨入止漿墻。止漿墻基礎采用3排φ42小導管進行加固，小導管環向間距1.0 m、縱向間距0.8 m，長4.0 m，其中3 m嵌入圍巖，1 m錨入止漿墻。止漿墻橫斷面如圖2所示。

圖2 止漿墻橫斷面(單位：cm)

2.1.3 鉆孔參數設計

根據隧道穿越斷層寬度、影響范圍及現場施工情況，帷幕注漿設置一個循環，施作里程段為D8K612＋702～D8K612＋732。每循環設置注漿孔80個，終孔斷面布置57個孔，補孔斷面23個孔，終孔間距不大于2 m。帷幕注漿設計如圖3～圖4所示。

圖3 巴東隧道帷幕注漿縱斷面(單位：cm)

圖4 巴東隧道帷幕注漿孔設計(單位：cm)

2.1.4 鉆孔注漿施工工藝

(1)鉆孔、埋設孔口管

注漿前鉆注漿孔，標定孔位確定鉆進外插角后，采用φ130 mm鉆頭低速鉆進1.5 m，安設孔口管。孔口管采用φ108 mm、壁厚6 mm的無縫鋼管，管長1.5 m，孔口管外壁纏繞50～80 cm長的麻絲(或盤條)成紡錘形，采用鉆機沖擊安設到要求深度，并用水泥基錨固劑錨固，以保證孔口管安設牢固不漏漿。

(2)注漿施工

注漿按照先周邊后中間的順序，由外向內跳孔作業，以達到控域注漿、擠密加固的目的。

根據地質情況，采用前進式分段注漿和鉆桿后退式分段注漿相結合的施工工藝。首先采用前進式分段注漿工藝，通過部分A、B單序注漿孔對止漿墻前方10 m范圍內空洞區域進行回填注漿，并對止漿墻和初支之間的縫隙進行封堵。采用φ90 mm鉆頭通過孔口管鉆孔，每次鉆深5～10 m后安設注漿堵頭進行注漿施工。當該段注漿達到設計結束標準后，拆除注漿堵頭，在原孔深基礎上再鉆進5～10 m，注漿達到設計標準后再鉆孔。如此循環直到設計深度。施工中可根據地質情況適當調整鉆注分段長度，以避免漿液壓力過大造成止漿墻及初支變形，保證注漿加固效果。前期注漿孔注漿壓力不大于1.5 MPa。

待止漿墻及初支背后得到有效填充加固后，再進行下一階段注漿。本階段采用后退式注漿工藝，即采用φ90 mm鉆頭鉆孔至設計深度，然后下入φ57 mm鉆桿至孔底，開始注漿，達到注漿結束標準后，拆除2 m鉆桿后再繼續注漿。如此循環直到鉆桿后退到掌子面前方10 m，退出鉆桿安裝堵頭進行補注漿。

(3)注漿結束標準

單孔注漿結束標準:注漿過程中，壓力逐漸上升，流量逐漸下降，當注漿壓力達到設計壓力并穩壓10 min后，即可結束該孔注漿。

全段注漿結束標準:設計的所有注漿孔均達到注漿結束標準，無漏注現象；按總注漿孔的5%設置檢查孔，檢查孔需滿足設計要求。

2.2 管棚注漿技術

2.2.1 管棚參數設計

為提高帷幕注漿加固體的承載能力，防止隧道開挖過程中發生塌方、掉塊等工程事故，在隧道拱部120°范圍內沿開挖輪廓線施作超前管棚，開挖輪廓線向內20 cm環向布置，開孔環向間距40 cm，外插角 5°。 共布設35根管棚鋼管，管棚孔可兼作上斷面補充注漿孔。管棚布置見圖5。

管棚采用外徑φ76 mm、壁厚5.5 mm熱軋無縫鋼管加工，每節長2～3 m。沿管壁布設4排φ6 mm對稱溢漿孔，梅花形布設，孔間距為50 cm。每根管棚末端2 m不布設溢漿孔，前端加工成椎形尖端并封閉。采用內套鋼管套入φ76 mm管棚，焊接連接頂入孔內，待管棚安設完成后進行全孔一次性注漿。

圖5 管棚布置

2.2.2 管棚施工工藝

(1)測量放線，根據設計孔位標出開孔位置。

(2)調整好鉆孔角度，先采用地質鉆機引孔，成孔后再下入管棚至設計深度。

(3)為防止管棚安設過程中泥漿進入管棚內，影響注漿施工，管棚布設完成后，對管棚進行全孔一次性注漿。

(4)注漿材料為普通水泥水玻璃雙液漿，液漿配比同帷幕注漿。

(5)注漿終壓:1.5～2 MPa。

2.3 注漿材料選擇

基于巴東隧道現場泥巖特性及施工條件，注漿材料以P.O42.5普通硅酸鹽水泥、水玻璃雙液漿為主，普通硅酸鹽水泥單液漿為輔，其中水玻璃濃度為38 Bé，模數為2.4～2.8。注漿過程中，注漿速度設計為20～90 L/min，注漿終壓設計為1.5～2 MPa，現場可根據不同地層情況進行調整。注漿材料配比參數見表1。

3 帷幕注漿加固效果分析

注漿結束后，采用鉆孔成像法、開挖面揭露法并結合拱頂沉降監測分析和涌水量統計分析對注漿效果進行綜合評價，以指導后續施工。

3.1 鉆孔成像技術

帷幕注漿結束后，結合現場施工情況選擇可能出現的薄弱環節進行鉆孔檢查。采用孔內成像技術對序號為J1～J4的檢查孔進行孔內攝像，J1鉆孔內漿脈分布如圖6所示。結果表明，孔內壁較平順，成孔性好，無涌水涌泥現象，漿脈清晰、分布均勻，漿液填充效果好，初步判斷注漿效果良好。

圖6 巴東隧道J1鉆孔內不同深度成像

3.2 開挖面揭露法

開挖過程中揭露的掌子面漿脈和注漿加固圈情況可有效反映注漿效果，因此對帷幕注漿段開挖過程中掌子面圍巖進行觀察分析，揭露掌子面情況如圖7所示。掌子面漿脈清晰可見、分布均勻，漿液在圍巖中擴散效果比較好，漿液填充飽滿。掌子面無滲水，整體較穩定，未出現掉塊、坍塌等現象。表明帷幕注漿結合超前管棚的加固技術在開挖輪廓線以外形成了穩定的帷幕膠結體，提高了圍巖的強度，同時降低了圍巖的滲透系數，對掌子面松散圍巖體有較好的固結作用。

3.3 拱頂沉降監測及掌子面涌水量統計分析

為進一步檢測帷幕注漿對地層的加固止水效果，根據現場施工情況，選取拱頂沉降及掌子面涌水量進行監測分析，以指導后續施工。

圖7 現場開挖揭露掌子面注漿效果

(1)拱頂沉降監測分析

在隧道開挖過程中進行拱頂沉降值監測，選取3個典型斷面的監測數據，如圖8所示。

由圖8可知，3個斷面的拱頂沉降值在開挖后7 d內出現較明顯的增加，之后趨于穩定。其中D8K612＋727斷面拱頂最終沉降值為9.8 mm左右，D8K612＋722斷面和D8K612＋732斷面的拱頂沉降值分別為9.2 mm和6.5 mm。說明不同斷面注漿效果存在差異，但整體上注漿加固效果良好。

圖8 拱頂沉降監測曲線

(2)掌子面涌水量統計分析

現場帷幕注漿起止時間為2018年10月14日至2018年11月29日，隨后破除止漿墻進行隧道開挖。選取帷幕注漿前后1個月時間范圍內的掌子面涌水量數據進行統計分析，繪制涌水量變化曲線見圖9。

圖9 巴東隧道帷幕注漿掌子面涌水量變化曲線

由圖9可知，在帷幕注漿開始之前，掌子面涌水量最大值達4 325 m3/d，且波動幅度較大，施工無法正常進行；在2018年10月14日至2018年11月29日帷幕注漿期間，掌子面涌水量顯著減小，穩定在200～300 m3/d之間；2018年12月9日開始開挖之后，涌水量稍有升高，最大值達678 m3/d，平均日涌水量約465 m3，隨著開挖的進行逐漸減小最終趨于穩定。

4 結論

鄭萬高鐵巴東隧道穿越三疊系中統巴東組富水泥巖斷層破碎帶，根據工程、水文地質和現場施工條件等，利用已開挖上半斷面鉆孔進行超前帷幕注漿，并結合超前管棚剛性支護，掌子面圍巖加固止水效果良好，有效保證了富水泥巖斷層破碎帶的穩定性，確保隧道施工安全[11-12]。

(1)超前帷幕注漿采用前進式分段注漿和鉆桿后退式分段注漿相結合的施工工藝。先采用前進式分段注漿對止漿墻前方10 m范圍內空洞區域及止漿墻和初支之間的縫隙進行封堵，再采用后退式分段注漿方法進行最終的帷幕注漿，可有效保證注漿效果。

(2)為使止漿墻穩固、密實，保證帷幕注漿效果，在止漿墻頂部打設2排φ42徑向注漿錨桿，止漿墻基礎采用3排φ42小導管進行加固。現場注漿過程未發生掌子面漏漿、跑漿等現象，并且通過洞身超前管棚剛性支護，可有效提高帷幕固結體的承載能力。

(3)超前帷幕注漿后，采用孔內成像技術、開挖面揭露法對注漿效果進行檢測，漿液在加固地層中分布均勻、漿脈清晰，掌子面未發生滲水、坍塌等現象；對隧道拱頂沉降和掌子面涌水量進行監測分析。結果顯示，帷幕注漿段隧道開挖過程中，各斷面拱頂沉降值先增加后收斂穩定，掌子面涌水量也得到有效控制，說明帷幕注漿加固效果良好。