穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術(shù)分析

邰沖文

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 獲取松散堆積體力學(xué)參數(shù)的主要方式

1.1 松散堆積體土層情況分析

經(jīng)過(guò)調(diào)查可知，從多個(gè)采集點(diǎn)中獲得的松散堆積密度體土質(zhì)情況為：土石混合體的粒徑較大且均勻程度較差，最小的僅為0.1 mm、最大的能夠達(dá)到100 mm。粒徑級(jí)配不均勻系數(shù)Cu值在27～88.5之間、曲率系數(shù)Cc在0.23～1.17之間。經(jīng)過(guò)深入探查后發(fā)現(xiàn)，在該區(qū)段的松散堆積體之間，粒徑大小在0.080 mm之下的顆粒占總量的4%左右，粒徑大小在1.0～2.0 mm之間的中等顆粒占總量的50%左右(探測(cè)精度還存在提升空間，50%占比為推測(cè)的最大值，實(shí)際情況可能不足，但不會(huì)少于35%)。粒徑超過(guò)60 mm的顆粒最少為5%，最大甚至達(dá)到18%。綜合來(lái)看，由于該區(qū)段松散堆積體中近7成的顆粒為卵石、塊石以及粗礫石，故可以確認(rèn)該區(qū)段地層的密實(shí)度極差、存在大量的縫隙。如果按照常規(guī)土層的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，必然導(dǎo)致掌子面坍塌。因此，需要進(jìn)一步收集松散堆積體的力學(xué)參數(shù)，并制定針對(duì)性的方案，目的在于穿越至圍巖段進(jìn)行加固作業(yè)。只有如此，才能保證隧道開(kāi)挖順利進(jìn)行。

1.2 松散堆積體力學(xué)參數(shù)確認(rèn)方法

根據(jù)上文介紹的松散堆積體性狀，模擬出土層結(jié)構(gòu)，可以選用CPGM型號(hào)的膏狀注漿材料，對(duì)土層樣本進(jìn)行加固處理，之后得出有關(guān)松散堆積體的實(shí)際力學(xué)參數(shù)。本文所用的CPGM膏狀注漿材料性能參數(shù)如下：其比重大小為1.65；初始流動(dòng)度為234 mm；3 h內(nèi)的析水率達(dá)到3%；完成初步凝結(jié)的時(shí)間為37 min；24 h之內(nèi)的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到1.32 MPa。

其次，松散堆積體力學(xué)參數(shù)確認(rèn)實(shí)驗(yàn)選用的主要設(shè)備為T(mén)AJ-2000型動(dòng)靜三軸剪切儀，松散堆積體試樣土層的直徑達(dá)到300 mm，高度不小于500 mm。在此前提下，用于實(shí)驗(yàn)的圍巖參數(shù)定位300、600以及900 KPa，為了獲取最佳效果，軸向壓力的加載速度可以設(shè)定為每分鐘1.5 mm。

再次，主要的實(shí)驗(yàn)步驟如下：第一，將松散堆積體試樣土層放置于壓力室內(nèi)，并于底座處安裝好橡皮膜、成型筒，可以分多層進(jìn)行裝樣并進(jìn)行振搗作業(yè)。第二，嚴(yán)格控制注漿量以及注漿液的配比。可以按照模擬松散堆積體試樣總重量的10%左右注入漿液。第三，當(dāng)每個(gè)分層都呈現(xiàn)出均勻的混合形態(tài)之后，將之靜置7 d。第四，向壓力室注入水，并不斷提升圍壓，向試樣土層施加軸向的荷載。

最后，最終結(jié)果如下：未經(jīng)處理的松散堆積體土層的內(nèi)聚力為57.8 KPa，摩擦角度為32°；經(jīng)過(guò)加固處理后的加固土層內(nèi)聚力達(dá)到了98.4 KPa，提升幅度超過(guò)了70%，摩擦角度為37°。

2 松散堆積體圍巖加固后隧道穩(wěn)定性的確認(rèn)過(guò)程

松散堆積體土層的力學(xué)參數(shù)已經(jīng)獲悉，在進(jìn)行實(shí)際開(kāi)挖前，還應(yīng)對(duì)松散堆積體圍巖加固后隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。具體方式為：第一，本文選用施工案例的松散堆積體土層結(jié)構(gòu)分為碎石土層與強(qiáng)風(fēng)化玄武巖層。其中堆積體土層的總厚度超過(guò)了40 m，隧道預(yù)期埋深為25 m。根據(jù)工程方案，決定使用三臺(tái)階、預(yù)留核心土法混合施工的方式進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。第二，經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算，開(kāi)挖進(jìn)度只需達(dá)到1 m，隧道掌子面前探達(dá)到4 m即可滿足要求。第三，在隧道拱頂處環(huán)繞120°的范圍內(nèi)通過(guò)超前加固方式，注入加固漿液，暫定圍巖加固區(qū)的厚度應(yīng)該達(dá)到2 m。第四，對(duì)地層、二襯、加固圈(2 m厚度)等進(jìn)行單元模擬后，得出的隧道穩(wěn)定性參數(shù)如表1所示。經(jīng)過(guò)超前加固注漿處理后，得出的隧道部位前后變形對(duì)比值為：拱頂處在超前加固前的變形值為-52.7 mm，加固后為-38.7 mm；左側(cè)拱腰超前加固前的變形值為-33.8 mm，加固后為-24.9 mm；右側(cè)拱腰加固前的變性質(zhì)為-32.8 mm，加固后為-24.3 mm；隧道底部超前加固前的變形值為30.8 mm，加固后為28.7 mm；水平收斂超前加固前的變性質(zhì)為35.7 mm，加固后的變性質(zhì)為32.8 mm。由此可以判定，如果沒(méi)有進(jìn)行穿越松散堆積體的圍巖加固處理，則隧道開(kāi)挖過(guò)程中，拱頂處將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的沉降變形，隧道底部和水平收斂處將會(huì)出現(xiàn)凸起，從而嚴(yán)重影響工程安全。總體來(lái)看，采用超前加固注漿的方式，能夠?qū)Τ两底冃纹鸬搅己米饔茫粚?duì)凸起變形能夠產(chǎn)生微弱的影響，但幅度不大。

表1 隧道穩(wěn)定性參數(shù)表

3 穿越松散堆積體圍巖加固與隧道施工技術(shù)的優(yōu)化過(guò)程

3.1 優(yōu)化施工過(guò)程簡(jiǎn)述

在檢測(cè)隧道穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)時(shí)采用了“三臺(tái)階+預(yù)留核心土法”的施工方式，在穿越松散堆積體對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理后，進(jìn)行隧道開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，可以在此種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，具體流程為：第一，進(jìn)一步調(diào)整超前支護(hù)的方案。可以將支護(hù)范圍調(diào)整至拱部環(huán)向120°，使用4.5 m的φ42 mm×4 mm的熱軋無(wú)縫鋼管，其打射范圍即為拱部120°。此外，環(huán)向間的距離應(yīng)該控制在30 cm，沿著縱向搭接的長(zhǎng)度需要控制在1.5 m左右。打射上仰角的范圍也應(yīng)該予以注意，最大不能超過(guò)15°，最小不能低于5°。不僅如此，配比超前注漿材料時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格控制漿液的水灰比。通常情況下應(yīng)該保持在1∶1的比例。常見(jiàn)的添加劑可以選用減水劑或是高分子聚合物，當(dāng)注漿壓力達(dá)到2 MPa左右時(shí)，停止注漿。第二，在上臺(tái)階的弧形導(dǎo)坑處開(kāi)挖，每次的進(jìn)尺應(yīng)該控制在1 m左右，但最低不能低于0.8 m。第三，在上臺(tái)階核心處進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，核心土的長(zhǎng)度最低為0.5 m，最高為1.0 m。第四，在中臺(tái)階處開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖進(jìn)尺應(yīng)該與上臺(tái)階弧形導(dǎo)坑處保持一致；下臺(tái)階處同樣如此。第五，當(dāng)初期支護(hù)完全閉合后，必須立刻開(kāi)展仰拱、二次襯砌作業(yè)。需要注意的是，二次襯砌與掌子面之間的最大距離必須控制在50 m以下。

3.2 超前注漿加固的實(shí)際效果

對(duì)試驗(yàn)斷面進(jìn)行超前注漿加固作業(yè)時(shí)，得出的實(shí)際結(jié)果如下：

實(shí)驗(yàn)斷面A的預(yù)期注漿值為7.6 m3，實(shí)際注漿值為12.8m3；預(yù)期的終止壓力為2 MPa，實(shí)際終止壓力為1.1 MPa，超前注漿與開(kāi)挖工序的銜接時(shí)間為8 h。

實(shí)驗(yàn)斷面B的預(yù)期注漿值為7.6 m3，實(shí)際注漿值為16.3m3；預(yù)期的終止壓力為2 MPa，實(shí)際終止壓力為0.6 MPa，超前注漿與開(kāi)挖工序的銜接時(shí)間為9.7 h。

實(shí)驗(yàn)斷面C的預(yù)期注漿值為13.5 m3，實(shí)際注漿值為13.9m3；預(yù)期的終止壓力為2 MPa，實(shí)際終止壓力為2 MPa，超前注漿與開(kāi)挖工序的銜接時(shí)間為3.2 h。

實(shí)驗(yàn)斷面D的預(yù)期注漿值為13.5 m3，實(shí)際注漿值為14.8m3；預(yù)期的終止壓力為2 MPa，實(shí)際終止壓力為1.9 MPa，超前注漿與開(kāi)挖工序的銜接時(shí)間為3.5 h。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)測(cè)算結(jié)果顯示，采用優(yōu)化后的超前注漿工藝對(duì)松散堆積體的圍巖進(jìn)行加固處理，如果能夠?qū)⒆{加固圈的厚度取值保持在2 m左右，則松散堆積體自身較為劣質(zhì)的土質(zhì)特性將不會(huì)對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程造成影響。換言之，圍巖加固圈一旦達(dá)到2 m(最低1.5 m)左右，說(shuō)明穿越松散堆積體的圍巖加固作業(yè)達(dá)到了效果。