超前周邊注漿技術在軟弱圍巖中的應用研究★

李 朋 亮

(中鐵二十二局集團有限公司，北京 100043)

0 引言

軟弱圍巖作為不良地質條件，增加了隧道施工的安全風險，我國在隧道軟弱圍巖的施工過程中積累了一定的經驗，如：劉宗族[1]、馬曉文[2]、張安俊[3]對軟弱圍巖施工過程中的超前地質預報、監控量測及效果進行了描述及研究；姜春亮[4]、陳祥林[5]、郭軍[6]、李茂有等[7]對軟弱圍巖的等級描述和采用超前錨桿支護、超前小導管及超前管棚等技術進行了描述及研究；岳紀強[8]、牟新偉等[9]通過建立有限元模型或施工方案數值模擬研究的方法對相應的支護方式在軟巖中各類工況的變化進行了研究。綜上所述，由于軟弱圍巖存在地質變化復雜，支護形式多樣的特點，在通常情況下根據超前地質預報進行地質預判、監控量測手段進行支護穩定性判定后采用相應的超前支護形式等措施即可解決施工過程中存在的問題，但在軟弱圍巖施工過程中同時還存在富水、淺埋、偏壓等地質情況時，需采取超前注漿的方式，對圍巖采取擠密、止水封閉、固結等措施，將圍巖的穩定性控制在可控范圍之內方可進行開挖施工。本文以哈牡客專愛民隧道為基礎，對復雜地質情況下的軟弱圍巖注漿技術及效果評定進行了研究。

1 工程和地質概況

1.1 工程概況

哈牡客運專線愛民隧道為單洞雙線隧道，全長2 940 m，其中暗挖段長1 890 m，暗挖段埋深3 m～60 m，具有淺埋、富水、偏壓、巖體破碎，砂泥巖互層等特點，Ⅴ級～Ⅵ級圍巖占隧道暗挖段的74.1%。被鐵路總公司評定為哈牡客專唯一一條極高風險隧道，定為全路極高風險重點監控隧道之一。

1.2 地質概況

隧道地質結構以玄武巖、全風化巖、砂巖、泥巖、全風化巖層為主；且開挖揭示巖性接觸關系復雜；玄武巖、泥巖全風化層強膨脹性。根據設計文件及超前地質預報顯示，地下水水位高于隧道設計拱頂15.5 m～22 m，拱頂巖體破碎，易掉塊、塌方、變形；易突水涌泥、塌方，甚至冒頂。

2 超前注漿設計及標準要求

注漿設計原則：設計按照“注漿滲透、劈裂、擠密”的注漿機理，對隧道開挖輪廓線外破碎圍巖層進行固結、止水、加固，形成穩定的加固圈，保證主洞開挖及結構安全。

2.1 注漿范圍

按照每循環長30 m，開挖縱深27 m，預留3 m作為止漿巖盤進行注漿。注漿孔按照終孔斷面長30 m和補充斷面長17 m設置，其中，終孔斷面孔間距不大于4.5 m。漿液擴散半徑3 m，徑向加固開挖面及開挖輪廓線外5 m范圍，見圖1。

2.2 注漿工藝

注漿工藝在隧道施工過程中存在多種形式[10-12]，本次采用鉆桿前進式分段注漿和后退式分段注漿相結合的施工工藝。

1)前進式分段鉆孔注漿:根據地質情況，施工采用多功能地質鉆機開2 m深φ150 mm的孔，布設2 m長φ127 mm的孔口管，在孔口管鉆設φ115 mm的孔進行注漿施工。

2)鉆桿后退式注漿:每循環先鉆孔至設計深度，然后按照邊后退鉆桿邊注漿的方法進行退桿注漿，鉆桿后退至距止漿墻6 m～8 m時安裝孔口管，對剩余段落進行壓蓋注漿。

2.3 注漿材料

通過現場地質勘察情況和單位時間內出水量相結合，現場注漿材料采用以硫鋁酸鹽水泥單液漿為主，普通水泥—水玻璃雙液漿為輔的漿液。選取材料為：硫鋁酸鹽水泥(42.5)；普通硅酸鹽水泥(42.5)；水玻璃(濃度：40Be′)，模數：2.4～2.8。漿液配比參數如表1所示。

表1 漿液配比參數表

2.4 注漿參數

注漿參數見表2。

表2 注漿參數表

2.5 注漿順序

按發散—約束型注漿采取“先外后內，自下而上、間隔跳孔”原則進行。即先跳孔施工A孔單序孔和B孔雙序孔，再施工A孔雙序孔、B孔單序孔，最后施工C孔，如圖2所示。

第一步：施工A孔單序孔；第二步：施工B孔雙序孔；第三步：施工A孔雙序孔；第四步：施工B孔單序孔；第五步：施工C序孔。

2.6 注漿施工要求

單孔注漿壓力達到設計數值并保持穩定后，維持5 min～10 min，結束注漿。單孔注漿量達到設計值的1.5倍但壓力仍未達到設計要求時，可對漿液凝結時間進行調整，以使注漿壓力達到設計數值。所有注漿孔均滿足設計注漿要求且無漏注現象后結束注漿。

2.7 注漿效果檢查

根據注漿分布和施工記錄情況，取薄弱環節設檢查孔，檢查孔應無涌泥、涌砂，不塌孔，滲水量應小于0.2 L/min或小于設計值，否則應予補注。

3 注漿效果評定

循環注漿效果評定采用分析法和檢查孔法。

3.1 分析法

1)以各注漿孔單孔注漿量為基礎，以注漿量隨時間變化繪制變化效應圖進行分析。

a.根據注漿量及加固體體積反算漿液填充率。

b.根據注漿量橫斷面分布圖與鉆孔揭示的地質情況進行比較，通過評判是否符合地層地質情況變化規律以驗證注漿效果。

c.根據地層注漿量隨時間變化情況進行評判，以單孔注漿量明顯減少，判斷孔隙率逐漸降低，地層固結密實為標準，達到注漿滲透、擠密巖層的作用。

2)通過記錄注漿過程中注漿量和注漿壓力隨注漿時間變化情況，繪制p—q—t曲線進行注漿情況分析，主要表現為以下三種形式。

圖3為注漿前期的p—q—t曲線。如圖3所示，先序注漿的B3，B4，B9，B16等孔注漿，在注漿初期在基本沒有注漿壓力的情況下以注漿流量為80 L/min進行注漿，隨著漿液在松散巖層中不斷填充，注漿壓力逐步達到或超過設計數值，表明松散地層被逐漸擠密。

圖4為注漿中期的p—q—t曲線。如圖4所示，A2，A4，A6，A8等中期注漿孔，在進行前期注漿后，巖層雖然達到了一定程度的擠密效果，但仍有部分地段存在空隙，因此中期初始注漿流量約為60 L/min～70 L/min。隨著注漿壓力逐漸達到設計值時，巖層空隙地層逐漸被壓實。

圖5為注漿后期的p—q—t曲線。如圖5所示，后期注漿的C2，C4，C6等孔注漿，通過兩個階段的注漿，巖層逐漸被擠密壓實，地層吸漿能力明顯減弱，后期初始注漿量明顯減小但注漿壓力已達到1.5 MPa，隨著巖層空隙逐步被擠壓密實，注漿流量迅速減少但壓力迅速上升，表明巖層被劈裂擠密壓實到一定程度。

通過上述三個階段的p—q—t曲線分析可以看出，隨著注漿量的增加，注漿壓力逐漸增大，軟弱巖層的空隙被逐漸由擠密到壓實再到劈裂擠密壓實，曲線顯示與注漿量分布基本與地層變化規律一致，由此可見注漿效果達到了設計要求。

3.2 鉆孔檢查法

現場分布4個檢查點，對注漿后的巖層進行鉆孔取芯，通過對芯樣的判定，為注漿后效果評定和下一步開挖施工提供依據，見表3。

表3 現場鉆孔情況表

通過對4個檢查孔的芯樣檢查結果判定，注漿后巖層密實、干燥，渣樣中含漿明顯，且檢查孔出水量均符合設計要求，結論如下：

通過檢查孔鉆心取樣檢查注漿后地質情況與注漿量分布基本一致，檢查孔鉆孔過程中沒有出現出水或滲水現象，渣樣固結密實且完整性較好，注漿效果滿足設計要求。表明注漿對軟弱圍巖起到了很好的擠密加固作用。

3.3 開挖觀察

對掌子面開挖情況揭示，開挖暴露部分巖層注漿痕跡清晰，軟弱巖層固結密實，掌子面干燥，注漿巖層止水效果明顯，以此判斷，注漿效果達到了設計要求，滿足施工需要。

4 結語

根據軟弱圍巖地質情況，采用超前周邊注漿設計及注漿工藝措施的控制，通過分析法和鉆孔取樣檢查法對注漿效果進行判定，并經過現場實際開挖掌子面情況驗證，按照“注漿滲透、劈裂、擠密”的注漿機理進行設計和施工，注漿加固、堵水效果達到預期的設計目的。降低了施工風險，滿足施工要求，對今后在富水、淺埋及偏壓等條件下的軟弱圍巖的施工具有一定的借鑒意義。