淺埋大斷面隧道黃土地層注漿預(yù)加固技術(shù)應(yīng)用

朱麗剛

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063030）

濕陷性黃土的滲水性和壓縮性較強(qiáng)， 一旦遇水浸濕后， 土質(zhì)圍巖堅(jiān)硬程度急劇減降低， 土體易出現(xiàn)變形、坍陷和滲漏等病害［1］。 在我國西北地區(qū)建設(shè)的公路或鐵路隧道不可避免穿越黃土軟弱圍巖富水區(qū)域，當(dāng)淺埋大斷面隧道防滲水效果較差時(shí)， 如果大量的地表水和地下水通過隧道周邊圍巖縫隙和孔隙等通道流入或滲入隧道，會(huì)對隧道結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

為防止淺埋地段大斷面黃土公路隧道地表沉降及圍巖變形，施工中大多選擇雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔墻法、三臺(tái)階預(yù)留核心土工法等施工方法，并結(jié)合帷幕注漿、超前小導(dǎo)管注漿、隧道環(huán)向注漿等方法［2］抑制隧道圍巖拱頂出現(xiàn)較大不規(guī)則沉降，防止隧道出現(xiàn)水平方向的較大位移，但這些方法不能有效規(guī)避地表沉降［3-5］。 目前研究人員大多選取軟弱圍巖中小斷面隧道進(jìn)行地表注漿分析，對長距離濕陷性黃土大斷面淺埋隧道地表垂直預(yù)注漿加固技術(shù)研究較少。

本文以國道G309 線炸山嘴隧道工程為背景，采用MIDAS GTS 軟件研究采用地表垂直預(yù)注漿加固技術(shù)前后濕陷性黃土大斷面淺埋隧道的拱頂位移、 塑性區(qū)和地層滲流速度的變化， 以驗(yàn)證地表垂直預(yù)注漿加固技術(shù)的可靠性和安全性。

1 工程概況

國道G309 線固原至西吉公路炸山嘴隧道位于寧夏西吉縣，海拔超過2 011 m。設(shè)計(jì)為雙線公路隧道。左線隧道起止里程是ZK23+533.91—ZK24+817.29，總長約1 283.38 m； 右線隧道起止里程是YK23+052.11—YK24+801.12，總長約1 749.01 m。拱頂埋深較淺，局部拱頂埋深不超過15 m，最淺埋處僅為10 m。 圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，開挖寬度為12.3 m，高度為9 m，斷面面積約為120 m2。

隧道所在的六盤山山脈呈南北走向，東南方向地勢較低緩，西北方向較陡峭，山脊高程為2 011～2 215 m。隧道兩端出口區(qū)域的地勢較低， 隧道中間區(qū)域地勢較高。 勘測后發(fā)現(xiàn)隧道所處區(qū)域的地質(zhì)巖土層大多為沖洪積巖土層、風(fēng)積黃土層、泥巖層、細(xì)砂質(zhì)泥土巖層、砂礫巖層及泥砂巖層，結(jié)構(gòu)較松散，滲透性較強(qiáng)，孔隙率較大，軟弱基巖中裂隙水、地表水和地下水的滲流作用明顯。

每年1~5 月和10~12 月， 隧道進(jìn)口左側(cè)有部分地表水順著圍巖裂隙和孔隙滲透涌出， 涌水量約為3.1～5.2 m3/d，每年6~9 月地表水常在地表沖溝處匯集成季節(jié)性溪流。

2 隧道地表垂直預(yù)注漿加固范圍及三維有限元模擬分析

2.1 預(yù)注漿加固區(qū)間范圍

隧道Y23+091—121、Y23+272—309 和Y23+413—438 區(qū)間地質(zhì)情況基本相同， 如圖1 和圖2 所示采用地表垂直預(yù)注漿加固技術(shù)，在隧道中軸線兩側(cè)各11 m覆蓋范圍內(nèi)布設(shè)注漿區(qū)； 預(yù)注漿加固時(shí)與隧道掘進(jìn)外輪廓線保持距離約為0.5 m； 在垂直于隧道中軸線的橫向區(qū)域， 確保隧道邊墻外側(cè)預(yù)注漿加固范圍與邊墻最外側(cè)輪廓線有0.5 m 的覆蓋區(qū)域，確保仰拱底以下0.3 m、拱頂以上0.8 m 區(qū)域內(nèi)注漿覆蓋。

圖1 預(yù)注漿加固橫斷面布置圖

圖2 地表垂直預(yù)注漿加固俯視圖

2.2 模型構(gòu)建及關(guān)鍵參數(shù)

采用MIDAS GTS 軟件構(gòu)建隧道Y23+413—438 區(qū)間的三維有限元模型（圖3 和圖4），按工程項(xiàng)目實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隧道區(qū)間斷面（埋深10~15 m，長25 m，寬60 m）。模型頂部水平地表面為自由面， 垂直面為側(cè)面約束方式，底部邊界為固定約束方式。 根據(jù)炸山嘴隧道的地質(zhì)勘測情況，圍巖的關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 圍巖的關(guān)鍵參數(shù)

圖3 注漿加固隧道三維有限元模型

圖4 未注漿加固隧道三維有限元模型

2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

隧道內(nèi)掘進(jìn)作業(yè)時(shí)， 地表垂直預(yù)注漿加固前、后拱頂沉降云圖如圖5 和圖6 所示。 由圖5和圖6 可知，在沒有進(jìn)行注漿加固的情況下，隧道拱頂最大沉降值是41.8 mm； 進(jìn)行注漿加固以后，隧道拱頂最大沉降值為 22.5 mm。地表垂直預(yù)注漿加固對隧道開挖導(dǎo)致的變形得到明顯控制。

圖5 地表垂直預(yù)注漿加固前隧道拱頂沉降云圖

圖6 地表垂直預(yù)注漿加固后隧道拱頂沉降云圖

2.4 地層中流速分析

采用MIDAS GTS 軟件計(jì)算隧道地表垂直預(yù)注漿加固前、后的地層滲流速度如圖7 和圖8 所示。

圖7 預(yù)注漿加固前地層滲流速度

圖8 預(yù)注漿加固后地層滲流速度

由圖7 和圖8 可知： 預(yù)注加固前隧道周邊的地表水和地下水的滲透水頭逐漸減小， 預(yù)注漿加固后地表水和地下水的滲流速度明顯減小， 有效抑制了大涌水現(xiàn)象的出現(xiàn)； 證明隧道地表垂直預(yù)注漿加固的止水作用效果較好。

3 地表垂直預(yù)注漿加固施工工藝

隧道地表垂直預(yù)注漿加固施工流程如圖9 所示。

圖9 隧道地表垂直預(yù)注漿加固施工流程

1）孔位測放。施工現(xiàn)場完成“三通一平”作業(yè)后，依據(jù)施工方案和設(shè)計(jì)要求， 技術(shù)人員標(biāo)注需要預(yù)注漿加固的孔位。 預(yù)注漿加固孔縱橫間距為2 m，采用梅花形布置形式。

2）鉆孔。 根據(jù)標(biāo)注的預(yù)注漿加固孔位，選取地質(zhì)鉆機(jī)垂直對準(zhǔn)地面上的預(yù)注漿加固孔位鉆孔，要求鉆孔垂直度誤差小于1/150，鉆孔孔位水平誤差小于50 mm。

3）安裝注漿管和止?jié){閥。鉆孔結(jié)束后，將鉆桿垂直退出，朝下放置外直徑為90 mm 的無縫鋼管，一直到鉆孔底部位置， 再放置外直徑為50 mm、 壁厚為2.8 mm 的PVC 注漿花管，PVC 注漿花管尾部的預(yù)留止?jié){段長2 m，PVC 注漿花管上設(shè)置的注漿孔間距為0.25 m，注漿孔的直徑為6 mm。

4） 注漿。采用地表定向大口徑深孔注漿技術(shù)［6］，注漿工序如圖10 所示。 注漿作業(yè)時(shí)，遵循先外部注漿后內(nèi)部注漿、間隔跳孔注漿的要求逐步施作，在施工區(qū)外部區(qū)域完成注漿孔注漿，完成外部約束圈后，再從外向內(nèi)、不連續(xù)地跳孔注漿施工。

圖10 地表定向大口徑深孔注漿工序

5） 結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)單孔單段注漿壓力滿足設(shè)計(jì)終壓4~6 MPa，且可維持5~10 min 時(shí)，停止對此孔注漿，若實(shí)際注漿量為原設(shè)計(jì)注漿量的1.5 倍，注漿壓力不符合設(shè)計(jì)的最終壓力，應(yīng)馬上調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間。如果注漿壓力滿足最終壓力，結(jié)束注漿操作。如果所有注漿孔都符合單孔注漿要求，且未出現(xiàn)漏注，則完成全部注漿作業(yè)。

4 注漿效果分析

4.1 地表沉降

注漿后， 在施工現(xiàn)場依據(jù)工程測量規(guī)范（GB/T5026—2007）、 公路隧道施工監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程（DB13/T 5153—2019），采用南方DL-201 電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行沉降監(jiān)測。施測方法為：對監(jiān)測點(diǎn)和基點(diǎn)展開水準(zhǔn)聯(lián)測，從而得出測量時(shí)刻監(jiān)測點(diǎn)與基點(diǎn)之間高差，對比兩相檢測周期的高差就能夠知曉地表進(jìn)行垂直預(yù)注漿前后工況一致、隧道不同斷面的地表不均勻沉降情況，具體沉降的變化曲線如圖11 和圖12 所示。

圖12 地表垂直預(yù)注漿加固后隧道不同斷面的地表沉降曲線

由圖11 和12 可知：采用地表垂直預(yù)注漿加固前，在隧道掘進(jìn)時(shí)，地表沉降較大，經(jīng)4 d 監(jiān)測，隧道中線位置的地表累計(jì)沉降為108 mm， 距隧道中線8 m，地表累計(jì)沉降為59 mm；繼續(xù)掘進(jìn)作業(yè)，地表沉降繼續(xù)增大，第19 d 地表基本不再沉降，距隧道中線8 m，地表位置累計(jì)沉降為133 mm， 隧道中線的地表累計(jì)沉降為206 mm。 要求隧道掘進(jìn)后的地表沉降一般為100 ~200 mm， 未注漿的隧道地表沉降超出了規(guī)范要求，須采取注漿等措施嚴(yán)格控制隧道上方的地表沉降， 避免地表產(chǎn)生較大裂縫或塌陷等災(zāi)害。地表垂直預(yù)注漿后，隧道上部的地表沉降顯著減小，第16 d 地表基本不再沉降，隧道中線的地表累計(jì)沉降為101 mm，滿足要求。

4.4 圍巖物理力學(xué)參數(shù)變化

對注漿前后地表垂直預(yù)注漿加固區(qū)域內(nèi)的隧道相鄰斷面圍巖取樣，進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到隧道地表垂直預(yù)注漿前、 后相鄰斷面周邊圍巖物理力學(xué)參數(shù)的變化，如表2 所示。

表2 隧道地表注漿前、后相鄰斷面圍巖力學(xué)參數(shù)的變化

由表2 可知：通過地表垂直預(yù)注漿加固后，隧道周圍巖石的平均含水率由18.1%降至15.9%，平均密度、壓縮模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角等略有增加；證明采用地表垂直預(yù)注漿加固技術(shù)可以提高圍巖自身的密實(shí)度，圍巖整體完整性增大， 提高了隧道圍巖的阻水性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

以炸山嘴隧道工程為背景， 針對淺埋濕陷性大斷面黃土隧道在穿越富水區(qū)域施工過程中不易控制地表沉降、隧道穩(wěn)定性差、不易成拱、滲水嚴(yán)重等施工難題，采用Midas GTS 軟件建模并進(jìn)行數(shù)值分析和施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測。研究結(jié)果表明，淺埋濕陷性大斷面黃土隧道地表采取垂直預(yù)注漿加固工藝后， 可以在一定程度上抑制地表沉降，避免出現(xiàn)地表裂縫、坍陷、涌水和塌方等風(fēng)險(xiǎn)和病害。隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)顯著趨好，提高了圍巖自身的密實(shí)度和堅(jiān)硬程度， 極大提升了隧道結(jié)構(gòu)的阻水性與整體穩(wěn)定性，確保了隧道掘進(jìn)安全。

抑制淺埋地段大斷面黃土隧道地表沉降及防止圍巖變形的技術(shù)工序較繁瑣， 下一步研究可優(yōu)化施工工序，進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)論證，在確保施工質(zhì)量和作業(yè)安全的前提下，提高施工效率和經(jīng)濟(jì)效益。